第四章扩散焊

4.4扩散焊设备
4.4.1真空扩散焊设备
(４)控制系统 控制系统主要实现温度、压力、真空度及连接时间 的控制，少数设备还可以实现位移测量及控制。 (５)冷却系统 为了防止设备在高温下损坏，应对扩散泵、感应加 热线圈、电阻加热电极、辐射加热的炉体等按照要求通水冷却。
4.4扩散焊设备
图９-５２ 感应加热扩散焊机原理示意图
4.4扩散焊设备
4.4.1真空扩散焊设备
(１)真空系统 真空系统包括真空室、机械泵、扩散泵、管路、切 换阀门和真空计组成。 (２)加热系统 高频感应扩散焊接设备采用高频电源加热，工作频 率为60~500kHz，由于集肤效应的作用，该类频率区间的设备只能 加热较小的工件。 (３)加压系统 为了使被连接件之间达到密切接触，扩散连接时要 施加一定的压力。
焊件表面的制备与清理
(1)表面机械加工 平整光滑，机加工等加工出表面所需要的表 面平面度和粗糙度，若采用加入软中间层的扩散焊或过渡液相的 扩散焊，则粗糙度值可适当放宽。 (2)表面净化处理 清除氧化膜、油及吸附物。多采用化学腐蚀 方法。
4.3.2选择焊接参数的基本原则
扩散焊选择焊接工艺参数有以下基本原则：
第四章 扩散焊
机械与控制工程学院
4.1扩散焊原理及应用
4.1.1扩散焊的概念及特点
工艺特点
1)接合区域无凝固(铸造)组织，不生成气孔、宏 观裂纹等熔焊时的缺陷。 2)同种材料接合时，可获得与母材性能相同的接 头，几乎不存在残余应力。
4.1扩散焊原理及应用
工艺特点
3)对于塑性差或熔点高的同种材料、互相不溶解或在熔 焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料(包括金属与 陶瓷)，扩散连接是可靠的连接方法之一。 4)精度高，变形小，精密接合。 5)可以进行大面积板及圆柱的连接。 6)采用中间层可减少残余应力。
4.1扩散焊原理及应用
工艺特点
1)无法进行连续式批量生产。 2)时间长，成本高。 3)对接合表面要求严格。 4)设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设备的 限制。
4.1扩散焊原理及应用 4.1.2扩散焊的分类
9.1 扩散连接机理
图９-１ 扩散连接分类简图
4.1扩散焊原理及应用 4.1.3扩散焊的应用
图９-９ 典型结构的超塑性扩散连接 a)单层加强构件 b)双层加强结构 c)多层夹层结构(三层) 1—上模密封压板 2—超塑性成形板坯 3—加强板 4—下成形模具 5—超塑性成形件 6—外层超塑性成形板坯 7—不连接涂层区(钇基或氮化硼) 8—内层板坯 9—超塑性成形的两层结构件 10—中间层板坯
11—超塑性成形的三层结构件
4.5典型材料的扩散焊及其应用
陶瓷扩散连接的主要问题
(３)界面化合物很难进行定量分析 在确定界面化合物时，由于 一些轻元素(Ｃ、Ｎ、Ｂ等)的定量分析误差较大，需制备多种标 准试件进行标定。 (４)缺少数值模拟的基本数据 由于陶瓷和金属钎焊及扩散连接 时，界面容易出现多层化合物，这些化合物层很薄，对接头性能 影响很大。
(1)选择利于扩散的晶格 材料的同素异构转变对扩散速率有很 大影响。 (2)选择超塑性的母材 (3)在中间层合金系中加入提高扩散系数的元素，提高扩散速率。 (4)异种材料焊接时，应降低焊接温度，可插入适当的中间层， 以吸收应力、减小线膨胀。
4.3扩散焊工艺参数
4.3.3工艺参数对焊接质量的影响
扩散连接工艺参数选择
1)容易塑性变形，熔点比母材低。 2)物理化学性能与母材的差异比被连接材料之间的差异 小。 3)不与母材产生不良的冶金反应，如不产生脆性相或不 希望出现的共晶相。 4)不引起接头的电化学腐蚀。
4.3扩散焊工艺参数
图９-１４ SiC-金属界面的反应层 厚度与接头强度的关系
4.4扩散焊设备
扩散连接设备的分类
4.5典型材料的扩散焊及其应用 4.5.4陶瓷扩散焊
陶瓷材料的扩散连接
１.陶瓷扩散连接的主要问题 ２.SiC陶瓷的扩散连接 ３.Al2O3陶瓷与金属的扩散连接
4.5典型材料的扩散焊及其应用
１.陶瓷扩散连接的主要问题
(１)界面存在很大的热应力 陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属材料连接 时，由于陶瓷与金属的线膨胀系数差别很大，在扩散连接或使用 过程中，加热和冷却时必然产生热应力，由于热应力的分布极不 均匀，使接合界面产生应力集中，造成接头的承载性能下降。 (２)容易生成脆性化合物 由于陶瓷与金属的物理化学性能差别 很大，连接时除存在着键型转换以外，还容易发生各种化学反应， 在界面生成各种碳化物、氮化物、硅化物、氧化物以及多元化合 物。
4.5典型材料的扩散焊及其应用 4.5.2镍合金的扩散焊
镍基高温合金的扩散连接 １.焊接温度高或压力大； ２.焊前准备要求高； ３.用纯镍做中间层； ４.扩散焊方法：直接扩散焊法，加中间层扩散焊法，液相扩散焊法。
4.5典型材料的扩散焊及其应用 4.5.3高温合金的扩散焊
高温合金的扩散连接 １.焊接温度高； ２.焊接压力大； ３.焊前准备要求高； ４.以Ni-35%Co作中间层。
4.4扩散焊设备
图９-５１ 电阻辐射加热真空扩散连接设备结构 原理示意图
１—下压头 ２—上压头 ３—加热器 ４—真空炉体 ５—传力杆 ６—机架 ７—液压系统 ８—工件 ９—真空系统
4.4扩散焊设备
图９-５３ 感应加热扩散连接设备照片
4.4扩散焊设备 4.4.3超塑成形扩散焊设备
4.5典型材料的扩散焊及其应用 4.5.1钛合金的扩散焊
4.2扩散焊过程
3.扩散连接时的化学反应
(1)原子的相互作用 接触面形成时，所产生的结合力 不足以产生表面原子间的牢固连接，为了获得原子之间 的牢固结合(形成金属键、共价键、离子键)，就必须激 活表面上的原子。 (2)扩散时的化学反应 在异种材料特别是金属与非金 属材料连接时，界面将发生化学反应。
(2)表面清理 待连接零件在扩散连接前的加工和存放过程中， 被连接表面不可避免地形成氧化物、覆盖着油脂和灰尘等。
4.3扩散焊工艺参数
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4.3扩散焊工艺参数
图９-１８ S -Al表面粗糙度对接头抗弯强度的影响
4.3扩散焊工艺参数
6.中间层 (1)中间层的作用 (2)中间层的选择 (3)固相扩散连接中间层材料 在固相扩散连接中多用软质纯金 属材料做中间层，常用的材料为Ti、Ni、Cu、Al、Ag、Au及不锈 钢。 (４)液相扩散连接中间层 液相扩散连接时，除了要求中间层(钎 料)具有上述性能以外，还要求与母材润湿性好、凝固时间短、 含有加速扩散的元素(如硼、铍、硅等)。
4.2扩散焊过程 4.2.1固态扩散焊接过程
固相扩散连接基本原理
1.接头形成过程 2.材料连接时的物理接触过程 3.扩散连接时的化学反应
4.2扩散焊过程
图9-2 扩散连接的三阶段模型 a)凹凸不平的初始接触 b)变形和形成部分界面阶段 c)元素相互扩散和反应阶段 d)体积扩散及微孔消除阶段
4.2扩散焊过程
钛合金及其钛铝金属间的扩散连接
1.钛合金的扩散连接 2. Ti3Al金属间化合物的扩散连接 3.TiAl金属间化合物的扩散连接
4.5典型材料的扩散焊及其应用 4.5.1钛合金的扩散焊
钛合金及其钛铝金属间的扩散连接
钛及其合金扩散焊特点： 1、焊件表面无需进行特殊的准备和控制； 2、在真空或Ar气保护下进行； 3、采用超塑成形扩散焊接； 4、原始晶粒会影响接头质量。
4、环境气氛
扩散焊一般在真空或保护气氛下进行，真空度、保护气体纯 度、流量和压力等均会影响扩散焊接头质量。
4.3扩散焊工艺参数
图９-１６ 连接环境对S /Al/S 接头抗弯强度的影响
4.3扩散焊工艺参数
5.表面状态 (1)表面粗糙度的影响 几乎所有的焊接件都需要由机械加工制 成，不同的机械加工方法，获得的粗糙等级不同。
4.4扩散焊设备源自文库
4.4.2电阻辐射加热真空扩散焊设备
(１)电阻辐射加热真空扩散连接设备 真空扩散焊机是最常用的扩 散连接设备，结构原理如图９-５１所示。 (２)感应加热扩散连接设备 图９-５２是感应加热扩散焊机示意图， 由高频电源和感应线圈构成加热系统，机械泵、扩散泵和真空室构 成真空系统。 (３)超塑成形-扩散连接设备 此类设备是由压力机和专用加热炉组 成，可分为两大类。 (４)热等静压扩散焊设备 近年来，为了制备致密性高的陶瓷及精 密形状的构件，热等静压(简称ＨＩＰ)设备受到人们的重视。
4.2扩散焊过程
图9-5 SiO2中硅与铝的置换反应 a)反应产物溶解 b)形成新相
4.2扩散焊过程
4.2.2瞬间液相扩散焊接过程
液相扩散连接基本原理 (1)液相的生成 将中间扩散夹层材料夹在被连接表面之间，施 加一定的压力(0.1MPa左右)，或依靠工件自重使相互接触。 (2)等温凝固过程 液相形成并充满整个焊缝缝隙后，应立即开 始保温，使液-固相之间进行充分的扩散，由于液相中使熔点降 低的元素大量扩散至母材内(图９-６b)，母材中某些元素向液相 中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固，凝固界面从两侧向中间 推进(图９-６c)。 (3)成分均匀化 等温凝固形成的接头，成分很不均匀。
4.2扩散焊过程
图9-6 瞬时液相扩散连接过程示意图 a)形成液相 b)低熔点元素向母材扩散 c)等温凝固 d)等温凝固
结束 e)成分均匀化
4.2扩散焊过程 图９-７ 等温凝固过程中固液界面移动模型
4.2扩散焊过程
图9-8 成分均匀化过程及元素的浓度分布变化
4.3扩散焊工艺参数
4.3.1焊前准备
4.3扩散焊工艺参数
(1)中间层的作用
1)改善表面接触，减小扩散连接时的压力。 2)可以抑制夹杂物的形成，促进其破碎或分解。 3)改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物和 有害的共晶组织。 4)可以降低连接温度，减少扩散连接时间。 5)控制接头应力，提高接头强度。
4.3扩散焊工艺参数
(2)中间层的选择
2.材料连接时的物理接触过程
(1)物理接触及氧化膜去除 被连接面在真空中加热时， 油脂逐渐分解和挥发，吸附的蒸气和各种气体分子被解 吸下来。 (2)氧化膜去除机制 在一般真空度条件下，氧化膜去 除有以下三种机制： 1、钛镍型；2、钢铁型；3、铝合金型
4.2扩散焊过程 2.材料连接时的物理接触过程
(3)物理接触的形成 扩散连接时表面的物理接触(使表 面接近到原子间力的作用范围之内)是形成连接接头的 必要条件。
4.3扩散焊工艺参数
图９-１１ SiC/Ti反应层厚度与 温度及时间的关系
4.3扩散焊工艺参数
图９-１２ 连接温度对锡青铜/Ti 接头强度的影响
4.3扩散焊工艺参数
2、焊接压力
扩散焊接时压力的主要作用是促使焊件表面产生塑性变形并 达到紧密接触状态，使界面区原子激活，加速扩散与界面孔 洞的弥合及消失，防止扩散孔洞的产生。
接头形式设计
(1)接头的基本形式 扩散连接的接头形式比熔化焊类型多，可 进行复杂形状的接合，如平板、圆管、管、中空、T形及蜂窝结 构均可进行扩散连接。 (2)扩散连接制造复合材料 在纤维强化复合材料的制造过程中， 常用的加工方法之一是扩散连接。
4.3扩散焊工艺参数
图9-１０ 扩散连接的基本接头形式
(１)按照真空度分类 根据工作空间所能达到的真空度或极限真空 度，可以把扩散连接设备分为四类，即低真空(０.１Ｐａ以上)、中 真空(０.１Ｐａ～１０－３Ｐａ)、高真空(＜１０－５Pａ)焊机和低压 或高压保护气体扩散焊机。 (２)按照热源类型和加热方式分类 进行扩散连接时，加热热源的 选择取决于连接温度、工件的结构形状及大小。 (３)其他分类方法 根据真空室的数量，可以将扩散连接设备分为 单室和多室两大类；根据真空连接的工位数(传力杆的数量)，又可 分为单工位和多工位焊机；根据自动化程度，可分为手动、半自动 和自动程序控制三类。
1.连接温度 2.扩散连接时间 3.连接压力 4.环境气氛 5.表面状态 6.中间层选择
4.3扩散焊工艺参数
1、焊接温度
焊接温度越高，扩散系数越大，金属的塑性变形能力越好， 焊接表面达到紧密接触所需的压力越小，所获得的的接头强 度越高。但是，加热温度的提高要受到被焊材料的冶金和物 理化学特性方面的限制。
4.3扩散焊工艺参数
图９-１５ 压力对接头弯曲强度的影响
4.3扩散焊工艺参数
3、焊接时间
又称保温时间，需要的保温时间与温度、压力、中间扩散层 厚度、接头成分及组织均匀化要求密切相关，也受材料表面 状态和中间层材料的影响。
4.3扩散焊工艺参数
图９-１３ 扩散连接时间对铜／钢 接头性能的影响
4.3扩散焊工艺参数