采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法

本发明涉及焊接，具体涉及一种当任一母材为弧焊可焊性差的中碳钢或高碳钢时，采用小原子半径非金属中间层的钢材快速tlp扩散焊方法。

背景技术：

1、碳含量本身较高或碳当量较高的钢材，包括中碳钢、中碳合金钢、铸铁、铸钢、高碳钢与某些碳当量较高的低合金高强钢，电弧焊可焊性差，主要表现为焊缝(wm)与热影响区(haz)均易出现淬硬组织与冷裂纹。即使采用低匹配焊丝即焊丝强度低于母材，热影响区因淬硬组织、热应力、扩散氢三因素导致出现冷裂纹的风险依旧很大。以35钢与45钢为例，采用高效co2焊时既容易出现冷裂纹，又容易出现热裂纹(皆元明宏：マグ溶接に関するq&a.溶接技術,2001,49(7):93-96)。作为冷裂纹的对策，虽然co2焊比焊条电弧焊具有抑制氢溶入焊缝的能力，但仍须要进行预热、后热。热裂纹的原因在于，当co2焊使母材熔化较多，母材中的碳向焊缝中心聚集，沿中心凝固线分布，在收缩应力作用下易形成热裂纹。这种热裂纹并不能通过预热与后热防止。作为热裂纹的对策，为减小母材的熔深与熔宽，应采用小电流短弧焊接，即需采用复杂的“预热+小电流短弧焊+后热”的焊接工序，以及多层多道焊接。可见对于母材之一为可焊性差的中碳钢或高碳钢的电弧焊工况，包括中碳钢/中碳钢电弧焊、高碳钢/高碳钢同种钢材电弧焊，以及低碳钢/中碳钢、低碳钢/高碳钢的异种钢材的电弧焊，尤其对于中碳钢的大面积焊接，例如电解铝所用的已腐蚀变细中碳钢爪(直径范围在50mm～170mm)的电弧焊修复，存在冷裂风险大、效率很低(预热+缓冷)、弧光飞溅、操作条件酷热的问题，亟需寻求新的高效简易的焊接方法替代电弧焊。

2、另一方面，为提高低碳钢表面的硬度与耐磨寿命，常须先在奥氏体状态的高温下进行长达数小时的渗碳，然后再进行淬火或淬火+回火处理，其中的控制性工序渗碳工艺存在耗能高、耗时长、效率低等问题。为了在低碳钢表面硬化工艺中省去耗能高、耗时长的渗碳工序，采用市售耐磨性好、硬度高的中碳钢作为外表面材料，直接将市售中碳钢作为覆材与低碳钢作为基材，通过焊接技术制成“低碳钢/中碳钢”层状复合材料，以此快速解决低碳钢表面硬度低、耐磨性差的问题。

3、层状复合材料的制备本质是异种母材之间的搭接焊，需要那些适于大面积搭接焊的焊接技术。电弧焊由于可达性差与效率低，只适于对接焊(buttjoining)，并不适于大面积搭接焊(lapjoining)，因而也不适于复合材料的制备。电弧焊更不适于母材之一为中碳钢复合板的制备。关于低碳钢/中碳钢的大面积复合焊接技术，可选的焊接方法有熔焊之外的钎焊与固相焊(扩散焊、爆炸焊、轧制焊等)方法。

4、可见，无论“中碳钢/中碳钢”的焊接，还是“低碳钢/中碳钢”的复合板的制备，均需熔焊之外的高强、高效焊接方法。作为熔焊之外的高强高效焊接方法主要有爆炸焊、轧制焊、过渡液相扩散焊(tlp：transient liquidphase bonding)三种固相焊接方法。其中，前两种(爆炸焊、轧制焊)是目前工业界主要应用的大面积复合板制备方法。爆炸焊复合在工件尺寸、形状方面受到一些限制：由于爆炸焊存在边缘效应，边部的尺寸精度与界面接合难以保证，因此不适于细、长、窄、薄件的复合；不适于过薄的基板与基板/覆板厚度之比过小的工况(基/覆板间的界面相对变形变差，影响界面去膜)；不适于柱状工件端面与其他柱状工件端面或圆片复合；中高碳钢本身塑性变形能力差，存在因加工硬化导致开裂的风险性。

5、轧制焊复合技术存在耗能高、投资大的问题。

6、tlp焊接方法最初是美国为了消除ni基高温合金熔焊热裂纹研发的。而钢材的过渡液相扩散焊(tlp扩散焊)焊接技术问世于1990年代(张贵锋,张建勋.非晶态金属箔带作中间层的瞬间液相扩散焊焊管技术.焊接,2002,(2)：35-37)，最初由日本住友金属公司的小沟裕一开发，该技术曾获日本溶接学会的“田中龟久人赏”(小溝裕一,樫本文雄.鋼管のアモルフアス高速接合.溶接技術,1990,38(7):72-75)。其优点在于免开坡口，尤其是焊接时间短(2～3min；常用规范1200℃-3min)、效率高、可获得满意的接头抗拉强度和弯曲性能。日本已在电站锅炉钢管的检修中用tlp扩散焊技术代替手工焊条电弧焊，可大幅节约人力与时间成本。

7、国内外钢材tlp扩散焊所用中间层可分为两大类：一类是市售ni基中间层，如ni-si-b系的bni-2；ni-p系的mbf-60；另一类是应用者自行研发的各种fe基中间层。已报道的fe基中间层有两大类：一类为公开号为cn1394978a的专利申请文件，公开了瞬时液相扩散焊铁基非晶中间层合金，其主要成分为46fe-40ni-5.5cr-5.5si-3b，熔化范围在1050～1150℃，另一类为fe-33ni-3cr-5si-3b，熔化范围1190-1120℃(王学刚，严黔，李辛庚.双温工艺瞬时液相扩散连接45mnmob地质钻杆.焊接学报，2007,28(5):53-56)；后续有陈思杰报道的fe-9si-13b、fe-46ni-5cr-7si-7b中间层(陈思杰,井晓天,李辛庚.不同中间层tlp连接t91钢管的组织和性能.焊接学报,2006,27(2):77-80)，以及俞建荣等报道的fe-30ni-5si-6b-5cr-1mn，熔化范围在1100～1130℃(王磊,俞建荣,岳龙.x70管线钢的瞬时液相扩散焊接头组织与力学性能研究.电焊机,2005,107-109)。二是国外日本东京钎料公司研发的高cr型fe基钎料:fe-42ni-20cr-(10-12)(si,b)(toshi-taka ikeshoji,tatsuyatokunaga,akio suzumura,takahisayamazaki.brazing ofc/c composite andni-basedalloy using interlayer.proceeding ofijst,2013,49-50,osaka,japan.)。

8、理论上，只要保温时间足够长，无论市售ni基还是已报道fe基中间层用于钢材的tlp扩散焊最终都能实现等温凝固，从而获得固溶体化焊缝。但现有ni基或fe基中间层因降熔元素si、b含量较高导致脆性极大(特别是原子半径大的si因扩散慢而易残留于焊缝中心)，因此，现有钢材tlp扩散焊的缺点在于对间隙敏感，对端面平整度、装配与加压的垂直度要求苛刻，影响了实用性。只有在端面平整、装配平直的前提下，才能体现出其高效优势。否则，若局部间隙过大，则在此间隙较大的局部因等温凝固未能完全实现，导致间隙较大的局部出现残留的脆性相，接头塑性差，易于脆断。

技术实现思路

1、为了克服上述低碳钢渗碳工序、中碳钢电弧焊、钢材的fe基中间层tlp、钢材的ni基中间层tlp的缺点，本发明提出了一种采用小原子半径的非金属中间层的钢材快速tlp扩散焊方法，采用石墨作为中间层，利用石墨对钢材溶解迅速显著以快速实现钢材界面去膜与致密化，同时利用碳原子半径小、间隙扩散快、等温凝固时间短的特点，解决了现有钢材tlp扩散焊采用ni基、fe基中间层存在的对端面光洁度加工准备要求严、对装配间隙敏感、扩散慢、脆性大的问题，具有加工简洁、快速高效，可在数分钟内完成同种钢材之间的焊接与异种低/中碳钢的复合，实现冶金结合，对钢材表面加工与装配精度要求低、施工现场的实用性强、适用面广的特点。

2、采用非金属中间层的钢材快速tlp扩散焊方法，包括以下步骤：

3、步骤1：打磨、擦拭，清理第一待焊钢材1和第二待焊钢材2表面，将石墨中间层3预置于已清理的第一待焊钢材1和第二待焊钢材2界面之间，并施加压力0.2～3mpa，保证第一待焊钢材1、石墨中间层3、第二待焊钢材2各界面间紧密接触；

4、步骤2：加热石墨中间层3及第一待焊钢材1和第二待焊钢材2界面，加热温度在fe-c共晶温度之上，第一待焊钢材1和第二待焊钢材2的熔点之下，即1170-1300℃之间，加热中可采用内充惰性气体、co2气体形成局部密闭腔体，或采用钎剂qj102粉末或耐热材料包裹的保护方式；

5、步骤3：经过步骤2快速反应后，挤出fe-c共晶液相并保温3-20min，实现等温凝固，直至焊缝中的碳含量由焊前的100％降至与第一待焊钢材1或第二待焊钢材2中碳含量较高者一致即可；

6、步骤4：打磨掉被挤出焊缝的fe-c共晶凝固焊瘤，使外观平整。

7、所述步骤1中石墨中间层3可以为石墨纸或者石墨粉，也可以是石墨粉、金属铁粉和去膜钎剂粉的混合粉，石墨粉、金属铁粉、耐磨陶瓷粉和去膜钎剂粉的混合粉，还可以是石墨粉、金属铁粉、合金粉的混合粉或石墨粉、金属铁粉和陶瓷粉的混合粉，其中石墨粉与金属铁粉质量之比维持在0.05～0.1，其余耐磨陶瓷粉、金属粉任意添加量均可。

8、所述步骤1中，根据间隙大小可调整石墨中间层3的厚度，保证钢材与石墨能紧密接触。

9、所述步骤2中加热方式可以选择感应加热、炉中加热或石墨块体发热体加热。

10、所述步骤3中，对铸铁类待焊钢材、承受静压载荷、塑韧性本身较低的母材，可以省去等温凝固工序。

11、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

12、(1)以非金属石墨纸、石墨+金属混合粉为中间层的过渡液相扩散焊(tlp)方法代替坡口填充工作量大、有飞溅与弧光的电弧焊，对间隙大小适应能力强，可在3～10min完成低碳钢与其他异种钢材之间的高效复合与焊接，具有焊接效率高、去膜与润湿性优异、对端面准备要求低、冷速调控方便等优点，可解决中碳钢、高碳钢电弧焊存在淬硬与冷裂倾向强的问题。

13、(2)利用非金属石墨作为中间层，通过过渡液相扩散焊方法，通过易实现、重复性好的fe-c共晶快速反应生成共晶液相，填充所有界面间隙，在氧化膜随fe-c共晶液相挤出被带走后，快速实现去膜、润湿与界面致密化；再利用碳原子半径小、向母材中扩散快、等温凝固所需时间短的特征，经等温凝固后将焊缝中的碳含量利用扩散将至母材之一的碳含量水平；由此一并快速解决去膜、润湿、界面致密化、焊缝含碳量过高、焊缝脆化、接头脆化系列问题，降低了对表面加工光洁度与装配垂直度的苛求，在施工现场的实用性强。

14、(3)本发明的非金属中间层与fe基中间层相比，石墨中间层比fe基中间层经济，无需委托加工，容易随时购得；对fe基体溶解显著，去膜与润湿能力优异；作为唯一降熔元素的碳原子的扩散比si原子快，等温凝固所需时间短，可在短时间内显著降低焊缝内的脆性相，塑性达到接近母材的水平。

15、(4)在不同行业应用面极为广泛，包括：

16、电解铝用的中碳铸钢阳极钢爪的采用石墨中间层的tlp快速修复；车辆履带高mn铸钢的修复；在低碳钢表面利用以石墨为中间层的tlp技术复合中碳钢层，省去耗时耗能的渗碳工艺，改善低碳钢表面耐磨性；钢材磨损面的tlp修复；农工机具的升级换代(低碳钢/高mn钢的焊接或大面积复合)或断裂修复、磨损农工机具的tlp快速修复；高碳高锰钢轨的tlp对接；中碳合金钢起落架的tlp修复。

17、(5)与市售ni基中间层进行对比，石墨中间层的优点如下：

18、石墨中间层比ni基中间层价格低廉；石墨中间层具有更显著的溶解、更优异的界面去膜与润湿能力：利用fe-c共晶反应生成共晶液相，使钢材表面液化，并挤出共晶液相，从而容易随液相的挤出带走坚硬母材表面的氧化膜，对钢材基体的溶解能力强，具有优异的界面去膜与润湿能力；另外，在接头承压等要求较低的特殊情况下，允许c原子有一定残留量，甚至允许在液相挤出后不保温，因残留液相的成分接近铸铁的成分，硬脆程度低于ni-si-b系中间层，故允许有一定液相残留这种情况下，即使有液相残留，焊缝组织接近“铸铁”组织，仍具有一定的性能；

19、(6)石墨纸中间层材料的优点：石墨纸易于预置，厚度均匀；不会氧化，不用打磨；石墨粉易于添加其他金属粉末，适于大间隙与表面修复；接头成分与组织接近母材：按tlp原理，经共晶反应、等温凝固、成分均匀化后，接头成分与组织接近母材。由此避免了焊接区的局部硬化；在线调整冷速与组织，尽量抑制高碳马氏体占比。可在冷却过程中适当加热或设置冷却平台，依照钢材含碳量，对应延长t8/5、t8/3、t100，在线调控组织容易。

20、综上，本发明一方面替代中碳钢/中碳钢的电弧焊以省去预热与后热工序，另一方面利用在低碳钢表面复合中碳钢制备“低碳钢/中碳钢复合板”以省去低碳钢表面硬化所需的漫长渗碳工序，采用非金属中间层石墨，包括石墨纸、石墨粉的钢材快速tlp扩散焊方法，不仅可以用于同种钢材的焊接与修复，尤其是中碳钢与高碳钢的焊接，而且可以及其应用各类不同碳含量钢材之间的大面积复合、修复与焊接；同时，本发明提出的以非金属石墨为中间层的钢材tlp扩撒焊技术，适于低、中、高不同碳含量的各类结构钢、铸钢及铸铁，解决了现有钢材tlp扩散焊采用ni基、fe基中间层存在的对端面光洁度加工准备要求严、对装配间隙敏感即局部最大间隙超过临界间隙将导致残留脆性相、扩散慢、脆性大的问题，具有加工简洁、快速高效，可在数分钟内完成两者之间的复合焊接，实现冶金结合，适用面广的特点。