1、第二章第二章 扩散焊扩散焊与其他焊接方法相比较，扩散焊接方法具有以下一些优点：(1)接头质量好(2)零部件变形小(3)可一次焊接多个接头 因而扩散焊可作为部件的最后组装连接工艺。(4)可焊接大断面接头(5)可焊接其他焊接方法难于焊接的材料(6)与其他热加工、热处理工艺结合可获得较大的经济效益1扩散焊缺点u扩散焊缺点扩散焊缺点u(1)(1)对零件待焊表面的制备和装配的要求较高对零件待焊表面的制备和装配的要求较高u(2)(2)焊接热循环时间长，生产率低。在某些情况下会焊接热循环时间长，生产率低。在某些情况下会产生一些副作用，例如母材晶粒可能过度长大产生一些副作用，例如母材晶粒可能过度长大u(3)(
2、3)设备一次性投资较大，而且焊接工件时尺寸受到设备一次性投资较大，而且焊接工件时尺寸受到设备的限制设备的限制u(4)(4)对焊缝的焊合质量尚无可靠的无损检测手段对焊缝的焊合质量尚无可靠的无损检测手段2第一节第一节 扩散焊原理扩散焊原理u图图2-1 2-1 金属真实表面的示意图金属真实表面的示意图图2-2 金属表面吸附层组成示意图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3一、同种金属扩散焊模型一、同种金属扩散焊模型图2-3 扩散焊的三阶段模型a)凹凸不平的初始接触 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
3、消除4影响其扩散过程和程度的主要工艺因素 u(1)(1)温度温度 影响扩散焊进程的主要因素是原子的扩散，而影响原子扩散的主要因影响扩散焊进程的主要因素是原子的扩散，而影响原子扩散的主要因素是浓度梯度和温度。动力学理论对温度在扩散焊中的影响提供了定量的解释，素是浓度梯度和温度。动力学理论对温度在扩散焊中的影响提供了定量的解释，即：即：D=DD=D0 0e e-Q/kT-Q/kT式中：式中：D D在在T T温度下的扩散系数温度下的扩散系数 D D0 0比例常数比例常数 e e自然对数的底自然对数的底u Q Q扩散激活能扩散激活能 k k波尔兹曼常数波尔兹曼常数 T T绝对温度绝对温度 u这个公式表
4、明，升高温度对提高原子扩散速度有极大作用，所以扩散焊一般都在这个公式表明，升高温度对提高原子扩散速度有极大作用，所以扩散焊一般都在高于高于1/21/2金属的熔化温度下进行金属的熔化温度下进行u(2)(2)压力压力 压力主要影响扩散焊第一阶段的进行。如压力过低，则表层塑性变形压力主要影响扩散焊第一阶段的进行。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。较高的扩散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，加速晶高的扩散压力可产生较大的表层塑性变形，还可使表层再结晶温
5、度降低，加速晶界迁移界迁移u(3)(3)时间时间 扩散焊三个阶段的进行均需要较长的时间。如扩散时间过短，严重时扩散焊三个阶段的进行均需要较长的时间。如扩散时间过短，严重时会导致焊缝中残留有许多孔洞，影响接头性能。会导致焊缝中残留有许多孔洞，影响接头性能。5二、瞬间液相扩散焊过程二、瞬间液相扩散焊过程 图图2-4 2-4 瞬间液相扩散焊接过程示意图瞬间液相扩散焊接过程示意图a）扩散前准备好的组合件）扩散前准备好的组合件 b）加热到焊接温度）加热到焊接温度 c)在焊接温度下扩散使在焊接温度下扩散使接头等温凝固接头等温凝固 d）等温凝固完成，继续均匀化）等温凝固完成，继续均匀化 e)完全均匀化的焊缝
6、完全均匀化的焊缝6三、其它扩散焊问题 u对子异种材料（包括非金属材料，如陶瓷、石对子异种材料（包括非金属材料，如陶瓷、石墨等）的扩散焊和虽有中间层，但中闻层不熔墨等）的扩散焊和虽有中间层，但中闻层不熔化的扩散焊化的扩散焊 u在异种金属在异种金属A与与B扩散焊扩散焊 7第二节第二节 扩散焊种类扩散焊种类u一、同种材料扩散焊u同种材料扩散焊通常指不加中间层的两同种金属直接接触的扩散焊。对这种类型的扩散焊，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。氧溶解度大的金属如钛、铜、铁、锆、钽等最易焊接，铝及其合金，含铝、铬、钛的铁基及钴基合金则因容易形成氧化
7、物而难于焊接。8二、异种材料扩散焊二、异种材料扩散焊u异种材料扩散焊是指异种金属或金属与陶瓷，异种材料扩散焊是指异种金属或金属与陶瓷，石墨等非金属的扩散焊。进行这种类型的扩散石墨等非金属的扩散焊。进行这种类型的扩散焊时，可能出现下列现象：焊时，可能出现下列现象：u1由于膨胀系数不同而在结合面上出现热应力。由于膨胀系数不同而在结合面上出现热应力。u2在结合面上由于冶金反应而产生低熔点共晶在结合面上由于冶金反应而产生低熔点共晶组织或者形成脆性金属间化合物。组织或者形成脆性金属间化合物。u3由于扩散系数不同而在接头中形成扩散孔洞。由于扩散系数不同而在接头中形成扩散孔洞。u4由于两种金属的电化学性能不
8、同，接头易出由于两种金属的电化学性能不同，接头易出现电化学腐蚀现电化学腐蚀 9三、加中间层扩散焊（扩散钎焊）三、加中间层扩散焊（扩散钎焊）u当用上述两种方法难以焊接或效果较差时，可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（称为中在被焊材料之间加入一层金属或合金（称为中间层或扩散剂），这样就可以焊接很多难焊的间层或扩散剂），这样就可以焊接很多难焊的或冶金上不相容的异种材料。在焊接过程中，或冶金上不相容的异种材料。在焊接过程中，中间层经过充分扩散后，其成分逐渐接近母材中间层经过充分扩散后，其成分逐渐接近母材冷却后在金相照片中不存在单独的一层。如冷却后在金相照片中不存
9、在单独的一层。如中间层选用熔点低于焊接温度的材料，则焊接中间层选用熔点低于焊接温度的材料，则焊接时中间层熔化为液相而起作用在这种情况下时中间层熔化为液相而起作用在这种情况下的扩散焊有人称它为，扩散钎焊。的扩散焊有人称它为，扩散钎焊。10 四、共晶反应扩散焊四、共晶反应扩散焊u共晶反应扩散焊是利用在某一温度下，待焊异共晶反应扩散焊是利用在某一温度下，待焊异种金属之间会形成低熔点共晶的特点来加速扩种金属之间会形成低熔点共晶的特点来加速扩散焊接过程的一种扩散焊。焊接时选用略高于散焊接过程的一种扩散焊。焊接时选用略高于共晶点的焊接温度，利用焊接过程中产生的微共晶点的焊接温度，利用焊接过程中产生的微量共
10、晶液相，填充界面之间的空隙，以缩短焊量共晶液相，填充界面之间的空隙，以缩短焊接过程。不过，一旦液相形成之后应立即降温，接过程。不过，一旦液相形成之后应立即降温，使之凝固以免继续生成过量的液相。降温后使之凝固以免继续生成过量的液相。降温后再使之经过充分的高温扩散处理，消除铸态组再使之经过充分的高温扩散处理，消除铸态组织。由于共晶反应扩散焊要求对温度控制较严，织。由于共晶反应扩散焊要求对温度控制较严，因而实际上较少采用。因而实际上较少采用。11五、瞬间液相扩散焊（简称五、瞬间液相扩散焊（简称TLP法）法）u随着扩散焊工艺的发展，当将共晶反应扩散焊原随着扩散焊工艺的发展，当将共晶反应扩散焊原理应用于
11、加中间层扩散焊时，出现了瞬间液相扩理应用于加中间层扩散焊时，出现了瞬间液相扩散焊，它可降低待焊表面制备的质量要求，减少散焊，它可降低待焊表面制备的质量要求，减少焊接时间，提高接头质量的稳定性。它常在待焊焊接时间，提高接头质量的稳定性。它常在待焊的表面间加一层有利于扩散的中间材料，焊接时，的表面间加一层有利于扩散的中间材料，焊接时，很薄的中间层在加热过程中与母材发生共晶反应，很薄的中间层在加热过程中与母材发生共晶反应，形成极薄的液相膜此液膜填充整个接头间隙后，形成极薄的液相膜此液膜填充整个接头间隙后，再使之等温凝固并进行均匀化扩散处理，从而获再使之等温凝固并进行均匀化扩散处理，从而获得成分和组织
12、在接头纵断面上较为均匀的接头。得成分和组织在接头纵断面上较为均匀的接头。12瞬间液相扩散焊过程 l图图2-4 瞬间液相扩散焊接过程示意图瞬间液相扩散焊接过程示意图ua）扩散前准备好的组合件）扩散前准备好的组合件 b）加热到焊接温度）加热到焊接温度 c)在焊接温度下扩散使接头等温凝固在焊接温度下扩散使接头等温凝固 d）等温凝固完）等温凝固完成，继续均匀化成，继续均匀化 e)完全均匀化的焊缝完全均匀化的焊缝 13六、热等静压扩散焊六、热等静压扩散焊u这种扩散焊是利用高压（例如这种扩散焊是利用高压（例如70MPa)气气体对工件进行各向均匀加压。它与机械式体对工件进行各向均匀加压。它与机械式加压比较，
13、有加压均匀，不易损坏构件的加压比较，有加压均匀，不易损坏构件的优点，因而特别适合于脆性材料的扩散焊。优点，因而特别适合于脆性材料的扩散焊。由于设备特殊（常用制造粉末冶金的热等由于设备特殊（常用制造粉末冶金的热等静压设备），目前未能披广泛采用。静压设备），目前未能披广泛采用。14七、超塑成型七、超塑成型扩散焊扩散焊（简称（简称SPF-DB)u对于在高温下具有超塑性的金属材料，例如对于在高温下具有超塑性的金属材料，例如TC4钛合金，可以在高温下用较低的压力同时钛合金，可以在高温下用较低的压力同时实现成形和焊接。采用此种组合工艺的条件之实现成形和焊接。采用此种组合工艺的条件之一是材料的超塑性成形温度
14、与扩散焊接温度相一是材料的超塑性成形温度与扩散焊接温度相近。该工艺方法的特点是扩散焊在低真空下完近。该工艺方法的特点是扩散焊在低真空下完成，扩散焊压力为气体压力以保证对板材加压成，扩散焊压力为气体压力以保证对板材加压均匀。均匀。15第三节第三节 扩散焊工艺扩散焊工艺u为获得优质的扩散焊接头，除根据所焊部件的为获得优质的扩散焊接头，除根据所焊部件的材料、形状和尺寸等选择合适的扩散焊方法和材料、形状和尺寸等选择合适的扩散焊方法和设备外，精心制备待焊零件，选取合适的焊接设备外，精心制备待焊零件，选取合适的焊接条件并在焊接过程中控制主要工艺参数是极其条件并在焊接过程中控制主要工艺参数是极其重要的。另外
15、，从冶金因素考虑仔细选择合适重要的。另外，从冶金因素考虑仔细选择合适韵中间层和其他辅助材料也是十分重要的。焊韵中间层和其他辅助材料也是十分重要的。焊接的加热温度、对工件施加的压力以及扩散的接的加热温度、对工件施加的压力以及扩散的时间是主要的工艺参数时间是主要的工艺参数 16一、工件待焊表面的制备和清理一、工件待焊表面的制备和清理u1表面机加工表面机加工u2除油污和表面侵蚀除油污和表面侵蚀17二、中间层材料的选择二、中间层材料的选择u中间层的作用是：中间层的作用是：u1)改善表面接触，从而降低对待焊表面制备质量的要求，改善表面接触，从而降低对待焊表面制备质量的要求，降低所需的焊接压力。降低所需的
16、焊接压力。u2)改善扩散条件，加速扩散过程，从而可降低焊接温度，改善扩散条件，加速扩散过程，从而可降低焊接温度，缩短焊接时间。缩短焊接时间。u3)改善冶金反应，避免（或减少）形成脆性金属间化合改善冶金反应，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。物和不希望有的共晶组织。u4)避免或减少因被焊材料之间物理化学性能差异过大所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问题，如热应力过大，出现扩散孔洞等。引起的问题，如热应力过大，出现扩散孔洞等。18因此所选择的中间层材料应是u1)容易塑性变形；容易塑性变形；u2)含有加速扩散的元素，如硼、铍、硅含有加速扩散的元素，如硼、铍、
17、硅等；等；u3)物理化学性能与母材差异较被焊材料物理化学性能与母材差异较被焊材料之间的差异小；之间的差异小；u4)不与母材产生不良的冶金反应，如产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；生脆性相或不希望有的共晶相；u5)不会在接头上引起电化学腐蚀问题不会在接头上引起电化学腐蚀问题。19三、止焊剂三、止焊剂u扩散焊中为了防止压头与工件或工件之间某些待扩散焊中为了防止压头与工件或工件之间某些待定区域被扩散粘结在一起，需加止焊材料（片状定区域被扩散粘结在一起，需加止焊材料（片状或粉状），这种辅助材料应具有以下性能：或粉状），这种辅助材料应具有以下性能：u1)高于焊接温度的熔点或软
18、化点高于焊接温度的熔点或软化点;u2)有较好的高温化学稳定性，高温下不与工件、有较好的高温化学稳定性，高温下不与工件、夹具或压头起化学反应；夹具或压头起化学反应；u3)应不释放出有害气体污染附近待焊表面，不应不释放出有害气体污染附近待焊表面，不破坏保护气氛或真空度。破坏保护气氛或真空度。20四、焊接工艺参数四、焊接工艺参数u1温度温度u对许多金属和合金，扩散焊温度为对许多金属和合金，扩散焊温度为0.60.8Tm(K)(Tm为母材熔点），对出为母材熔点），对出现液相的扩散焊，加热温度比中间层材现液相的扩散焊，加热温度比中间层材料熔点或共晶反应温度稍高一些。液相料熔点或共晶反应温度稍高一些。液相填
19、充间隙后的等温凝固和均匀化扩散温填充间隙后的等温凝固和均匀化扩散温度可略为下降。度可略为下降。21u2压力压力图25 焊接接头强度与压力的关系(保温时间5min)1T=800 2T=900 3T=1000 4T=1100 223扩散时间u扩散时间是指被焊工件在焊接温度下保扩散时间是指被焊工件在焊接温度下保持的时间持的时间 u实际焊接过程中，焊接时间可在一个非实际焊接过程中，焊接时间可在一个非常宽的范围内变化。采用某种工艺参数常宽的范围内变化。采用某种工艺参数时，焊接时间有数分钟即足够而用另一时，焊接时间有数分钟即足够而用另一种工艺参数时则需数小时。种工艺参数时则需数小时。23图26 真空扩散焊
20、接头强度与保温时间的关系(压力2oMpa，结构钢)244保护气氛u焊接保护气氛纯度、流量、压力或真空焊接保护气氛纯度、流量、压力或真空度、漏气率均会影响扩散焊接头质量度、漏气率均会影响扩散焊接头质量常用保护气体是氩气，常用真空度为常用保护气体是氩气，常用真空度为(1020)X 10-3Pa 25第四节第四节 扩散焊设备扩散焊设备一、真空扩散焊机一、真空扩散焊机 图2-7 真空扩散焊机结构示意图1-真空室 2-被焊零件 3-高频加热线圈 4-真空抽气系统 5-高频电源 6-加压系统26二、超塑成型二、超塑成型扩散焊设备扩散焊设备u1由普通液压机与专门设计的加热平台构成由普通液压机与专门设计的加热
21、平台构成 1-陶瓷加热平合 2-真空抽气系统多 3-加热元件 4-不诱钢容器 5-底板 6-钛合金扩散焊零件 7-垫块272 压力机的平台置于加热炉内，其平台由耐高温的合金制成。为加速升温，平台内亦可安装加热元件 u1-下金属平台下金属平台u2-上金属平台上金属平台 u3-炉壳炉壳u4-导筒导筒 u5-立住立住 u6-油缸油缸 u7-上模具上模具 u8-下模具下模具 9-气管气管u10-活动炉底活动炉底28三、热等静压扩散焊设备三、热等静压扩散焊设备1-电热器电热器2-炉衬炉衬3-隔热层隔热层 4-电源引线电源引线5-惰性气体管道惰性气体管道6-安全阀组件安全阀组件7-真空管道真空管道8-冷却
22、管冷却管 9-热电耦热电耦29第五节第五节 扩散焊接头质量及检验扩散焊接头质量及检验u扩散焊工艺过程较易控制，重复性好。扩散焊工艺过程较易控制，重复性好。生产中主要靠控制工艺过程中各参数来生产中主要靠控制工艺过程中各参数来保证质量，同时采用随机抽样进行金相保证质量，同时采用随机抽样进行金相检查，并配以超声等无损检测手段，但检查，并配以超声等无损检测手段，但到目前为止，还无十分可靠的非破坏性到目前为止，还无十分可靠的非破坏性检测手段检测手段 30一、力学性能一、力学性能u正常的同种金属扩散焊接头的组织和性正常的同种金属扩散焊接头的组织和性能与基体材料相同。当扩散焊接头中存能与基体材料相同。当扩散
23、焊接头中存在未焊合或孔洞时，接头塑性性能指标在未焊合或孔洞时，接头塑性性能指标将明显下降，而抗拉强度在缺陷尺寸小，将明显下降，而抗拉强度在缺陷尺寸小，数量不多时，仍可能与母材相同。数量不多时，仍可能与母材相同。31二、缺陷二、缺陷u扩散焊接头缺陷主要是未焊合和孔洞扩散焊接头缺陷主要是未焊合和孔洞（界面孔洞和扩散孔洞）。界面孔洞缺（界面孔洞和扩散孔洞）。界面孔洞缺陷形式在表面制备清理不良，气氛中氧陷形式在表面制备清理不良，气氛中氧分压过高以及工艺参数选择不当时，会分压过高以及工艺参数选择不当时，会产生上述缺陷，尤其在焊接区边缘部分，产生上述缺陷，尤其在焊接区边缘部分，因压力较低，更易出现缺陷。因
24、压力较低，更易出现缺陷。32三、检测三、检测u常用切取金相试片方法来检查焊缝情况。根据常用切取金相试片方法来检查焊缝情况。根据液相检查的界面长度（液相检查的界面长度（L）与其中未焊合的线）与其中未焊合的线段长度（段长度（L未）来计算焊合率未）来计算焊合率（L-L未）未）/Lx loo%。目前，尚无可靠的无损检测方法来。目前，尚无可靠的无损检测方法来检查十分紧密接触，但晶粒生长未穿过界面的检查十分紧密接触，但晶粒生长未穿过界面的未焊合区域。生产和试验中也用高灵敏度的超未焊合区域。生产和试验中也用高灵敏度的超声扫描检测装置来检查，但只对明显分离的未声扫描检测装置来检查，但只对明显分离的未焊合和尺寸
25、较大的空洞有效。对某些产品也可焊合和尺寸较大的空洞有效。对某些产品也可采用真空检漏方法和气压气密检查方法来检测采用真空检漏方法和气压气密检查方法来检测穿透性未焊合缺陷。穿透性未焊合缺陷。33第六节第六节 扩散焊的应用扩散焊的应用图2-12 能进行扩散焊的材料组合34一、钛合金的扩散焊一、钛合金的扩散焊图2-13 超塑成型-扩散焊结构的一般形式a)加强板结构(一层板)b)整体加强结构(二层板)c)桁条芯夹层结构(三层板)d)蜂窝夹层结构(四层板)35二、镍基合金的扩散焊二、镍基合金的扩散焊u镍基合金扩散焊多采用低熔点的中间层，镍基合金扩散焊多采用低熔点的中间层，此中间层含有能降低络点又易于扩散到
26、此中间层含有能降低络点又易于扩散到母材的硼，硅等元素。此类中间材料很母材的硼，硅等元素。此类中间材料很脆、很硬、常以粉末状态（加适当有机脆、很硬、常以粉末状态（加适当有机粘结剂）使用。粘结剂）使用。36三、异种材料的扩散焊三、异种材料的扩散焊u1陶瓷与金属的扩散焊陶瓷与金属的扩散焊u2异种金属的扩散焊异种金属的扩散焊u3纤维增强金属基复合材料的生产纤维增强金属基复合材料的生产37四、特殊结构的扩散焊四、特殊结构的扩散焊u某些零件，如细丝网作成的气滤油滤器，虽被焊某些零件，如细丝网作成的气滤油滤器，虽被焊工件为普通材料，其熔焊、钎焊的焊接性均较好。工件为普通材料，其熔焊、钎焊的焊接性均较好。但因其结构复杂，用熔焊有困难，用钎焊时也会但因其结构复杂，用熔焊有困难，用钎焊时也会因钎料流布不均匀或因钎料流失而造成结构性能因钎料流布不均匀或因钎料流失而造成结构性能恶化，此时采用扩散焊就可获得满意的结果。恶化，此时采用扩散焊就可获得满意的结果。38
