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焊工技师、高级技师培训7-7异种金属特种焊接方法—扩散焊异种金属特种焊接方法之扩散焊•扩散焊（DFW）是将紧密接触的焊件置于真空或保护气氛中，并在一定温度和压力下保持一段时间，使接触界面之间的原子相互扩散而实现可靠连接的一种固相焊接方法。一、扩散焊概述异种金属特种焊接方法之扩散焊1.扩散焊的基本原理扩散焊时，把两个或两个以上的焊件紧压在一起，置于真空或保护气氛中，加热至母材熔点以下某个温度，然后对其施加压力，使其表面的氧化膜破碎，表面微观凸起处发生塑性变形和高温蠕变而达到紧密接触，激活界面原子之间的扩散，在若干微小区域出现界面间的结合。再经过一定时间的保温，这些区域进一步通过原子相互扩散不断扩大。当整个连接界面均形成金属键结合时，则完成了扩散焊接过程。异种金属特种焊接方法之扩散焊扩散焊焊缝的形成过程可分为以下三个阶段：•第一阶段是物理接触阶段；•第二阶段是相互扩散和反应阶段；•第三阶段是接合层的成长阶段。异种金属特种焊接方法之扩散焊•扩散焊接过程的三个阶段并没有明确的界限，而是相互交叉进行的，甚至有局部重叠，很难准确确定其开始与终止时间。•焊接区域经蠕变、扩散、再结晶等过程而最终形成固态冶金结合，可以形成固溶体及共晶体，有时也可能生成金属间化合物，从而形成可靠的扩散焊。异种金属特种焊接方法之扩散焊2.扩散焊的特点及分类扩散焊的优点：•扩散焊时因基体不过热、不熔化，可以在不降低焊件性能的情况下焊接几乎所有的金属或非金属。•扩散焊接头质量好，其显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝中不存在熔化焊缺陷，也不存在过热组织和热影响区。•焊件精度高、变形小。异种金属特种焊接方法之扩散焊扩散焊的优点：•可以焊接大断面的接头；•可以焊接结构复杂、接头不易接近以及厚薄相差较大的工件；•能对组装件中许多接头同时实施焊接。异种金属特种焊接方法之扩散焊扩散焊的缺点：•焊件表面的制备和装配质量的要求较高，特别对接合表面要求严格。•焊接热循环时间长，生产率低。每次焊接快则几分钟，慢则几十小时。对某些金属会引起晶粒长大。•设备一次性投资较大，且焊接工件的尺寸受到设备的限制，无法进行连续式批量生产。异种金属特种焊接方法之扩散焊扩散焊的分类：•根据被焊材料的组合方式和加压方式的不同，扩散焊可以分成：同种材料扩散焊、异种材料扩散焊、加中间层的扩散焊、过渡液相扩散焊、超塑性成形扩散焊、热等静压扩散焊等。异种金属特种焊接方法之扩散焊3.扩散焊的应用范围扩散焊应用领域：•适宜于焊接特殊材料或特殊结构，这样的材料和结构在宇航、电子和核工业中应用很多，因而扩散焊在这些工业部门中的应用很广泛。异种金属特种焊接方法之扩散焊二、扩散焊工艺•1.焊前准备•2.扩散焊工艺参数的选择异种金属特种焊接方法之扩散焊1.焊前准备•（1）扩散焊的接头形式设计•（2）焊件表面的制备与清理•（3）中间层材料及选择异种金属特种焊接方法之扩散焊（1）扩散焊的接头形式设计•扩散焊接头的形式比熔化焊类型多，可进行复杂形状的接合，如平板、圆管、中空、T形及蜂窝结构均可进行扩散焊。异种金属特种焊接方法之扩散焊（2）焊件表面的制备与清理•待焊表面状态对扩散焊接过程和接头质量的影响很大，特别是固态扩散焊，必须在装焊前对焊件表面进行认真准备，其表面准备包括：加工符合要求的表面粗糙度、平面度，去除表面的氧化物，消除表面的气、水或有机物膜层。•表面机械加工•表面净化处理异种金属特种焊接方法之扩散焊（3）中间层材料及选择•为了促进扩散焊过程的进行，降低扩散焊温度、时间、压力和提高接头性能，扩散焊时可在待焊接材料之间插入中间层。•中间层材料的特点•中间层的选用•阻焊剂异种金属特种焊接方法之扩散焊1）容易发生塑性变形；含有加速扩散的元素，如B、Be、Si等。2）物理化学性能与母材的差异较被焊材料之间的差异小；不与母材发生不良冶金反应，如产生脆性相或共晶相。3）不会在接头处引起电化学腐蚀问题。（1）中间层材料的特点异种金属特种焊接方法之扩散焊（2）中间层的选用•可采用箔、粉末、镀层、离子溅射和喷涂层等多种形式。•厚度一般为几十微米，利于缩短均匀化扩散的时间。•过厚的中间层焊后会以层状残留在界面区，影响接头的物理、化学和力学性能。•中间层厚度在30~100μm时，以箔片的形式夹在待焊接表面间。异种金属特种焊接方法之扩散焊（3）阻焊剂扩散焊时为了防止压头与焊件或焊件之间某些区域被扩散焊粘接在一起，需加阻焊剂。1）熔点或软化点应高于焊接温度；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）不释放有害气体污染附近的待焊接表面，不破坏保护气氛或真空度。异种金属特种焊接方法之扩散焊2.扩散焊工艺参数的选择•扩散焊工艺参数主要有温度、压力、时间、气氛环境，这些因素之间相互影响、相互制约，在选择焊接参数时应综合考虑。•（1）选择工艺参数的基本原则•（2）工艺参数对焊接质量的影响异种金属特种焊接方法之扩散焊（1）选择工艺参数的基本原则•正确选择扩散焊参数是获得优质接头的重要保证。•材料的同素异构转变和显微组织，它们对扩散速率有很大的影响。•母材能产生超塑性时，扩散焊就容易进行。•增加扩散速率的另一个途径是合金化，确切地说是在中间层合金系中加入高扩散系数的元素。异种金属特种焊接方法之扩散焊（2）工艺参数对焊接质量的影响•1）焊接温度•2）焊接压力•3）扩散焊接时间•4）环境气氛•5）表面状态异种金属特种焊接方法之扩散焊三、扩散焊设备的分类•1．按照真空度分类•2．按照热源类型和加热方式分类•3．其他分类方法异种金属特种焊接方法之扩散焊1.按照真空度分类•根据工作空间所能达到的真空度或极限真空度，可以把扩散焊设备分为四类，即低真空（0.1Pa以上）、中真空（0.lPa～10-3Pa）、高真空（＜10-5Pa）焊机和低压、高压保护气体扩散焊机。•根据焊件在真空中所处的情况，可分为焊件全部处在真空中的焊机和局部真空焊机。异种金属特种焊接方法之扩散焊2.按照热源类型和加热方式分类•根据扩散焊时所应用的加热热源和加热方式，可以把焊机分为感应加热、辐射加热、接触加热、电子束加热、辉光放电加热、激光加热、光束加热等。•在实际中应用最广的是高频感应加热和电阻辐射加热两种方式。异种金属特种焊接方法之扩散焊3.其他分类方法•根据真空室的数量，可以将扩散焊设备分为单室和多室两大类；•根据真空焊接的工位数（传力杆的数量），又可分为单工位和多工位焊机；•根据自动化程度，可分为手动、半自动和自动程序控制三类。异种金属特种焊接方法之扩散焊四、常用材料的扩散焊•（一）同种材料的扩散焊•（二）异种金属材料的扩散焊接•（三）陶瓷材料的扩散焊异种金属特种焊接方法之扩散焊（一）同种材料的扩散焊•1.钛合金的扩散焊•2.镍合金的扩散焊•3.高温合金的焊接异种金属特种焊接方法之扩散焊（一）钛合金的扩散焊•钛合金采用扩散焊，接头性能优于常规熔焊。•钛合金在扩散焊时无需对焊件表面进行特殊的准备和控制。•钛合金能吸收大量的O2、H2和N2等气体，故不宜在H2和N2气氛中进行扩散焊，应在真空状态或氩气保护下进行。异种金属特种焊接方法之扩散焊•钛合金应用最普遍的焊接方法是超塑成形扩散焊接（SPF/DB），所选择的温度与通常扩散焊接所用的温度基本相同，但须注意压力与时间要匹配选择。（一）钛合金的扩散焊异种金属特种焊接方法之扩散焊•钛合金常用焊接参数为：加热温度在1123～1273K范围内选取，保温时间在1～4h范围内选取，压力在2～5MPa范围内选取，真空度1.33×10-3Pa以上或在氩气保护下焊接。对于大面积钛合金扩散焊，可采用加中间层进行扩散钎焊，中间层主要采用Ag基钎料、Ag-Cu钎料、Ti基钎料。由于Cu基钎料和Ni基钎料容易和Ti发生反应，形成金属间化合物，一般不作为中间层或钎料使用。（一）钛合金的扩散焊异种金属特种焊接方法之扩散焊（二）镍合金的扩散焊•镍合金具有优良的耐高温、耐腐蚀及耐磨损等性能，其熔焊时焊接性差，接头韧性远低于母材，因此较多地应用扩散焊实现连接。•镍合金表面含有Ti和A1的氧化膜，比较稳定，须仔细地进行焊接表面准备；在焊接过程中，严格控制气氛，防止表面污染，通常还需要纯镍或镍合金作中间层。异种金属特种焊接方法之扩散焊•镍合金扩散焊接的参数：加热温度1093～1204℃，保温时间10～120min，压力2.5～15MPa，真空度1.33×10-2Pa以上。（二）镍合金的扩散焊异种金属特种焊接方法之扩散焊（三）高温合金的焊接•各类高温合金如机械化型高温合金、含高A1、Ti的铸造高温合金等几乎都可以采用固相扩散焊接。•高温合金中含有Cr、Al等元素，表面氧化膜很稳定，难以去除，焊前必须严格加工和清理，甚至要求表面镀层后才能进行固相扩散焊。异种金属特种焊接方法之扩散焊异种金属材料的扩散焊接•（一）钢与铝、钛、铜、钼的扩散焊•（二）铜与铝、钛、镍、钼的扩散焊异种金属特种焊接方法之扩散焊（一）钢与铝、钛、铜、钼的扩散焊•1.钢与铝的扩散焊•2．钢与钛的扩散焊接•3．钢与铜及铜合金扩散焊接•4．不锈钢与钼扩散焊异种金属特种焊接方法之扩散焊1.钢与铝的扩散焊•钢与铝及铝合金进行扩散焊的主要问题是焊接界面附近易形成Fe-Al金属间化合物，使接头强度下降。•可采用增加中间过渡层的方法获得牢固的接头。•一般可选用Cu和Ni。•合金元素Mg、Si及Cu对钢与铝扩散焊接头的强度影响很大。异种金属特种焊接方法之扩散焊2．钢与钛的扩散焊接•采用扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金时，应添加中间层或复合填充材料。•中间层材料一般是V、Nb、Ta、Mo、Cu等，复合填充材料有：V+Cu、Cu+Ni、V+Cu+Ni以及Ta和青铜等。异种金属特种焊接方法之扩散焊3．钢与铜及铜合金扩散焊接•钢与铜及铜合金扩散焊时，加热温度750℃、保温时间20～30min的条件下实施扩散焊，通过金相分析可观察到扩散焊接头中有共晶体。•钢与铜扩散焊的焊接参数为：加热温度900℃，保温时间20min，压力5MPa，真空度1.33×10-2～1.33×10-3Pa。•为了提高钢与铜及铜合金扩散焊接头的强度，可采用Ni作中间过渡层。异种金属特种焊接方法之扩散焊4．不锈钢与钼扩散焊•不锈钢（1Cr18Ni9Ti和1Cr13)与钼扩散焊能获得质量稳定的接头。•可采用添加中间层，中间层材料一般为Ni或Cu。异种金属特种焊接方法之扩散焊（二）铜与铝、钛、镍、钼的扩散焊•1．铜和铝扩散焊接•2．铜与钛的扩散焊•3．铜与镍的扩散焊•4．铜与钼的扩散焊异种金属特种焊接方法之扩散焊1．铜和铝扩散焊接•铜和铝扩散焊时，影响接头质量和焊接过程稳定的主要因素有：加热温度、焊接压力、保温时间、真空度和焊件的表面准备等。•焊前焊件表面须进行精细加工、磨平和清洗去油，去除铝材表面的氧化膜，使其表面尽可能洁净和无任何杂质。•根据铜与铝扩散焊接头的显微硬度测定结果，铜侧过渡区中可能产生了金属间化合物。异种金属特种焊接方法之扩散焊•铜和铝扩散焊的焊接参数应根据实际情况确定。•对于真空电器元件，其焊接参数为：加热温度500～520℃，保温时间10～15min，压力6.8～9.8MPa，真空度6.66×10-3Pa。当压力为9.8MPa时，扩散焊接头的界面结合率可达到100%。1．铜和铝扩散焊接异种金属特种焊接方法之扩散焊2．铜与钛的扩散焊•铜与钛的扩散焊可采用直接扩散焊或加中间层的扩散焊方法，前者接头强度低，后者强度高，并有一定塑性。•铜与钛之间不加中间层直接扩散焊时，为了避免金属间化合物的生成，焊接过程应在短时间内完成。•铜与纯钛TA2直接扩散焊的焊接参数是：加热温度850℃，保温时间l0min，压力4.9MPa，真空度1.33×10-5Pa。异种金属特种焊接方法之扩散焊3．铜与镍的扩散焊•采用扩散焊方法焊接铜与镍及镍合金的焊接结构，是真空器件制造中应用较为广泛的一种焊接工艺。•由于铜与镍及镍合金具有较好的塑性，而且在相互扩散的过程中均能获得连续的固溶体，使焊接接头质量提高。异种金属特种焊接方法之扩散焊4．铜与钼的扩散焊•填加