第六讲扩散焊专题

美国真空工业公司生产的Workhorse Ⅱ型真空扩散焊设备 主要性能指标如下表所示：
其整套设备采用了计算机控制，真空扩散焊过程 实现了全部自动运行，并可对个工艺参数获得相当 高的控制精度。可通过预先编制的程序控制整个焊 接过程，提高了焊接过程的精度和可靠性。
一、瞬间液相扩散焊接过程
也称接触反应钎焊或者扩散钎焊，若生成低熔点的共晶体，也 称为共晶反应钎焊。 其重要特征是夹在两待焊面间的夹层材料经 加热后，熔化形成一极薄的液相膜，它润湿并填充整个接头间隙， 随后在保温过程中通过液相和固相之间的扩散而逐渐凝固形成接头。 其具体过程也分为三个阶段：第一阶段是液相生成阶段，首先将中 间层材料夹在焊接表面之间，施加一定的压力，然后在无氧化条件 下加热，使母材与夹层之间发生相互扩散，形成小量的液相，填充 整个接头缝隙；第二阶段是等温凝固阶段，液-固之间进行充分扩 散，由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材中，母材内某些 元素向液相中溶解，使液相熔点逐渐升高而凝固，形成接头。第三 阶段是均匀化阶段，可在等温凝固后继续保温扩散一次完成，也可 在冷却后另行加热完成获得接头
加压只是使接触面产生微观的局部变形。扩散焊所施
加的压力较小，压强可在1～100MPa范围内变化。
只有当材料的高温变形阻力变大，或加工表面较粗糙， 或扩散焊温度较低时，才采用较高的压力。加压系统 可分为液压系统、气压系统、机械系统、热膨胀加压 等。目前主要采用液压和机械加压系统。 （5）测量与控制系统
种方法的检验灵敏度波动范围较大，要根据具体情况 选用。
二、扩散焊接头常见缺陷及产生的主要原因：
6.5扩散焊设备
进行扩散焊时，必须保证连接面及连接金属不受空气 的影响，因此要在真空或惰性气体介质中进行。现在 采用最多的是真空扩散焊。真空扩散焊可以用高频、 辐射、接触电阻、电子束及辉光放电等方法，对焊件 进行局部或整体加热。
b) 第一阶段：变形和交界面的形成
c) 第二阶段：晶界迁移和微孔消除
d) 第三阶段：体积扩散，微孔消除
扩散焊机制
界面吸附与活化：物理吸附，接触，面积逐 渐增加，活化中心，局部化学反应，院子间 距离0.1-0.3mm时，化学结合，随时间延长， 整个结合面结合，形成结合层。 固体中的扩散机制：扩散速率
1-极化分子层 2-水吸附层 3-气体吸附层 4-氧化层 5-变形区 6-金属
在施加正常扩散压力时，实际接触面仅占全部表面 积的1%左右。其余表面之间的距离均大于原子引力 起作用的范围。实际表面上还存在着氧化膜、污物和 表面吸附层，都会影响接触点上金属原子之间形成金 属键。两母材在连接表面的晶体位向不同，不同材料 的晶体结构也不同，这也会影响到连接过程。
a) 从经济角度考虑，应选择较低的压力; b) 通常扩散焊采用的压力在0.5~50MPa之间。 c) 对于异种金属扩散焊，较大的压力对减小或防止扩散孔洞
有良好作用。 d) 由于压力对扩散焊的第二、三阶段影响较小，在固态扩散
焊时可在后期将压力减小，以便减小工件的变形。
3、保温时间：与温度、压力、中间扩散层厚度和对接成分及组织 均匀化的要求密切相关，也受材料表面状态和中间层材料的影响。 扩散层深度或反应层厚度与扩散时间的平方根成正比。扩散连接 接头强度与保温时间的关系x =如k t下图所示。也存在一个临界保温时 间，接头强度、塑性、延伸率和冲击韧性与保温时间的关系均是 先增大到一定程度后趋于稳定
有材料的扩散焊要求。真空度越高，越有利于被焊 材料表面杂质和氧化物的分解与蒸发，促进扩散焊 顺利进行。但真空度越高，抽真空的时间越长。按 真空度可分为低真空、中真空、高真空等。
（3）加热系统
按加热方式可以分为感应加热、辐射加热、接触加热 等。感应加热时，一般由感应线圈和高频电源组成。 根据不同的加热要求，辐射加热可选用钨、钼或石墨 做加热体，经过高温辐射对焊件进行加热。 （4）加压系统 扩散焊过程一般都要施加一定的压力。在高温下材料 的屈服强度较低，为避免构建的整体变形，
固态扩散焊接过程三个阶段：
第一阶段为物理接触（接触变形）阶段，高温下微观不平的表
面，在外加压力作用下，总有一些点首先达到塑性变形，在持
续压力作用下，接触面积逐渐扩大而最终达到整个面的可靠接
触
；
第二阶段是接触表面的激活界面推移阶段，通过原子间的相互
扩散，形成牢固结合层，这个阶段一般要持续几分钟到几十分
第6讲 扩散焊专题

在一定的温度和压力下使待焊表面相互
接触，通过微观塑性变形或通过在待焊表面上
产生的微量液相而扩大待焊表面的物理接触，
然后经过较长时间的原子相互扩散来实现结合
的一种焊接方法.
影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度、压力、扩散时 间和表面粗糙度。焊接温度越高，原子扩散越快，焊接温度一般 为材料熔点的0.6~0.8倍。根据材料类型和对接头质量的要求， 扩散焊可在真空、保护气体或溶剂下进行，
扩散连接时间不宜过长，特别 是异种金属连接形成脆性金属 间化合物或扩散孔洞时，须避 免时间超过临界连接时间。实 际保温时间从几分钟到几个小 时，甚至长达几十小时。从提 高生产率看，保温时间越短越 好，此时需提高温度和压力
x=k t
4、材料表面处理：连接表面 的清洁度和平整度是影响扩散 连接接头质量的重要因素。常 用表面处理手段如下：①除油 是扩散连接前的通用工序（酒 精、丙酮、三氯乙烯）；②机 械加工、磨削、研磨和抛光 （平直度和光滑度、使材料表 面产生塑性变形，导致材料再 结晶温度降低）；③采用化学 腐蚀或酸洗，清除材料表面的 非金属膜（最常见是氧化膜）； ④有时也可用真空烘烤以获得 洁净的表面（取决于材 料及其表面膜的性质）
钟；
第三阶段是界面和孔洞消失，形成可靠接头阶段在接触部位形
成的结合层向体积方向发展，扩大牢固连接面消除界面孔洞，
形成可靠连接
三过程相互交叉进行，连接过程中可生成固溶体及共晶体，有 时形成金属间化合物，通过扩散、再结晶等过程形成 固态冶金结合，达到可靠连接
图 扩散焊的三阶段模型
a) 凹凸不平的初始接触
回顾上节 内 容
扩散焊特点 扩散焊分类 扩散连接原理及机制 扩散焊工艺 扩散焊设备 其他扩散焊方法
扩散焊的特点
与常用压力焊的相同点：不同点。
扩散焊与熔焊、钎焊方法的比较
优缺点
扩散焊的分类
单晶硅和单晶硅扩散焊
不锈钢板和网
碳碳和铌合金
铝合金分层制造
扩散焊波纹管
扩散焊连轴
扩散焊原理及机制
原理
总之：选择连接温度时，在尽可能短的时间内、尽可能小的压力 下达到良好的冶金结合，而又不损害母材的性能
2、压力：对给定时间-温度来说，提高压力必然获得好的连接， 但加压时必须保证不引起宏观塑性变形。压力越大，温度越高， 紧密接触的面积越大。但不管压力多大，连接表面都会存在界 面孔洞。压力的另一个重要作用就是在连接某些异种金属材料 时，防止扩散孔洞的产生。
kerkendal效应：由于扩散系数不同，界面 两侧物质流不同，导致接触界面的移动，向 低熔点一侧运动，有时出现非均匀运动，导 致出现空洞
化学反应
化合反应：形成单物质，例如：Cu+Al，随化合物 的生成，反应速度逐渐增加，化合物层宽度增大， 当达到一定程度时，继续增加扩散焊时间，化合物 不再形成。
一般中间层材料是比母材金属低合金化的改性材料，以纯金属应 用最多。研究表明，用Cu、Ni等软金属或合金扩散连接各种高温 合金时，接头的性能取决于中间层的相对厚度（中间层厚度与试 件直径之比）。中间层厚度相对小时，变形阻力大，表面物理接 触不良，接头性能差。只有中间层厚度为某一最佳值时，才可得 到理想的接头性能。中间层材料和中间层相对厚度对高温合金接 头的高温性能也有影响）
工业中常应用的扩散焊设备，主要采用辐射和感应加 热的方法。
采用辐射加热法的真空扩散焊设备结构示意图：
实物图：
采用感应加热法的真空扩散焊结构示意图：
实物图：
设备主要组成部分：
扩散焊设备主要由带有真空系统的真空室、对零件 的加热源、对焊件的加压系统、对温度和真空度的 检测系统以及控制装置组成。
注意：选择温度时必须同时考虑到时间和压力，三者之间具有连 续的相互依赖关系。①一般T升高使强度提高，增加压力和延长时 间也可提高接头强度（如下图）。②连接温度选择还要考虑到母 材成分、表面状态、中间层材料以及相变等因素
通常，TL≈（0.6~0.8）Tm（Tm为母材金属的熔点，异种材料连接 时为熔点较低母材的熔点），该温度范围与金属的再结晶温度基 本一致，故扩散连接也可称为再结晶连接。一些金属材料的连接 温度与熔化温度的关系及不同接头组合的最佳连接温度见表5-1
置换反应：活泼元素置换非活泼元素，如AlMg+SiO2，形成新相硅。
扩散焊专题之二
扩散焊工艺
工艺参数 主要包括温度、压力、时间、真空度以及焊件表面处理和中
间层材料的选择等，这些因素对扩散连接过程和接头质量有着极 其重要的影响。
1、温度：①对连接初期表面凸出部位塑性变形、扩散系数、表面 氧化物向母材内溶解及界面孔洞的消失过程等均产生影响；②也 决定了母材的相变、析出以及再结晶过程，从而直接或间接影响 到扩散连接过程及接头质量。温度越高，扩散系数越大；连接表 面达到紧密接触所需压力越小。但温度提高受到被焊材料冶金物 理特性方面的限制；提高加热温度还会造成母材软化及硬化
5、中间层： 目的：促进扩散焊过程的进行，降低扩散焊连接温度、时间、压 力，提高接头性能。 适用范围：原子结构差别很大的异种材料。 中间层材料可采用箔、粉末、镀层、蒸镀膜、离子溅射和喷涂层 等形式。通常中间层厚度不超过100µm，且应尽可能使用小于 10µm。但为了抑制脆性金属间化合物生成，有时故意加大中间层 厚度使其以层状残留在连接界面，起隔离层作用
（1）真空室： 真空室越大，要达到和保持一定的真空度，对所需真 空系统要求越高。真空室中应有由耐高温材料围成 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
一般由扩散泵和机械泵组成。机械泵只能达到 1.33×10-2 Pa的真空度，加扩散泵后可以达到
1.33×10-4 ～1.33×10-5 Pa的真空度，可以满足所
图6-1 瞬间液相扩散焊接过程示意图 a）扩散前准备好的组合件 b）加热到焊接温度 c)在焊接温度下扩散使接 头等温凝固 d）等温凝固完成，继续均匀化 e)完全均匀化的焊缝
3.实例-----镍合金的扩散焊
中间层材料选择原则
1) 容易塑性变形； 2) 含有加速扩散的元素，如硼、铍、硅等； 3) 物理化学性能与母材差异较被焊材料之 间的差异小； 4) 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； 5) 不会在接头上引起电化学腐蚀问题。
6.阻焊剂
作用：扩散焊时，防止压头与焊件之间某些区域被扩散焊 粘结在一起。
阻焊剂一般为片状或粉状。 性能： 1）有高于焊接温度的熔点或软化点。
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）不释放出有害气体污染附近的待焊表面，不破坏保护 气氛或真空度。
2缺陷及检验 一、扩散焊接头的质量检验。 ①采用着色、荧粉或磁粉探伤来检验表面缺陷。 ②采用真空、压缩空气以及煤油实验等来检查气密性。 ③采用超声波、x光射线探伤等检查接头的内部缺陷 Ø 由于焊接接头结构、工件材料、技术要求不同，每一
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，达到相互原子间的引力作用范围[ (1～
5)×10ˉ8 cm]以内，这样才可能形成金属键，获得具有一 定强度的接头。一般金属通过精密加工后，其表面轮廓算
数平均偏差为（0.8～1.6）×10ˉ4 cm 。
金属真实表面的示意图
金属表面吸附层组成示意图
现在应用的扩散焊机都具有对温度、压力、真空度及 时间的控制系统。根据选用的热电偶不同，可实现对
温度从20～2300℃的测量与控制，温控的精度可在 ±（5～10）℃。压力的测量与控制一般是通过压力
传感器进行的。 （6）水冷系统
一般通过水循环系统进行冷却。扩散焊设备启动前， 首先应接通水冷循环。
列举了几种真空扩散焊设备的主要技术参数：