热处理对20钢TLP连接接头组织性能的影响

炎德国

瞬时液相扩散连接(Transientliquid-phasebonding，简称TLP)作为一种新型的焊接技术在近30多年来获得了广泛的应用。其原理是将一成分和熔化温度较低的中间层合金(厚度2.5～100μm)放置于装配好的工件间，并施加一定的压力，然后在真空或惰性气体的保护下加热到连接温度(1100～1250℃)。在连接温度下中间层首先熔化，润湿母材，在工件的配合面之间形成液体。当工件在连接温度下保温时，中间层中降低熔点的元素快速扩散到母材金属中，使母材的熔点降低，并发生瞬时熔化；同时母材中的高熔点元素原子向已熔化为液相的中间层中扩散，使中间层合金的熔点升高，随后发生等温凝固而完成连接过程。等温凝固发生后，接头的组织与母材基本相似，但在成分和结构上仍有差别，在此温度下保持一定时间可使接头的成分和结构均匀化。采用瞬时液相扩散连接替代焊条电弧焊对管道进行连接，具有生产率高、焊接时间短等优点，生产效率是传统焊接方法的10倍以上。尤为适于条件较差的施工环境，大大节省了人力、物力和能源。在大气条件下惰性气体保护地TLP扩散连接不用真空炉，节约了设备投资，也适合在野外施工的场合。

热处理是一种用来改善零件性能的有效方法，当TLP接头存在扩散不均匀时，能否通过热处理工艺提高接头性能是值得探讨的问题，本实验选用20钢进行实验，研究了高温长时间加热对TLP扩散连接接头组织性能的影响。

TLP扩散连接实验在开放式瞬时液相扩散焊机上进行，采用中频感应加热，用氩气保护，压力设定为4MPa。加热速率：900℃以下45℃/s，900℃以上30℃/s。瞬时液相扩散连接焊缝组织在Olympus倒置光学显微镜上进行，接头界面显微硬度采用日本产MH-5型显微硬度计测定。

实验材料为锅炉用20钢管，试样连接端面精车，用95%酒精清洁连接端面和中间层，20钢管的成分和实验中间层成分见表1，钢管规格和力学性能为：外径60mm，壁厚4.5mm，室温抗拉强度456MPa。采用传统瞬时液相扩散连接工艺。TLP扩散连接时，等温时间为20s，远小于等温凝固完成必须的时间，这样连接的接头组织性能都不好，可以通过热处理来改善其组织性能。20钢TLP扩散连接后采用高温扩散正火，工艺为(1000±5)℃，保温6h。

表1 20钢管和非晶中间层的化学成分(质量分数,%)

材料	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	B	Fe
20	0.20	0.30	0.45	≤0.035	≤0.035	≤0.25	≤0.25	-	其余
FeNiCrSiB	-	5~6	-	-	-	40~45	5~7	6~8	其余

等温时间不足造成等温凝固不能完成，会形成类似钎焊的组织，形成大量脆性相。TLP扩散连接过程中形成的脆性相不能通过热处理消除。热处理可使接头区域的降熔元素扩散均匀，降低接头硬度。