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、生產(chǎn)成本低等特點，被廣泛用于機械、石油、造紙等領(lǐng)域。在陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的連接過程中，由于Al2O3內(nèi)襯層的焊接性能差，其連接區(qū)的致密度、強度和耐腐蝕性都無法達到氣液運輸?shù)膽?yīng)用要求，這使得陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的實際應(yīng)用受到限制。為解決這一問題，開展復(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，對不同寬度x（1、1.5、2、2.5、3、3.5mm）的焊料進行焊接實驗，通過比較焊后接頭的形貌，研究焊料寬度對Al2O3內(nèi)襯焊縫成型質(zhì)量的影響。實驗顯示，當(dāng)焊料寬度與激光光斑直徑大小相同（3mm）時，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、焊接速度對焊縫熔深和熔寬的影響。當(dāng)激光功率P為700W時，焊接模式由熱傳導(dǎo)焊轉(zhuǎn)變成深熔焊，此時焊料對激光的利用率最大；當(dāng)焊接速度ν為0.8～1mm/s時，速度對焊縫熔深和熔寬大小的影響較大，容易實現(xiàn)深熔焊。實驗結(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，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含量對焊料激光吸收率和界面潤濕性的影響。隨著SiO2含量的增加，焊料對激光的吸收率先增加后減少，在30wt.%時達到最大值8.4%；焊料與基材的潤濕角隨SiO2的增加逐漸減小，在50wt.%時達到最小值29.8°。此外，通過分析不同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含量對接頭連接強度、致密度和耐腐蝕性的影響。實驗結(jié)果表明，SiO2含量為30wt.%時，中間層中孔隙、裂紋少，且生成大量的莫來石相，莫來石晶須阻礙斷裂裂紋的生長，使得接頭的彎曲強度達到最大值173MPa，此時接頭中間層的相對理論密度優(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度，針對基材中含F(xiàn)

6、eO，基于類質(zhì)同象理論，進行了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含量對焊料激光吸收率和界面潤濕性的影響。添加MgO后，焊料的激光吸收率和界面潤濕性增加，而MgO的添加量過多，造成焊料的熔融溫度過高，使得焊料與基材的潤濕角增大、潤濕性下降。當(dāng)MgO添加量為15wt.%時，焊料對激光的吸收率增加到14.82%，焊料與基材的潤濕角減小到29°。此外，通過分析中間

7、層的相組成、微觀結(jié)構(gòu)和界面元素分布，研究了MgO含量對接頭致密度、連接強度和耐腐蝕性的影響。
　　實驗結(jié)果表明，MgO促進焊料與基材之間的原子擴散，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，使得接頭的彎曲強度增加；MgO含量為15wt.%時，焊接接頭有最大彎曲強度257MPa，接頭中間層的相對理論密度增加到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