特种连接方法及工艺课件：扩散焊-.ppt

单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版标题样式,第,9,章 扩散焊,主要内容,9.1,概述,9.2,扩散焊的分类及扩散焊方法,9.3,扩散焊的原理,9.4,扩散焊的工艺,9.5,常用材料的扩散焊,9.6,扩散焊设备,9.1,概述,扩散焊,（,Diffusion welding,）是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间相互扩散来实现结合的焊接方法扩散焊的接头性能可与母材相同，适合焊接异种金属材料、石墨和陶瓷等非金属材料、弥散强化高温合金、金属基复合材料和多孔性烧结材料等扩散焊已广泛用于反应堆燃料元件、蜂窝结构板、静电加速管、各种叶片、叶轮、冲模、过滤管和电子元件等的制造扩散焊的优点,1,）接头质量高2,）零部件变形小，无需后续加工3,）可焊接其他焊接方法难以焊接的材料和工件扩散焊的缺点,1,）零件待焊表面的制备和装配要求较高；,2,）焊接过程中焊接时间长，生产率低在某些情况下会产生一些晶粒过度长大等现象3,）设备一次性投资较大，且被焊工件的尺寸受设备限 制无法进行连续量生产4,）焊接质量的无损检测手段不完善。

9.2,扩散焊的分类及方法,按被焊材料的组合形式来分，扩散焊可分为有中间层扩散焊和无中间层扩散焊，而后者又可分为同种材料扩散焊和异种材料扩散焊如果按焊接过程中接头是否出现过液相来分可分为固相扩散焊和液相扩散焊同种材料扩散焊,指不加中间层的同种金属间直接接触的扩散焊这类扩散焊一般对待焊表面制备质量要求高，焊接时要求施加较大压力，焊后接头的成分、组织与母材基本一致钛、铜、锆、钽等最易焊接铝及铝合金以及含铝、铬、钛的铁基合金因其氧化物不易去除而难于焊接异种材料扩散焊,指异种金属或金属与陶瓷、石墨等非金属的扩散焊异种材料扩散焊时在结合面上可能会出现热应力、产生低熔点共晶组织或脆性金属间化合物、形成扩散空洞以及电化学腐蚀等问题加中间层扩散焊,对难熔金属或异种材料进行扩散焊时，可在被焊材料之间加一层金属或合金（俗称中间层），可以焊接难焊金属或冶金上不相容的异种材料，也可焊接熔点很高的同种材料固相与液相扩散焊,固相扩散焊,指焊接过程中母材和中间层均不发生熔化或产生液相的扩散焊方法液相扩散焊,扩散焊过程中接缝区短时出现微量液相，短时出现的液相有助于改善扩散表面接触，允许使用较低的扩散焊压力微量液相可通过共晶反应或者添加特殊钎料来获得。

微量液相在焊接后期经等温凝固及均匀扩散过程，形成成分与母材接近的接头真空扩散焊,真空扩散焊是常用方法，通常在真空扩散焊设备中进行被焊材料或中间层合金中含有易挥发元素时不应采用此方法由于设备尺寸限制，仅适用于焊接尺寸不大的工件超塑成形扩散焊,对于超塑性材料，例如,TC4,钛合金，可在高温下用较低的压力同时实现成形和焊接采用此种组合工艺可以在一个热循环中制造出复杂空心整体结构件在该组合工艺中扩散焊的特点是：扩散焊压力低，与成形压力相匹配；扩散焊时间较长，可达数小时在超塑状态下进行扩散焊有助于提高焊接质量，该方法已经在航空航天工业中得到应用热等静压扩散焊,热等静压扩散焊是在热等静压设备中进行焊接焊前应将组装好的工件密封在薄的软质金属包囊中并将其抽真空，封焊抽气孔，然后将整个包囊置于加热室内加热，利用高压气体与真空气囊中的压力差对工件施加各向均衡的等静压力，在高温高压下完成扩散焊过程焊接是所加气压压力可达,100MPa,当工件轮廓不能充满包囊时，应采用夹具将其填满，防止工件变形该方法尤其适用于脆性材料的扩散焊9.3,扩散焊的原理,金属在不熔化情况下，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（,1,510,8,cm,）内，这样才可能形成金属键，获得具有一定强度的接头。

实际上，金属表面在微观上总是凹凸不平的，所以在零压力下接触时，其实际接触点只占全部表面积的百万分之一，在施加一般压力时，实际紧密接触面积仅占全部表面积的,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同种金属扩散焊原理,扩散焊时，通过对连接界面加压和加热，使得表面氧化膜破碎和表面微观凸出部位发生塑性变形和高温蠕变，因此，在若干微小区域出现金属之间的结合这些区域进一步通过连接表面微小凸出部位的塑性变形、母材之间发生的原子相互扩散得以不断扩大，当整个连接界面均形成金属键结合时，也就是最终完成了扩散连接过程第一阶段为物理接触阶段,，在一定温度下微观不平的表面，在外加压力的作用下，通过屈服和蠕变机理使一些点首先达到塑性变形在持续压力的作用下，金属表面吸附层被挤开，氧化膜被挤碎，表面上微观凸起点被挤平，接触面积逐渐扩大，最终达到整个面的可靠接触第二阶段,是接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层连接表面达到紧密接触后，由于变形引起的晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆集，界面区的能量显著增大，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速，因此很快就形成以金属键连接为主要形式的接头，如图,9-2(c),所示。

这个阶段大部分孔洞消失，而且会产生连接界面的移动第三阶段,是在接触部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头这个阶段要消除界面、晶界和晶粒内部的残留孔洞，使接头组织与成分均匀化，最后达到晶粒穿过界面生长，原始界面完全消失，如图,9-2(d),所示氧化膜的去除方式,氧化膜的去除方式与基体材料的特性有关，根据基体材料的特性，可分为三类：钛镍型、钢铁型和铝型钛镍型基体材料主要靠在母材中溶解作用去除氧化膜，最终界面无氧化膜痕迹，不会对扩散连接接头造成影响；钢铁型基体材料主要靠球化聚集作用去除氧化膜，最终在接合面的空隙上形成细小分散的氧化物夹杂；铝型基体材料主要靠破碎作用去除氧化膜，或者利用真空室中较强的还原元素将铝表面的氧化膜还原9.3.2,液相扩散焊原理,过渡液相扩散焊连接,（,Transient Liquid Phase Diffusion Bonding,TLP-DB,）也称瞬时液相扩散连接，通常采用比母材熔点低的材料做中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。

与一般的固相扩散焊相比，液相扩散焊具有如下优点：液体金属原子的运动比较自由，且易于在母材表面形成稳定的原子排列而凝固；使界面的紧密接触变得容易；可大幅降低连接压力液相扩散焊过程,第一阶段,为置于两被焊表面之间的中间层在较低的压力作用下与待焊表面接触，如图,9-3(a),所示第二阶段,为中间层与母材之间发生共晶反应或中间层熔化，形成液相并润湿填充接头间隙，如图,9-3(b),所示第三阶段,为等温凝固阶段，如图,9-3(c),所示工件处于保温阶段，液相层与母材之间发生扩散在一开始，母材边缘因液相中低熔点元素扩散进来而熔点下降，直至熔入液相，液相熔点则因高熔点母材元素的熔入和液相低熔点元素扩散进母材而提高晶粒从固相基体表面向液相生长，经过一定时间扩散后液相层变得越来越薄第四阶段,为等温凝固过程结束，液相层完全消失，接头初步完成，如图,9-3(d),所示等温凝固所获得的结晶成分几乎一致，均为此温度下固,-,液相平衡成分，避免了熔焊或普通钎焊时的不平衡凝固组织第五阶段,为均匀化扩散阶段，如图,9-3(e),所示接头成分和组织进一步均匀化，此阶段可与焊后热处理合并进行9.3.3,异种材料扩散焊原理,在异种材料尤其是金属与非金属或非金属与非金属扩散焊时，界面将发生化学反应，形成各种界面化合物。

化学反应首先在相互接触的局部形成反应源，而后接触面积变大，反应面积也变大，反应生成的化合物也逐渐长大当整个界面都发生化学反应时，生成相也由不连续的粒状或块状成长为层状，形成良好的扩散连接接头界面化学反应主要有两种,:,化合反应和置换反应化合反应主要发生在金属经过氧化层与陶瓷或玻璃进行连接时，在界面形成各种尖晶石、硅酸盐及铝酸盐等物质置换反应是以活泼元素置换非活泼元素，在界面形成新的反应物在扩散焊过程中，界面反应多数属于置换反应例如,Al-Mg,合金与玻璃或陶瓷连接时，界面发生置换反应，其反应机制见图,9-4,铝与氧化硅在界面上相互作用时，二氧化硅中的硅被铝置换，还原为硅原子溶解于铝当中当达到饱和浓度后，则硅由固溶体中析出并成长为新相9.4,扩散焊的工艺,9.4.1,固相扩散焊工艺,固相扩散焊的工艺包括表面处理、装配工件、装炉、扩散焊接、炉冷1,、工件表面的制备、清理及装配,（,1,）机械加工,（,2,）除油,（,3,）表面侵蚀,（,4,）真空烘烤、辉光放电、离子轰击等来清理表面,（,5,）工件装配,中间层材料的选择,在工件之间增设中间层是实现异种材料扩散焊的有效工艺措施，特别对原子结构差别很大的材料。

中间层的作用,有：,（,1,）改善表面接触，降低对表面要求，降低焊接压力2,）改善扩散条件，加速扩散过程，降低温度，缩短时间3,）改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物和不希望有的共晶组织4,）避免或减少因被焊材料之间的物理化学性能差异过大导致的问题，如热应力过大，出现扩散孔洞等中间层材料应满足如下条件：,（,1,）容易发生塑性变形2,）含有加速扩散或降低中间层熔点的元素，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5,）不会在接头上引起电化学腐蚀问题通常，固相扩散焊的中间层是熔点较低（但不低于焊接温度），塑性好的纯金属，如铜、镍、银等，液相扩散焊的中间层是与母材成分接近，但含有少量易扩散的低熔点元素的合金，或是能与母材发生共晶反应，又能在一定时间内扩散到母材中的金属中间层厚度一般为几十微米，有利于缩短均匀化扩散处理时间止焊剂,扩散焊时为了防止压头与工件或者工件之间某些特定区域被扩散焊焊接在一起，需要加止焊剂（也称阻焊剂或隔离剂，片状或粉状），这种辅助材料应具有如下性能：,（,1,）高于焊接温度的熔点或软化点2,）有较好的高温化学稳定性，高温下不与工件、夹具或压头发生化学反应。

3,）不应释放出有害气体污染附近待焊表面，不破坏保护气氛或真空度扩散焊工艺参数,加热温度,加热温度是扩散焊最重要的工艺参数，在一定的温度范围内，温度愈高，扩散过程愈快，所获得的接头强度也高从这一点考虑，应尽可能选用较高的扩散温度但加热温度受被焊工件和夹具的高温强度、母材成分、表面状态、中间层材料、相变点以及再结晶温度等因素所限制，而且当温度高于某一定值后再提高时，接头质量提高不多，有时反而下降对于许多金属及合金来说，固相扩散焊温度为,0.60.8,T,m,（,K,，,T,m,是母材熔点）压力,施加压力的主要作用是使结合面微观凸起的部分产生塑性变形，达到紧密接触，同时促进界面区的扩散，加速再结晶过程如果压力过低，表层塑性变形不足，表面形成物理接触的过程进行不彻底，界面上残留的孔洞过大且过多较高的压力可产生较大的表层塑性变形，还可使表层再结晶温度降低，加速晶界迁移高的压力有助于扩散焊第二阶段微孔的收缩和消除，也可减少或防止异种金属扩散焊时的扩散孔洞在其它参数固定时，采用较高压力能产生较好的接头保温时间,保温时间是指被焊工件在焊接温度下保持的时间在该保温时间内必须保证扩散焊过程全部完成，达到所需的结合强度，如图,9-6,所示。

保温时间太短，扩散焊接头达不到稳定的与母材相等或相近的强度，严重时导致焊缝中残留许多孔洞，影响接头性能但高温、高压持续时间太长，对扩散焊接头质量起不到进一步提高的作用，反而会使母材的晶粒长大对可能形成脆性金属间化合物的接头，应控制时间以控制脆性层的厚度保护气氛,焊接保护气氛的纯度、流量、压力或者。