扩散焊

0扩散焊LEEMAN(SCETC)第三章扩散焊教学目标：1.了解扩散焊的原理、工艺特点、分类及应用范围；2.能够制定焊接工艺，熟悉基本操作方法与安全防护。1扩散焊LEEMAN(SCETC)第一节扩散焊概述扩散焊（DiffusionWelding，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，使接触界面间的原子相互扩散而实现可靠连接的一种固相焊接方法。扩散焊特别适合异种金属材料、耐热合金和陶瓷、金属间化合物、复合材料等新材料的接合，尤其是对于熔焊方法难以焊接的材料，扩散焊具有明显的优势，日益引起人们的重视。目前，扩散焊广泛应用于航空、航天、仪表及电子等国防部门，并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等领域。2扩散焊LEEMAN(SCETC)一、扩散焊的基本原理两焊件紧压在一起置于真空或保护气氛原子扩散氧化膜破碎，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加热、加压若干微小区域出现界面间的结合整个连接界面均形成金属键结合保温，原子扩散扩大完成了扩散焊接过程扩散焊时，通过温度、压力、时间、保护气氛、真空条件等为实现金属间原子相互扩散与金属键结合创造了条件。3扩散焊LEEMAN(SCETC)扩散焊焊缝的形成过程：扩散焊的形成分为三个独立的阶段，物理接触、接触表面的激活、扩散及形成接头三个阶段。物理接触阶段在高温下通过对被焊件施加压力，使材料表面微观凸出点接触部位发生塑性变形，并在变形中挤碎表面氧化膜，于是导致该接触点的面积增加和被挤平，净面接触处便形成金属键连接。其余未接触部分形成微孔残留在界面上相互扩散和反应阶段高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，紧密接触的界面上发生原子持续扩散，而使界面上许多微孔消失。与此同时，界面处的晶界发生迁移而离开原始界面，但仍有许多小微孔遗留在晶粒内接合层的成长阶段原子扩散向纵深发展，界面与微孔最后消失形成新的晶界，达到冶金结合，最后接合区成分趋于均匀，形成可靠的焊接接头4扩散焊LEEMAN(SCETC)5扩散焊LEEMAN(SCETC)扩散焊前，通常对材料表面进行机械加工、研磨、抛光和清洗，但无论焊前如何加工处理，加工后的材料表面在微观上仍然是粗糙的，且表面还常常有氧化膜覆盖。表面氧化膜的去除塑性变形的破坏溶解球化聚集氧化物的溶解是通过间隙原子向金属母材中扩散而发生氧化物的球化聚集是借氧化物薄膜过多的表面能造成的扩散而实现的熔解与球化聚集均需在一定的温度和时间条件下完成。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接头。6扩散焊LEEMAN(SCETC)二、扩散焊的特点及分类（一）扩散焊的特点1.优点接头质量好扩散焊接头质量好，其显微组织和性能与母村接近或相同，焊缝无熔焊缺陷，无过热组织和热影响区。焊接参数易于精确控制，在批量生产时接头质量和性能隐定。可焊材料多扩散焊接时因基体不过热、不熔化，可以在不降低被焊材料性能的情况下焊接几乎所有的金属或非金属，特别适合于熔焊和其他方法难以焊接的材料，如活性金属、耐热合金、陶瓷和复合材料等。对于塑性差或熔点高的同种材料，以及不互溶或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料，扩散焊是一种可靠的焊接方法。焊件精度高、变形小因焊接时所加压力较小，工件多是整体加热，随炉冷却，故焊件整体塑性变形很小，焊后的工件一般不再进行机械加工。可以焊接大断面工件因焊接所需压力不大，故大断面焊接所需设备的吨位不高，易于实现。可焊性好可以焊接结构复杂、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。7扩散焊LEEMAN(SCETC)2.扩散焊的缺点：1）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。2）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。3）设备一次性投资较大，且焊接工件的尺寸受到设备的限制，无法进连续式批量生产。8扩散焊LEEMAN(SCETC)（二）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。9扩散焊LEEMAN(SCETC)10扩散焊LEEMAN(SCETC)三、扩散焊的应用扩散焊适宜于焊接特殊材料或特殊结构，这类材料和结构在宇航、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广泛。宇航、核能等工程中很多零、部件是在极恶劣的环境下工作，如要求耐高温、耐辐射，其结构形状也比较特殊，如采用空心轻型蜂窝结构等，且它们之间的连接多是异种材料的组合。扩散焊成为制造这些零部件的优先选择。超塑性是指在特定的条件下，即在低的应变速率(ε=10-2～10-4s-1)，一定的变形温度(约为热力学熔化温度的一半)和稳定而细小的晶粒度(0.5～5μm)的条件下，某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。其伸长率可超过100%以上，如钢的伸长率超过500%，纯钛超过300%，铝锌合金超过1000%。目前常用的超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。11扩散焊LEEMAN(SCETC)扩散焊适宜于各种材料的焊接：钛合金铝及其合金耐热钢和耐热合金钛合金具有耐腐蚀、比强度高的特点，因而在飞机、导弹、卫星等飞行器的结构中被大量采用。铝及其合金具有很好的传热与散热性能，利用扩散焊制成铝热交换器、太阳能热水器、电冰箱蒸发器等。扩散焊可以焊接多种耐热钢和耐热合金，可以制成高效率燃气轮机的高压燃烧室、发动机叶片、导向叶片和轮盘等。异种金属扩散焊可以将非铁金属与钢铁材料焊在一起，如用Ti和CoCrWNi耐热合金制成蒸汽轮机、高导无氧铜和不锈钢制成火箭发动机燃烧室的通道等。非金属与金属用扩散焊可将陶瓷、石墨、石英、玻璃等非金属与金属材料焊接，例如，钠离子导电体玻璃与铝箔或铝丝焊接成电子元件等。12扩散焊LEEMAN(SCETC)13扩散焊LEEMAN(SCETC)第二节扩散焊工艺焊前准备焊接参数选择扩散焊的接头形式设计焊件表面的制备与清理中间层材料及选择焊接温度焊接压力保持时间环境气氛表面状态14扩散焊LEEMAN(SCETC)一、焊接准备（一）扩散焊的接头形式设计扩散焊接头的形式比熔焊类型多，可进行复杂形状的接合，如平板、圆管、中空结构、T形及蜂窝等结构均可进行扩散焊。15扩散焊LEEMAN(SCETC)（二）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。表面机械加工待焊表面要求达到平整光滑，为了使焊接间隙最小，微观接触点尽可能多。一般要求表面粗糙度值应达到Ra＞2.5μm。用精车、精刨（铣）、磨削、研磨、抛光等方法都可以加工出所需的表面平面度和粗糙度。若是采用加入软中间层的扩散焊或过渡液相的扩散焊，则粗糙度值可适当放宽。表面净化处理表面净化处理目的是清除氧化膜、油和吸附物。去除表面氧化物多用化学腐蚀方法，腐蚀剂可参考金相腐蚀液的配方。腐蚀速度不能过大，以防止产生腐蚀坑。当腐蚀至露出金属光泽，就立即用水冲净和烘干。除油可用乙醇、三氯乙烯、丙酮、洗涤剂等，也可采用在真空中加热的方法去除焊件表面的有机物、水、气体吸附层等。清洗干净的待焊件应尽快组装焊接，如需长时间放置，则应对待焊件表面加以保护，可放在高纯度的惰性气体或置于真空容器内。16扩散焊LEEMAN(SCETC)(三）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加入中间层。在焊件之间增加中间层是异种材料扩散焊的有效手段之一，特别是对于原子结构差异很大的材料，中间层可以改善材料表面的接触状态，降低对待焊接表面制备的要求，降低扩散焊温度、压力和缩短扩散焊时间，避免或减少形成脆性金属间化合物的倾向，避免或减少因被焊材料之间的物理化学性能差异过大而引起的其他冶金问题。17扩散焊LEEMAN(SCETC)1．中间层材料的性能特点1）容易发生塑性变形，含有加速扩散的元素，如Be（铍）、B（硼）、Si等。2）与母材的物理化学性能相近，且不与母材发生不良冶金反应，如产生脆性相或共晶相。3）不会在接合处引起电化学腐蚀问题。通常，中间层是熔点较低、塑性较好的纯金属，如Cu、Ni、AI、Ag（银）等，或者与母材成分接近且含有少量易扩散的低熔点元素的合金。中间材料的作用：①在比焊接温度低得多的温度下促进扩散；②在较低的压力下促进塑性流动和使表面达到一致性；③防止金属间化合物形成；④获得洁净的表面。使用中间层材料或活化剂还可以大大缩短焊接时间。18扩散焊LEEMAN(SCETC)2．中间层的选用形式采用箔、粉末、镀层、离子溅射和喷涂层等多种形式。厚度中间层厚度一般为几十微米，以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。材料是比母材金属低合金化的改型材料，以纯金属应用较多。在固相扩散焊中，多选用软质纯金属材料作中间层，常用的材料为Ti、Ni、Cu、AI、Ag、Au（金）及不锈钢等。例如，Ni基超合金扩散焊时采用Ni箔作中间层，Ti基合金扩散焊时采用Ti箔作中间层。液相扩散焊时，除了要求中间层具有上述性能以外，还要求中间层与母材润湿性好、凝固时间短、含有加速扩散的元素。对于Ti基合金，可以使用含有Cu、Ni、Zr（锆）等元素的Ti基中间层。对于铝及铝合金，可使用含有Cu、Si、Mg等元素的Al基中间层。对于Ni基母材，中间层须含有B、Si、P等元素。在陶瓷与金属的扩散焊中，活性金属中间层可选择V、Ti、Nb（铌）、Zr、Ni－Cr、Cu－Ti等。19扩散焊LEEMAN(SCETC)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粘接在一起，需加片状或粉状的阻焊剂。阻焊剂应具有以下性能：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。例如，钢与钢扩散焊时，可以用人造云母片隔离压头；钛与钛扩散焊时，可以涂一层氮化硼或氧化钇粉。20扩散焊LEEMAN(SCETC)二、扩散焊焊接参数的选择扩散焊焊接参数主要有焊接温度、焊接压力、保持时间、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。选择利于扩散的晶格选择超塑性的母材（一）选择焊接参数的基本原则在中间层合金系中加入高扩散系数的元素，提高扩散速率异种材料焊接时，应降低焊接温度，可插入适当的中间层，以吸收应力、减小线膨胀差。材料的同素异构转变对扩散速率有很大的影响。常用的合金钢、钛、锆、钴等均有同素异构转变。在同一温度下Fe的自扩散速率在体心立方晶格α-Fe中比面心立方晶格Y－Fe中的扩散速率约大1000倍。显然，选择在体心立方晶格状态下进行扩散焊可以大大缩短焊接时间。焊接温度在相变温度附近反复变动时可产生相变超塑性，利用相变超塑性也可以大大促进扩散焊过程。除相变超塑性外，细晶粒也对扩散过程有利。例如，当Ti-6AI-4V合金的晶粒足够细小时也产生超塑性，对扩散焊十分有利。21扩散焊LEEMAN(SCETC)焊接温度焊接温度越高，扩散系数越大，金属的塑性变形能力越好，焊接表面达到紧密接触所需的压力越小，所获得的接头强度越高。但是，加热温度的提高要受到被焊材料的冶金和物理化学特性方面的限制，如再结晶、低熔共晶和金属间化合物的生成等，此外，提高加热温度还会造成母材软化，这些变化直接或间接地影响到扩散焊接过程及接头的质量。因此，当温度高于某一限定值后，再提高加热温度时，扩散焊接头质量不仅得不到提高，甚至反而有所下降。不同材料组合的焊接接头，应根据具体情况，通过实验