真空扩散焊焊接方法基本概念朱兴贵 2012118502119 材控1211摘要:真空扩散焊焊接技术是目前应用较为广泛的焊接技术之一，文章介绍了这种焊接技术的原理，综述了国内的研究现状及应用前景、分类、焊接材料、焊接方法等。
国内的扩散焊技术主要是针对一些异种难焊金属。
已被应用于航天航空、仪表及电子、核工业等部门，并已经扩展到，能源、石化及机械制造等众多领域。
关键词：真空扩散焊焊接技术；原理；现状；应用前言扩散焊是一种精密的焊接方法，特别适用于异种金属材料，耐热合金和新材料，如陶瓷、复合材料、金属间化合物等材料的焊接。
具有连接精度高、温度低、接头强度高、残余应力小、没有明显的界面和焊接残留物、可焊材料种类多等优点，应用前景广阔。
特别是一些高性能构件的制造要求把特殊合金或性能差别很大的异种材料连接在一起，这用传统熔焊方法难以实现。
作为固相连接方法之一的真空扩散焊技术引起了人们的重视，成为链接领域新的热点。
近年来，真空扩散焊接技术发展很快。
在新材料的制备、连接、修复等方面有很大潜力。
［1］1概念所谓扩散焊是将两个待焊工件紧夹在一起，置于真空或保护气氛炉内加热，使两焊接表面微小的不平处产生微观塑性变形，而达到紧密接触，在随后的保温加热中，原子间相互扩散而形成冶金连接的焊接方法。
这种称为固相扩散焊，是压焊的一种，与常用压焊方法(冷压焊、摩擦焊、爆炸焊及超声波焊)相同的是在连接过程中要施加一定的压力。
其主要缺点是待焊表面质量要求高，焊接时间长，接头质量不稳定。
2 真空扩散焊的工艺特点（1）焊接过程是在完全没有液相或仅有极小过渡相参加下，形成接头后再经过扩散处理的过程。
使其成分和组织完全与基体一致，接头内不残留任何铸态组织，原始界面完全消失。
因此能保持原有基金属的物理，化学和力学性能。
（2）扩散焊由于基体不过热或熔化，因此几乎可以在不破坏被焊材料性能的情况下，焊接一切金属和非金属材料。
特别适用焊接用一般焊接方法难以实现，或虽可焊接但性能和结构在焊接过程中容易受到严重破坏的材料。
如弥散强化的高温合金，纤维强化的硼—铝复合材料等。
（3）可焊接不同类型，甚至差别很大的材料。
包括异种金属，金属与陶瓷等冶金上完全互不相溶的材料。
可焊接结构复杂以及厚薄相差很大的工件。
加热均匀，焊件不变形，不产生残余应力。
使工件保持较高精度的几何尺寸和形状（4）它是一种高精密的连接方法，工件不变形，可以实现机械加工后的精密装配连接，可获得较大的经济效益。
对于塑性差或熔点高的材料，或对于不互溶或在熔焊时产生脆性化合物的异种材料，真空扩散焊是一种可靠的方法，适合于耐热材料（耐热合金、钨、钼、铌、钛等）、陶瓷、磁性材料及活性金属的连接，在真空扩散焊研究与实际应用中，有70％涉及异种材料的连接[3]。
3扩散焊接分类3.1同种材料扩散焊它指不加中间层的两同种金属直接接触的扩散连接。
这种类型的扩散焊，一般要求待焊表面制备质量较高，焊接时要求施加较大的压力，焊后接头的成分、组织与母材基本一致。
Ti、Cu、Zr、Ta等最易焊接；铝及其合金，含Al、Cr、Ti的铁基及钴基合金则因氧化物不易去除而难以焊接。
3.2异种材料扩散焊它指两种不同的金属、合金或金属与陶瓷，石墨等非会属的扩散焊连接。
异种材料的化学成分、物理性能等有显著差异。
两种材料的熔点、线胀系数、电磁性氧化性等差异越大，扩散焊接难度越大。
因两种材料扩散系数和线胀系数等不同，在扩散结合面上由于冶金反应生产低熔点共晶或者形成脆性金属间化合物，易使界面处产生显微孔洞、裂纹，甚至断裂。
3.3 过度液相扩散焊指在扩散焊过程中接缝区短时出现微量液相的扩散焊方法。
有助于改善扩散表面接触情况，允许使用较低的扩散焊压力。
当用上述两种方法难以焊接或效果较差时，可在被焊材料之间加入一层金属或合金(称为中间层)，这样就可以焊接很多难焊的或冶金上不相容的异种材料，可以焊接熔点很高的同种材料。
它也被称为瞬间液相扩散焊(TLP)，是指在扩散焊过程中界面处短时出现微量液相的扩散焊方法。
在扩散焊过程中中间层与母材发生共晶反应，形成一层极薄的液相膜，此液相膜填充整个接头间隙后，再使之等温凝固并进行互相扩散，从而获得均匀的扩散焊接头。
瞬态液相扩散焊是用一种特殊成分、熔化温度较低的薄层合金作为中间层，放置在焊接面之间。
施加小的压力或不施加压力，并在真空条件下瞬间加热到中间层合金熔化，在焊接面间形成均匀的液态薄膜并润湿母材；经过一定的保温时间，中间层合金与母材之间进一步扩散，形成牢固连接。
这种方法尤其适用于焊接性较差的铸造高温合金。
3.4加中间层的扩散焊它也被称为共晶反应扩散焊，是利用在某一温度下待焊异种金属之间会形成低熔点共晶的特点加速扩散焊过程的方法。
在被焊材料之间加入一层金属或合金（称为中间层），这样就可以焊接很多难焊的或冶金上下不相容的异种材料，可以焊接熔点很高的同种材料。
3.5 超塑性成形扩散焊它是一种将超塑性成形与扩散焊接组合起来的工艺，适用于具有超塑性的材料，如钛、铝及其铝合金等的焊接。
在高温下具有超塑性的金属材料，可以在高温下用较低的压力实现成形和连接。
3.6等静压真空扩散焊它是将工件放置在密封的真空盒中利用热等静压原理完成焊接的异种扩散焊工艺。
[2]4 扩散焊工艺参数扩散焊可在真空或氢气等保护气氛环境下进行焊接，工艺参数主要包括扩散温度、扩散压力、保温时间、中间层的确定等。
扩散压力是扩散焊过程中一个基本工艺特征，为了使被焊材料的原子彼此扩散交换，必须使被焊表面紧密接触，因此就需要施加压力，它还起到破坏表面氧化膜和改善界面状态促进扩散的作用，同种材料焊接时，扩散压力能促进晶界转移。
焊接时如果压力小于最佳压力值，在连接界面可能出现未焊合。
扩散压力应高于材料屈服强度。
扩散温度关系到扩散过程金属原子的扩散活跃程度，影响扩散接头的形成时间。
一扩散温度一般高于材料的再结晶温度，低于材料的融化温度。
在一定的扩散压力和保温时间下，扩散接头的强度随着扩散温度的上升而逐渐提高，当达到最佳扩散温度后，接头组织和母材组织完全无异，继续提高扩散温度，接头强度不再上升，而导致晶粒过大，强度下降。
保温时间的影响规律与扩散温度的影响类似。
扩散焊保温结束后，冷却过程中须仍将零件仍保持在加压条件下，可防止由于冷却收缩不均匀而产生应力，导致在焊接面上出现裂缝和相互脱开的现象。
这是由于在力场中能够引起裂纹发展的间隙迁移率因压力而降低，其次，在压力作用下冷却，能起到将应力平均的作用，防止造成应力集中。
5真空扩散焊的应用机械制造、拖拉机、工具、电子学、航空工业、仪表、造船、食品机械制造以及其他部门已应用这一新方法来制造电真空器件、工具、制动器、水力机械的部件、双金属的各种零件、甚至家用复合底锅（焊接后无需表面处理）等等。
[4]5.1扩散焊接技术在电真空领域的应用扩散焊接常用于阴极零部件的连接，焊接在专用的夹具内进行，在一个焊接周期内，可同时焊接多个阴极，用这种方法制成的阴极在一起工作中呈现了高度的可靠性。
扩散焊接可用于制造特殊的双金属、三层金属和四层金属，在一次装配时可以焊接十余个圆板，为了防止双金属圆板与心轴之间焊在一起，在他们之间用脱水的云母把他们分开，复合材料可用于冲压出仪器调整机构的膜片。
用扩散焊接把镁银合金的阴极衬套与无氧铜的外壳沿圆柱体表面连接起来，焊好的接头保证有良好的电接触，必要的强度和真空密封性，表5中给出了一些电真空器件的零件和部件的真空扩散焊最佳规范。
5.2 α-Al2o3陶瓷与金属镍的真空扩散焊焊接前用不同型号的金相砂纸将镍表面的氧化膜去除，然后在丙酮中超声30 rain。
镍片烘干后与金属化好的陶瓷样条组装到一起，如图2所示。
将组装好的陶瓷与金属用石墨垫板固定，石墨垫板上涂覆一层Y，0 阻焊剂。
放入Centorr 6—1650—15T型扩散焊设备的真空室中，采用辐射加热的方式进行焊接。
工艺参数为：加热温度1 091～1 237℃，焊接压力(P)5～20 MPa，保温时间(t)10～60 min，真空度6．67×10-3Pa。
为提高工件在焊接过程受热的均匀性，采用分阶段升温并增加几个保温时间平台，真空扩散焊炉的降温过程采用循环水辅助冷却，等炉温降至100℃以下后，将焊接部件取出。
[5]5.3 Al2O3弥散铜／纯铜扩散焊工艺Al2o3弥散铜与纯铜的热导率、线膨胀系数相近，且纯铜在高温下的氧化膜为CuO+Cu2O (外层为CuO，内层为Cu20)，这些氧化物容易还原，对真空扩散焊影响不大。
真空扩散焊前需先用砂纸清除工件表面的氧化物并用丙酮去除油污。
采用KJL一2型多功能真空炉。
试验时真空度达到0.05Pa，加热速率为5℃／min。
焊后将扩散焊试样按照GB／T 228—2002的要求进行拉伸试验，利用ZEISS金相显微镜和JSM一6480型扫描电镜(SEM)观察扩散结合区域与拉伸断口的组织特征。
加热温度、压力、扩散时间是影响扩散焊接头质量的主要因素，对AIz03弥散铜，纯铜固相扩散连接按照正交表进行三因素三水平的正交，优化Al20，弥散铜／纯铜固相浓度提高。
这也有利于Cu原子的扩散。
但当扩散温度由550℃升高到600℃时，焊缝两侧母材晶粒迅速长大，降低了扩散焊接头的韧性，同时造成焊接接头处的晶界、亚晶界消失，导致接头抗拉强度下降。
因此。
选择合适的加热温度对提高扩散焊焊接接头质量十分重要。
[6]6真空扩散焊应用前景扩散焊接技术作为一种比较成熟的技术，以其特有的优势已经广泛应用于航空、航天、核能以及其他技术领域。
发展中的纤维增强复合材料，将依赖它作为重要连接手段，未来的空间站或太空实验室的真空环境，是发展和应用扩散焊接的重要场所。
King和Owczarski用钛研究了扩散焊接的不同参数．并提出了两个固体表面聚结的推理．该项研究已经用在与美国国家航空和宇宙航行局的马歇尔空间飞行中心制备不同宇航构件有关的探索性工作中。
俄罗斯在其液体火箭发动机上大量零组件之间的连接采用了扩散焊接技术，在其成熟型号PⅡ一120液体火箭发动机上的燃气发生器、推力室等复合组件中均采用了扩散焊接技术，其焊缝强度均能满足技术指标的要求。
参考文献[1]李亚江，吴会强，陈茂爱，等．Cu／A1扩散焊工艺及结合界面的组织性能[J]．焊接， 2001，45(10)：7-10．[2]赵熹华．压力焊[M]．北京：机械工业出版社，1996：198—199．[3]崔忠圻，谭耀春．金属学与热处理[M]．北京：机械工业出版社，2007：225．[4]夏立芳，张振信．金属中的扩散[M]．黑龙江哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1988：95．[5]亢若谷．弥散强化铜合金的现状与发展[J]．云南冶金，1995(5)：1—5．[6]王孟君，娄燕．弥散强化铜电阻焊电极材料的研制[J]．冶金工程，2000，20(2)：54—56．。
