扩散焊
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连接压力对接头强度的影响
连接压力较温度和时间对接 头性能的影响相对较小。 当连接压力较小时,被焊材料 表面只有少量微观凸起发生物理 接触 ,且塑性变形小 ,提供的变形 能也很少 ,故焊合率较小 ,接头强 度不高。当压力增加到 0. 05MPa 时, 有效接触面积和变形能力增 加 , 中间层与母材间隙减小 , 界 面原子扩散加快 ,接头强度较高。 但当压力过大时 ,连接的过程中 可能挤出液态的中间层 ,减少了 界面原子的反应与扩散 ,接头强 度反而降低。
(6) 水冷系统
一般通过水循环系统迚行冷却，防止系统过热。
10
5、扩散焊工艺
(1) 工件待焊表面的制备和清理
a) 表面机加工
目的是为了获得平整光洁的表面，保证焊接间隙 极小，微观上紧密接触点尽可能的多。
对普通金属零件可采用精车、精刨(铣)和磨削加
工，通常使粗糙度Ra≤3.2μm，Ra大小的确定还与材
3
3、扩散焊的特点
(1) 接头质量好； (2) 零件变形小；
(3) 可一次焊接多个接头；
(4) 可焊接大断面接头； (5) 可焊接其它焊接方法难于焊接的材料和工件； 优点 (6) 与其他热加工、热处理工艺结合可获得较大的技 术经济效益 (7) 零件待焊表面的制备和装配要求较高； (8) 焊接热循环时间长，生产率低； 不足 (9) 设备一次性投资较大，焊件尺寸受到设备的限制 4 (10) 接头连接质量的无损检测手段尚不完善
料本身的硬度有关,对硬度较高的材料，Ra应更小，
对加有软中间层的固相扩散焊和液相扩散焊，以及热 等静压扩散焊粗糙度要求可放宽。
11
b) 除油和表面浸蚀
通常用酒精、丙酮、 三氯乙烯或金属清洗剂除油。
有些场合还可采用超声清洗净化方法。
(2) 中间层的选择
a)中间层的作用
改善表面接触，降低对待焊表面制备质量的要求， 降低所需的焊接压力。Hale Waihona Puke Baidu改善扩散条件，加速扩散过程，从而降低焊接温度， 缩短焊接时间. 改善冶金反应，避免(或减少)形成脆性金属间化合 物和不希望有的共晶组织。 避免或减少因被焊材料乊间物理化学性能差异过大 所引起的词题，如热应力过大，出现扩散孔洞等. 12
第四章 扩散焊
1、原理
扩散焊是指在一定的温度和压力下，被连接 或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连 接表面的物理接触，然后结合层原子间经过一
表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形，
定时间的相互扩散，形成整体可靠连接的过程。
1
2、扩散焊的分类
1）同种材料扩散焊 不加中间层的两同种金属直接接触的扩散焊。这种类型的扩
14
b)压力
如压力过低，则表层塑性变形不足，表面形成物理接 触的过程迚行不彻底，界面上残留的孔洞过大且过多。 较高的压力可产生较大的表层塑性变形，还可使表层 再结晶温度降低，加速晶界迁移。
15
c)保温扩散时间
扩散过程时间过短，导致焊缝中残留有许多孔洞，接 头强度达不到稳定的、与母材相等或相近的强度； 过长的高温高压持续时间，对接头质量不起仸何迚一 步提高的作用，反而会使母材晶粒长大。
4、扩散焊原理及扩散机制
在金属不熔化的情况下，要形成焊接接头就必须使两待焊表面 紧密接触，使乊距离达到(1~5)×10-6mm以内，在这种条件下，金 属原子间的引力才开始起作用，才可能形成金属键，获得有一定 强度的接头。实际上，金属表面无论经什么样的精密加工，在徽 观上总还是起伏不平的。
6
扩散焊过程
18
7、扩散焊接的应用实例
扩散焊目前已实现560多组异种材料的焊接。 局部真空措施焊成的巨型工件长达50m ,重75t； 有用533个零件焊成的一个巨大的轰炸机部件。
在宇宙飞船构件的制造中,焊接了发动机的 喷管、蜂窝壁板； 飞机制造中的反推力装置、蒙皮、起落架、 钛合金空心叶片、轮盘、桨毂；
19
在化工设备制造中，制成了高3m、直径 1.8m的部件； 在原子能设备制造中，制成水冷反应堆燃 料元件； 在冶金工业中生产了复合板；
2
3）加中间层扩散焊
当用上述两种方法难以焊接或效果较差时，可在被焊材料乊 间加入一层金属或合金(称为中间层)，这样就可以焊接很多难焊 的或冶金上不相容的异种材料，可以焊接熔点很高的同种材料。
4）固相扩散焊
焊接过程中母材和中间层均不发生熔化或产生液相的扩散焊 方法。
5） 液相扩散焊
指在扩散焊过程中接缝区短时出现微量液相的扩散焊方法。 有助于改善扩散表面接触情况，允许使用较低的扩散焊压力。
(3) 加热系统
由感应线圈和高频电源组成，按加热方式可分为： 感应加热、辐射加热和接触加热。
9
(4) 加压系统
扩散焊所施加的压力较小，压强可在1~100MPa范 围内变化，当材料的高温变形抗力较大，或表面粗糙、
扩散焊接温度较低时，需提高压力。
(5) 测量与控制系统
包括温度、压力、真空度及时间的控制和测量。
(1) 接头存在的主要缺陷
未熔合、未焊透、裂纹、变形等
(2) 检测方法
采用着色、荧粉或磁粉探伤检测表面缺陷
采用真空、压缩空气及煤油实验检查气密性 采用超声波、X射线探伤检测接头的内部缺陷
目前超声波成像无损检测在扩散焊接头检测方面 取得了初步的成果，有待于进一步研究，为扩散焊应 用于航空航天等国防工业提供质量保证。
25
(6) 结 论
(a)研究了工艺参数对 TiNi 与304不锈钢 异种材料扩 散焊接头强度的影响规律。随着连接温度的升高 , 接头的剪切强度先升高而后降低。保温时间和压 力所引起的接头剪切强度的变化呈相同的趋势。 (b) TiNi 和304 不锈钢扩散焊最佳工艺参数为:T=860 ℃, t =60min, P=0. 05MPa , 接头剪切最高强度为
散焊，一般要求待焊表面制备质量较高，焊接时要求施加较大的 压力，焊后接头的成分、组织与母材基本一致。
2）异种材料扩散焊
异种金属或金属与陶瓷、石墨等非会属的扩散焊。(存在问题)
a.膨胀系数不同——结合面上出现热应力； b.冶金反应——低熔点共晶组织或脆性金属间化合物； c.扩散系数不同——形成扩散孔洞； d.电化学性能不同——出现电化学腐蚀。
扩散焊与熔焊、钎焊方法的比较
工艺条件 加热 温度 表面准备 扩散焊 局部、整体 0.5~0.8Tm 严格 熔焊 局部 母材熔点 不严格 钎焊 局部、整体 高于钎料温度 严格 不严格 金属、非金属 弱 轻 取决钎料强度
5
装配 精确 不严格 可焊材料 金属、非金属 金属 裂纹倾向 无 强 变形 轻 强 接头强度 接近母材 接近母材
b) 中间层材料应满足条件
容易塑性变形; 含有加速扩散或降低中间层熔点的元素，如硼、被、 硅等; 物理化学性能与母材差异较被焊材料乊间的差异小; 不与母材产生不良的冶金反应，如产生脆性相或不 希望有的共晶相; 不会在接头上引起电化学腐蚀问题。
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(3) 焊接工艺参数
a)温度
在一定的温度范围内，温度愈高，扩散过程愈快， 所获得的接头强度也高。加热温度受被焊工件和夹具的 高温强度、工件的相变、再结晶等冶金特性所限制，固 相扩散焊温度为0.6~0.8Tm(K)( Tm为母材熔点)。
在机械制造中应用更为广泛。利用钛合金 超塑性的成形扩散焊已得到成功的应用 日常生活中家用复合底锅(焊接后无需表面 处理)等等
20
钛合金中空结构
复合底锅
21
8、扩散焊接的应用实例
TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊工艺研究 (1)研究的意义
TiNi 形状记忆合金具有特殊的形状记忆效应和超弹性,及高 的比强度、 抗腐蚀、 抗磨损和良好的生物相容性等特点,广泛应 用于航空航天、 工业制造和医疗器械等领域。但是 TiNi 价格较 贵 ,在实际应用中将其与性能优异、 价格低廉的不锈钢连接起来 是降低材料成本 ,扩大其应用范围的重要途径。
第一阶段：变形和交界面形成
接触点
屈服和蠕变
塑性变形
压力持续
接触面积增
大，晶粒间连接。 第二阶段：晶界迁移和微孔的收
缩和消除
第三阶段：体积扩散，微孔消除 和界面消失
7
原子扩散基本规律
(1) 扩散系数
单位时间内经过一定平面的平均粒子数 D=D0exp(E/RT)
D—扩散系数；E—扩散激活能；R—气体常数；
实验采用搭接接头, 试样尺寸为 30mm ×10mm ×2mm , 搭接 长度为10mm。
(4)焊接工艺参数
实验在真空扩散炉中迚行。真空度为110 ×10 - 2～1. 0 ×10 3Pa , 焊接温度 ( T) 为 820～900 ℃, 保温时间(t)为 20～100min , 压力( P)为 0～011MPa。
D0—指数前系数；T—绝对温度
(2) 原子平均扩散距离
x=(2Dt)0.5 x—原子平均扩散距离； D—扩散系数；t—扩散时间
8
5、扩散焊设备
(1) 真空室
由耐高温材料围成的均匀加热区，以保持设定的温
度，真空室外壳需要冷却。
(2) 真空系统
由扩散泵和机械泵组成，扩散泵可达到1.33x10-2Pa
的真空度，加扩散泵后达1.33x10-5~1.33x10-4Pa。
(2)焊接难点
TiNi 和不锈钢的物理化学性质(如熔点、导热系数、热膨胀系 数、 晶体结构等)相差很大 ,采用常规连接方法时 ,接头易产生应 力集中而开裂 ,且结合界面易形成 TiFe , TiFe2 , TiC 等脆性金属 间化合物 ,严重影响接头的性能
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(3) 实验材料及方法
实验材料为Ti5012Ni4918 (质量分数/ %)和304不锈钢 , 采用 50μm 厚的 AgCu 金属箔作中间过渡层 ,其化学成分为 AgCu28 , 熔点为779 ℃, 室温的抗拉强度为 343MPa。
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(5) 实验结果分析
连接温度对接头强度的影响 t=60min , P = 0. 05MPa 时接 头的剪切强度随连接温度的变化 如右图所示。随着连接温度的升 高 ,接头剪切强度先增加后减小。
保温时间对接头强度的影响 T=860℃, P=0. 05MPa时,接头 的剪切强度随保温时间的变化如 图右所示。随焊接时间的延长,熔 化的液态中间层逐渐铺展到基体 金属的表面。同时 焊缝组织逐渐 均匀化 ,最终得到性能良好的焊 接接头。
239. 4MPa。
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16
d)保护气氛
焊接保护气氛纯度、流量、压力或真空度、漏气率 均会影响扩散焊接头质量。 常用保护气体是氢气，对有些材料也可用高纯氮、 氢或氮气。
在超塑成形扩散焊工艺中常用氩气氛保护钛板表面。在其他参
数相同的条件下，在真空中扩散焊比在常压保护氩气中所需的
扩散时间短。
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6、扩散焊接头质量检测与评价
连接压力对接头强度的影响
连接压力较温度和时间对接 头性能的影响相对较小。 当连接压力较小时,被焊材料 表面只有少量微观凸起发生物理 接触 ,且塑性变形小 ,提供的变形 能也很少 ,故焊合率较小 ,接头强 度不高。当压力增加到 0. 05MPa 时, 有效接触面积和变形能力增 加 , 中间层与母材间隙减小 , 界 面原子扩散加快 ,接头强度较高。 但当压力过大时 ,连接的过程中 可能挤出液态的中间层 ,减少了 界面原子的反应与扩散 ,接头强 度反而降低。
(6) 水冷系统
一般通过水循环系统迚行冷却，防止系统过热。
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5、扩散焊工艺
(1) 工件待焊表面的制备和清理
a) 表面机加工
目的是为了获得平整光洁的表面，保证焊接间隙 极小，微观上紧密接触点尽可能的多。
对普通金属零件可采用精车、精刨(铣)和磨削加
工，通常使粗糙度Ra≤3.2μm，Ra大小的确定还与材
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3、扩散焊的特点
(1) 接头质量好； (2) 零件变形小；
(3) 可一次焊接多个接头；
(4) 可焊接大断面接头； (5) 可焊接其它焊接方法难于焊接的材料和工件； 优点 (6) 与其他热加工、热处理工艺结合可获得较大的技 术经济效益 (7) 零件待焊表面的制备和装配要求较高； (8) 焊接热循环时间长，生产率低； 不足 (9) 设备一次性投资较大，焊件尺寸受到设备的限制 4 (10) 接头连接质量的无损检测手段尚不完善
料本身的硬度有关,对硬度较高的材料，Ra应更小，
对加有软中间层的固相扩散焊和液相扩散焊，以及热 等静压扩散焊粗糙度要求可放宽。
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b) 除油和表面浸蚀
通常用酒精、丙酮、 三氯乙烯或金属清洗剂除油。
有些场合还可采用超声清洗净化方法。
(2) 中间层的选择
a)中间层的作用
改善表面接触，降低对待焊表面制备质量的要求， 降低所需的焊接压力。Hale Waihona Puke Baidu改善扩散条件，加速扩散过程，从而降低焊接温度， 缩短焊接时间. 改善冶金反应，避免(或减少)形成脆性金属间化合 物和不希望有的共晶组织。 避免或减少因被焊材料乊间物理化学性能差异过大 所引起的词题，如热应力过大，出现扩散孔洞等. 12
第四章 扩散焊
1、原理
扩散焊是指在一定的温度和压力下，被连接 或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连 接表面的物理接触，然后结合层原子间经过一
表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形，
定时间的相互扩散，形成整体可靠连接的过程。
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2、扩散焊的分类
1）同种材料扩散焊 不加中间层的两同种金属直接接触的扩散焊。这种类型的扩
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b)压力
如压力过低，则表层塑性变形不足，表面形成物理接 触的过程迚行不彻底，界面上残留的孔洞过大且过多。 较高的压力可产生较大的表层塑性变形，还可使表层 再结晶温度降低，加速晶界迁移。
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c)保温扩散时间
扩散过程时间过短，导致焊缝中残留有许多孔洞，接 头强度达不到稳定的、与母材相等或相近的强度； 过长的高温高压持续时间，对接头质量不起仸何迚一 步提高的作用，反而会使母材晶粒长大。
4、扩散焊原理及扩散机制
在金属不熔化的情况下，要形成焊接接头就必须使两待焊表面 紧密接触，使乊距离达到(1~5)×10-6mm以内，在这种条件下，金 属原子间的引力才开始起作用，才可能形成金属键，获得有一定 强度的接头。实际上，金属表面无论经什么样的精密加工，在徽 观上总还是起伏不平的。
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扩散焊过程
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7、扩散焊接的应用实例
扩散焊目前已实现560多组异种材料的焊接。 局部真空措施焊成的巨型工件长达50m ,重75t； 有用533个零件焊成的一个巨大的轰炸机部件。
在宇宙飞船构件的制造中,焊接了发动机的 喷管、蜂窝壁板； 飞机制造中的反推力装置、蒙皮、起落架、 钛合金空心叶片、轮盘、桨毂；
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在化工设备制造中，制成了高3m、直径 1.8m的部件； 在原子能设备制造中，制成水冷反应堆燃 料元件； 在冶金工业中生产了复合板；
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3）加中间层扩散焊
当用上述两种方法难以焊接或效果较差时，可在被焊材料乊 间加入一层金属或合金(称为中间层)，这样就可以焊接很多难焊 的或冶金上不相容的异种材料，可以焊接熔点很高的同种材料。
4）固相扩散焊
焊接过程中母材和中间层均不发生熔化或产生液相的扩散焊 方法。
5） 液相扩散焊
指在扩散焊过程中接缝区短时出现微量液相的扩散焊方法。 有助于改善扩散表面接触情况，允许使用较低的扩散焊压力。
(3) 加热系统
由感应线圈和高频电源组成，按加热方式可分为： 感应加热、辐射加热和接触加热。
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(4) 加压系统
扩散焊所施加的压力较小，压强可在1~100MPa范 围内变化，当材料的高温变形抗力较大，或表面粗糙、
扩散焊接温度较低时，需提高压力。
(5) 测量与控制系统
包括温度、压力、真空度及时间的控制和测量。
(1) 接头存在的主要缺陷
未熔合、未焊透、裂纹、变形等
(2) 检测方法
采用着色、荧粉或磁粉探伤检测表面缺陷
采用真空、压缩空气及煤油实验检查气密性 采用超声波、X射线探伤检测接头的内部缺陷
目前超声波成像无损检测在扩散焊接头检测方面 取得了初步的成果，有待于进一步研究，为扩散焊应 用于航空航天等国防工业提供质量保证。
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(6) 结 论
(a)研究了工艺参数对 TiNi 与304不锈钢 异种材料扩 散焊接头强度的影响规律。随着连接温度的升高 , 接头的剪切强度先升高而后降低。保温时间和压 力所引起的接头剪切强度的变化呈相同的趋势。 (b) TiNi 和304 不锈钢扩散焊最佳工艺参数为:T=860 ℃, t =60min, P=0. 05MPa , 接头剪切最高强度为
散焊，一般要求待焊表面制备质量较高，焊接时要求施加较大的 压力，焊后接头的成分、组织与母材基本一致。
2）异种材料扩散焊
异种金属或金属与陶瓷、石墨等非会属的扩散焊。(存在问题)
a.膨胀系数不同——结合面上出现热应力； b.冶金反应——低熔点共晶组织或脆性金属间化合物； c.扩散系数不同——形成扩散孔洞； d.电化学性能不同——出现电化学腐蚀。
扩散焊与熔焊、钎焊方法的比较
工艺条件 加热 温度 表面准备 扩散焊 局部、整体 0.5~0.8Tm 严格 熔焊 局部 母材熔点 不严格 钎焊 局部、整体 高于钎料温度 严格 不严格 金属、非金属 弱 轻 取决钎料强度
5
装配 精确 不严格 可焊材料 金属、非金属 金属 裂纹倾向 无 强 变形 轻 强 接头强度 接近母材 接近母材
b) 中间层材料应满足条件
容易塑性变形; 含有加速扩散或降低中间层熔点的元素，如硼、被、 硅等; 物理化学性能与母材差异较被焊材料乊间的差异小; 不与母材产生不良的冶金反应，如产生脆性相或不 希望有的共晶相; 不会在接头上引起电化学腐蚀问题。
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(3) 焊接工艺参数
a)温度
在一定的温度范围内，温度愈高，扩散过程愈快， 所获得的接头强度也高。加热温度受被焊工件和夹具的 高温强度、工件的相变、再结晶等冶金特性所限制，固 相扩散焊温度为0.6~0.8Tm(K)( Tm为母材熔点)。
在机械制造中应用更为广泛。利用钛合金 超塑性的成形扩散焊已得到成功的应用 日常生活中家用复合底锅(焊接后无需表面 处理)等等
20
钛合金中空结构
复合底锅
21
8、扩散焊接的应用实例
TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊工艺研究 (1)研究的意义
TiNi 形状记忆合金具有特殊的形状记忆效应和超弹性,及高 的比强度、 抗腐蚀、 抗磨损和良好的生物相容性等特点,广泛应 用于航空航天、 工业制造和医疗器械等领域。但是 TiNi 价格较 贵 ,在实际应用中将其与性能优异、 价格低廉的不锈钢连接起来 是降低材料成本 ,扩大其应用范围的重要途径。
第一阶段：变形和交界面形成
接触点
屈服和蠕变
塑性变形
压力持续
接触面积增
大，晶粒间连接。 第二阶段：晶界迁移和微孔的收
缩和消除
第三阶段：体积扩散，微孔消除 和界面消失
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原子扩散基本规律
(1) 扩散系数
单位时间内经过一定平面的平均粒子数 D=D0exp(E/RT)
D—扩散系数；E—扩散激活能；R—气体常数；
实验采用搭接接头, 试样尺寸为 30mm ×10mm ×2mm , 搭接 长度为10mm。
(4)焊接工艺参数
实验在真空扩散炉中迚行。真空度为110 ×10 - 2～1. 0 ×10 3Pa , 焊接温度 ( T) 为 820～900 ℃, 保温时间(t)为 20～100min , 压力( P)为 0～011MPa。
D0—指数前系数；T—绝对温度
(2) 原子平均扩散距离
x=(2Dt)0.5 x—原子平均扩散距离； D—扩散系数；t—扩散时间
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5、扩散焊设备
(1) 真空室
由耐高温材料围成的均匀加热区，以保持设定的温
度，真空室外壳需要冷却。
(2) 真空系统
由扩散泵和机械泵组成，扩散泵可达到1.33x10-2Pa
的真空度，加扩散泵后达1.33x10-5~1.33x10-4Pa。
(2)焊接难点
TiNi 和不锈钢的物理化学性质(如熔点、导热系数、热膨胀系 数、 晶体结构等)相差很大 ,采用常规连接方法时 ,接头易产生应 力集中而开裂 ,且结合界面易形成 TiFe , TiFe2 , TiC 等脆性金属 间化合物 ,严重影响接头的性能
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(3) 实验材料及方法
实验材料为Ti5012Ni4918 (质量分数/ %)和304不锈钢 , 采用 50μm 厚的 AgCu 金属箔作中间过渡层 ,其化学成分为 AgCu28 , 熔点为779 ℃, 室温的抗拉强度为 343MPa。
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(5) 实验结果分析
连接温度对接头强度的影响 t=60min , P = 0. 05MPa 时接 头的剪切强度随连接温度的变化 如右图所示。随着连接温度的升 高 ,接头剪切强度先增加后减小。
保温时间对接头强度的影响 T=860℃, P=0. 05MPa时,接头 的剪切强度随保温时间的变化如 图右所示。随焊接时间的延长,熔 化的液态中间层逐渐铺展到基体 金属的表面。同时 焊缝组织逐渐 均匀化 ,最终得到性能良好的焊 接接头。
239. 4MPa。
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d)保护气氛
焊接保护气氛纯度、流量、压力或真空度、漏气率 均会影响扩散焊接头质量。 常用保护气体是氢气，对有些材料也可用高纯氮、 氢或氮气。
在超塑成形扩散焊工艺中常用氩气氛保护钛板表面。在其他参
数相同的条件下，在真空中扩散焊比在常压保护氩气中所需的
扩散时间短。
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6、扩散焊接头质量检测与评价