管道的瞬时液相扩散焊技术研究

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瞬时液相扩散焊(TLP)是一种高效快速的焊接方法,其具有焊接温度低,母材不熔化,可焊接异种材料,变形小,强度接近母材,高温性能好,设备投资及焊接成本低等特点。为将TLP焊接技术应用到油田管道的焊接中,论文根据管道常用钢16MnR的特点和中间层材料选择的原则,选用Ni60自熔性合金粉末和Fe-Si-B非晶箔片作为中间层进行TLP焊接,研究了TLP焊接接头显微组织和力学性能;中间层性质和焊接工艺参数对焊接接头显微组织及力学性能的影响;焊接接头区域的元素分布情况;焊接接头拉伸断口形貌特征;TLP焊接界面形成机制;并采用有限元软件ANSYS对焊接接头区域的温度场和应力场进行模拟。研究结果表明:采用Ni60合金粉末做中间层时,焊缝区域存在大量的空洞和夹杂,焊接接头的力学性能很差(抗拉强度不足80MPa),粉末材料的致密性差是造成焊接质量差的根本原因。采用Fe-Si-B非晶箔片做中间层时,通过正交试验优化,获得最佳焊接工艺参数(焊接温度1150℃,焊接压力6MPa,保温时间10min),焊接工艺参数对焊接接头质量的影响由主到次为:焊接温度,焊接压力和保温时间。焊缝缺陷主要是空洞和未熔合缝隙,拉伸断口呈现出解理、准解理、塑性断裂的形貌特征。电子探针分析表明:硼元素在焊缝附近的母材里均匀分布;硅元素的浓度分布呈从中间层向两侧母材逐渐下降的趋势,在焊缝附近区域存在偏聚;锰元素在焊缝两侧发生局部聚集。TLP焊接界面的形成过程包括熔化的中间层在母材表面润湿及铺展;氧化膜破碎;中间层与母材发生互扩散使界面及空洞消失;接头成分均匀化四个阶段。有限元模拟分析表明:焊接接头的残余应力主要产生在冷却的初始阶段,在靠近中间层两侧的母材附近残余应力的值较大,母材上的X轴向拉应力在外周边达到最大;采用中间过渡层焊接,可以缓解焊接接头应力的集中,有利于提高焊接接头的强度。
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