復(fù)合鋼管Al2O3陶瓷內(nèi)襯激光焊接技術(shù)研究.pdf

1、Al2O3陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管以其耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，被廣泛用于機(jī)械、石油、造紙等領(lǐng)域。在陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的連接過(guò)程中，由于Al2O3內(nèi)襯層的焊接性能差，其連接區(qū)的致密度、強(qiáng)度和耐腐蝕性都無(wú)法達(dá)到氣液運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用要求，這使得陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的實(shí)際應(yīng)用受到限制。為解決這一問(wèn)題，開(kāi)展復(fù)合鋼管Al2O3陶瓷內(nèi)襯連接技術(shù)的研究顯得尤為必要。
　　首先，本文采用激光填料焊接技術(shù)連接Al2O3陶瓷內(nèi)襯，根據(jù)基材的成

2、分及焊件的性能要求，選擇Al2O3、SiO2為焊料的基本組成。設(shè)置激光離焦量f=0mm、光束入射角θ＝0o、激光光斑直徑D=3 mm，對(duì)不同寬度x（1、1.5、2、2.5、3、3.5mm）的焊料進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比較焊后接頭的形貌，研究焊料寬度對(duì)Al2O3內(nèi)襯焊縫成型質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)焊料寬度與激光光斑直徑大小相同（3mm）時(shí)，激光光束剛好完全輻照在焊料表面，焊后中間層中缺陷少，基材中無(wú)裂紋形成，焊縫成型質(zhì)量最好。為確定填料焊接的

3、最佳激光工藝參數(shù)，本文探討了激光功率、焊接速度對(duì)焊縫熔深和熔寬的影響。當(dāng)激光功率P為700W時(shí)，焊接模式由熱傳導(dǎo)焊轉(zhuǎn)變成深熔焊，此時(shí)焊料對(duì)激光的利用率最大；當(dāng)焊接速度ν為0.8～1mm/s時(shí)，速度對(duì)焊縫熔深和熔寬大小的影響較大，容易實(shí)現(xiàn)深熔焊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，焊料寬度為3mm，優(yōu)選激光功率和焊接速度為700W和1mm/s時(shí)，Al2O3陶瓷內(nèi)襯可形成形貌良好的深熔焊縫。
　　其次，為了確定焊料組分比，研究SiO2含量對(duì)焊料性能和焊接性

4、能的影響。制備了SiO2含量分別為10、20、30、40、50wt.％的焊料，在一定的激光參數(shù)下（P=700W，ν=1mm/s，f=0mm，θ＝0o，D=3mm，x=3mm），研究了SiO2含量對(duì)焊料激光吸收率和界面潤(rùn)濕性的影響。隨著SiO2含量的增加，焊料對(duì)激光的吸收率先增加后減少，在30wt.%時(shí)達(dá)到最大值8.4%；焊料與基材的潤(rùn)濕角隨SiO2的增加逐漸減小，在50wt.%時(shí)達(dá)到最小值29.8°。此外，通過(guò)分析不同SiO2含量中間層

5、的相組成、微觀結(jié)構(gòu)和界面元素分布，研究了SiO2含量對(duì)接頭連接強(qiáng)度、致密度和耐腐蝕性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SiO2含量為30wt.%時(shí)，中間層中孔隙、裂紋少，且生成大量的莫來(lái)石相，莫來(lái)石晶須阻礙斷裂裂紋的生長(zhǎng)，使得接頭的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值173MPa，此時(shí)接頭中間層的相對(duì)理論密度優(yōu)值為95.3%，其耐酸性是氧化鋁內(nèi)襯的2.45倍，其耐堿性是氧化鋁內(nèi)襯的0.22倍。
　　最后，為改善焊縫的成型質(zhì)量和提高接頭的連接強(qiáng)度，針對(duì)基材中含F(xiàn)

6、eO，基于類(lèi)質(zhì)同象理論，進(jìn)行了MgO改性Al2O3-SiO2焊料的研究，制備了MgO含量分別為0、5、10、15、20wt.%的焊料，探討了MgO含量對(duì)焊料激光吸收率和界面潤(rùn)濕性的影響。添加MgO后，焊料的激光吸收率和界面潤(rùn)濕性增加，而MgO的添加量過(guò)多，造成焊料的熔融溫度過(guò)高，使得焊料與基材的潤(rùn)濕角增大、潤(rùn)濕性下降。當(dāng)MgO添加量為15wt.%時(shí)，焊料對(duì)激光的吸收率增加到14.82%，焊料與基材的潤(rùn)濕角減小到29°。此外，通過(guò)分析中間

7、層的相組成、微觀結(jié)構(gòu)和界面元素分布，研究了MgO含量對(duì)接頭致密度、連接強(qiáng)度和耐腐蝕性的影響。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MgO促進(jìn)焊料與基材之間的原子擴(kuò)散，從而減少了中間層的氣孔等缺陷；Mg2+與基材中的Fe2+生成尖晶石固溶體，使得接頭的彎曲強(qiáng)度增加；MgO含量為15wt.%時(shí)，焊接接頭有最大彎曲強(qiáng)度257MPa，接頭中間層的相對(duì)理論密度增加到96%，其耐酸性是氧化鋁內(nèi)襯的1.43倍，其耐堿性是氧化鋁內(nèi)襯的0.67倍。15wt.%MgO