演示版扩散焊技术.ppt
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Si3N4-Al 表面粗糙度对接头弯曲强度的影响
环境条件对 Si3N4/Al/Si3N4 接头
抗弯强度的影响
精选文档
典型焊接构件
铝－钛 钛－不锈钢
Page 9
铝－铜 铝－不锈钢
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扩散焊
衍生技术：
（1）过渡液相扩散连接
（2）热轧扩散连接
（3）超塑性扩散连接
原理：Transient Liquid Phase Bonding 1）焊接温度达到中间层的熔点而使其熔化成液相，
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低温焊接技术
•扩散焊 •摩擦焊 •冷金属过渡焊接（CMT)
许志武 博士/副教授 哈尔滨工业大学
先进焊接与连接国家重点实验室
Page 1
精选文档
焊接技术分类
固相连接： 扩散焊 摩擦焊 超声波焊 爆炸焊 段焊
Page 2
精选文档
扩散焊
焊接原理：
在真空或惰性环境下，将两个待焊试件紧密接触，加热至低于固相线的温度（ T=0.5-0.8Tm),在一定的压力作用下，首先界面局部接触塑性变形，促使氧化膜 破碎分解；当达到净面接触时，为原子间扩散创造了条件，同时界面上的氧化物 被溶解吸收；继而再结晶组织生长，晶界移动，有时出现联生晶及金属间化合物 ，经过一段时间后构成牢固一体的焊接接头。
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焊接工艺参数：
1）连接温度
D D0 exp( E / RT )
2）连接时间
x (2Dt )0.5
3）连接压力
SiC/Ti 反应层厚度与温度及时间的关系 SiC-Nb 界面反应层厚度与时间的关系
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4）表面Байду номын сангаас工状态 5）连接气氛
6）中间层的选择
• 降低连接温度 • 减小连接压力 • 降低界面应力集中
Page 4
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焊接设备：
扩散焊
真空系统、加压系统、加热系统、 控制及测量系统
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技术指标下： (1) 极限真空度： 2×10-4Pa（冷态）2×10-3Pa（热态） (2) 压升率 ≤0.5Pa/h (3) 高频加热功率 25KW (4) 加压范围 300N-40000N， 控制精度±3% (5) 最高加热温度 1300℃，控制精度±1℃ (6) 位移测量范围 -2-+3mm，测量精度 1‰ (7) 真空室尺寸 φ350×350mm
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结论：经超细化预处理后的W6Mo5Cr4V2钢与45钢 ,在变形 温度 Ts=750℃～780 ℃、 压接前保温时间t0=10～15 min 及初始应变速率ε0 = 1.0～3.0×10- 4s-1的条件下经3～5 min 的短时间压接可实现压接接头强度达到母材(45钢)的超塑性扩 散焊接。
或加热条件下，通过中间层金属与基体金属相互扩散， 达到低熔点共晶成分而形成液相共晶；
2）形成的共晶薄膜在较小压力下润湿母材，然后保 持恒定温度使中间层与母材之间的扩散继续进行，达到 最大液相量；
3）元素继续扩散，达到固、液相线之间的成分时开 始等温凝固；
4）完全凝固后经过均匀化，形成与母材组织成分一 致的焊接接头。
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扩散焊
焊接特性：
(1)扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相同，不存在熔化缺陷 (2)焊接温度低，母材损伤小 (3)可进行内部及多点、大面积焊接 (4)微变形、小应力、高精密 (5)适合于塑性差或熔点及耐热材料的同种和异种、多层材料间连接 （扩散焊的研究和实际应用中，70%涉及异种材料的连接） (6)表面制备要求高 (7)焊接和辅助时间长 (8)设备一次性投资大，工件尺寸受到设备限制
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中间层 母材
零阶段：加热下相互扩散 第一阶段：溶解
第二阶段：液相层扩大 液相层达到最大值
第三阶段：等温凝固
第四阶段：均匀化
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（1）过渡液相扩散焊
优点：
焊接温度低；
Al—Ga Al—Li Al—Zn Al—Ge Al—Mg Al—Cu Al—Ag Al—Si Al—Ni
26.6℃ 180℃ 381℃ 420℃ 450℃ 548℃ 577℃ 577℃ 639 ℃
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扩散焊
焊接过程：
（1）工件表面处理
平整，Ra一般＜0.8；无油污
（2）工件装配
中间层选择（塑性好；含加速扩散元素，如B、P、Si等；有活 化作用；不与母材发生有害反应等，厚度一般为几十微米）、放置
阻焊剂（熔点或软化点高于焊接温度；化学稳定性好）
（3）装炉 （4）焊接 （5）炉冷
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W6Mo5Cr4V2钢和45钢的超塑性扩散 焊接
细晶处理
焊接过程： 将经细砂纸打磨且丙酮清洗过的试样对接后放入试验装置内 →
施加一定的预压力 → 加热至超塑性变形温度后保温一段时间 → 在超塑性变形速率下短时间压缩变形 → 卸载 →待温度降至 250 ℃以下时空冷。
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境下加热至一定温 度，随后通过辊轧 力使连接界面的金 属发生塑性融合， 实现连接
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典型界面特征
优点： （1）焊接温度低，材料连接面无有害反应 （2）适合双金属与多金属的较大面积连接 （3）焊接速度较快
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典型焊接构件
不锈钢/钼 不锈钢/钛合金 不锈钢/铜合金 铝/钢 。。。。。
B
• 熔化的B 或 AB 的界面产物可以和陶瓷连接。
A
• A 是高熔点元素且线膨胀系数和复合材料相似。
B
• 高熔点的中间层能够消耗低熔点层，形成高熔
点的合金或反应产物。
陶瓷材料瞬间液相扩散焊
过程示意图
Page 12
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陶瓷材料瞬间液相扩散焊常用复合中间层
Page 13
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（2）热轧扩散焊 将构件在真空环
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（3）超塑性扩散焊 超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸
，相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现 出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现 象。
金属超塑性可以分为几类，主要是以下两种：①细晶超塑性（又 称组织超塑性或恒温超塑性），其内在条件是具有稳定的等轴细晶 组织，外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形； ②相变超塑性（又称环境超塑性），是指在材料相变点上下进行温 度循环的同时对试样加载，每次循环中试样得到累积的大变形。
液体金属原子运动较为自由，扩散速度快；
压力作用下液相薄膜更易破坏界面连续的氧化 膜并能消除接头表面的油污；
液相层在压力条件下凝固，最后所得组织致密，
易得到与母材组织近似的接头。
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压力
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（1）过渡液相扩散焊
中间层的选择原则：
(1) 利用非金属中间层：玻璃 (2) 利用组合金属中间层：低/高/低
Si3N4-Al 表面粗糙度对接头弯曲强度的影响
环境条件对 Si3N4/Al/Si3N4 接头
抗弯强度的影响
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典型焊接构件
铝－钛 钛－不锈钢
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铝－铜 铝－不锈钢
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扩散焊
衍生技术：
（1）过渡液相扩散连接
（2）热轧扩散连接
（3）超塑性扩散连接
原理：Transient Liquid Phase Bonding 1）焊接温度达到中间层的熔点而使其熔化成液相，
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低温焊接技术
•扩散焊 •摩擦焊 •冷金属过渡焊接（CMT)
许志武 博士/副教授 哈尔滨工业大学
先进焊接与连接国家重点实验室
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焊接技术分类
固相连接： 扩散焊 摩擦焊 超声波焊 爆炸焊 段焊
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扩散焊
焊接原理：
在真空或惰性环境下，将两个待焊试件紧密接触，加热至低于固相线的温度（ T=0.5-0.8Tm),在一定的压力作用下，首先界面局部接触塑性变形，促使氧化膜 破碎分解；当达到净面接触时，为原子间扩散创造了条件，同时界面上的氧化物 被溶解吸收；继而再结晶组织生长，晶界移动，有时出现联生晶及金属间化合物 ，经过一段时间后构成牢固一体的焊接接头。
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焊接工艺参数：
1）连接温度
D D0 exp( E / RT )
2）连接时间
x (2Dt )0.5
3）连接压力
SiC/Ti 反应层厚度与温度及时间的关系 SiC-Nb 界面反应层厚度与时间的关系
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4）表面Байду номын сангаас工状态 5）连接气氛
6）中间层的选择
• 降低连接温度 • 减小连接压力 • 降低界面应力集中
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焊接设备：
扩散焊
真空系统、加压系统、加热系统、 控制及测量系统
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技术指标下： (1) 极限真空度： 2×10-4Pa（冷态）2×10-3Pa（热态） (2) 压升率 ≤0.5Pa/h (3) 高频加热功率 25KW (4) 加压范围 300N-40000N， 控制精度±3% (5) 最高加热温度 1300℃，控制精度±1℃ (6) 位移测量范围 -2-+3mm，测量精度 1‰ (7) 真空室尺寸 φ350×350mm
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结论：经超细化预处理后的W6Mo5Cr4V2钢与45钢 ,在变形 温度 Ts=750℃～780 ℃、 压接前保温时间t0=10～15 min 及初始应变速率ε0 = 1.0～3.0×10- 4s-1的条件下经3～5 min 的短时间压接可实现压接接头强度达到母材(45钢)的超塑性扩 散焊接。
或加热条件下，通过中间层金属与基体金属相互扩散， 达到低熔点共晶成分而形成液相共晶；
2）形成的共晶薄膜在较小压力下润湿母材，然后保 持恒定温度使中间层与母材之间的扩散继续进行，达到 最大液相量；
3）元素继续扩散，达到固、液相线之间的成分时开 始等温凝固；
4）完全凝固后经过均匀化，形成与母材组织成分一 致的焊接接头。
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扩散焊
焊接特性：
(1)扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相同，不存在熔化缺陷 (2)焊接温度低，母材损伤小 (3)可进行内部及多点、大面积焊接 (4)微变形、小应力、高精密 (5)适合于塑性差或熔点及耐热材料的同种和异种、多层材料间连接 （扩散焊的研究和实际应用中，70%涉及异种材料的连接） (6)表面制备要求高 (7)焊接和辅助时间长 (8)设备一次性投资大，工件尺寸受到设备限制
Page 10
中间层 母材
零阶段：加热下相互扩散 第一阶段：溶解
第二阶段：液相层扩大 液相层达到最大值
第三阶段：等温凝固
第四阶段：均匀化
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（1）过渡液相扩散焊
优点：
焊接温度低；
Al—Ga Al—Li Al—Zn Al—Ge Al—Mg Al—Cu Al—Ag Al—Si Al—Ni
26.6℃ 180℃ 381℃ 420℃ 450℃ 548℃ 577℃ 577℃ 639 ℃
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扩散焊
焊接过程：
（1）工件表面处理
平整，Ra一般＜0.8；无油污
（2）工件装配
中间层选择（塑性好；含加速扩散元素，如B、P、Si等；有活 化作用；不与母材发生有害反应等，厚度一般为几十微米）、放置
阻焊剂（熔点或软化点高于焊接温度；化学稳定性好）
（3）装炉 （4）焊接 （5）炉冷
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W6Mo5Cr4V2钢和45钢的超塑性扩散 焊接
细晶处理
焊接过程： 将经细砂纸打磨且丙酮清洗过的试样对接后放入试验装置内 →
施加一定的预压力 → 加热至超塑性变形温度后保温一段时间 → 在超塑性变形速率下短时间压缩变形 → 卸载 →待温度降至 250 ℃以下时空冷。
Page 18
境下加热至一定温 度，随后通过辊轧 力使连接界面的金 属发生塑性融合， 实现连接
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典型界面特征
优点： （1）焊接温度低，材料连接面无有害反应 （2）适合双金属与多金属的较大面积连接 （3）焊接速度较快
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典型焊接构件
不锈钢/钼 不锈钢/钛合金 不锈钢/铜合金 铝/钢 。。。。。
B
• 熔化的B 或 AB 的界面产物可以和陶瓷连接。
A
• A 是高熔点元素且线膨胀系数和复合材料相似。
B
• 高熔点的中间层能够消耗低熔点层，形成高熔
点的合金或反应产物。
陶瓷材料瞬间液相扩散焊
过程示意图
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陶瓷材料瞬间液相扩散焊常用复合中间层
Page 13
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（2）热轧扩散焊 将构件在真空环
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（3）超塑性扩散焊 超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸
，相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现 出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现 象。
金属超塑性可以分为几类，主要是以下两种：①细晶超塑性（又 称组织超塑性或恒温超塑性），其内在条件是具有稳定的等轴细晶 组织，外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形； ②相变超塑性（又称环境超塑性），是指在材料相变点上下进行温 度循环的同时对试样加载，每次循环中试样得到累积的大变形。
液体金属原子运动较为自由，扩散速度快；
压力作用下液相薄膜更易破坏界面连续的氧化 膜并能消除接头表面的油污；
液相层在压力条件下凝固，最后所得组织致密，
易得到与母材组织近似的接头。
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压力
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（1）过渡液相扩散焊
中间层的选择原则：
(1) 利用非金属中间层：玻璃 (2) 利用组合金属中间层：低/高/低