0 前言
随着新材料、新工艺、新设备的快速发展，单一的金属或非金属材料已不能完全满足复杂多变的环境和工程要求。异种金属材料的兴起弥补了单一材料的缺欠，现已广泛应用于航空航天、机械制造、管道运输等行业［1－3］。20G/316L异种金属材料作为一种典型的组合材料，在石油天然气运输中起到了举足轻重的作用［4］。但由于两种材料在物理化学性能上存在较大差异，采用常规电弧焊得到的焊接接头存在多种焊接问题。瞬间液相扩散 (Transient liquid-phase bonding，TLP)作为一种固－液扩散型连接技术，具有焊接温度低、接头连接强度好等优点，在异种合金、高温金属等常规焊接方法难以焊接的材料中得到了广泛的应用［5－8］。
进入21世纪，综合材料艺术因其拓展性，在美术学院教学体系中有了重要地位。在此之前，美术学院艺术专业的重点是“国、油、版、雕”四个传统门类，随着新材料、新技术在中国当代艺术中发挥作用，综合材料艺术语言在中国语境中有了更多的用武之地。从上世纪90年代中后期到现在，中国艺术家使用综合材料和多媒介(或非传统媒介)创作的艺术作品，开始在西方崭露头角，徐冰、陈箴、黄永砯、隋建国、宋冬、毛同强等都可视为是这方面的重要代表。
针对碳钢与不锈钢异种金属的焊接，Anwar Ul-Hamid，马启慧等人［9－10］通过研究发现:在异种金属焊接过程中，由于接头过渡层存在，易导致焊缝金属中脆性相的生成;另一方面，由于合金元素碳在接头中的析出，接头力学性能及耐腐蚀性能有所降低。范兆廷等人［11］采用HS316L焊丝对20G/316L进行了TIG焊的研究，详细阐述了接头过渡层中元素扩散迁移情况以及对C元素扩散的影响。
目前有关异种金属瞬间液相扩散焊的相关研究文献还相对较少，而且就已有的文献大多集中在对中间层材料的选择、焊接工艺优化等方向的讨论。因此文中以非晶态Ni箔为中间层，通过对20G/316L异种材料进行TLP连接;以保温时间为变量，重点研究界面元素扩散以及接头组织性能的变化，为异种金属瞬间液相扩散焊的研究提供一定的理论基础。
1 试验材料与方法
中间层材料为非晶态Ni箔，厚度为0．04 mm，纯度≥97．95%(质量分数)。20G与316L试样尺寸均为20 mm×20 mm×20 mm，其成分见表1。采取对接的连接方式;在焊前采用800号、1 000号、1 200号SiC金相砂纸依次对母材待焊面、非晶态Ni基合金中间层进行打磨并抛光，抛光完成后对试样进行清水清洗、超声波清洗和酒精清洗，结束后立即对试样进行真空封存，留用待焊。
在焊接过程中，采用带有温控压力系统的高频感应加热机在空气环境中对20G/316L试样进行TLP梯度焊的焊接工艺连接。考虑到非晶Ni箔的熔点高达1 450℃，若将焊接温度设定在Ni箔熔点附近时，母材会先于中间层发生熔化，且焊后接头组织易长大粗化，因此结合母材特征及瞬间液相扩散焊连接机理，将非晶Ni箔加热到部分液化状态，利用液相区原子之间的相互扩散，达到连接的效果［12］。为保证中间层材料与母材之间能形成较好的接触，在焊接过程中对试样施加一定压力［13］;在焊前准备工作完成后，按表2的焊接工艺参数施焊，而试样按图1所示接头连接顺序进行摆放。
表1 母材的化学成分(质量分数，%)
母材余量316L 0．017 3 0．493 1．377 0．002 0．031 10．17 16．54 2．11 0．012 —C Si Mn S P Ni Cr Mo N Cu Fe 20G 0．17 0．250 0．480 0．013 0．013 0．03 0．04 — — 0．17余量
表2 焊接工艺参数表
预热阶段1预热阶段2试样 中间层 预热温度T1/℃保温时间t1/s预测温度T2/℃保温时间t2/s焊接焊接温度T/℃保温时间t/min焊接压力F/MPa 1 非晶态Ni箔900 60 1 080 30 1 120 30 3 2 非晶态Ni箔 900 60 1 080 30 1 120 40 3 3 非晶态Ni箔 900 60 1 080 30 1 120 50 3 4 非晶态Ni箔900 60 1 080 30 1 120 60 3
图1 20G与316L TLP接头示意图
试验完成后，利用线切割机将试样加工成所需大小，打磨后采用4%(质量分数)硝酸酒精溶液和王水腐蚀剂分别对20G，316L两侧进行金相腐蚀处理;利用金相显微镜(OM)对接头进行显微组织观察，SEM，EDS观察界面成形过程及界面元素扩散迁移情况;使用X射线衍射仪(XRD)分析接头物相;最后，通过万能拉伸试验机、剪切试验夹具(如图2所示)和显微硬度测试仪测量接头抗剪强度及显微硬度等力学性能。
图2 剪切试验夹具示意图
2 试验结果与分析
2．1 接头微观组织结构分析
图3 TLP接头的界面成形情况
图3 为不同保温时间时，20G/316L异种金属TLP焊接接头界面微观组织结构图，从图3a中可以看出，焊缝区存在一定宽度，且随着中间层元素扩散，在不锈钢侧出现一层较薄的扩散层区域，接头区组织结构发生改变;在不锈钢侧奥氏体晶界附近，出现明显的析出相组织，根据Darken扩散理论，扩散的真正驱动力是化学势差异而不是浓度差异［14］。因此当焊接参数为1 120℃，30 min时，316L侧不锈钢基体中的C获得足够的迁移能量而变得活跃，少量C原子由晶体内部向晶界处迁移形成碳化物［15］，随着保温时间增加至40 min时(图3b)，碳化物析出位置不仅仅出现在奥氏体晶界处，在奥氏体晶体内，部分碳化物也开始逐步析出，这时C原子在晶界与晶内化学势差异降低，部分C原子开始在晶体内部与合金元素结合，析出碳化物，且析出物含量开始增加。
当保温时间增加至50 min时(图3c)，越来越多的碳化物开始析出，基体组织中C含量降低，奥氏体中σ相开始析出，析出的σ相与奥氏体结合形成类固溶体奥氏体［16］，均匀分布在母材基体中，接头区基体组织由单一的奥氏体组织逐渐转变成为由碳化物、奥氏体以及类奥氏体共同构成，且在该保温时间下，中间层元素与母材基体间发生互扩散行为，在不锈钢侧有新的细小的奥氏体组织重新生成，均匀分布在奥氏体侧的扩散层中。当保温时间延长至60 min时(图3d)，碳化物及新相组织成分明显增加，扩散层区内细小的奥氏体组织长大，且由于碳化物的析出，促进更多的σ相生成，进而导致类固溶奥氏体含量增加，碳钢侧基体组织长大。
2．2 界面元素迁移及物相组成
在图4中由图4a可见，在保温30 min时，Fe，Cr两元素在连接界面处，出现明显的梯度变化，两侧基材中的Fe元素均向中间层区域扩散，且不锈钢侧中的Cr元素也通过界面向中间层区扩散，Ni元素在中间层区域波动峰值较高，且向两侧基材扩散梯度有所不同;Ni向不锈钢侧元素梯度变化较碳钢侧梯度变化明显偏缓，结合XRD物相分析(图5)及焊缝区EDS能谱分析(表3)可知:在该试验条件下，接头中存在大量的［Fe，Ni］，Ni2Si物相及少量的 Cr0．19Fe0．7Ni0．11固溶体组织，推测在焊接过程中，由于不锈钢侧低熔点元素(Si)含量较多，在较短的保温时间里，不锈钢侧界面优先形成部分液相，加之Ni与Fe，Si，Cr均存在较强的亲和力，因此在焊接时，Ni优先朝着不锈钢侧扩散，与奥氏体中的Si，Fe，Cr元素发生冶金反应而形成大量的［Fe，Ni］，Ni2Si相和 Cr0．19Fe0．7Ni0．11固溶体，进而在不锈钢侧形成较宽的扩散层区域;而在碳钢侧，由于低熔点元素Si的含量较少且碳钢熔点较高，因此碳钢侧液相区的形成相对较晚，Ni元素未充分扩散进入到碳钢侧中，且在图4a中，不锈钢侧的扩散层区域宽度较碳钢侧明显。
式中：wi为i组分的质量分数，%；wic为i组分在校准曲线上的读数，为样品玻璃片的质量，m0为校准曲线玻璃片的平均质量。
图4 1～3号焊接试样的EDS线扫描结果
图5 1～4号焊接试样的XRD分析
表3 1～3号焊接试样的EDS点扫描结果(质量分数，%)
试样C Si Cr 2．76 3．06 5．30 2 2．78 0．36 6．19 3 3．21 0．18 8．79 Mn Fe Ni 其他0．69 69．09 17．77 1余量0．58 74．94 4．63 余量0．69 70．05 6．03余量
由图4b可以发现，当保温时间增加至40 min时，界面靠近碳钢侧区其连接界面出现了较大程度的弯曲，连接界面向碳钢侧存在明显的突出，结合图4b可知，Fe，Cr，Ni元素在焊缝区均出现较为平缓的元素梯度扩散，且在碳钢侧基体中也出现Ni元素波动，表明随着保温时间增加，两侧基体材料中的Fe元素发生较为均匀的互扩散，且不锈钢侧的Cr元素也部分扩散进碳钢侧中与基体元素形成 Cr0．19Fe0．7Ni0．11固溶体，中间层 Ni元素也向两侧基体中发生扩散。结合EDS能谱及上述分析，推测随着保温时间的逐渐增加，碳钢侧Fe，Si元素与中间层的Ni元素以及不锈钢基材元素扩散过来的Cr元素，在界面处形成较大的互扩散，但由于元素之间的互扩散通量的差值较大，因而造成界面生长不平衡。
随着保温时间增加至50 min时(图4c)，接头界面区元素扩散梯度均趋于平缓，两侧基体元素与中间层元素之间均形成了较好的互扩散，焊缝区宽度明显降低，焊缝侧扩散层厚度增加，且在不锈钢侧扩散层区有细小的奥氏体组织生成，中间层Ni元素与不锈钢侧Ni元素含量波动趋向一致，表明采用非晶态Ni箔做中间层材料焊接不锈钢时，Ni元素更倾向于向不锈钢一侧扩散。
合作学习是课堂教学中充分发挥学生主体作用的一种有效方法，分为小组合作和自主合作。数学分组合作应遵循自主性、个性化、交互性、开放性和激励性等原则。合作学习是培养学生数学交流能力、解决问题能力的有效途径。
2．3 力学性能分析
图6是20G/316L异种金属在不同保温时间下接头区显微硬度分布。由图可知，在保温时间为30 min时，中间层元素扩散程度较低，焊缝区显微硬度出现高峰(172．5 HV)，随着保温时间增加，中间层元素与两侧基体材料之间形成一定的互扩散，焊缝区显微硬度明显降低，且随着不锈钢侧碳化物的析出，不锈钢侧硬度值显著提高;由于Cr元素从奥氏体侧扩散进入到碳钢侧中，在碳钢侧与基材元素形成 Cr0．19Fe0．7Ni0．11 固溶体，加之Cr的固溶强化作用，碳钢侧显微硬度也显著增加;当保温时间延长至50 min时，元素之间的互扩散行为程度加深，中间层显微硬度有小幅提高(165 HV)。
图6 焊接试样的显微硬度
图7 焊接试样的抗剪强度
图7 是在不同保温时间条件下，20G/316L异种金属焊接接头剪切试验结果图。从图中可知，随着保温时间的逐渐增加，接头抗剪强度逐渐增大，在保温时间为50 min时，接头抗剪强度达到峰值(351 MPa)，当保温时间持续增加，接头抗剪强度下降。结合图3a，4a分析可知，在较短的保温时间里，焊缝区各元素之间未形成良好的元素扩散，接头强度较低，随着保温时间的增加，元素扩散程度增大，接头界面结合强度显著提高。当保温时间过长时，晶粒长大倾向增加，组织粗大，接头抗剪强度有所下降。
继续加大人才培养与引进力度，一方面支持在岗职工通过外出进修学习、出国深造、提升学历等途径，不断提升现有医务人员的工作能力和学历层次。另一方面，则通过广纳各方贤才，吸引更多优秀的高层次人才来院工作，进一步优化学科结构，形成合理的内部竞争机制，实现医院的可持续发展。
3 结论
(1)采用非晶态Ni箔，在1 120℃，保温30～60 min的条件下，成功实现了20G/316L异种金属的连接。且在不锈钢侧基材中有碳化物析出和类奥氏体形成，随着保温时间的增加，有细小的奥氏体组织重新生成。
(2)采用非晶态Ni箔做中间层焊接20G/316L异种金属时，中间层Ni元素优先向不锈钢侧扩散，与基材元素间发生大量冶金反应形成［Fe，Ni］，Ni2Si相和Cr0．19Fe0．7Ni0．11固溶体;随着保温时间的增加，中间层元素向碳钢侧扩散，与基材元素间发生反应;但由于元素间互扩散通量存在较大差异，造成界面不平衡生长;当保温时间增加至50 min时，焊缝区元素扩散充分，接头性能显著提升。
(3)接头显微硬度表明，随着保温时间的增加，焊缝区显微硬度呈先下降而后上升的趋势，在保温时间为40 min时，显微硬度最低(160 HV)。剪切试验表明，随着保温时间的增加，接头抗剪强度呈先上升后下降的趋势，在保温时间为50 min时，达到最大值(351 MPa)。
从自由漫跑释放感性生命力、抵抗工具理性束缚到克服身体重力、发挥本质力量、体验畅爽之感，人们自我意识得到显现。而从客我身份的重塑到主我存在的救赎，客我认同和主我认同达到结合，跑步运动便重塑了完整的个体认同。
参考文献
［1］ 黄本生，黄龙鹏，李慧．异种金属焊接研究现状及发展趋势［J］．材料导报，，25(23):118－121．
［2］ Mas F，Martin G，Lhuissier P，et al．Heterogeneities in local plastic flow behavior in a dissimilar weld between low-alloy steel and stainless steel［J］．Materials Science ＆ Engineering A，，667:156－170．
［3］ Torkamany M J，Sabbaghzadeh J，Hamedi M J．Effect of laser welding mode on the microstructure and mechanical performance of dissimilar laser spot welds between low carbon and austenitic stainless steels［J］．Materials ＆ Design，，34:666－672．
［4］ Huang B S，Yang J，Lu D H，et al．Study on the microstructure，mechanical properties and corrosion behaviour of S355JR/316L dissimilar welded joint prepared by gas tungsten arc welding multi-pass welding process［J］．Science ＆Technology of Welding＆ Joining，，21(5):381－388．
［5］ 黄本生，赵星，曾强，等．X80钢瞬间液相扩散焊接接头的性能［J］．材料热处理学报，，39(2):113－118．
［6］ Yuan X J，Kang C Y．Microstructural characteristics in vacuum TLP(Transient Liquid Phase)bonds using a novel iron-based interlayer based on duplex stainless steel base metal alloyed with a melting-point depressant［J］．Vacuum，，99(1):12－16．
［7］ Balasubramanian M．Application of Box-Behnken design for fabrication of titanium alloy and 304 stainless steel joints with silver interlayer by diffusion bonding［J］．Materials ＆Design，，77(1):161 －169．
［8］ 王大伟，修世超．焊接温度对碳钢/奥氏体不锈钢扩散焊接头界面组织及性能的影响［J］．金属学报，，53(5):567－574．
［9］ Ul-Hamid A，Tawancy H M，Abbas N M．Failure of weld joints between carbon steel pipe and 304 stainless steel elbows［J］．Engineering Failure Analysis，，12(2):181－191．
［10］ 马启慧，王少刚，张亮，等．双相不锈钢与碳钢异种金属焊接研究综述［J］．焊管，，32(8):26－30．
［11］ 范兆廷，张胜涛，殷林亮，等．316L-20G双金属复合管焊缝组织元素扩散分析［J］．重庆大学学报，，35(11):99－103．
［12］ 陈思杰，井晓天，李辛庚．不同中间层TLP连接T91钢管的组织和性能［J］．焊接学报，，27(2):77－80．
［13］ 陈思杰，葛利玲，井晓天．等温温度对T91钢TLP双温连接接头组织性能的影响［J］．焊接学报，，30(4):57－60．
［14］ 孙彬涵．高钼高氮超级奥氏体不锈钢时效析出行为和耐腐蚀性能研究［D］．沈阳:东北大学硕士学位论文，．
［15］ 侯东坡，宋仁伯，项建英，等．固溶处理对316L不锈钢组织和性能的影响［J］．材料热处理学报，，31(12):61－65．
［16］ 藤田辉夫．不锈钢的热处理［M］．北京:机械工业出版社，1983:145－165．
如果觉得《保温时间对20G/316L异种金属TLP焊接接头组织及性能的影响》对你有帮助，请点赞、收藏，并留下你的观点哦！
