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1、 第6讲扩散焊专题 焊接新技术 在一定的温度和压力下使待焊表面相互接触 通过微观塑性变形或通过在待焊表面上产生的微量液相而扩大待焊表面的物理接触 然后经过较长时间的原子相互扩散来实现结合的一种焊接方法 影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度 压力 扩散时间和表面粗糙度 焊接温度越高 原子扩散越快 焊接温度一般为材料熔点的0 6 0 8倍 根据材料类型和对接头质量的要求 扩散焊可在真空 保护气体或溶剂下进行 扩散焊特点扩散焊分类扩散连接原理及机制扩散焊工艺扩散焊设备其他扩散焊方法 回顾上节内容 扩散焊的特点 与常用压力焊的相同点 不同点 扩散焊与熔焊 钎焊方法的比较优缺点 扩散焊的分类 单晶硅
2、和单晶硅扩散焊 碳碳和铌合金 不锈钢板和网 铝合金分层制造 扩散焊波纹管 扩散焊连轴 在金属不熔化的情况下 要形成焊接接头就必须使两待焊表面紧密接触 达到相互原子间的引力作用范围 1 5 10 8cm 以内 这样才可能形成金属键 获得具有一定强度的接头 一般金属通过精密加工后 其表面轮廓算数平均偏差为 0 8 1 6 10 4cm 扩散焊原理及机制 原理 金属表面吸附层组成示意图1 极化分子层2 水吸附层3 气体吸附层4 氧化层5 变形区6 金属 金属真实表面的示意图 在施加正常扩散压力时 实际接触面仅占全部表面积的1 左右 其余表面之间的距离均大于原子引力起作用的范围 实际表面上还存在着氧化
3、膜 污物和表面吸附层 都会影响接触点上金属原子之间形成金属键 两母材在连接表面的晶体位向不同 不同材料的晶体结构也不同 这也会影响到连接过程 固态扩散焊接过程三个阶段 第一阶段为物理接触 接触变形 阶段 高温下微观不平的表面 在外加压力作用下 总有一些点首先达到塑性变形 在持续压力作用下 接触面积逐渐扩大而最终达到整个面的可靠接触 第二阶段是接触表面的激活界面推移阶段 通过原子间的相互扩散 形成牢固结合层 这个阶段一般要持续几分钟到几十分钟 第三阶段是界面和孔洞消失 形成可靠接头阶段在接触部位形成的结合层向体积方向发展 扩大牢固连接面消除界面孔洞 形成可靠连接三过程相互交叉进行 连接过程中可生
4、成固溶体及共晶体 有时形成金属间化合物 通过扩散 再结晶等过程形成固态冶金结合 达到可靠连接 图扩散焊的三阶段模型a 凹凸不平的初始接触b 第一阶段 变形和交界面的形成c 第二阶段 晶界迁移和微孔消除d 第三阶段 体积扩散 微孔消除 扩散焊机制 界面吸附与活化 物理吸附 接触 面积逐渐增加 活化中心 局部化学反应 院子间距离0 1 0 3mm时 化学结合 随时间延长 整个结合面结合 形成结合层 固体中的扩散机制 扩散速率kerkendal效应 由于扩散系数不同 界面两侧物质流不同 导致接触界面的移动 向低熔点一侧运动 有时出现非均匀运动 导致出现空洞 化学反应化合反应 形成单物质 例如 Cu
5、Al 随化合物的生成 反应速度逐渐增加 化合物层宽度增大 当达到一定程度时 继续增加扩散焊时间 化合物不再形成 置换反应 活泼元素置换非活泼元素 如Al Mg SiO2 形成新相硅 扩散焊专题之二 工艺参数主要包括温度 压力 时间 真空度以及焊件表面处理和中间层材料的选择等 这些因素对扩散连接过程和接头质量有着极其重要的影响 扩散焊工艺 1 温度 对连接初期表面凸出部位塑性变形 扩散系数 表面氧化物向母材内溶解及界面孔洞的消失过程等均产生影响 也决定了母材的相变 析出以及再结晶过程 从而直接或间接影响到扩散连接过程及接头质量 温度越高 扩散系数越大 连接表面达到紧密接触所需压力越小 但温度提高
6、受到被焊材料冶金物理特性方面的限制 提高加热温度还会造成母材软化及硬化 注意 选择温度时必须同时考虑到时间和压力 三者之间具有连续的相互依赖关系 一般T升高使强度提高 增加压力和延长时间也可提高接头强度 如下图 连接温度选择还要考虑到母材成分 表面状态 中间层材料以及相变等因素 通常 TL 0 6 0 8 Tm Tm为母材金属的熔点 异种材料连接时为熔点较低母材的熔点 该温度范围与金属的再结晶温度基本一致 故扩散连接也可称为再结晶连接 一些金属材料的连接温度与熔化温度的关系及不同接头组合的最佳连接温度见表5 1 总之 选择连接温度时 在尽可能短的时间内 尽可能小的压力下达到良好的冶金结合 而又
7、不损害母材的性能 2 压力 对给定时间 温度来说 提高压力必然获得好的连接 但加压时必须保证不引起宏观塑性变形 压力越大 温度越高 紧密接触的面积越大 但不管压力多大 连接表面都会存在界面孔洞 压力的另一个重要作用就是在连接某些异种金属材料时 防止扩散孔洞的产生 从经济角度考虑 应选择较低的压力 通常扩散焊采用的压力在0 5 50MPa之间 对于异种金属扩散焊 较大的压力对减小或防止扩散孔洞有良好作用 由于压力对扩散焊的第二 三阶段影响较小 在固态扩散焊时可在后期将压力减小 以便减小工件的变形 3 保温时间 与温度 压力 中间扩散层厚度和对接成分及组织均匀化的要求密切相关 也受材料表面状态和中
8、间层材料的影响 扩散层深度或反应层厚度与扩散时间的平方根成正比 扩散连接接头强度与保温时间的关系如下图所示 也存在一个临界保温时间 接头强度 塑性 延伸率和冲击韧性与保温时间的关系均是先增大到一定程度后趋于稳定 扩散连接时间不宜过长 特别是异种金属连接形成脆性金属间化合物或扩散孔洞时 须避免时间超过临界连接时间 实际保温时间从几分钟到几个小时 甚至长达几十小时 从提高生产率看 保温时间越短越好 此时需提高温度和压力 4 材料表面处理 连接表面的清洁度和平整度是影响扩散连接接头质量的重要因素 常用表面处理手段如下 除油是扩散连接前的通用工序 酒精 丙酮 三氯乙烯 机械加工 磨削 研磨和抛光 平直
9、度和光滑度 使材料表面产生塑性变形 导致材料再结晶温度降低 采用化学腐蚀或酸洗 清除材料表面的非金属膜 最常见是氧化膜 有时也可用真空烘烤以获得洁净的表面 取决于材料及其表面膜的性质 5 中间层 目的 促进扩散焊过程的进行 降低扩散焊连接温度 时间 压力 提高接头性能 适用范围 原子结构差别很大的异种材料 中间层材料可采用箔 粉末 镀层 蒸镀膜 离子溅射和喷涂层等形式 通常中间层厚度不超过100 m 且应尽可能使用小于10 m 但为了抑制脆性金属间化合物生成 有时故意加大中间层厚度使其以层状残留在连接界面 起隔离层作用 一般中间层材料是比母材金属低合金化的改性材料 以纯金属应用最多 研究表明
10、用Cu Ni等软金属或合金扩散连接各种高温合金时 接头的性能取决于中间层的相对厚度 中间层厚度与试件直径之比 中间层厚度相对小时 变形阻力大 表面物理接触不良 接头性能差 只有中间层厚度为某一最佳值时 才可得到理想的接头性能 中间层材料和中间层相对厚度对高温合金接头的高温性能也有影响 1 容易塑性变形 2 含有加速扩散的元素 如硼 铍 硅等 3 物理化学性能与母材差异较被焊材料之间的差异小 4 不与母材产生不良的冶金反应 如产生脆性相或不希望有的共晶相 5 不会在接头上引起电化学腐蚀问题 中间层材料选择原则 6 阻焊剂 作用 扩散焊时 防止压头与焊件之间某些区域被扩散焊粘结在一起 阻焊剂一般为
11、片状或粉状 性能 1 有高于焊接温度的熔点或软化点 2 具有较好的高温化学稳定性 在高温下不与焊件 夹具或压头发生化学反应 3 不释放出有害气体污染附近的待焊表面 不破坏保护气氛或真空度 2缺陷及检验一 扩散焊接头的质量检验 采用着色 荧粉或磁粉探伤来检验表面缺陷 采用真空 压缩空气以及煤油实验等来检查气密性 采用超声波 x光射线探伤等检查接头的内部缺陷由于焊接接头结构 工件材料 技术要求不同 每一种方法的检验灵敏度波动范围较大 要根据具体情况选用 二 扩散焊接头常见缺陷及产生的主要原因 6 5扩散焊设备 进行扩散焊时 必须保证连接面及连接金属不受空气的影响 因此要在真空或惰性气体介质中进行
12、现在采用最多的是真空扩散焊 真空扩散焊可以采用高频 辐射 接触电阻 电子束及辉光放电等方法 对焊件进行局部或整体加热 工业中常应用的扩散焊设备 主要采用辐射和感应加热的方法 采用辐射加热法的真空扩散焊设备结构示意图 实物图 采用感应加热法的真空扩散焊结构示意图 实物图 设备主要组成部分 扩散焊设备主要由带有真空系统的真空室 对零件的加热源 对焊件的加压系统 对温度和真空度的检测系统以及控制装置组成 1 真空室 真空室越大 要达到和保持一定的真空度 对所需真空系统要求越高 真空室中应有由耐高温材料围成的均匀加热区 以保持设定的温度 真空室外壳需要冷却 2 真空系统一般由扩散泵和机械泵组成 机械泵
13、只能达到1 33 10 2Pa的真空度 加扩散泵后可以达到1 33 10 4 1 33 10 5Pa的真空度 可以满足所有材料的扩散焊要求 真空度越高 越有利于被焊材料表面杂质和氧化物的分解与蒸发 促进扩散焊顺利进行 但真空度越高 抽真空的时间越长 按真空度可分为低真空 中真空 高真空等 3 加热系统 按加热方式可以分为感应加热 辐射加热 接触加热等 感应加热时 一般由感应线圈和高频电源组成 根据不同的加热要求 辐射加热可选用钨 钼或石墨做加热体 经过高温辐射对焊件进行加热 4 加压系统扩散焊过程一般都要施加一定的压力 在高温下材料的屈服强度较低 为避免构建的整体变形 加压只是使接触面产生微观
14、的局部变形 扩散焊所施加的压力较小 压强可在1 100MPa范围内变化 只有当材料的高温变形阻力变大 或加工表面较粗糙 或扩散焊温度较低时 才采用较高的压力 加压系统可分为液压系统 气压系统 机械系统 热膨胀加压等 目前主要采用液压和机械加压系统 5 测量与控制系统 现在应用的扩散焊机都具有对温度 压力 真空度及时间的控制系统 根据选用的热电偶不同 可实现对温度从20 2300 的测量与控制 温控的精度可在 5 10 压力的测量与控制一般是通过压力传感器进行的 6 水冷系统一般通过水循环系统进行冷却 扩散焊设备启动前 首先应接通水冷循环 列举了几种真空扩散焊设备的主要技术参数 美国真空工业公司
15、生产的Workhorse 型真空扩散焊设备主要性能指标如下表所示 其整套设备采用了计算机控制 真空扩散焊过程实现了全部自动运行 并可对个工艺参数获得相当高的控制精度 可通过预先编制的程序控制整个焊接过程 提高了焊接过程的精度和可靠性 也称接触反应钎焊或者扩散钎焊 若生成低熔点的共晶体 也称为共晶反应钎焊 其重要特征是夹在两待焊面间的夹层材料经加热后 熔化形成一极薄的液相膜 它润湿并填充整个接头间隙 随后在保温过程中通过液相和固相之间的扩散而逐渐凝固形成接头 其具体过程也分为三个阶段 第一阶段是液相生成阶段 首先将中间层材料夹在焊接表面之间 施加一定的压力 然后在无氧化条件下加热 使母材与夹层之
16、间发生相互扩散 形成小量的液相 填充整个接头缝隙 第二阶段是等温凝固阶段 液 固之间进行充分扩散 由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材中 母材内某些元素向液相中溶解 使液相熔点逐渐升高而凝固 形成接头 第三阶段是均匀化阶段 可在等温凝固后继续保温扩散一次完成 也可在冷却后另行加热完成获得接头 一 瞬间液相扩散焊接过程 图6 1瞬间液相扩散焊接过程示意图a 扩散前准备好的组合件b 加热到焊接温度c 在焊接温度下扩散使接头等温凝固d 等温凝固完成 继续均匀化e 完全均匀化的焊缝 3 实例 镍合金的扩散焊 镍合金的抗热性能好 它的氧化膜属于铬 铝复杂氧化物 较难溶解于母材 因而镍基合金的固相扩散焊较为困难 其多采用液相扩散焊 中间层含有能降低熔点又易于扩散到母材的B Si等元素 此类中间材料很脆 常以粉末状态使用 或采用激冷法制成非晶态箔状材料 使中间层厚度控制更准确 二 超塑成型 扩散焊 简称SPF DB 1 原理 超塑性是指在一定的温度下 对于等轴细晶粒组织 当晶粒尺寸 材料的变形速率小于某一数值时 拉伸变形可以超过100 甚至达到数千倍 这种行为叫做材料的超塑性行为 材料的超塑性成
