金属的固相连接原理与技术

固相扩散连接的基本原理
• 金属材料是有着各自特有晶体结构并规则排列 的原子集团。扩散连接时，首先必须要使待连 接母材表面接近到相互原子间的引力作用范围 。右图为原子间作用力和原子间距关系的示意 图。可以看出，两个原子充分远离时其相互间 的作用引力几乎为零，随着原子间距离的不断 靠近，相互引力不断增大。当原子间距约为金 属晶体原子点阵平均原子间距的1.5倍时，引力 达到最大。如果原于进一步靠近，则引力和斥 力的大小相等，原子间相互作用力为零，从能 量角度看此状态最稳定。这时，自由电子成为 共有，与晶格点阵的金属离子相互作用形成金 属键，使两材料间形成冶金结合。通过上述过 程和机理来实现连接的方法即为扩散连接。
爆炸焊
扩散焊连接方法
• 扩散焊（diffusion welding）扩散焊又称扩散连 接，是把两个或两个以上的固相材料（或包括中 间层材料）紧压在一起，置于真空或保护气氛中 加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使连接 界面微观塑性变形达到紧密接触，再经保温、原 子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方 法。通常根据焊接过程中是否出现液相将扩散焊 分为固态扩散焊和瞬间液相扩散焊。
Ⅱ扩散----界面推移阶段
Ⅲ界面孔洞消失阶段
• 扩散连接的优点：
1、扩散焊接头的组织和性能与母材接近，不存在熔化焊的各种缺陷及热 影响区弱化问题。 2、可以焊接其它方法难以焊接的异种金属、陶瓷以及复合材料等。 3、可以进行内部及多点、大面积构件的焊接，没有可达性的限制。 4、焊接变形小，是一种精密连接技术。
• 摩擦焊的优点
1. 接头质量高。结合面不发生熔化，焊合区金属为锻造组织 ，不产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷：压力与扭矩的力 学冶金使得晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布。 2. 适合一直材质的连接。一般来说，凡是可以进行锻造的金 属材料都可以进行摩擦焊接。 3. 生产效率高，尺寸精度高，设备易于机械化、自动化，操 作简单。 4. 环境清洁，工作时不产生烟雾弧光等有害气体，节能省电 。
金属的固相连接理论与技术
绪言
材料连接的基本方法
•连接方法：
捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接
•连接过程中涉及到的能量类型：
光、电、声、化学、机械 •结合性质： 机械结合、化学结合和材质结合
•焊接方法好的地方：
过程最复杂 发展最迅速 应用最广泛
绪言
• 近年来，随着许多新材料的的出现，如耐热合金、钛合金 、陶瓷等的连接。特别是异种材料之间的连接，采用通常 的焊接方法已经无法完成，固态连接的优越性日益显现， 扩散焊与摩擦焊已成为焊接界关注的热点之一。扩散焊中 钛合金超塑成型扩散连接技术在飞机上钛合金蜂窝结构的 成功运用，金属与陶瓷已经能够进行扩散连接，摩擦焊已 在焊接发动机转子部件上得到认可，线性摩擦焊、搅拌摩 擦焊等新技术的应用，解决了某些用熔焊方法无法焊接的 材料连接问题，固态连接是有重大发展的连接技术。
2、扩散压力
压力是使结合界面能够达到紧密接触，促进界面原子的扩散和再结晶 过程。如果压力不足，会在界面上形成大的残留孔洞，但是，如果压力 过大，又会造成大的焊接变形。
• 3、保温时间
保温阶段的主要目的是实现原子的体积扩散和界面组织 的均匀化。保温时间不足会导致扩散不完全，残留孔洞较多 ，界面组织不均匀等缺陷。但是保温时间过长又大大降低生 产效率还会导致母材晶粒的过渡长大。特别是对有脆性化合 物生产的接头，要严格控制保温时间，以防止脆性层过度生 长。 保温时间和温度与压力参数密切相关，高温高压下，保 温时间可以大幅度缩短。
固态扩散焊接过程(Solid Phase Diffusion)
• 固态扩散连接的过程大致可分为三个阶段：第一 阶段为接触变形阶段，高温下微观不平的表面， 在外加应力的作用下，总有一些点首先达到塑性 变形，在持续压力的作Байду номын сангаас下，接触面积逐渐扩大 ，最终达到整个面的可靠接触；第二阶段是界面 推移阶段，通过接触界面原子间的相互扩散，形 成牢固的结合层，这个阶段一般要持续几分钟到 几十分钟；
• 4、材料的表面处理
扩散焊材料要求表面平整干净。常用的处理方法有机械 研磨、化学清洗和去除表面加工硬化层等手段。 一般来讲，表面粗糙度越小，氧化膜去除越干净越有利 于原子的扩散。有些表面氧化膜在真空下可以分解或高温下 可以溶入到母材中去，其扩散焊性能较好，有些材料如镍基 合金和铝合金，其氧化膜熔点很高或者不能溶入母材，其扩 散焊工艺就十分困难，需要采取特殊的方法去除氧化膜。
• 搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸 多优点，对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌 等）的连接,在焊接方法、接头力学性能和生产效 率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是 一种高效、节能、环保型的新型连接技术。 • 但是搅拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊缝末尾 通常有匙孔存在（目前已可以实现无孔焊接）； 焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的 刚性；与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能实 现添丝焊接。
• 摩擦焊的缺点与局限性：
1. 对非圆形截面焊接较困难，所需设备复杂；对盘 状薄零件盒薄壁管件，由于不易夹固，施焊也很 困难。
2. 焊机的一次性投资较大，大批量生产时才能降低 生产成本。
超声波焊接 • 超声波焊接是利用超声波频率（超过 16KHz）的 机械振动能量，在工件表面产生塑性变形并在压 力下破坏表面层，实现焊接的方法。 • 它由震动剪切力、静压力、焊区温升三个因素所 决定。 • 金属超声波焊可分为点焊、环焊、缝焊。
连续驱动摩擦焊
1、初始摩擦阶段 2、不稳定摩擦阶段 3、稳定摩擦阶段 4、停车阶段 5、顶锻阶段
6、维持阶段
连续驱动摩擦焊的特点
• 电动机连续驱动主轴转动，工件在恒转速状态下进行摩擦 加热。 • 需要制动机构使主轴停车，需要有保压顶锻阶段。 • 实心焊件所需的焊接压力较小，可用相同功率的焊机焊接 更大截面的工件。 • 可减小焊接转矩，对夹具的刚度要求较低。 • 可以实现低转速大顶锻力的硬规范进行焊接。
一些其它的固相焊接
• 爆炸焊接
• 爆炸焊是以炸药为能源进行金属间焊接的一种焊接方法。 这种方法是利用炸药爆轰的能量，使被焊金属面发生高速 倾斜撞击，在撞击面上造成一薄层金属的塑形变形，以及 适量熔化和原子间的相互扩散等过程。同种和异种金属就 在这一十分短暂的冶金过程中形成了冶金结合。
• 爆炸焊接基本上是一个“冷”焊过程，因为爆炸焊接中产 生的热量可忽略不计且快速散失。这种特点使爆炸方法适 用于焊接硬化加工过的和热处理过的材料而不影响它们的 性质。
爆炸焊基本原理
• 爆炸焊接时,通常把炸药直接敷在 覆板表面,或在炸药与覆板之间垫 以塑料、橡皮作为缓冲层。覆板与 基板之间一般留有平行间隙或带角 度的间隙，在基板下垫以厚砧座。 炸药引爆后的冲击波压力高达几百 万兆帕，使覆板撞向基板，两板接 触面产生塑性流动和高速射流，结 合面的氧化膜在高速射流作用下喷 射出来，同时使工件连接在一起。
摩擦焊连接方法 摩擦焊（ Friction Welding ）：
• 在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升 高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎， 伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶 而实现焊接的固态焊接方法。 • 摩擦焊技术经过长年的发展，已经发展出很多种摩擦焊接 的分类：包括惯性摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊、轨 道摩擦焊、搅拌摩擦焊等。
固相连接的概念与分类
•固相连接是材料在连接过程中没有 发生熔化，主要依靠原子之间的扩 散或塑性流动实现连接。 •属于这类焊接方法的主要有摩擦焊、 扩散焊、冷压焊以及超声波焊等。
焊接
固相焊 电阻焊 熔化焊 钎焊
冷压焊
摩擦焊 扩散焊 闪光焊 超声焊 熔化极 非熔化极 钨极氩弧焊 等离子弧焊 高能束焊 电焊 化学能焊
冷压焊接技术
• 冷压焊（ cold pressure welding ）
• 在室温下对塑性金属通过压力使之产生塑性变形, 挤出焊接接头间的氧化膜和其他杂质,使纯洁金属 接近原子间距而形成固态焊接的一种方法。主要 用于焊接塑性良好的金属。
冷压焊过程没有温度的上升问题，因此没有再结晶 、HAZ软化以及脆性化合物生长等问题。其接头强度 不低于母材。 冷压焊应用最成熟的是导线的接长。 • 冷压焊所需设备简单﹐工艺简便﹐劳动条件好。
摩擦焊基本原理
• 如图是摩擦焊的基本形式，两个圆断面的金属
工件摩擦焊前，工件1夹持在可以旋转的夹头上 ，工件2夹持在能够向前移动加压的夹头上。焊 接开始时，工件1首先以高速旋转，然后工件2 向工件1方向移动、接触．并施加足够大的摩擦 压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗 的机械能直接转换成热能。摩擦一段时间后，接 头金属的摩擦加热温度达到焊接温度，立即停止 工件1的转动，同时工件2向前快速移动，对接 头施加较大的顶锻压力，使其产生一定的顶锻变 形量。压力保持一段时间后，松开两个夹头，取 出焊件，全部焊接过程结束，通常全部焊接过程 只要2—3s的时间。
• 生产效率高。一般一个焊接接头只需要数秒钟即可完成，适合大批量 生产。
• 接头质量可靠。焊接过程可调节参数少，全自动控制，焊接质量十分 稳定。 • 焊接过程清洁、节能。
典型摩擦焊工艺
搅拌摩擦焊
• 搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是基于摩擦焊接技 术一种固相焊接技术。其原理 是一个非耗损的搅拌头旋转扎 入焊接工件的连接界面，当搅 拌头向前沿着焊缝移动时，塑 化金属在机械搅拌和顶锻作用 下形成致密的固相联接。
• 扩散连接的缺点：
1、待焊表面的制备和装配精度要求高； 2、焊接时间长、效率低； 3、设备投资大，焊件尺寸受限制。
扩散焊工艺参数
• 扩散焊的工艺参数主要包括加热温度、压力、保温时间、 真空度以及焊件表面处理和中间层材料的选择等。 1、加热温度。
加热温度是扩散焊工艺最主要的工艺参数，一般地，温度越高，扩散 速度也越快，界面扩散越充分，接头内的缺陷也就越少。但是，温度过 高会导致母材晶粒的过度长大，导致接头的性能下降。常用的扩散焊温 度范围为0.6-0.8Tm(K)。
既不向工件输送电流 ，也不向工件引入高温热 源只是在静压力及弹性振 动能的共同作用下，将机 械动能转变成工件间摩擦 功形变能和随之而产生的 温升，从而使工件在固态 下实现连接。 弹性振动能量的大小 取决于引入工件的振幅大 小。
超声波焊原理图
• 超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导 电性好、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不 能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要 加压。 • 超声波金属焊接是一种机械处理过程，在焊接过程中，并 无电流在被焊件中流过，也无诸如电焊模式的焊弧产生， 由于超声焊接不存在热传导与电阻率等问题，因此对于有 色金属材料来说，无疑是一种理想的金属焊接设备系统， 对于不同厚度的片材，能有效地进行焊接。
• 5、中间扩散层的选择
对于异种材料的扩散焊接，常常需要添加中间过渡层。过渡层应该与 两侧的母材都具有良好的互溶性，同时中间层还应该具有避免形成脆性 化合物的倾向及缓解两侧材料热物性参数失陪引起的应力集中问题。 中间层的选择一般要求具有良好的塑性变形能力以提高界面的紧密接 触程度，同时要含有扩散速度快的元素如B，Si等。还要注意与被焊接材 料之间的电化学匹配，防止电化学腐蚀问题。 中间层可以采用箔片、粉末等方式添加，也可以采用电镀、喷涂、溅 射等手段预置在待焊表面上。使用较多的是采用很薄的非晶态箔带的形 式添加。
• 第三阶段是界面和孔洞消失阶段，在接触 部位形成的结合层逐渐向体积方向发展， 扩大牢固连接面，消除界面孔洞，形成可 靠的连接接头。三个过程相互交叉进行， 连接过程中可以生成固溶体及共晶体，有 时形成金属间化合物，通过扩散、再结晶 等过程形成固态冶金结合，达到可靠连接 。
室温装配状态
Ⅰ变形--接触阶段
1—工件；2—工 件：3—旋转夹头； 4—移动夹头
摩擦焊技术的特点
• 接头质量高。接头内无夹杂和氧化物，焊接区没发生熔化，晶粒细化 组织致密，热影响区小等特点决定了其接头的优良性能。 • 广泛的工艺适应性。除传统金属外，包括粉末冶金材料、复合材料、 难熔材料以及各种异种材料都可以采用该工艺进行焊接。 • 焊接尺寸精度高。摩擦焊变形小，工艺控制精确，比其他焊接方法更 容易保证焊接精度。