1、原理擴散焊是指在一定的溫度和壓力下，被連接表面相互接觸，通過使局部發(fā)生微觀塑性變形，或通過被連接表面產(chǎn)生的微觀液相而擴大被連接表面的物理接觸，然后結(jié)合層原子間經(jīng)過一定時間的相互擴散，形成整體可靠連接的過程。,第四章擴散焊,1,1）同種材料擴散焊不加中間層的兩同種金屬直接接觸的擴散焊。這種類型的擴散焊，一般要求待焊表面制備質(zhì)量較高，焊接時要求施加較大的壓力，焊后接頭的成分、組織與母材基本一致。2）異種材料擴散焊異種金屬或金屬與陶瓷、石墨等非會屬的擴散焊。(存在問題)a.膨脹系數(shù)不同結(jié)合面上出現(xiàn)熱應力；b.冶金反應低熔點共晶組織或脆性金屬間化合物；c.擴散系數(shù)不同形成擴散孔洞；d.電化學性能不同出現(xiàn)電化學腐蝕。,2、擴散焊的分類,2,3）加中間層擴散焊當用上述兩種方法難以焊接或效果較差時，可在被焊材料之間加入一層金屬或合金(稱為中間層)，這樣就可以焊接很多難焊的或冶金上不相容的異種材料，可以焊接熔點很高的同種材料。4）固相擴散焊焊接過程中母材和中間層均不發(fā)生熔化或產(chǎn)生液相的擴散焊方法。5）液相擴散焊指在擴散焊過程中接縫區(qū)短時出現(xiàn)微量液相的擴散焊方法。有助于改善擴散表面接觸情況，允許使用較低的擴散焊壓力。,3,3、擴散焊的特點(1)接頭質(zhì)量好；(2)零件變形??；(3)可一次焊接多個接頭；(4)可焊接大斷面接頭；(5)可焊接其它焊接方法難于焊接的材料和工件；(6)與其他熱加工、熱處理工藝結(jié)合可獲得較大的技術(shù)經(jīng)濟效益(7)零件待焊表面的制備和裝配要求較高；(8)焊接熱循環(huán)時間長，生產(chǎn)率低；(9)設備一次性投資較大，焊件尺寸受到設備的限制(10)接頭連接質(zhì)量的無損檢測手段尚不完善,優(yōu)點,不足,4,擴散焊與熔焊、釬焊方法的比較,5,4、擴散焊原理及擴散機制,在金屬不熔化的情況下，要形成焊接接頭就必須使兩待焊表面緊密接觸，使之距離達到(15)10-6mm以內(nèi)，在這種條件下，金屬原子間的引力才開始起作用，才可能形成金屬鍵，獲得有一定強度的接頭。實際上，金屬表面無論經(jīng)什么樣的精密加工，在徽觀上總還是起伏不平的。,6,擴散焊過程,第一階段：變形和交界面形成接觸點屈服和蠕變塑性變形壓力持續(xù)接觸面積增大，晶粒間連接。第二階段：晶界遷移和微孔的收縮和消除第三階段：體積擴散，微孔消除和界面消失,7,原子擴散基本規(guī)律,(1)擴散系數(shù)單位時間內(nèi)經(jīng)過一定平面的平均粒子數(shù)D=D0exp(E/RT)D擴散系數(shù)；E擴散激活能；R氣體常數(shù)；D0指數(shù)前系數(shù)；T絕對溫度(2)原子平均擴散距離x=(2Dt)0.5x原子平均擴散距離；D擴散系數(shù)；t擴散時間,8,5、擴散焊設備,(1)真空室由耐高溫材料圍成的均勻加熱區(qū)，以保持設定的溫度，真空室外殼需要冷卻。(2)真空系統(tǒng)由擴散泵和機械泵組成，擴散泵可達到1.33x10-2Pa的真空度，加擴散泵后達1.33x10-51.33x10-4Pa。(3)加熱系統(tǒng)由感應線圈和高頻電源組成，按加熱方式可分為：感應加熱、輻射加熱和接觸加熱。,9,(4)加壓系統(tǒng)擴散焊所施加的壓力較小，壓強可在1100MPa范圍內(nèi)變化，當材料的高溫變形抗力較大，或表面粗糙、擴散焊接溫度較低時，需提高壓力。(5)測量與控制系統(tǒng)包括溫度、壓力、真空度及時間的控制和測量。(6)水冷系統(tǒng)一般通過水循環(huán)系統(tǒng)進行冷卻，防止系統(tǒng)過熱。,10,5、擴散焊工藝,(1)工件待焊表面的制備和清理a)表面機加工目的是為了獲得平整光潔的表面，保證焊接間隙極小，微觀上緊密接觸點盡可能的多。對普通金屬零件可采用精車、精刨(銑)和磨削加工，通常使粗糙度Ra3.2m，Ra大小的確定還與材料本身的硬度有關(guān),對硬度較高的材料，Ra應更小，對加有軟中間層的固相擴散焊和液相擴散焊，以及熱等靜壓擴散焊粗糙度要求可放寬。,11,b)除油和表面浸蝕通常用酒精、丙酮、三氯乙烯或金屬清洗劑除油。有些場合還可采用超聲清洗凈化方法。(2)中間層的選擇a)中間層的作用改善表面接觸，降低對待焊表面制備質(zhì)量的要求，降低所需的焊接壓力。改善擴散條件，加速擴散過程，從而降低焊接溫度，縮短焊接時間.改善冶金反應，避免(或減少)形成脆性金屬間化合物和不希望有的共晶組織。避免或減少因被焊材料之間物理化學性能差異過大所引起的詞題，如熱應力過大，出現(xiàn)擴散孔洞等.,12,b)中間層材料應滿足條件容易塑性變形;含有加速擴散或降低中間層熔點的元素，如硼、被、硅等;物理化學性能與母材差異較被焊材料之間的差異小;不與母材產(chǎn)生不良的冶金反應，如產(chǎn)生脆性相或不希望有的共晶相;不會在接頭上引起電化學腐蝕問題。,13,(3)焊接工藝參數(shù)a)溫度在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度愈高，擴散過程愈快，所獲得的接頭強度也高。加熱溫度受被焊工件和夾具的高溫強度、工件的相變、再結(jié)晶等冶金特性所限制，固相擴散焊溫度為0.60.8Tm(K)(Tm為母材熔點)。,14,b)壓力如壓力過低，則表層塑性變形不足，表面形成物理接觸的過程進行不徹底，界面上殘留的孔洞過大且過多。較高的壓力可產(chǎn)生較大的表層塑性變形，還可使表層再結(jié)晶溫度降低，加速晶界遷移。,15,c)保溫擴散時間擴散過程時間過短，導致焊縫中殘留有許多孔洞，接頭強度達不到穩(wěn)定的、與母材相等或相近的強度；過長的高溫高壓持續(xù)時間，對接頭質(zhì)量不起任何進一步提高的作用，反而會使母材晶粒長大。,16,d)保護氣氛焊接保護氣氛純度、流量、壓力或真空度、漏氣率均會影響擴散焊接頭質(zhì)量。常用保護氣體是氫氣，對有些材料也可用高純氮、氫或氮氣。,在超塑成形擴散焊工藝中常用氬氣氛保護鈦板表面。在其他參數(shù)相同的條件下，在真空中擴散焊比在常壓保護氬氣中所需的擴散時間短。,17,6、擴散焊接頭質(zhì)量檢測與評價,(1)接頭存在的主要缺陷未熔合、未焊透、裂紋、變形等(2)檢測方法采用著色、熒粉或磁粉探傷檢測表面缺陷采用真空、壓縮空氣及煤油實驗檢查氣密性采用超聲波、X射線探傷檢測接頭的內(nèi)部缺陷,目前超聲波成像無損檢測在擴散焊接頭檢測方面取得了初步的成果，有待于進一步研究，為擴散焊應用于航空航天等國防工業(yè)提供質(zhì)量保證。,18,擴散焊目前已實現(xiàn)560多組異種材料的焊接。局部真空措施焊成的巨型工件長達50m,重75t；有用533個零件焊成的一個巨大的轟炸機部件。在宇宙飛船構(gòu)件的制造中,焊接了發(fā)動機的噴管、蜂窩壁板；飛機制造中的反推力裝置、蒙皮、起落架、鈦合金空心葉片、輪盤、槳轂；,7、擴散焊接的應用實例,19,在化工設備制造中，制成了高3m、直徑1.8m的部件；在原子能設備制造中，制成水冷反應堆燃料元件；在冶金工業(yè)中生產(chǎn)了復合板；在機械制造中應用更為廣泛。利用鈦合金超塑性的成形擴散焊已得到成功的應用日常生活中家用復合底鍋(焊接后無需表面處理)等等,20,鈦合金中空結(jié)構(gòu),復合底鍋,21,8、擴散焊接的應用實例,TiNi形狀記憶合金與不銹鋼瞬間液相擴散焊工藝研究(1)研究的意義TiNi形狀記憶合金具有特殊的形狀記憶效應和超彈性,及高的比強度、抗腐蝕、抗磨損和良好的生物相容性等特點,廣泛應用于航空航天、工業(yè)制造和醫(yī)療器械等領域。但是TiNi價格較貴,在實際應用中將其與性能優(yōu)異、價格低廉的不銹鋼連接起來是降低材料成本,擴大其應用范圍的重要途徑。(2)焊接難點TiNi和不銹鋼的物理化學性質(zhì)(如熔點、導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)等)相差很大,采用常規(guī)連接方法時,接頭易產(chǎn)生應力集中而開裂,且結(jié)合界面易形成TiFe,TiFe2,TiC等脆性金屬間化合物,嚴重影響接頭的性能,22,(3)實驗材料及方法實驗材料為Ti5012Ni4918(質(zhì)量分數(shù)/%)和304不銹鋼,采用50m厚的AgCu金屬箔作中間過渡層,其化學成分為AgCu28,熔點為779,室溫的抗拉強度為343MPa。實驗采用搭接接頭,試樣尺寸為30mm10mm2mm,搭接長度為10mm。(4)焊接工藝參數(shù)實驗在真空擴散爐中進行。真空度為11010-21.010-3Pa,焊接溫度(T)為820900,保溫時間(t)為20100min,壓力(P)為0011MPa。,23,(5)實驗結(jié)果分析連接溫度對接頭強度的影響t=60min,P=0.05MPa時接頭的剪切強度隨連接溫度的變化如右圖所示。隨著連接溫度的升高,接頭剪切強度先增加后減小。,保溫時間對接頭強度的影響T=860,P=0.05MPa時,接頭的剪切強度隨保溫時間的變化如圖右所示。隨焊接時間的延長,熔化的液態(tài)中間層逐漸鋪展到基體金屬的表面。同時焊縫組織逐漸均勻化,最終得到性能良好的焊接接頭。,24,連接壓力對接頭強度的影響連接壓力較溫度和時間對接頭性能的影響相對較小。當連接壓力較小時,被焊材料表面只有少量微觀凸起發(fā)生物理接觸,且塑性變形小,提供的變形能也很少,故焊合率較小,接頭強度不高。當壓力增加到0.05MPa時,有效接觸面積和變形能力增加,中間層與母材間隙減小,界面原子擴散加快,接頭強度較高。但當壓力過大時,連接的過程中可能擠出液態(tài)的中間層,減少