扩散焊

相互扩散和反应阶段
接合层的成长阶段
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扩散焊
扩散焊前，通常对材料表面进行机械加工、研磨、抛光和清洗， 但无论焊前如何加工处理，加工后的材料表面在微观上仍然是粗 糙的，且表面还常常有氧化膜覆盖。 塑性变形的破坏 表面氧化膜的去除 溶解 球化聚集
接头质量好
焊件精度高、变形小
可以焊接大断面工件 可焊性好
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可以焊接结构复杂、接头不易接近以及厚薄相差较大的工件，能对组装 件中许多接头同时实施焊接。
扩散焊 2.扩散焊的缺点： 1）焊件表面的制备和装配质量的要求较高，特 别对接合表面要求严格。 2）焊接热循环时间长，生产率低。每次焊接快 则几分钟，慢则几十小时。对某些金属会引起晶粒长 大。 3）设备一次性投资较大，且焊接工件的尺寸受 到设备的限制，无法进连续式批量生产。
扩散焊接头质量好，其显微组织和性能与母村接近或相同，焊缝无熔 焊缺陷，无过热组织和热影响区。焊接参数易于精确控制，在批量生 产时接头质量和性能隐定。 因焊接时所加压力较小，工件多是整体加热，随炉冷却， 故焊件整体塑性变形很小，焊后的工件一般不再进行机械 加工。 因焊接所需压力不大，故大断面焊接所需设备的吨位不高， 易于实现。
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扩散焊焊缝的形成过程：
扩散焊的形成分为三个独立的阶段，物理接触、接触表面的激 活、扩散及形成接头三个阶段。
在高温下通过对被焊件施加压力，使材料表面微观凸出 点接触部位发生塑性变形，并在变形中挤碎表面氧化膜， 于是导致该接触点的面积增加和被挤平，净面接触处便 形成金属键连接。其余未接触部分形成微孔残留在界面 上
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第三章 扩散焊 教学目标： 1. 了解扩散焊的原理、工艺特点、分类及应 用范围； 2. 能够制定焊接工艺，熟悉基本操作方法与 安全防护。
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第一节 扩散焊概述
扩散焊（Diffusion Welding，DFW）----是将紧密 接触的焊件置于真空或保护气氛中，并在一定温度和 压力下保持一段时间，使接触界面间的原子相互扩散 而实现可靠连接的一种固相焊接方法。
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第二节 扩散焊工艺
扩散焊的接头形式设计 焊前准备 焊件表面的制备与清理
中间层材料及选择
焊接温度 焊接压力 焊接参数选择 保持时间 环境气氛 表面状态
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一、焊接准备
（一）扩散焊的接头形式设计
扩散焊接头的 形式比熔焊类型 多，可进行复杂 形状的接合，如 平板、圆管、中 空结构、T形及 蜂窝等结构均可 进行扩散焊。
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扩散焊 二、扩散焊的特点及分类
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（一）扩散焊的特点 1.优点 扩散焊接时因基体不过热、不熔化，可以在不降低被焊材料性能的
可焊材料多
情况下焊接几乎所有的金属或非金属，特别适合于熔焊和其他方法 难以焊接的材料，如活性金属、耐热合金、陶瓷和复合材料等。对 于塑性差或熔点高的同种材料，以及不互溶或在熔焊时会产生脆 性金属间化合物的异种材料，扩散焊是一种可靠的焊接方法。
是比母材金属低合金化的改型材料，以纯金属应用较多。在固 相扩散焊中，多选用软质纯金属材料作中间层，常用的材料为 Ti、 Ni、Cu、AI、Ag、Au（金）及不锈钢等。例如，Ni基超合金扩 散焊时采用Ni箔作中间层，Ti基合金扩散焊时采用Ti箔作中间层。 液相扩散焊时，除了要求中间层具有上述性能以外，还要求中 间层与母材润湿性好、凝固时间短、含有加速扩散的元素。对 于Ti基合金，可以使用含有Cu、Ni、Zr（锆）等元素的Ti基中 间层。对于铝及铝合金，可使用含有Cu、Si、Mg等元素的Al基 中间层。对于Ni基母材，中间层须含有B、Si、P等元素。在陶 瓷与金属的扩散焊中，活性金属中间层可选择V、Ti、Nb（铌）、 Zr、Ni－Cr、Cu－Ti等。
扩散焊可以将非铁金属与钢铁材料焊在一起，如用Ti和 CoCrWNi耐热合金制成蒸汽轮机、高导无氧铜和不锈钢制成 火箭发动机燃烧室的通道等。
异种金属
非金属与金属
用扩散焊可将陶瓷、石墨、石英、玻璃等非金属与金属材料焊 接，例如，钠离子导电体玻璃与铝箔或铝丝焊接成电子元件等。
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（二）扩散焊的分类 根据被焊材料的组合方式和加压方式的不同，扩散焊可以分成： 同种材料扩散焊、异种材料扩散焊、加中间层的扩散焊、过渡液 相扩散焊、超塑性成形扩散焊、热等静压扩散焊等。
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高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，紧密接 触的界面上发生原子持续扩散，而使界面上许多微孔消 失。与此同时，界面处的晶界发生迁移而离开原始界面， 但仍有许多小微孔遗留在晶粒内 原子扩散向纵深发展，界面与微孔最后消失形成新的晶 界，达到冶金结合，最后接合区成分趋于均匀，形成可 靠的焊接接头
物理接触阶段
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扩散焊 扩散焊适宜于各种材料的焊接：
钛合金
铝及其合金 耐热钢和耐热合金
钛合金具有耐腐蚀、比强度高的特点，因而在飞机、导弹、卫 星等飞行器的结构中被大量采用。
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铝及其合金具有很好的传热与散热性能，利用扩散焊制成铝热 交换器、太阳能热水器、电冰箱蒸发器等。
扩散焊可以焊接多种耐热钢和耐热合金，可以制成高效率 燃气轮机的高压燃烧室、发动机叶片、导向叶片和轮盘等。
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2．中间层的选用
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形式 厚度
ห้องสมุดไป่ตู้
采用箔、粉末、镀层、离子溅射和喷涂层等多种形式。
中间层厚度一般为几十微米，以利于缩短均匀化扩散的时间。过 厚的中间层焊后会以层状残留在界面区，影响接头的物理、化学 和力学性能。中间层厚度在30～100μm时，以箔片的形式夹在 待焊接表面间。
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1．中间层材料的性能特点 1）容易发生塑性变形，含有加速扩散的元素，如 Be（铍）、B （硼）、Si等。 2）与母材的物理化学性能相近，且不与母材发生不良冶金反应，如 产生脆性相或共晶相。 3）不会在接合处引起电化学腐蚀问题。 通常，中间层是熔点较低、塑性较好的纯金属，如 Cu、Ni、AI、Ag （银）等，或者与母材成分接近且含有少量易扩散的低熔点元素的合金。 中间材料的作用： ① 在比焊接温度低得多的温度下促进扩散； ② 在较低的压力下促进塑性流动和使表面达到一致性； ③ 防止金属间化合物形成； ④ 获得洁净的表面。 使用中间层材料或活化剂还可以大大缩短焊接时间。
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二、扩散焊焊接参数的选择
扩散焊焊接参数主要有焊接温度、焊接压力、保持时间、气氛环境， 这些因素之间相互影响、相互制约，在选择焊接参数时应综合考虑。
（一）选择焊接参数的基本原则
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的影响。常用的 合金钢、钛、锆、钴等均有同素异构转变。在同一温度 下Fe的自扩散速率在体心立方晶格α-Fe中比面心立方晶 格Y－Fe中的扩散速率约大1000倍。显然，选择在体 心 立方晶格状态下进行扩散焊可以大大缩短焊接时间。 焊接温度在相变温度附近反复变动时可产生相变超塑性，利 用相变超塑性也可以大大促进扩散焊过程。除相变超塑性外， 细晶粒也对扩散过程有利。例如，当 Ti-6AI-4V合金的晶 粒足够细小时也产生超塑性，对扩散焊十分有利。
扩散焊特别适合异种金属材料、耐热合金和陶瓷、金属间化 合物、复合材料等新材料的接合，尤其是对于熔焊方法难以焊接 的材料，扩散焊具有明显的优势，日益引起人们的重视。目前， 扩散焊广泛应用于航空、航天、仪表及电子等国防部门，并逐步 扩展到机械、化工及汽车制造等领域。
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扩散焊 一、扩散焊的基本原理
选择超塑性的母材
在中间层合金系中加入高扩散系数的元素，提高扩散速率 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、减小线膨胀差。
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超塑性是指在特定的条件下，即在低的应变速率(ε=10-2～10-4s-1)，一定的变 形温度(约为热力学熔化温度的一半)和稳定而细小的晶粒度(0.5～5μm)的条件下， 某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。其伸长率可超过100%以上， 如钢的伸长率超过500%，纯钛超过300%，铝锌合金超过1000%。目前常用的 超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。
表面净化处理
清洗干净的待焊件应尽快组装焊接，如需长时间放置，则应对待焊件表面加以保护， 可放在高纯度的惰性气体或置于真空容器内。
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(三）中间层材料及选择 为了促进扩散焊过程的进行，降低扩散焊温度、时间、 压力和提高接头性能，扩散焊时可在待焊接材料之间加入 中间层。在焊件之间增加中间层是异种材料扩散焊的有效 手段之一，特别是对于原子结构差异很大的材料，中间层 可以改善材料表面的接触状态，降低对待焊接表面制备的 要求，降低扩散焊温度、压力和缩短扩散焊时间，避免或 减少形成脆性金属间化合物的倾向，避免或减少因被焊材 料之间的物理化学性能差异过大而引起的其他冶金问题。
材料
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3．阻焊剂 扩散焊时为了防止压头与焊件或焊件之间某些 区域被粘接在一起，需加片状或粉状的阻焊剂。 阻焊剂应具有以下性能： 1）熔点或软化点应高于焊接温度。 2）具有较好的高温化学稳定性，在高温下不 与焊件、夹具或压头发生化学反应。 3）不释放有害气体污染附近的待焊接表面， 不破坏保护气氛或真空度。 例如，钢与钢扩散焊时，可以用人造云母片隔 离压头；钛与钛扩散焊时，可以涂一层氮化硼或 氧化钇粉。
氧化物的溶解是通过间隙原子向金属母材中 扩散而发生
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氧化物的球化聚集是借氧化物薄膜过多的 表面能造成的扩散而实现的
熔解与球化聚集均需在一定的温度和时间条件下完成。 扩散焊接过程的三个阶段并没有明确的界限，而是相互交叉进行的， 甚至有局部重叠，很难准确确定其开始与终止时间。焊接区域经蠕变、 扩散、再结晶等过程而最终形成固态冶金结合，可以形成固溶体及共 晶体，有时也可能生成金属间化合物，从而形成可靠的扩散焊接头。
三、扩散焊的应用
扩散焊适宜于焊接特殊材料或特殊结构，这类材料和 结构在宇航、电子和核工业中应用很多，因而扩散焊在 这些工业部门中的应用广泛。宇航、核能等工程中很多 零、部件是在极恶劣的环境下工作，如要求耐高温、耐 辐射，其结构形状也比较特殊，如采用空心轻型蜂窝结 构等，且它们之间的连接多是异种材料的组合。扩散焊 成为制造这些零部件的优先选择。
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加热、加压
两焊件紧压在一起
置于真空或保护气氛
氧化膜破碎，表面微观凸起处发生塑性变形和高温蠕变而达到紧密接触 原子扩散 若干微小区域出现界面间的结合 保温，原子扩散扩大
整个连接界面均形成金属键结合
完成了扩散焊接过程
扩散焊时，通过温度、压力、时间、保护气氛、真空条件等为实现 金属间原子相互扩散与金属键结合创造了条件。
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（二）焊件表面的制备与清理 待焊表面状态对扩散焊接过程和接头质量的影响很大，特 别是固态扩散焊，必须在装焊前对焊件表面进行认真准备。
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表面机械加工
待焊表面要求达到平整光滑，为了使焊接间隙最小，微观接触 点尽可能多。一般要求表面粗糙度值应达到 Ra＞2.5 μm。用 精车、精刨（铣）、磨削、研磨、抛光等方法都可以加工 出所需的表面平面度和粗糙度。若是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。 表面净化处理目的是清除氧化膜、油和吸附物。去除表面氧化 物多用化学腐蚀方法，腐蚀剂可参考金相腐蚀液的配方。腐蚀 速度不能过大，以防止产生腐蚀坑。当腐蚀至露出金属光泽， 就立即用水冲净和烘干。除油可用乙醇、三氯乙烯、丙酮、洗 涤剂等，也可采用在真空中加热的方法去除焊件表面的有机物、 水、气体吸附层等。