CN110198802A - 扩散接合体的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过熔焊使将金属构件(12)彼此扩散接合而形成的扩散接合体(10)、与其他构件(16)接合的扩散接合体的焊接方法，其具备：缓冲层形成工序，在扩散接合体(10)的包含扩散接合部(14)的焊接区域形成与扩散接合部(14)相比延展性大的缓冲层(20)；以及焊接工序，将形成有缓冲层(20)的焊接区域与其他构件(16)从缓冲层(20)的上方进行熔焊而接合。

Description

扩散接合体的焊接方法
技术领域
本公开涉及一种扩散接合体的焊接方法，特别是涉及一种通过熔焊使将金属构件彼此扩散接合而形成的扩散接合体、与其他构件接合的扩散接合体的焊接方法。
背景技术
在热交换器、热交换型反应器、微通道装置等中，使用由将金属构件彼此扩散接合而形成的扩散接合体所构成的部件。在将这样的扩散接合体与其他构件组合并进行组装时，通过焊接来进行接合(参照非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Fabrication and design aspects of high-temperaturecompact diffusion bonded heat exchangers，Nuclear Engineering and Design249(2012)49-56
发明内容
发明要解决的课题
但是，在通过熔焊使将金属构件彼此扩散接合而形成的扩散接合体与其他构件进行接合的情况下，在熔焊时，扩散接合体的扩散接合部与作为母材的金属构件相比在高温时延展性降低。由此，在扩散接合体的扩散接合部，与金属构件相比破裂敏感性变高，因此存在由于伴随熔焊的应变而导致在扩散接合部发生破裂的可能性。
因此，本公开的目的在于提供一种扩散接合体的焊接方法，其能够抑制在通过熔焊使将金属构件彼此扩散接合而形成的扩散接合体与其他构件进行接合时的扩散接合部破裂。
用于解决课题的方法
本公开涉及的扩散接合体的焊接方法为通过熔焊使将金属构件彼此扩散接合而形成的扩散接合体与其他构件进行接合的扩散接合体的焊接方法，其具备：缓冲层形成工序，在上述扩散接合体的包含扩散接合部的焊接区域形成与上述扩散接合部相比延展性大的缓冲层；以及焊接工序，将形成有上述缓冲层的焊接区域与上述其他构件从上述缓冲层的上方进行熔焊而接合。
本公开涉及的扩散接合体的焊接方法中，上述缓冲层形成工序可以通过堆焊来形成上述缓冲层。
本公开涉及的扩散接合体的焊接方法中，上述缓冲层形成工序可以通过粉末烧结、超声波接合、摩擦压焊、摩擦堆焊、摩擦搅拌接合、摩擦搅拌工艺、扩散接合、铜焊、电磁压焊或者爆炸焊接中的任一工艺来形成上述缓冲层。
本公开涉及的扩散接合体的焊接方法中，上述扩散接合体与上述其他构件以接头形式进行熔焊为佳。
本公开涉及的扩散接合体的焊接方法中，上述接头形式的熔焊以镶焊、对焊、角焊或者搭接焊为佳。
发明效果
根据上述构成，由于通过缓冲层来吸收伴随熔焊的应变而实现缓冲，因此能够抑制扩散接合体的扩散接合部的破裂。
附图说明
图1是表示本公开的实施方式中扩散接合体的焊接方法的构成的流程图。
图2是用于说明本公开的实施方式中的缓冲层形成工序的图。
图3是用于说明本公开的实施方式中的扩散接合部和作为母材的金属构件的延展性的图。
图4是用于说明本公开的实施方式中的扩散接合部、作为母材的金属构件和缓冲层的延展性的图。
图5是表示本公开的实施方式中的扩散接合部的延展性与缓冲层形成时产生的应变的关系的图。
图6是用于说明本公开的实施方式中的焊接工序的图。
图7是表示在本公开的实施方式中的比较例的焊接方法中的弧焊后由光学显微镜得到的观察结果的照片。
图8是表示在本公开的实施方式中的实施例的焊接方法中的弧焊后由光学显微镜得到的观察结果的照片。
具体实施方式
以下使用附图对本公开的实施方式进行详细说明。图1是表示扩散接合体的焊接方法的构成的流程图。扩散接合体的焊接方法具备缓冲层形成工序(S10)和焊接工序(S12)。
缓冲层形成工序(S10)是在将金属构件彼此扩散接合而形成的扩散接合体的包含扩散接合部的焊接区域形成与扩散接合部相比延展性大的缓冲层的工序。图2是用于说明缓冲层形成工序(S10)的图，图2(a)是整体概略图，图2(b)是在图2(a)的A-A方向的截面概略图。
首先，对扩散接合体10进行说明。扩散接合体10将金属构件12彼此扩散接合而形成。金属构件12由Inconel 625、Inconel 617、Haynes alloy 230等Ni合金、奥氏体系不锈钢等不锈钢等形成。扩散接合体10通过通常的金属材料的扩散接合法来形成。扩散接合体10具有金属构件12彼此扩散接合而成的扩散接合部14。
在后述的焊接工序(S12)中，通过熔焊(以下，有时称为“正式焊接”)将扩散接合体10与其他构件16接合的情况下，在正式焊接时，扩散接合部14被加热至高温。扩散接合部14与作为母材的金属构件12相比在高温下延展性容易降低。正式焊接时，由于扩散接合部14被加热至高温，因此扩散接合部14的延展性降低。图3是用于说明扩散接合部14和作为母材的金属构件12的延展性的图。图3中，横轴取温度，纵轴取延展性，用实线表示扩散接合部14的延展性曲线(Edb)，用双点划线表示金属构件12的延展性曲线(Eb)。在高温区域，扩散接合部14与作为母材的金属构件12相比延展性降低。在金属构件12由Ni合金、不锈钢形成的情况下，扩散接合部14的延展性降低的温度区域通常为1000℃附近的温度区域。
图3中用虚线表示在将扩散接合体10与其他构件16进行正式焊接而接合时伴随正式焊接的应变的应变曲线(Sw)。在扩散接合体10与其他构件16通过正式焊接而接合时，由于变形受到束缚，因此伴随正式焊接的应变变大。应变曲线(Sw)与扩散接合部14的延展性曲线(Edb)交叉，在超过延展性曲线(Edb)的温度区域，有可能在扩散接合部14产生作为高温破裂的一种的延展性降低破裂。正式焊接时的束缚变得越大，扩散接合部14的延展性降低破裂越容易发生。这种束缚大的焊接例如有镶焊等。
缓冲层20形成为扩散接合体10的包含扩散接合部14的焊接区域。缓冲层20具有比扩散接合部14大的延展性。缓冲层20具有在后述的焊接工序(S12)中吸收伴随正式焊接的应变而实现缓冲的功能。
图4是用于说明扩散接合部14、作为母材的金属构件12和缓冲层20的延展性的图。在图4中，横轴取温度，纵轴取延展性，用粗实线表示扩散接合部14的延展性曲线(Edb)，用双点划线表示作为母材的金属构件12的延展性曲线(Eb)，用细实线表示缓冲层20的延展性曲线(Ei)。另外，图4中，用虚线表示在将扩散接合体10与其他构件16进行正式焊接而接合时伴随正式焊接的应变的应变曲线(Sw)。
缓冲层20与扩散接合部14相比在高温时的延展性大。其结果，缓冲层20的延展性曲线(Ei)与应变曲线(Sw)不交叉，而是位于与应变曲线(Sw)相比更靠上方的位置。由此，在后述的焊接工序(S12)中，在通过正式焊接将设有缓冲层20的扩散接合部14与其他构件16接合时，由于通过缓冲层20来吸收伴随正式焊接的应变而实现缓冲，因此可抑制在扩散接合部14的破裂。缓冲层20的厚度根据形成缓冲层20的金属材料、正式焊接的束缚条件等而不同，例如设为1mm至10mm程度为佳。
缓冲层20形成于扩散接合体10的包含扩散接合部14的焊接区域，缓冲层形成时几乎不受其他构件16的束缚，因此能够容易地变形。因此，缓冲层形成时与后述的焊接工序(S12)中的正式焊接时相比束缚小，因此能够使伴随缓冲层形成的应变小于伴随正式焊接的应变。
图5是表示扩散接合部14的延展性与伴随缓冲层形成的应变的关系的图。在图5中，横轴取温度，纵轴取延展性，用粗实线表示扩散接合部14的延展性曲线(Edb)，用双点划线表示作为母材的金属构件12的延展性曲线(Eb)，用细实线表示缓冲层20的延展性曲线(Ei)。另外，在图5中，分别用虚线表示伴随缓冲层形成的应变的应变曲线(Sc)和伴随正式焊接的应变的应变曲线(Sw)。
由于缓冲层形成时与后述的焊接工序(S12)中的正式焊接时相比束缚小，因此应变曲线(Sc)位于与应变曲线(Sw)相比更靠下方的位置。其结果，应变曲线(Sc)与扩散接合部14的延展性曲线(Edb)不交叉，而是位于与延展性曲线(Edb)相比更靠下方的位置。由此，能够在缓冲层形成时抑制扩散接合部14的破裂。
缓冲层20由与作为母材的金属构件12同种材料形成为佳。通过由与金属构件12同种材料形成缓冲层20，能够抑制由强度分布引起的局部变形、电偶腐蚀、来自不同材料界面的污染(异物混入)。例如，在金属构件12由Ni合金形成的情况下，可以由Ni合金形成缓冲层20。另外，缓冲层20也可以由与金属构件12相同合金组成的金属材料形成。例如，在金属构件12由Haynes alloy 230形成的情况下，可以由与Haynes alloy 230相同合金组成的金属材料形成缓冲层20。
缓冲层20也可以由与作为母材的金属构件12不同种材料形成。在由与金属构件12不同种材料形成缓冲层20的情况下，缓冲层20使用与金属构件12相比为低屈服应力且高延展性的软质材料为佳。通过使用这样的软质材料，能够使伴随正式焊接的应变集中于缓冲层20，而且不会使扩散接合部14承受缓冲层20的屈服应力以上的应力。由此，即使与由与金属构件12同种材料形成缓冲层20的情况相比减小缓冲层20的厚度，也能够得到同等以上的破裂防止效果。
关于缓冲层20的形成方法，为了进一步减小伴随缓冲层形成的应变，使用束缚更小的形成方法为佳。这样的缓冲层20的形成方法使用堆焊(buttering，预堆边焊接)为佳。堆焊(预堆边焊接)是使熔敷金属堆焊于包含扩散接合部14的焊接区域的方法，因此几乎没有束缚，能够进一步减小伴随缓冲层形成的应变。作为堆焊所使用的工艺，可以通过被覆弧焊(SMAW)、MIG焊接、TIG焊接、电阻焊、激光焊、电子束焊、热喷涂等进行。焊接材料可以使用与金属构件12同种材料，也可以使用与金属构件12不同种材料。焊接材料也可以使用与金属构件12相同合金组成的金属材料。在通过堆焊来形成缓冲层20的情况下，可以通过一次的道次以1层的形式形成焊珠，也可以形成2层以上。另外也可以不使用焊接材料，通过用非填料使表面部局部熔融/凝固来形成缓冲层。这样的缓冲层20的形成方法除了堆焊以外，也可以使用薄板金属片的对焊、薄板金属片的搭接焊等。
关于缓冲层20的形成方法，为了进一步减小伴随缓冲层20形成的应变，使用由温度变化引起的应变小并且也不产生伴随熔融凝固的应变的固相接合为佳。作为这样的缓冲层20的形成方法，可以使用粉末烧结、超声波接合、摩擦压焊、摩擦堆焊、摩擦搅拌接合、摩擦搅拌工艺、扩散接合、铜焊、电磁压焊、爆炸焊接等。
关于缓冲层20的形成方法，可以将束缚更小的形成方法和低应变的固相接合组合使用。作为这样的缓冲层20的形成方法，例如只要通过低热输入的摩擦堆焊进行堆焊即可。由此，伴随缓冲层形成的应变进一步变小，因此能够进一步抑制扩散接合部14的破裂。
焊接工序(S12)是将扩散接合体10中的形成有缓冲层20的焊接区域与其他构件16从缓冲层20的上方进行熔焊而接合的工序。图6是用于说明焊接工序(S12)的图，图6(a)是整体概略图，图6(b)是图6(a)的A-A方向的截面概略图。
将扩散接合体10中的形成有缓冲层20的焊接区域与其他构件16从缓冲层20的上方进行正式焊接而接合。由此，形成焊接层22，将扩散接合体10与其他构件16焊接接合。正式焊接可以使用弧焊、被覆弧焊(SMAW)、TIG焊接、MIG焊接等通常的焊接方法。例如，可以通过高热输入的被覆弧焊(SMAW)等使多个焊缝重叠而进行弧焊。焊接材料可以使用与金属构件12同种材料，也可以使用与金属构件12不同种材料。焊接材料也可以使用与金属构件12相同合金组成的金属材料。
在扩散接合体10与其他构件16通过正式焊接进行接合而受到束缚的情况下，由于伴随正式焊接的应变被缓冲层20吸收而实现缓冲，因此也可抑制扩散接合部14的破裂。更详细地说，如图4所说明，伴随正式焊接的应变的应变曲线(Sw)位于与缓冲层20的延展性曲线(Ei)相比更靠下方的位置。由此，即使在正式焊接时扩散接合部14的延展性降低的情况下，由于伴随正式焊接的应变被缓冲层20吸收而实现缓冲，因此也可防止扩散接合部14的破裂。
关于上述扩散接合体10的焊接方法，在扩散接合体10与其他构件16以接头形式熔焊的情况下也能够使用。这样的接头形式的熔焊可以设为镶焊、对焊、角焊或者搭接焊。另外，关于上述扩散接合体10的焊接方法，可以适宜地使用镶焊等以束缚度高的形状进行熔焊的接头形式。例如在热交换型反应器中使用的反应容器由于用于处理高温高压且腐蚀性高的流体，因此为由厚板的Ni合金构件形成的高刚性的反应容器。该反应容器由将Ni合金构件扩散接合而形成的扩散接合体构成。在将该反应容器安装于厚板的凸缘时，将反应容器镶焊于凸缘。
由于反应容器和凸缘的刚性均高，且对这些部件进行镶焊，因此伴随正式焊接的应变进一步变大。即使在这种束缚变大的镶焊的情况下，通过在反应容器的包含扩散接合部的焊接区域形成缓冲层后，从缓冲层的上方与凸缘进行正式焊接而接合，也能够抑制反应容器的扩散接合部的破裂。
以上，根据上述构成，具备：缓冲层形成工序，在将金属构件彼此扩散接合而形成的扩散接合体的包含扩散接合部的焊接区域形成与扩散接合部相比延展性大的缓冲层；以及焊接工序，将扩散接合体中形成有缓冲层的焊接区域与其他构件从缓冲层的上方进行熔焊而接合，从而利用缓冲层吸收伴随熔焊的应变而实现缓冲，因此能够抑制扩散接合部的破裂。
实施例
进行扩散接合体的焊接试验。
(比较例)
首先，对比较例的焊接方法进行说明。扩散接合体通过将多个Ni合金构件扩散接合而形成。Ni合金构件由Haynes alloy 230形成。扩散接合体在Ni合金构件彼此之间具有扩散接合部。在比较例的焊接方法中，将扩散接合体的包含扩散接合部的焊接区域与金属制块体进行弧焊而形成焊接层，从而将扩散接合体与金属制块体接合。焊接材料使用与Haynes alloy 230相同合金组成的材料。
弧焊后，使用光学显微镜观察焊接层正下方的扩散接合部。图7是表示在比较例的焊接方法中的弧焊后由光学显微镜得到的观察结果的照片，图7(a)是表示焊接层的正下方的扩散接合部的截面的照片，图7(b)是图7(a)所示的破裂的放大照片。在焊接层的正下方的扩散接合部产生了数mm以上的贯通破裂。需要说明的是，在作为母材的Ni合金构件、焊接层中未产生破裂。
(实施例)
接着，对实施例的焊接方法进行说明。扩散接合体使用与比较例的焊接方法中使用的扩散接合体同样的扩散接合体。首先，通过堆焊在扩散接合体的包含扩散接合部的焊接区域形成缓冲层。堆焊使用TIG焊接。焊接条件设为电弧电压12V、焊接电流80A、焊接速度100mm/min。堆焊设为有填料。填料使用与Haynes alloy 230相同合金组成的材料。堆焊进行2道次，形成由2层堆焊层构成的缓冲层。缓冲层的厚度设为2.5mm。形成缓冲层后，进行超声波探伤检查和渗透探伤检查，确认到在缓冲层、缓冲层的正下方的扩散接合部未产生破裂。
接着，将形成有缓冲层的焊接区域与金属制块体从缓冲层的上方进行弧焊而形成焊接层，从而将扩散接合体与金属制块体接合。弧焊设为与比较例的焊接方法相同。焊接材料使用与Haynes alloy 230相同合金组成的材料。弧焊后，除去焊接层，通过光学显微镜观察缓冲层和缓冲层的正下方的扩散接合部。
图8是表示在实施例的焊接方法中的弧焊后由光学显微镜得到的观察结果的照片，图8(a)是表示缓冲层的正下方的扩散接合部的照片，图8(b)是图8(a)的放大照片。在缓冲层和缓冲层的正下方的扩散接合部，未观察到破裂的产生。由这些结果可知：通过在包含扩散接合部的焊接区域形成缓冲层，从缓冲层的上方进行弧焊，从而伴随弧焊的应变被缓冲层吸收而实现缓冲，能够抑制扩散接合部的破裂。
产业上的可利用性
本公开由于利用缓冲层吸收伴随熔焊的应变而实现缓冲，从而能够抑制扩散接合体的扩散接合部的破裂，因此对热交换型反应器的反应容器等有用。

Claims (5)

1.一种扩散接合体的焊接方法，其为通过熔焊将扩散接合体与其他构件接合的扩散接合体的焊接方法，所述扩散接合体通过将金属构件彼此进行扩散接合而形成，所述焊接方法具备：
缓冲层形成工序，在所述扩散接合体的包含扩散接合部的焊接区域形成与所述扩散接合部相比延展性大的缓冲层；以及
焊接工序，将形成有所述缓冲层的焊接区域与所述其他构件从所述缓冲层的上方进行熔焊而接合。
2.根据权利要求1所述的扩散接合体的焊接方法，所述缓冲层形成工序通过堆焊来形成所述缓冲层。
3.根据权利要求1所述的扩散接合体的焊接方法，所述缓冲层形成工序通过粉末烧结、超声波接合、摩擦压焊、摩擦堆焊、摩擦搅拌接合、摩擦搅拌工艺、扩散接合、铜焊、电磁压焊或者爆炸焊接中的任一工艺来形成所述缓冲层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的扩散接合体的焊接方法，所述扩散接合体与所述其他构件以接头形式进行熔焊。
5.根据权利要求4所述的扩散接合体的焊接方法，所述接头形式的熔焊为镶焊、对焊、角焊或者搭接焊。
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