扩散焊
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(6) 水冷系统
一般通过水循环系统进行冷却，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。
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进行。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。
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。
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；
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
A
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钛合金中空结构
复合底锅
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8、扩散焊接的应用实例
(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
A
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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。
(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； (9) 设备一次性投资较大，焊件尺寸受到设备的限制不足
(10) 接头连接质量的无损检A测手段尚不完善
4
扩散焊与熔焊、钎焊方法的比较
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之间的差异小; ➢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)。
(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。
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。
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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，可在被焊材料之 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。
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扩散焊过程
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； D0—指数前系数；T—绝对温度
(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。
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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。
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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。
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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
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 表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形， 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 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。
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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。
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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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(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。
工艺条件 扩散焊 加热 局部、整体
熔焊 局部
钎焊 局部、整体
温度
0.5~0.8Tm 母材熔点 高于钎料温度
表面准备
严格
不严格
严格
装配 可焊材料 裂纹倾向
变形 接头强度
精确 金属、非金属
无 轻 接近母材
不严格 金属 强 强
接近母材
不严格 金属、非金属
弱 轻 取决钎料强度
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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，使之距离达到(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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b)压力
➢ 如压力过低，则表层塑性变形不足，表面形成物理接 触的过程进行不彻底，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，对接头质量不起任何进一 步提高的作用，反而会使母材晶粒长大表面浸蚀
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。 ➢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之间物理化学性能差异过大 所引起的词题，如热应力过A 大，出现扩散孔洞等. 12
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。
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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；
(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 239. 4MPa。
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一般通过水循环系统进行冷却，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。
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进行。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。
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。
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；
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
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钛合金中空结构
复合底锅
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8、扩散焊接的应用实例
(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。
(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； (9) 设备一次性投资较大，焊件尺寸受到设备的限制不足
(10) 接头连接质量的无损检A测手段尚不完善
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扩散焊与熔焊、钎焊方法的比较
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之间的差异小; ➢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)。
(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。
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。
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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，可在被焊材料之 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。
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扩散焊过程
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； D0—指数前系数；T—绝对温度
(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。
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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。
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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。
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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
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 表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形， 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 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。
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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。
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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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(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。
工艺条件 扩散焊 加热 局部、整体
熔焊 局部
钎焊 局部、整体
温度
0.5~0.8Tm 母材熔点 高于钎料温度
表面准备
严格
不严格
严格
装配 可焊材料 裂纹倾向
变形 接头强度
精确 金属、非金属
无 轻 接近母材
不严格 金属 强 强
接近母材
不严格 金属、非金属
弱 轻 取决钎料强度
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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，使之距离达到(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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b)压力
➢ 如压力过低，则表层塑性变形不足，表面形成物理接 触的过程进行不彻底，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，对接头质量不起任何进一 步提高的作用，反而会使母材晶粒长大表面浸蚀
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。 ➢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之间物理化学性能差异过大 所引起的词题，如热应力过A 大，出现扩散孔洞等. 12
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。
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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；
(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 239. 4MPa。
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