1、1,1、原理 擴(kuò)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(guò)使局部發(fā)生微觀塑性變形，或通過(guò)被連接表面產(chǎn)生的微觀液相而擴(kuò)大被連接表面的物理接觸，然后結(jié)合層原子間經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的相互擴(kuò)散，形成整體可靠連接的過(guò)程。,第四章 擴(kuò)散焊,2,1）同種材料擴(kuò)散焊 不加中間層的兩同種金屬直接接觸的擴(kuò)散焊。這種類型的擴(kuò)散焊，一般要求待焊表面制備質(zhì)量較高，焊接時(shí)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(kuò)散焊 異種金屬或金屬與陶瓷、石墨等非會(huì)屬的擴(kuò)散焊。(存在問(wèn)題) a.膨脹系數(shù)不同結(jié)合面上出現(xiàn)熱應(yīng)力； b.冶金反應(yīng)低熔點(diǎn)共晶組織或脆性金屬間化合物； c.擴(kuò)散系數(shù)不同形成擴(kuò)散孔

2、洞； d.電化學(xué)性能不同出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。,2、擴(kuò)散焊的分類,3,3）加中間層擴(kuò)散焊 當(dāng)用上述兩種方法難以焊接或效果較差時(shí)，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(diǎn)很高的同種材料。 4）固相擴(kuò)散焊 焊接過(guò)程中母材和中間層均不發(fā)生熔化或產(chǎn)生液相的擴(kuò)散焊方法。 5） 液相擴(kuò)散焊 指在擴(kuò)散焊過(guò)程中接縫區(qū)短時(shí)出現(xiàn)微量液相的擴(kuò)散焊方法。有助于改善擴(kuò)散表面接觸情況，允許使用較低的擴(kuò)散焊壓力。,4,3、擴(kuò)散焊的特點(diǎn) (1) 接頭質(zhì)量好； (2) 零件變形??； (3) 可一次焊接多個(gè)接頭； (4) 可焊接大斷面接頭； (5) 可焊接其它焊接

3、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(jì)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(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)率低； (9) 設(shè)備一次性投資較大，焊件尺寸受到設(shè)備的限制 (10) 接頭連接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)手段尚不完善,優(yōu)點(diǎn),不足,5,擴(kuò)散焊與熔焊、釬焊方法的比較,6,4、擴(kuò)散焊原理及擴(kuò)散機(jī)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(dá)到(15)10-6mm以內(nèi)，在這種條件下，金屬原子間的引力才開(kāi)始起作用，才可能形成金屬鍵，獲得有一定強(qiáng)度的接頭。實(shí)際上，金屬表面無(wú)論經(jīng)什么樣的精密加工，在徽觀上總還是起伏不平的。,

4、7,擴(kuò)散焊過(guò)程,第一階段：變形和交界面形成 接觸點(diǎn) 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(kuò)散，微孔消除 和界面消失,8,原子擴(kuò)散基本規(guī)律,(1) 擴(kuò)散系數(shù) 單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)一定平面的平均粒子數(shù) d=d0exp(e/rt) d擴(kuò)散系數(shù)；e擴(kuò)散激活能；r氣體常數(shù)； d0指數(shù)前系數(shù)；t絕對(duì)溫度 (2) 原子平均擴(kuò)散距離 x=(2dt)0.5 x原子平均擴(kuò)散距離； d擴(kuò)散系數(shù)；t擴(kuò)散時(shí)間,9,5、擴(kuò)散焊設(shè)備,(1) 真空室 由耐高溫材料圍成的均勻加熱區(qū)，以保持設(shè)定的溫度，真空室外殼需要冷卻。 (2) 真空系統(tǒng) 由擴(kuò)散泵和機(jī)械

5、泵組成，擴(kuò)散泵可達(dá)到1.33x10-2pa的真空度，加擴(kuò)散泵后達(dá)1.33x10-51.33x10-4pa。 (3) 加熱系統(tǒng) 由感應(yīng)線圈和高頻電源組成，按加熱方式可分為：感應(yīng)加熱、輻射加熱和接觸加熱。,10,(4) 加壓系統(tǒng) 擴(kuò)散焊所施加的壓力較小，壓強(qiáng)可在1100mpa范圍內(nèi)變化，當(dāng)材料的高溫變形抗力較大，或表面粗糙、擴(kuò)散焊接溫度較低時(shí)，需提高壓力。 (5) 測(cè)量與控制系統(tǒng) 包括溫度、壓力、真空度及時(shí)間的控制和測(cè)量。 (6) 水冷系統(tǒng) 一般通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，防止系統(tǒng)過(guò)熱。,11,5、擴(kuò)散焊工藝,(1) 工件待焊表面的制備和清理 a) 表面機(jī)加工 目的是為了獲得平整光潔的表面，保證焊接間

6、隙極小，微觀上緊密接觸點(diǎn)盡可能的多。 對(duì)普通金屬零件可采用精車(chē)、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(duì)硬度較高的材料，ra應(yīng)更小，對(duì)加有軟中間層的固相擴(kuò)散焊和液相擴(kuò)散焊，以及熱等靜壓擴(kuò)散焊粗糙度要求可放寬。,12,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(chǎng)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(duì)待焊表面制備質(zhì)量的要求，降低所需的焊接壓力。 改善擴(kuò)散條件，加速擴(kuò)散過(guò)程，從而降低焊接溫度，縮短焊接時(shí)間. 改善冶金反應(yīng)，避免(或減少)形成脆性金屬間化合物和不希望有的共晶

7、組織。 避免或減少因被焊材料之間物理化學(xué)性能差異過(guò)大所引起的詞題，如熱應(yīng)力過(guò)大，出現(xiàn)擴(kuò)散孔洞等.,13,b) 中間層材料應(yīng)滿足條件 容易塑性變形; 含有加速擴(kuò)散或降低中間層熔點(diǎn)的元素，如硼、被、硅等; 物理化學(xué)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(yīng)，如產(chǎn)生脆性相或不希望有的共晶相; 不會(huì)在接頭上引起電化學(xué)腐蝕問(wèn)題。,14,(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(kuò)散過(guò)程愈快，所獲得的接頭強(qiáng)度也高。加熱溫度受被焊工件和夾具的高溫強(qiáng)度、工件的相變、再結(jié)晶等冶金特性所限制，固相擴(kuò)散焊溫度為0.60.8tm(k)( tm為母材熔點(diǎn))。,15,b)壓力

8、如壓力過(guò)低，則表層塑性變形不足，表面形成物理接觸的過(guò)程進(jìn)行不徹底，界面上殘留的孔洞過(guò)大且過(guò)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。,16,c)保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間 擴(kuò)散過(guò)程時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致焊縫中殘留有許多孔洞，接頭強(qiáng)度達(dá)不到穩(wěn)定的、與母材相等或相近的強(qiáng)度； 過(guò)長(zhǎng)的高溫高壓持續(xù)時(shí)間，對(duì)接頭質(zhì)量不起任何進(jìn)一步提高的作用，反而會(huì)使母材晶粒長(zhǎng)大。,17,d)保護(hù)氣氛 焊接保護(hù)氣氛純度、流量、壓力或真空度、漏氣率均會(huì)影響擴(kuò)散焊接頭質(zhì)量。 常用保護(hù)氣體是氫氣，對(duì)有些材料也可用高純氮、氫或氮?dú)狻?在超塑成形擴(kuò)散焊工藝中常用氬氣氛保護(hù)鈦板表面。在其他參數(shù)相同的條件下，在真空中擴(kuò)

9、散焊比在常壓保護(hù)氬氣中所需的擴(kuò)散時(shí)間短。,18,6、擴(kuò)散焊接頭質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià),(1) 接頭存在的主要缺陷 未熔合、未焊透、裂紋、變形等 (2) 檢測(cè)方法 采用著色、熒粉或磁粉探傷檢測(cè)表面缺陷 采用真空、壓縮空氣及煤油實(shí)驗(yàn)檢查氣密性 采用超聲波、x射線探傷檢測(cè)接頭的內(nèi)部缺陷,目前超聲波成像無(wú)損檢測(cè)在擴(kuò)散焊接頭檢測(cè)方面取得了初步的成果，有待于進(jìn)一步研究，為擴(kuò)散焊應(yīng)用于航空航天等國(guó)防工業(yè)提供質(zhì)量保證。,19,擴(kuò)散焊目前已實(shí)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(zhǎng)達(dá)50m ,重75t；有用533個(gè)零件焊成的一個(gè)巨大的轟炸機(jī)部件。 在宇宙飛船構(gòu)件的制造中,焊接了發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管、蜂窩壁板；

10、飛機(jī)制造中的反推力裝置、蒙皮、起落架、鈦合金空心葉片、輪盤(pán)、槳轂；,7、擴(kuò)散焊接的應(yīng)用實(shí)例,20,在化工設(shè)備制造中，制成了高3m、直徑1.8m的部件； 在原子能設(shè)備制造中，制成水冷反應(yīng)堆燃料元件； 在冶金工業(yè)中生產(chǎn)了復(fù)合板； 在機(jī)械制造中應(yīng)用更為廣泛。利用鈦合金超塑性的成形擴(kuò)散焊已得到成功的應(yīng)用 日常生活中家用復(fù)合底鍋(焊接后無(wú)需表面處理)等等,21,鈦合金中空結(jié)構(gòu),復(fù)合底鍋,22,8、擴(kuò)散焊接的應(yīng)用實(shí)例,tini形狀記憶合金與不銹鋼瞬間液相擴(kuò)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(yīng)和超彈性,及高的比強(qiáng)度、 抗腐蝕、 抗磨損和良好的生物相容性等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用

11、于航空航天、 工業(yè)制造和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。但是 tini 價(jià)格較貴 ,在實(shí)際應(yīng)用中將其與性能優(yōu)異、 價(jià)格低廉的不銹鋼連接起來(lái)是降低材料成本 ,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的重要途徑。 (2)焊接難點(diǎn) tini 和不銹鋼的物理化學(xué)性質(zhì)(如熔點(diǎn)、導(dǎo)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(shí) ,接頭易產(chǎn)生應(yīng)力集中而開(kāi)裂 ,且結(jié)合界面易形成 tife , tife2 , tic 等脆性金屬間化合物 ,嚴(yán)重影響接頭的性能,23,(3) 實(shí)驗(yàn)材料及方法 實(shí)驗(yàn)材料為ti5012ni4918 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/ %)和304不銹鋼 , 采用 50m 厚的 agcu 金屬箔作中間過(guò)渡層 ,其化學(xué)成分為 agcu

12、28 ,熔點(diǎn)為779 , 室溫的抗拉強(qiáng)度為 343mpa。 實(shí)驗(yàn)采用搭接接頭, 試樣尺寸為 30mm 10mm 2mm , 搭接長(zhǎng)度為10mm。 (4)焊接工藝參數(shù) 實(shí)驗(yàn)在真空擴(kuò)散爐中進(jìn)行。真空度為110 10 - 21. 0 10 - 3pa , 焊接溫度 ( t) 為 820900 , 保溫時(shí)間(t)為 20100min , 壓力( p)為 0011mpa。,24,(5) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 連接溫度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響 t=60min , p = 0. 05mpa 時(shí)接頭的剪切強(qiáng)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(qiáng)度先增加后減小。,保溫時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度的影響 t=860, p=0. 05mpa時(shí),接頭的剪切強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的變化如圖右所示。隨焊接時(shí)間的延長(zhǎng),熔化的液態(tài)中間層逐漸鋪展到基體金屬的表面。同時(shí) 焊縫組織逐漸均勻化 ,最終得到性能良好的焊接接頭。,25,連接壓力對(duì)接頭強(qiáng)度的影響 連接壓力較溫度和時(shí)間對(duì)接頭性能的影響相對(duì)較小。 當(dāng)連接壓力較小時(shí),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(qiáng)度不高。當(dāng)壓力增加到 0. 05mpa 時(shí), 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(kuò)散加快 ,接頭強(qiáng)度較高。但當(dāng)壓力過(guò)大時(shí) ,連接的過(guò)程中可能擠出液態(tài)的中間層 ,減少了界面原子