扩散焊技术

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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
（2）热轧扩散焊 将构件在真空 环境下加热至一定 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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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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• 熔化的B 或 AB 的界面产物可以和陶瓷连接。
B A B
• A 是高熔点元素且线膨胀系数和复合材料相似。
• 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
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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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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。
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扩散焊
可焊材料种类：
(1)同种材料：碳钢、不锈钢、钛合金、镍合金、铝合金、金属件化合 物、 C/C、陶瓷基、金属基等复合材料。。。。。 (2)异种材料： 注意：界面是否会形成金属间化合物；界面两侧金属扩散速度差异是 否大；两种材料的热膨胀系数差异是否大。 钢（铜/镍）/铝；钢（铜/镍）/钼；钢/铜；钢/铸铁 铜/铝；铜/钛、镍、钼 钛（渗铝）/铝； 陶瓷/金属
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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臵内 → 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。
压力
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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（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
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扩散焊
应用例子：
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；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；利用 钛合金超塑性的成形扩散焊已得到成功的应用。铝合金与不 锈钢的焊接，钛合金与95%氧化铝陶瓷的封接，无氧铜，镀 镍可伐及蒙乃尔合金与95%氧化铝陶瓷和99.5%氧化铝的封 接。实验证明该方法可得到气密的连接件。
典型焊接构件
不锈钢/钼
不锈钢/钛合金
不锈钢/铜合金 铝 /钢 。。。。。
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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。
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。
（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， 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。
环境条件对 Si3N4/Al/Si3N4 接头抗 弯强度的影响
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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典型焊接构件
铝－铜 铝－不锈钢
铝－钛
钛－不锈钢
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扩散焊
中间层
衍生技术：
（1）过渡液相扩散连接
母材 零阶段：加热下相互扩散
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扩散焊的应用
Al2O3/Cu/Al
连接时间对接头强度的影响
连接温度对接头强度的影响
T=773K
T=1226s
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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
SiC/Ti 反应层厚度与温度及时间的关系
x (2Dt) 0.5
3）连接压力
SiC-Nb 界面反应层厚度与时间的关系
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4）表面加工状态
Si3N4-Al 表面粗糙度对接头弯曲强度的影响
5）连接气氛
(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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扩散焊
焊接设备：
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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钛合金与不锈钢的相变超塑性扩散焊工艺
虽然奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9Ti在焊接温度范围 内不发生相变，但是近α钛合金 TA17的 β 相变点 为888℃, 有可能实现 TA17和 0C r18N i 9T i的相 变超塑性扩散焊。 请参考： 焊接学报，2006，27（1）：41-44，48