【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及焊接，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。
技术介绍
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
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，本专利技术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，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，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、金属铁粉和耐磨陶瓷粉的混合粉，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。
3.根据权利要求1或2所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，所述步骤3中，对铸铁类待焊钢材、承受静压载荷、塑韧性本身较低的待焊钢材，
6.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速TLP扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.采用非金属中间层的钢材快速tlp扩散焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速tlp扩散焊方法，其特征在于，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、金属铁粉和耐磨陶瓷粉的混合粉，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。
3.根据权利要求1或2所述的采用非金属中间层的钢材快速tlp扩散焊方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的采用非金属中间层的钢材快速tlp扩散焊方法，其特征在于，所述步骤2中加热方式...
【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，泮思赟，王宗科，江馨，畅海丞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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