第六讲扩散焊专题

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1、第第6讲讲 扩散焊专题扩散焊专题n 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0.60.8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可在真空、保护气体或溶剂下进行，扩散焊特点扩散焊特点扩散焊分类扩散焊分类扩散连接原理及机制扩散连接原理及机制扩散焊工艺

2、扩散焊工艺扩散焊设备扩散焊设备其他扩散焊方法其他扩散焊方法回顾上节回顾上节 内内 容容扩散焊的特点扩散焊的特点n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扩散焊的分类单晶硅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波纹管扩散焊连轴扩散焊连轴n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 (15)108 cm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（0.81.6）104 cm 。扩散焊原理及机制扩散焊原理及机制原理 金属表面吸附

3、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金属真实表面的示意图n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。固态扩散焊接过程固态扩散焊接过程三个阶段：第第一一阶阶段段为为物物理理接接触触（接接触触变变形形）阶阶段段，高高温温下下微微观观不不平平的的表表面面，在在 外加压力作用下，总有一些点首先达到塑性变形

4、，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第三阶段是界面和孔洞消失，形成可靠接头阶段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，形成可靠连接三三过过程程相相互互交交叉叉进进行行，连连接接过过程程中中可可生生成成固固溶溶体体及及共共晶晶体体，有有时时 形形 成成 金金 属属 间间 化化 合合 物物 ， 通通 过过 扩扩 散散 、 再再 结结 晶晶 等等 过过 程程 形

5、形 成成固态冶金结合，达到可靠连接固态冶金结合，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+Al，随化合

6、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。n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。扩散焊工艺扩散焊工艺1、温度：、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

7、越高，扩散系数越大；连接表温度越高，扩散系数越大；连接表面达到紧密接触所需压力越小面达到紧密接触所需压力越小。但温度提高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提高加热温度还会造成母材软化及硬化注意：注意：选择温度时必须同时考虑到时间和压力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母材成分、表面状态、中间层材料以及相变材成分、表面状态、中间层材料以及相变等因素通常，TL（0.60.8）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）

8、，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：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，而又不损害母材的性能下达到良好的冶金结合，而又不损害母材的性能2、压力：、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加压时必须保证不引起宏观塑性变形。压力越大，温度越高，压力越大，温度越高，紧密接触的面积越大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

9、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。a)从经济角度考虑，应选择较低的压力;b)通常扩散焊采用的压力在0.550MPa之间。c)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。d)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：、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

10、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，保温时间越短越保温时间越短越好，此时需提高温度和压力好，此时需提高温度和压力4、材材料料表表面面处处理理： 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、

11、研磨和抛光（平直度和光滑度、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：、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100m，且应尽可能使用小于10m。但为了抑制脆性金属间化合物生成，有时故意加大中间层抑制脆性金属间化合物生成，有时故

12、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，以纯金属应用最多用最多。研究表明，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头的高温性能也有影响）1) 1) 容易塑性变

13、形；容易塑性变形；2) 2) 含有加速扩散的元素，如硼、铍、硅等；含有加速扩散的元素，如硼、铍、硅等；3) 3) 物理化学性能与母材差异较被焊材料之物理化学性能与母材差异较被焊材料之间的差异小；间的差异小；4) 4) 不与母材产生不良的冶金反应，如产生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；脆性相或不希望有的共晶相；5) 5) 不会在接头上引起电化学腐蚀问题。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n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。n阻焊剂一般为片状或粉状。n性能：n1）有高于焊接温度的熔点或软化点。 2）具有较好的高温化学

14、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扩散焊设备扩散焊设备n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。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

15、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。n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：n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。n（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。机械泵只能达到1.3310-2 Pa的真空度，加扩散泵

16、后可以达到1.3310-4 1.3310-5 Pa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的局部变形。扩散焊所施加的压力较小，压强可

17、在1100MPa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202300的测量与控制，温控的精度可在（510）。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：美国真空工业公司生产的Workhorse 型真空扩散焊设备

18、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

19、，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。第三第三阶段是均匀化阶段阶段是均匀化阶段，可在等温凝固后继续保温扩散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冷却后另行加热完成获得接头一、瞬间液相扩散焊接过程一、瞬间液相扩散焊接过程 图图6-1 6-1 瞬间液相扩散焊接过程示意图瞬间液相扩散焊接过程示意图a a）扩散前准备好的组合件）扩散前准备好的组合

20、件 b b）加热到焊接温度）加热到焊接温度 c)c)在焊接温度下扩散使在焊接温度下扩散使接头等温凝固接头等温凝固 d d）等温凝固完成，继续均匀化）等温凝固完成，继续均匀化 e)e)完全均匀化的焊缝完全均匀化的焊缝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、二、超塑成型超塑成型扩散焊（简称扩散焊（简称SPF-DB )1.原理n超塑性是指在一定的

21、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。材料的超塑性成形和扩散连接的温度在同一温度区间，因此可以把成形与连接放在一起进行，而构成超塑成形扩散连接工艺。用这种方法可以制造钛合金薄壁复杂结构件（飞机大型壁板、翼梁、舱门、发动机叶片），并已经在航天、航空领域得到应用，如波音747飞机上有70多个钛合金结构件就是应用这种方法制造的。用这种方法制成的结构件，质量小，刚度大，可减轻质量30，降低成本50，提高加工效率20倍。1.超塑成形扩散连接基本原理n材料超塑性通常是指在一定温度下，组织为等轴细晶粒且晶粒

22、尺寸小于3um，变形速率小于103 105 时，拉伸变形率可达到100%1500%。n从扩散焊连接理论可知，焊接界面的紧密接触和界面孔洞的消除与材料的塑性变形、蠕变及扩散过程关系 密切。材料超塑性的发现，使人们联想到利用超塑性材料的高延展性来加速界面的紧密接触过程，由此发展了超塑性成形扩散焊方法。 原理：从连接初期的变形阶段，因为超塑性材料具有低流变应力的特征，所以塑性变形能迅速在连接界面附近发生，甚至有助于破坏材料表面的氧化膜，因而大大加速了紧密接触过程，实际上，真正促进连接过程的是界面附近的局部超塑性。超塑性材料所具有的超细晶粒，大大增加了界面区的晶界密度和晶界扩散的作用，显著增加了孔洞与

23、界面消失的过程。n 两母材都具有超塑性；n 可以是只有一边母材具有超塑性；n 或两母材均不具有超塑性时，只要插入具有超塑性特性的材料作为中间层，就可以实现超塑性连接。n应用领域： 难焊的有色合金之间 适用范围：3.3.超塑性扩散焊设备超塑性扩散焊设备 图图6-2 6-2 超塑成型超塑成型扩散焊设备扩散焊设备 备注：主要由普通液压机与专门设计的加热平台构备注：主要由普通液压机与专门设计的加热平台构成成 n 1-陶瓷加热平合 2-真空抽气系统 3-加热元件 4-不锈钢容器 5-底板 6-钛合金扩散焊零件 7-垫块（1）设备图）设备图（2）压力机的平台置于加热炉内，其平台由耐高温的合金制成。为加速升

24、温，平台内亦可安装加热元件 n1-下金属平台n2-上金属平台 n3-炉壳n4-导筒 n5-立住 n6-油缸 n7-上模具 n8-下模具 9-气管n10-活动炉底4.4.实例实例钛合金的扩散焊钛合金的扩散焊图图6-3 6-3 超塑成型超塑成型- -扩散焊结构的一般形式扩散焊结构的一般形式a)加强板结构(一层板) b)整体加强结构(二层板) c)桁条芯夹层结构(三层板) d)蜂窝夹层结构(四层板)n超塑性扩散焊的工艺参数直接影响接头性能。接头质量与压力和时间的关系如下图：实线以上为质量保证区，在虚线以下不能获得良好的焊接质量。钛合金原始晶粒度对焊接质量的影响：从上图可以看出：原始晶粒越细，获得良好扩散焊接头所需的时间越短，压力越小。镁和钛合金铝合金和钛合金镁合金在超塑性条件下，完成成形与扩散连接。小结一、知识结构 1.扩散焊原理及分类。 2.扩散焊工艺 3.材料的扩散焊 4.扩散焊设备二、掌握 1.扩散焊焊接过程 2.焊接参数对焊接质量的影响 3.焊接工艺流程复习题一、名词1.固相扩散焊 2.瞬间液相扩散焊二、简答题1.简述扩散焊的原理2.扩散焊的优缺点有哪些？扩散焊适用于哪些情况下的焊接？3.什么是超塑性成形扩散焊？有何特点？三、论述题试述固相扩散焊工艺参数对焊接质量有什么影响？四、思考题结合各种扩散焊方法谈谈它们的工艺特点。Thanks!