第4章 扩散焊(29)

1 同种金属扩散焊模型
此类扩散焊过程可用三个阶段模型来形象的描述：
• 物理接触 • 接触表面激活 • 扩散及形成接头
具体：
• 第一阶段 变形――接触阶段 在温度和压力的作用下，粗糙表面 的微观凸起部位首先接触和变形，在变形中表面吸附层被挤开， 氧化膜被挤碎，表面上各个微观凸起点因塑性变形而被挤平，从 而达到紧密接触的程度，形成金属键连接。其余未接触部分形成 孔洞残留在界面上，较大的可能不会完全消除而成为焊接缺陷。 • 第二阶段 扩散反应――界面推移阶段 包括微孔的消除，通过 原子扩散和再结晶，使得晶界发生迁移，界面上第一阶段留下的 孔洞逐渐变小，继而大部分孔洞在界面上消失，形成了焊缝。 • 第三阶段 均匀化，体积扩散、微孔和界面的消失。原子扩散向 纵身发展，原始界面完全消失，界面上残留的微孔也消失，在界 面处达到冶金连接，接头成分趋向均匀。
5 保护气氛
• 焊接保护气氛的纯度、流量、压力或真空 度、漏气率均会影响扩散焊接头质量。常 用的保护气体使氩气，也可用纯氮，氢气 或氦气。
6母材的物理特性
• 焊接同种材料时应考虑相变和晶体结构方面的特性。 对于具有相变特性的金属，在相变温度附近进行扩散 焊时，使得焊接表面凸起处产生塑性变形所需要的压 力就小很多。金属原子在不同的晶体结构中的扩散速 度相差很大。铁的子扩散在体心立方晶体铁素体中比 在同一温度下的面心立方晶体奥氏体中的扩散速度约 大1000倍。当然扩散速度是一方面，溶解度又是一 个方面。 • 对异类材料的扩散焊还应注意：线膨胀系数不同所产 生的内应力和低熔点共晶和中间金属化合物所带来的 脆性相等影响
物理接触过程
• 物理接触及氧化膜去除
• • • • • 解吸：银铜镍 蒸发升华 溶解 化学反应：还原 表面变形去摸
• 氧化膜去除机制
• 钛镍型：溶于母材 • 钢铁型：夹杂物 • 铝合金型：破碎，被还原
• 物理接触形成：材料性质，连接温度，施加的压 力
化学反应
• 原子间：金属键、共价键、离子键 • 扩散时的化学反应：电负性差距大的金属 或者金属和非金属连接
7中间层的选择
• 中间层的作用
• • • • •
• 中间层的材料
软质金属：钛镍铜铝银金 陶瓷和金属的连接： 单一层 多层：陶瓷侧 低膨胀系数，高 弹性模量的钨钼 • 金属侧 软点的铜镍等
改善表面接触 • 抑制夹杂物的形成 • 改善冶金反应 • 降低焊接温度，减少焊接时间 • 控制接头应力，提高接头强度
4焊接的表面状态
• 焊接表面状态对焊接过程及接头的质量有很大的影响，焊前必须进行精加工、 磨平，甚至抛光，还要清洗去油、去除氧化膜等。 • 常用的焊接表面制备的方法有： • 机械加工：包括车、铣、刨、磨、抛光和钢丝刷刷等。 • 化学侵蚀与剥离：用各种酸碱来配置化学溶液，腐蚀完后还要反复用酒精和 水清洗。 • 真空烘烤：低于573K，（300℃）清除有机物、水和气体吸附层。 • 辉光放电清洗：是以 工件为阴极，使电离的Ar离子在辉光放电过程中撞击工 件表面，产生阴极雾化作用而达到清洗的目的。 • 超声波清洗：通过超声波使得工件表面杂质的振动儿脱落，起到清洗的目的。 • 去油清洗：用丙酮和酒精等化学溶液进行去油。 • 总之，工件的表面愈平整、清洁，愈容易进行扩散焊，接头强度也越高。
超塑成型扩散焊(Suerplastic Forming--Diffusion Bonding,简称SPF-DB), • 对于高温下具有超塑性的金属材料,如TC4 钛合金,可以在高温下用较低的压力同时实 现焊接和成型. • 当晶粒尺寸、材料的变形速率小于某一数 值（钛合金，晶粒尺寸小于3μ m，变形速 率10-3/s~10-5/s），拉伸变形超百分之百。 • 用于薄壁复杂结构，飞机翼梁，舱门，发 动机叶片
固相扩散焊
液相扩散焊
3、影响扩散过程和程度的主要工艺因素
（1）温度：
影响扩散焊进程的主要因素是原子的扩散，影 响原子扩散的主要因素是浓度梯队和温度。扩散焊 温度一般高于1/2金属熔化温度。 0.6～0.8Tm（Tm母材熔点）。
（2）压力：
主要影响扩散焊第二阶段。压力过低表面层塑
性变形不足。0.5～50Mpa。
第四章 扩散焊接
主讲：陈银银
扩散焊定义
扩散焊是在一定温度和压力下使待焊表面相互接触，通过微 观塑性变形或通过待焊面产生的微量液相而扩大待焊面的物理接触， 然后经较长时间的原子相互扩散来实现冶金结合的一种焊接方法。
1.扩散焊原理
金属真实表面示意图
在金属不熔化的情况下两 工件之间接触距离达到（1～5） ×10-8 CM以内时，金属原子间 的引力才开始起作用。一般金 属通过精密加工后，其表面轮 廓算术平均偏差为（0.8～1.6） ×10-4 CM。在零压力作用下接 触时，实际接触面只占全部表 面
2 压力
• 在其他参数固定时，采用较高的压力能产 生较好的接头。压力上线取决于对焊件总 体变形量的限度和设备吨位等。对异种金 属扩散焊，采用较大的压力对减少或防止 孔洞有作用。对于出现液相的扩散焊选用 较低的压力，过大会挤出液态金属。由于 扩散压力对第二三阶段影响较小，所以扩 散焊时允许在后期将压力减小，以便减小 变形。
3 扩散时间
• 是指被焊工件在焊接温度下保持的时间。在该焊 接时间内必须保证扩散过程全部完成，以达到所 需的强度。时间过短，则接头强度达不到稳定的、 与母材相等的强度。但是过高的高温时间会使得 晶粒长大，还有可能形成脆性相。 • 时间还和温度、压力是密切相关的。温度较高或 压力较大，则时间可以缩短。对于加中间层的扩 散焊，焊接时间还取决于中间层的厚度对接头成 分、组织均匀程度的要求。
2、扩散焊过程的三个阶段
第一阶段 变形和交界面的形成。在温 度和压力的作用下，微观凸起部 位首先接触和变形，在变形中表 面吸附层被挤开，氧化膜被挤碎 ，凸点产生塑性变形，开始形成 金属键连接。 第二阶段 晶界迁移和微孔的消除。原 子扩散和再结晶的作用，开始形 成焊缝。 第三阶段 体积扩散，微孔和界面消失。 原子扩散向纵深发展，在界面处 达到冶金连接。
（3）时间：
扩散焊需要较长的时间。时间过短，会导致焊 缝中残留有许多孔洞，影响接头性能。
扩散焊的优点:
• 接头质量好 扩散接头的显微组织和性能与母材的 接近或相同,在焊缝中不存在气孔、裂纹等各种熔 化焊缺陷,也不存在组织过热区,没有热影响区. • 工艺参数容易控制,接头质量较稳定. • 整体加热,零部件变形小,可以焊接大断面接头等结 构复杂/精度要求高的工件; • 可焊接各种不同累得材料,包括金属与非金属等冶 金.物理性能上差别极大的材料. • 大断面连接 • 有中间层可减少残余应力
• 选择
• • • • 易变形，熔点低于母材 物理化学性能与母材差异小 无不良冶金反应 不引起电化学腐蚀
四.扩散焊设备
1）真空扩散焊设备
由真空室、加热 器、加压系统、真空 系统、温度测控系统 及电源等组成。
3）热等静压扩散焊设备 2）超塑成型扩散焊设备
2 瞬间液相扩散焊过程
• 第一阶段液相生成，置于两待焊表面之间的中间层在低 的压力作用下与待焊表面接触，然后在无氧化或无污染 的条件下加热，使得母材与夹层之间发生相互扩散，形 成小量的液相，填充接头的间隙。 • 第二阶段 等温凝固 此阶段工件处于保温状态，使液相 ――固相之间发生扩散。母材边缘因液相中低熔点元素 扩散进来而熔点下降，直至溶入液相；液相熔点则因高 熔点的母材元素的熔如何低熔点元素扩散到固相中而相 应提高。晶粒从被熔化的基体表面向液相生长，经一段 时间扩散后，液相层变得愈来愈薄。 • 第三阶段 均匀化 等温凝固形成的接头，成分尚不均匀， 为了获得成分和组织均匀化的的接头，需要继续保温扩 散。此阶段可以与焊后热处理合并进行。
扩散焊的缺点:
• 对零件待焊表面的制备和装配要求较高; • 焊接热循环时间长,生产效率低.在某些情况 下,会使晶粒长大. • 设备一次性投资较大,焊件尺寸受到设备的 限制; • 无法进行批量生产.
1） 优点： （1）接头质量好，焊后无需机加工。 （2）焊件变形量小(低压力，工件整体加热， 随炉冷却)。 （3）一次可焊多个接头。 （4）可焊一些其它方法无法焊接的材料。 2） 缺点： （1）设备投资大。 （2）焊接时间长，表面准备耗力大，生产率低。 （3）对焊缝的焊合质量尚无可靠的无损检测手段。
三 、扩散焊工艺
• 温度、压力、保温扩散时间、焊接表面状 态、保护方法、母材及中间扩散夹层的冶 金物理性能等使影响扩散焊接过程及接头 质量的一些主要因素。
1 温度
• 由扩散定律可知：扩散系数C与温度的指数关系是， • D＝D0EXP(-Q/RT) • 式中D0――扩散系数；R――气体常数；Q――扩 散激活能；T――温度。 • 温度愈高扩散系数愈大。同时温度愈高，金属的 塑性变形能力越好，焊接表面达到紧密接触所需 要的压力越小。而焊接温度又受到被焊材料的冶 金物理性能的限制。如高温强度、再结晶、脆性 化合物相生成温度等。
扩散焊应用
扩散焊可焊材料
应用在一 些特种材料， 特殊结构的焊 接中。 如；航天工业、 电子工业、 核工业等。
一 、扩散焊的分类
二 、扩散焊的原理和过程分析
• 扩散焊是建立在金属原子相互扩散及其有关的基 本规律基础上的，金属不熔化情况下,要形成焊接 接头就必须使得两待焊表面紧密接触,使之距离达 到(1~5)×10-8cm以内,金属原子间的引力才开始 起作用,才可形成金属键,获得有一定强度的接头.