专利名称：铁三铝基合金与钢的添加活性中间层的扩散焊工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及对铁三铝基合金与钢的焊接工艺，属于焊接技术领域。
背景技术：
通过添加活性中间层的扩散焊工艺实现铁三铝基合金和钢的焊接，这种方法尤其适用于耐热抗腐蚀条件下铁三铝基合金异种材料的焊接。
铁三铝基合金具有良好的抗氧化、耐腐蚀性以及较好的耐磨性，可以广泛应用于电力建设、石油化工、核电站等工程结构。将铁三铝基合金与碳钢、不锈钢进行焊接制成的复合结构，可以充分发挥两种材料各自的性能优势、大大提高结构和设备的使用寿命。但是由于铁三铝基合金硬度高、塑性较差，有较强的氢脆敏感性，加之铁三铝基合金与钢的热物理性能差异较大，焊接时在接头区域形成较大的焊接应力，很容易产生焊接裂纹，阻碍了铁三铝基合金的推广应用。
目前，国内外有关铁三铝基合金的焊接主要采用电子束焊和钨极氩弧焊。采用电子束焊时，由于焊接过程是在真空中进行，抑制了氢的有害作用，并且集中的高能量输入使焊接熔合区组织有所细化，可以避免焊接裂纹的产生，但这种方法不适用于大厚度工件。采用钨极氩弧焊时，合金成分和焊接工艺参数对铁三铝基合金焊接接头的组织性能有较大的影响。只有含Cr4.45％、Nb1.0％的铁三铝基合金，在严格控制焊接速度(v＝4.2～8.5mm/s)和焊接线能量的条件下，采用严格的焊前预热、焊后缓冷等工艺措施才能避免焊接裂纹的产生，故适应范围受限。
发明内容本发明针对现有技术的不足，提供了一种适应范围广，可获得界面结合良好的焊接接头、使扩散焊接头的剪切强度达到260MPa，满足铁三铝基合金与碳钢、不锈钢扩散焊接头在耐磨、耐腐蚀场合中的使用要求的铁三铝基合金与钢的添加活性中间层的扩散焊工艺。
本发明工艺步骤如下
在焊前将铁三铝基合金与钢的待焊表面经过机械和化学处理；铁三铝基合金与钢之间添加活性中间层；将焊件装配好置于真空室中；扩散焊工艺参数为真空度为4.5×10-5～1×10-3Pa，焊接压力10～16MPa、焊接温度980～1100℃、保温时间25～60min。
所述的活性中间层为金属箔，厚度为10～160μm。
所述的金属箔为纯度大于99％钛箔或铌箔。
焊前将活性中间层夹放在铁三铝基合金与钢工件之间，置于真空扩散焊的真空室中，并用上、下夹头压紧。
本发明提出对铁三铝基合金与钢的焊接，采用添加以金属箔为活性中间层的扩散焊工艺。该活性中间层在焊接过程中会起到活化铁三铝基合金与钢的扩散焊接触表面，使之发生Al的扩散反应并促进Al原子的扩散，确保铁三铝基合金与碳钢、不锈钢的良好结合。此外，在扩散焊条件下，活性中间层产生Ti、Nb等活性原子，迅速向铁三铝基合金与钢中进行扩散，以促进铁三铝基合金与钢界面之间的扩散结合。
本发明采用含Ti、Nb元素的金属箔作为活性中间层，它们的活化温度范围低于铁三铝基合金、碳钢和不锈钢的软化温度。扩散焊时，活性中间层金属箔片首先发生活化反应，分解出Ti、Nb等活性原子并迅速扩散到铁三铝基合金和钢的扩散焊接触表面。这一活化过程一方面激活铁三铝基合金和钢扩散焊接触表面的Al、Fe原子，另一方面活性原子Ti、Nb与铁三铝基合金和钢界面处的Al、Fe原子发生扩散反应，生成新的物相结构。活性原子Ti、Nb在铁三铝基合金和碳钢、不锈钢之间形成的扩散反应层，有利于促进铁三铝基合金和钢形成良好的扩散结合，提高扩散焊接头的强度性能。
在焊前将活性中间层钛箔或铌箔夹放在铁三铝基合金与钢工件之间，置于真空扩散焊的真空室中，并用上、下夹头压紧。可以减小铁三铝基合金、活性中间层与钢之间的微观间隙，增大铁三铝基合金和钢的接触面积，促进Ti、Nb与铁三铝基合金和钢界面处的Al、Fe原子扩散，有利于扩散反应的不断进行，提高扩散焊界面的结合强度。
采用本发明给出的活性中间层和工艺参数得到的扩散焊接头，其显微硬度为HM450，剪切强度达到260MPa，明显高于铁铝基合金与钢直接扩散焊所得接头的强度(96MPa)。能够满足铁三铝基合金与碳钢、不锈钢扩散焊接头耐磨、耐腐蚀性场合的使用要求。
本发明提出的添加活性中间层的扩散焊工艺在铁三铝基合金异种材料焊接方面是一个重要的突破。该焊接工艺可以确保铁三铝基合金与钢界面的充分扩散结合，活性中间层中的Ti、Nb活性原子活化、分解并连续扩散到铁三铝基合金与钢的接触表面，有效解决了铁三铝基合金与碳钢、不锈钢之间难以扩散结合的技术难题，提高了铁三铝基合金与钢扩散焊接头的强度性能。本发明具有操作方便，便于推广应用等优点。尤其适用于铁三铝基合金和碳钢、不锈钢的焊接，也可应用于铁三铝基合金和其他低合金钢、耐热钢的焊接。
具体实施方式
实施例1工艺步骤为将纯度＞99％的钛通过压制方法制备成厚度为20μm钛箔；将直径φ50×2mm的碳钢表面进行酸洗8min，然后用砂纸打磨至出现金属光泽后放入丙酮溶液中浸泡10min，再将直径φ50×3mm的铁三铝基合金和经丙酮浸泡后的碳钢表面用酒精进行擦洗；将制备好的活性中间层厚度为20μm钛箔夹放在铁三铝基合金和碳钢的待焊接触面上；然后将夹有活性中间层的铁三铝基合金与碳钢组合件置于真空扩散焊的真空室中，并用上、下夹头压紧，要求整个组合焊件与压头的接触表面平行。扩散焊的工艺参数为真空度4.5×10-4Pa、焊接温度1050℃、保温时间40min，焊接压力14.5MPa，焊后缓慢冷却。使扩散焊接头剪切强度达210MPa。
实施例2工艺步骤为将纯度＞99％的铌通过压制方法制备成厚度为10μm铌箔；将试板尺寸为100mm×40mm×5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢表面进行酸洗5min，然后用砂纸打磨至出现金属光泽后放入丙酮溶液中浸泡10min，再将尺寸为100mm×40mm×5mm的铁三铝基合金和经丙酮浸泡后的不锈钢表面用酒精进行擦洗；将制备好的活性中间层厚度为10μm铌箔夹放在铁三铝基合金和不锈钢的待焊接触面上；然后将夹有活性中间层的铁三铝基合金与不锈钢组合件置于真空扩散焊的真空室中，并用上、下夹头压紧，要求整个组合焊件与压头的接触表面平行。扩散焊的工艺参数为真空度4.5×10-4Pa、焊接温度1030℃、保温时间35min，焊接压力13.5MPa，焊后缓慢冷却。使扩散焊接头剪切强度达260MPa。
权利要求
1.一种铁三铝基合金与钢的添加活性中间层的扩散焊工艺，工艺步骤如下在焊前将铁三铝基合金与钢的待焊表面经过机械和化学处理，铁三铝基合金与钢之间添加活性中间层，将焊件装配好置于真空室中，扩散焊工艺参数为真空度为4.5×10-5～1×10-3Pa、焊接压力10～16MPa、焊接温度980～1100℃、保温时间25～60min。
2.根据权利要求1所述的铁三铝基合金与钢的添加活性中间层的扩散焊工艺，其特征在于，所述的活性中间层为金属箔，厚度为10～160μm。
3.根据权利要求2所述的铁三铝基合金与钢的添加活性中间层的扩散焊工艺，其特征在于，所述的金属箔为纯度大于99％钛箔或铌箔。
4.根据权利要求1所述的铁三铝基合金与钢的添加活性中间层的扩散焊工艺，其特征在于，焊前将活性中间层夹放在铁三铝基合金与钢工件之间，置于真空扩散焊的真空室中，并用上、下夹头压紧。
全文摘要
铁三铝基合金与钢的添加活性中间层的扩散焊工艺涉及对铁三铝基合金与钢的焊接工艺，属于焊接技术领域。工艺步骤如下在焊前将铁三铝基合金与钢的待焊表面经过机械和化学处理；铁三铝基合金与钢之间添加活性中间层；将焊件装配好置于真空室中；扩散焊工艺参数为真空度为4.5×10
文档编号B23K20/14GK1559740SQ20041002349
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月25日 优先权日2004年2月25日
发明者李亚江, 王娟, 张永兰, 刘鹏 申请人:山东大学