扩散连接原理

扩散连接原理一．扩散连接特点二．扩散连接分类三．扩散连接原理四．扩散焊工艺五．扩散焊设备六．典型的扩散焊一．扩散焊的特点•扩散连接（或称扩散焊）是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。•与常用压力焊的相同点：在连接过程中需要施加一定的压力。•不同点：工艺条件的不同。扩散焊与熔焊、钎焊方法的比较⒈扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相同，不存在气孔、宏观裂纹等融化焊特有的缺陷，也不存在具有过热组织的热影响区。焊接参数容易控制，批量生产时接头质量稳定。2.可以进行内部及多点、大面积构件的连接以及电弧可达性不好或用熔焊方法不能实现的连接。可焊接其他方法难以焊接的材料。优点：3.可焊接其他焊接方法难以焊接的焊件和材料，如弥散强化合金、活性金属、耐热合金、陶瓷和复合材料等，特别适合于不同种类的金属、非金属及异种材料的连接。⒋作为一种高精密的连接方法，焊后焊件不变形，可以实现机械加工后的精密装配连接。缺点：⒈焊件待焊表面的制备和装配要求较高。⒉焊接过程中焊接时间长，生产效率低。在某些情况下还会产生一些晶粒过渡长大等现象。⒊无法进行连续式批量生产。⒋设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设备的限制。•主要用于：异种金属材料、陶瓷、金属间化合物、非晶态及单晶合金•应用领域：航空航天、仪表及电子、核工业、能源、化工及机械制造二.扩散焊的分类一些扩散焊的实例：钼锆合金铝合金泵叶轮铜和不锈钢铝合金和铜单晶硅和单晶硅扩散焊碳碳和铌合金不锈钢板和网铝合金分层制造•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)×10ˉ8cm]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）×10ˉ4cm。三.扩散连接原理1.固相扩散连接原理•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。金属真实表面的情况：•扩散焊时，通过对连接界面加压和加热，使得表面氧化膜破碎和表面微观凸出部位发生塑性变形和高温蠕变，若干微小区域出现金属之间的结合，这些区域进一步通过连接表面微小凸出部位的塑性变形、母材之间发生的原子相互扩散得以不断扩大，当整个连接界面均形成金属键结合时，也就最终完成了扩散连接过程。扩散连接过程的三个阶段：A.物理接触阶段高温下微观不平的表面在外加压力的作用下，一些点首先达到塑性变形，持续加压，接触面积逐渐扩大，最终达到整个面的可靠接触，如图b所示。界面处未能达到紧密接触的区域逐渐演变成界面孔洞。其中大部分空洞能依靠扩散而逐渐消除，个别较大的孔经过很长时间难以消除，形成连接缺陷。B.接触表面的激活阶段连接表面达到紧密接触后，由于变形引起的晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆集，界面区的能量显著增大，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速，因此很快就形成以金属键连接为主要形式的接头，如图c。C.形成可靠接头阶段在接触部分形成结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头，如图d。上述三个阶段是扩散焊过程的主要特征，其过程是相互交叉进行，最终在连接界面处由于扩散、再结晶等生成固溶体及共晶体，有时生成金属化合物，形成可靠的连接。该过程同时应考虑界面生成物的性质，如性能差别较大的两种金属，在高温长时间扩散时，界面极易生成脆性金属间化合物，而使接头性能变差。2.液相扩散连接基本原理•液相扩散连接（也称瞬时液相扩散连接）通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组员向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。液相扩散连接大致可分为以下3个阶段：①液相的生成。将中间层材料夹紧在焊件间，并加上一定的焊接压力，在保护气体保护下进行加热，直至中间层材料液化和填满间隙。②等温凝固过程。当液相形成并填满焊缝间隙后，进入保温期，它使液固相之间进行充分的扩散。③成分均匀化。由等温凝固形成的接头成分很不均匀，为获得成份和组织均匀化的接头，需要继续保温扩散来完成。a)形成液相b)低熔点元素向母材扩散c)等温凝固d)等温凝固结束e)成份均匀化瞬间液相扩散连接的示意图：瞬时液相扩散连接特点：①该方法的表面平备要求不高，其粗糙度为40um左右。②焊接时间短。③装备轻，自动化程度高，适合于现场焊接，也适合于室内焊接。④接头质量可靠。由图a可知这里有二段待焊钢管，中间夹着中间层材料，钢管轴向加压力F，感应圈通入感应电流加热，并加惰性气体保护其焊缝。焊接温度由红外测温仪检测，并控制焊接过程。3.超塑成形扩散连接基本原理•材料超塑性通常是指在一定温度下，组织为等轴细晶粒且晶粒尺寸小于3um，变形速率小于10ˉ3~10ˉ5时，拉伸变形率可达到100%~1500%。•从扩散焊连接理论可知，焊接界面的紧密接触和界面孔洞的消除与材料的塑性变形、蠕变及扩散过程关系密切。材料超塑性的发现，使人们联想到利用超塑性材料的高延展性来加速界面的紧密接触过程，由此发展了超塑性成形扩散焊方法。原理：从连接初期的变形阶段，因为超塑性材料具有低流变应力的特征，所以塑性变形能迅速在连接界面附近发生，甚至有助于破坏材料表面的氧化膜，因而大大加速了紧密接触过程，实际上，真正促进连接过程的是界面附近的局部超塑性。超塑性材料所具有的超细晶粒，大大增加了界面区的晶界密度和晶界扩散的作用，显著增加了孔洞与界面消失的过程。•两母材都具有超塑性；•可以是只有一边母材具有超塑性；•或两母材均不具有超塑性时，只要插入具有超塑性特性的材料作为中间层，就可以实现超塑性连接。•应用领域：难焊的有色合金之间适用范围：镁合金在超塑性条件下，完成成形与扩散连接。超塑成形/扩散连接的应用：四.扩散焊工艺•扩散焊的焊接参数主要包括加热温度、压力、保压时间、以及真空度，这些因素之间相互影响，相互制约，在选择焊接参数时应该统筹考虑。此外，焊接连接时还应考虑焊件表面处理和中间层材料的选用。1.加热温度•加热温度是扩散焊最重要的工艺参数，加热温度的微小变化会使扩散速度产生较大的变化。在一定的温度范围内，温度越高，扩散系数越大，扩散过程越快，所获得的接头结合强度越高。但当温度高于某一值后，温度再提高时，扩散焊接头质量提高不多，有时反而有所下降。•对于许多金属和合金，扩散焊合适的加热温度一般为0.6~0.8Tm（℃）（Tm为母材熔点）。出现液相的扩散焊，加热温度要比中间层材料熔点稍高一点，等温凝固和均匀化扩散温度可略微低些。2.压力•施加压力的主要作用是使结合面微观凸起的部分产生塑性变形，达到紧密接触，同时促进界面区的扩散，加速再结晶过程。①压力过低：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。②增加压力：能产生结合强度较好地接头；过大的压力会导致工件变形；高压力需要成本较高的设备和精确的控制。结论：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•保温时间是指被焊工件在焊接温度下保持的时间。在该保温时间内必须保证扩散过程全部完成，达到所需的结合强度。①时间太短：扩散焊接头达不到稳定的与母材相等的强度。②时间过长：对扩散接头起不到进一步提高的作用，反而会使母材的晶粒长大。在一定的温度和压力下，初始阶段接头强度随时间延长增加，但到达一定值后，不再随时间变化。保温时间与温度、压力是密切相关的，温度较高或压力较大时，时间可以缩短。在保证强度的条件下，保温时间越短越好。4.焊件表面处理•焊接表面的清洁度和平整度是影响焊接接头的重要因素，在扩散焊组装之前必须对焊件表面进行处理。•表面处理一般包含：加工符合要求的表面光洁度、平直度、去除表面的氧化物，消除表面的气、水或有机物膜层。常用的措施如下：1）除油是扩散焊之前的通用工序，一般采用酒精、三氯乙烯、丙酮等进行清洗。2）机械加工、磨削、研磨和抛光获得所需要的平直度和光滑度，以保证不用大的变形就可使其界面达到紧密接触。3）采用化学腐蚀或酸洗，清除材料表面的非金属膜（如氧化膜）。4）有时可采用真空烘烤以获得洁净的表面。是否采用真空烘烤，很大程度上取决于材料及其表面膜的性质。真空烘烤易去除有机膜、水膜和气膜。不易去除钛、铝或含有大量铬的一些合金表面上氧化物。5）冷加工硬化层的去除。机加工产生的冷加工硬化层常用化学侵蚀的方法清理。对于某些不希望产生再结晶的金属有必要将该层去掉。焊接表面清理后须对表面进行保护。方法：保护性气氛或真空环境表面处理的要求还受连接温度和压力的影响。随着连接温度和压力的提高，表面的要求就越低一般为了降低连接温度或压力，才需要制备较洁净的表面。一般来说，在连接温度下较硬的金属表面粗糙度更为重要。5.中间层材料的选择•中间层材料是熔点低（但不低于扩散焊接温度），塑性较好的金属，如铜、镍、铝、银等，或者与母材成分接近的含有少量易扩散的低熔点元素的合金。一般厚度为几十微米，以箔片地形式夹在待焊表面或采用电镀、真空蒸镀、等离子喷涂的方式直接涂敷在待焊件的表面，镀层厚度可以只有几微米。•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。中间层的作用：a.改善材料表面的接触，降低对待焊表面制备的要求，降低所需压力；b.改善扩散条件；c.改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物的倾向；d.避免或减少因被焊材料之间的物理化学性能差异过大而引起的其它问题。中间层材料应具有的特点：①容易发生塑性变形，含有加速扩散的元素，如硼、铍、硅等。②物理化学性能与母材的差异较被焊材料之间的差异小，不与母材发生不良冶金反应，如产生脆性相或不希望的共晶相。③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。扩散焊接头的质量检验方法有以下几种。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由于焊接接头结构、工件材料、技术要求不同，每一种方法的检验灵敏度波动范围较大，要根据具体情况选用。扩散焊接头常见缺陷及产生的主要原因：五.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。真空扩散焊可以采用高频、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。•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。（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1.33×10-2Pa的真空度，加扩散泵后可以达到1.33×10-4~1.33×1