特种焊接技术第三单元.ppt

第三单元第三单元 扩散焊扩散焊 3.1 扩散焊概述 3.2 扩散焊工艺 3.3 扩散焊设备3.4 常用材料的扩散焊 综合知识模块 3.1 扩散焊概述 o3.1.1 扩散焊的基本原理 o3.1.2 扩散焊的特点及分类 o3.1.3 扩散焊的应用范围 o扩散焊（扩散焊（diffusion welding，DFW）是将紧密接触的焊件置于真空或保护气氛中，并在一定温度和压力下保持一段时间，使接触界面之间的原子相互扩散而实现可靠连接的一种固相焊接方法。3.1 扩散焊概述 3.1.1 扩散焊的基本原理 o扩散焊时，把两个或两个以上的焊件紧压在一起，置于真空或保护气氛中，加热至母材熔点以下某个温度，然后对其施加压力，使其表面的氧化膜破碎，表面微观凸起处发生塑性变形和高温蠕变而达到紧密接触，激活界面原子之间的扩散，在若干微小区域出现界面间的结合。再经过一定时间的保温，这些区域进一步通过原子相互扩散不断扩大。当整个连接界面均形成金属键结合时，则完成了扩散焊接过程。扩散焊焊缝的形成过程可分为以下三个阶段：o第一阶段是物理接触阶段；o第二阶段是相互扩散和反应阶段；o第三阶段是接合层的成长阶段。3.1.1 扩散焊的基本原理 o扩散焊接过程的三个阶段并没有明确的界限，而是相互交叉进行的，甚至有局部重叠，很难准确确定其开始与终止时间。o焊接区域经蠕变、扩散、再结晶等过程而最终形成固态冶金结合，可以形成固溶体及共晶体，有时也可能生成金属间化合物，从而形成可靠的扩散焊。3.1.1 扩散焊的基本原理 3.1.2 扩散焊的特点及分类 扩散焊的优点：扩散焊的优点：o扩散焊时因基体不过热、不熔化，可以在不降低焊件性能的情况下焊接几乎所有的金属或非金属。o扩散焊接头质量好，其显微组织和性能与母材接近或相同，在焊缝中不存在熔化焊缺陷，也不存在过热组织和热影响区。o焊件精度高、变形小。扩散焊的优点：扩散焊的优点：o可以焊接大断面的接头；o可以焊接结构复杂、接头不易接近以及厚薄相差较大的工件；o能对组装件中许多接头同时实施焊接。3.1.2 扩散焊的特点及分类 扩散焊的缺点：扩散焊的缺点：o焊件表面的制备和装配质量的要求较高，特别对接合表面要求严格。o焊接热循环时间长，生产率低。每次焊接快则几分钟，慢则几十小时。对某些金属会引起晶粒长大。o设备一次性投资较大，且焊接工件的尺寸受到设备的限制，无法进行连续式批量生产。3.1.2 扩散焊的特点及分类 扩散焊的分类：扩散焊的分类：o根据被焊材料的组合方式和加压方式的不同，扩散焊可以分成：同种材料扩散焊、异种材料同种材料扩散焊、异种材料扩散焊、加中间层的扩散焊、过渡液相扩散焊、扩散焊、加中间层的扩散焊、过渡液相扩散焊、超塑性成形扩散焊、热等静压扩散焊超塑性成形扩散焊、热等静压扩散焊 等。3.1.2 扩散焊的特点及分类 3.1.3 扩散焊的应用范围扩散焊应用领域：扩散焊应用领域：o适宜于焊接特殊材料或特殊结构，这样的材料和结构在宇航、电子和核工业中应用很多，因而扩散焊在这些工业部门中的应用很广泛。钛合金典型结构的超塑性扩散连接钛合金典型结构的超塑性扩散连接 3.2 扩散焊工艺 o3.2.1焊前准备 o3.2.2扩散焊工艺参数的选择 3.2.1 焊前准备 o一、扩散焊的接头形式设计一、扩散焊的接头形式设计 o二、焊件表面的制备与清理二、焊件表面的制备与清理 o三、中间层材料及选择三、中间层材料及选择 一、扩散焊的接头形式设计一、扩散焊的接头形式设计 o扩散焊接头的形式比熔化焊类型多，可进行复杂形状的接合，如平板、圆管、中空、T形及蜂窝结构均可进行扩散焊。二、焊件表面的制备与清理二、焊件表面的制备与清理 o待焊表面状态对扩散焊接过程和接头质量的影响很大，特别是固态扩散焊，必须在装焊前对焊件表面进行认真准备，其表面准备包括：加工符合要求的表面粗糙度、平面度，去除表面的氧化物，消除表面的气、水或有机物膜层。o1表面机械加工表面机械加工 o2表面净化处理表面净化处理 三、中间层材料及选择三、中间层材料及选择 o为了促进扩散焊过程的进行，降低扩散焊温度、时间、压力和提高接头性能，扩散焊时可在待焊接材料之间插入中间层。o1中间层材料的特点中间层材料的特点 o2中间层的选用中间层的选用o3阻焊剂阻焊剂 1中间层材料的特点中间层材料的特点 o1）容易发生塑性变形；含有加速扩散的元素，如B、Be、Si等。o2）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，如产生脆性相或共晶相。o3）不会在接头处引起电化学腐蚀问题。2中间层的选用中间层的选用 o可采用箔、粉末、镀层、离子溅射和喷涂层等多种形式。o厚度一般为几十微米，利于缩短均匀化扩散的时间。o过厚的中间层焊后会以层状残留在界面区，影响接头的物理、化学和力学性能。o中间层厚度在30100m时，以箔片的形式夹在待焊接表面间。3阻焊剂阻焊剂 o扩散焊时为了防止压头与焊件或焊件之间某些区域被扩散焊粘接在一起，需加阻焊剂。o1）熔点或软化点应高于焊接温度；o2）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；o3）不释放有害气体污染附近的待焊接表面，不破坏保护气氛或真空度。3.2.2扩散焊工艺参数的选择 o扩散焊工艺参数主要有温度、压力、时间、气氛环境，这些因素之间相互影响、相互制约，在选择焊接参数时应综合考虑。o一、选择工艺参数的基本原则一、选择工艺参数的基本原则 o二、工艺参数对焊接质量的影响二、工艺参数对焊接质量的影响 一、选择工艺参数的基本原则一、选择工艺参数的基本原则 o正确选择扩散焊参数是获得优质接头的重要保证。o1材料的同素异构转变和显微组织，它们对扩散速率有很大的影响。o2母材能产生超塑性时，扩散焊就容易进行。o3增加扩散速率的另一个途径是合金化，确切地说是在中间层合金系中加入高扩散系数的元素。二、工艺参数对焊接质量的影响二、工艺参数对焊接质量的影响 o1.焊接温度焊接温度 o2.焊接压力焊接压力 o3扩散焊接时间扩散焊接时间 o4.环境气氛环境气氛 o5.表面状态表面状态 3.3扩散焊设备 o3.3.1扩散焊设备的分类与组成 o3.3.2典型扩散焊设备及其技术参数 3.3.1扩散焊设备的分类与组成o一、扩散焊设备的分类一、扩散焊设备的分类 o二、扩散焊设备的组成二、扩散焊设备的组成 一、扩散焊设备的分类一、扩散焊设备的分类 o1按照真空度分类 o2按照热源类型和加热方式分类 o3其他分类方法 1按照真空度分类o根据工作空间所能达到的真空度或极限真空度，可以把扩散焊设备分为四类，即低真空（0.1Pa以上）、中真空（0.l Pa10-3 Pa）、高真空（10-5Pa）焊机和低压、高压保护气体扩散焊机。o根据焊件在真空中所处的情况，可分为焊件全部处在真空中的焊机和局部真空焊机。2按照热源类型和加热方式分类o根据扩散焊时所应用的加热热源和加热方式，可以把焊机分为感应加热、辐射加热、接触感应加热、辐射加热、接触加热、电子束加热、辉光放电加热、激光加加热、电子束加热、辉光放电加热、激光加热、光束加热热、光束加热 等。o在实际中应用最广的是高频感应加热和电阻辐射加热两种方式。3其他分类方法o根据真空室的数量，可以将扩散焊设备分为单室和多室两大类；o根据真空焊接的工位数（传力杆的数量），又可分为单工位和多工位焊机；o根据自动化程度，可分为手动、半自动和自动程序控制三类。二、扩散焊设备的组成二、扩散焊设备的组成扩散焊接设备一般包括：o1加热系统加热系统 o2加压系统加压系统 o3保护系统保护系统 o4控制系统控制系统 1加热系统加热系统o按加热方式分为感应加热、辐射加热、接触加热等。o常采用感应加热或电阻辐射加热方法对焊件进行局部或整体加热。o高频感应扩散焊接设备采用高频电源加热，工作频率为60500kHz。o电阻加热真空扩散焊设备采用电阻辐射加热，加热体可选用钨、钼或石墨等材料。2加压系统加压系统o加压系统分为液压系统、气压系统、机械系统、热膨胀加压等。o在自动控制压力的扩散焊设备上一般装有压力传感器，以此实现对压力的测量和控制。o目前大多数扩散焊设备采用液压和机械加压系统。2加压系统加压系统 o为了使被焊件之间达到紧密接触，扩散焊时要施加一定的压力。高温下材料的屈服强度降低，为避免焊件的整体变形，加压只是使接触面产生微观的局部变形。o对于一般的金属材料，扩散焊接所施加的压力较小，压力范围为1100MPa。o对于陶瓷、高温合金等难变形的材料，或加工表面粗糙度较大，当扩散焊温度较低时，才采用较高的压力。3保护系统保护系统o保护系统可以是真空或置于惰性气体之中。目前扩散焊设备一般采用真空保护。o真空系统通常由扩散泵和机械泵组成。机械泵能达到1.33 10-3Pa的真空度，加扩散泵后可以达到1.33 10-41.33 10-6Pa的真空度，几乎可以满足所有要求。4控制系统控制系统o控制系统主要实现温度、压力、真空度及时间的控制，少数设备还可以实现位移测量及控制。o温度测量采用镍铬一镍铝、钨一铑、铂一铂铑等热电偶，测量范围为202300，控制精度范围为土(510)。o压力的测量与控制通常是通过压力传感器进行的。3.3.2典型扩散焊设备及其技术参数 o一、电阻辐射加热真空扩散焊设备一、电阻辐射加热真空扩散焊设备o二、感应加热扩散焊设备二、感应加热扩散焊设备 o三、超塑成形三、超塑成形扩散焊接设备扩散焊接设备o四、热等静压扩散焊设备四、热等静压扩散焊设备一、电阻辐射加热真空扩散焊设备一、电阻辐射加热真空扩散焊设备美国美国Workhorse型真空扩散连接设备型真空扩散连接设备 二、感应加热扩散焊设备二、感应加热扩散焊设备 三、超塑成形三、超塑成形扩散焊接设备扩散焊接设备 四、热等静压扩散焊设备四、热等静压扩散焊设备o近年来，为了制备致密性高的陶瓷及精密形状的构件，热等静压（简称HIP)设备逐渐引起行业的重视。o在高温施焊的同时，对工件施加很高的压力，以增加致密性或获得所需的构件形状。一般采用全方位加压，压力最高可达200MPa。o该设备可用于粉末冶金、铸件缺陷的愈合、复合材料制备、陶瓷烧结及精密复杂构件的扩散焊等。3.4常用材料的扩散焊 o3.4.1同种材料的扩散焊 o3.4.2异种金属材料的扩散焊接 o3.4.3 陶瓷材料的扩散焊 3.4.1同种材料的扩散焊 o一、钛合金的扩散焊一、钛合金的扩散焊 o二、镍合金的扩散焊二、镍合金的扩散焊 o三、高温合金的焊接三、高温合金的焊接 一、钛合金的扩散焊一、钛合金的扩散焊 o钛合金采用扩散焊，接头性能优于常规熔焊。o钛合金在扩散焊时无需对焊件表面进行特殊的准备和控制。o钛合金能吸收大量的O2、H2和N2等气体，故不宜在H2和N2气氛中进行扩散焊，应在真空状态或氩气保护下进行。o钛合金应用最普遍的焊接方法是超塑成形扩散焊接（SPF/DB），所选择的温度与通常扩散焊接所用的温度基本相同，但须注意压力与时间要匹配选择。一、钛合金的扩散焊一、钛合金的扩散焊 o钛合金常用焊接参数为：加热温度在11231273K范围内选取，保温时间在14h范围内选取，压力在25 MPa范围内选取，真空度1.3310-3Pa以上或在氩气保护下焊接。对于大面积钛合金扩散焊，可采用加中间层进行扩散钎焊，中间层主要采用Ag基钎料、Ag-Cu钎料、Ti基钎料。由于Cu基钎料和Ni基钎料容易和Ti发生反应，形成金属间化合物，一般不作为中间层或钎料使用。一、钛合金的扩散焊一、钛合金的扩散焊 二、镍合金的扩散焊二、镍合金的扩散焊 o镍合金具有优良的耐高温、耐腐蚀及耐磨损等性能，其熔焊时焊接性差，接头韧性远低于母材，因此较多地应用扩散焊实现连接。o镍合金表面含有Ti和A1的氧化膜，比较稳定，须仔细地进行焊接表面准备；在焊接过程中，严格控制气氛，防止表面污染，通常还需要纯镍或镍合金作中间层。o镍合金扩散焊接的参数：加热温度10931204，保温时间10120min，压力2.515MPa，真空度1.3310-2Pa以上。三、高温合金的焊接三、高温合金的焊接o各类高温合金如机械化型高温合金、含高A1、Ti的铸造高温合金等几乎都可以采用固相扩散焊接。o高温合金中含有Cr、Al等元素，表面氧化膜很稳定，难以去除，焊前必须严格加工和清理，甚至要求表面镀层后才能进行固相扩散焊。3.4.2异种金属材料的扩散焊接o一、钢与铝、钛、铜、钼的扩散焊一、钢与铝、钛、铜、钼的扩散焊 o二、铜与铝、钛、镍、钼的扩散焊二、铜与铝、钛、镍、钼的扩散焊 一、钢与铝、钛、铜、钼的扩散焊一、钢与铝、钛、铜、钼的扩散焊 o1.钢与铝的扩散焊钢与铝的扩散焊o2钢与钛的扩散焊接钢与钛的扩散焊接 o3钢与铜及铜合金扩散焊接钢与铜及铜合金扩散焊接 o4不锈钢与钼扩散焊不锈钢与钼扩散焊 1.钢与铝的扩散焊钢与铝的扩散焊o钢与铝及铝合金进行扩散焊的主要问题是焊接界面附近易形成Fe-Al金属间化合物，使接头强度下降。o可采用增加中间过渡层的方法获得牢固的接头。o一般可选用Cu和Ni。o合金元素Mg、Si及Cu对钢与铝扩散焊接头的强度影响很大。2钢与钛的扩散焊接钢与钛的扩散焊接o采用扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金时，应添加中间层或复合填充材料。o中间层材料一般是V、Nb、Ta、Mo、Cu等，复合填充材料有：V+Cu、Cu+Ni、V+Cu+Ni以及Ta和青铜等。3钢与铜及铜合金扩散焊接钢与铜及铜合金扩散焊接o钢与铜及铜合金扩散焊时，加热温度750、保温时间2030min的条件下实施扩散焊，通过金相分析可观察到扩散焊接头中有共晶体。o钢与铜扩散焊的焊接参数为：加热温度900，保温时间20min，压力5MPa，真空度1.3310-21.3310-3Pa。o为了提高钢与铜及铜合金扩散焊接头的强度，可采用Ni作中间过渡层。4不锈钢与钼扩散焊不锈钢与钼扩散焊 o不锈钢（1Cr18Ni9Ti和1Cr13)与钼扩散焊能获得质量稳定的接头。o可采用添加中间层，中间层材料一般为Ni或Cu。二、铜与铝、钛、镍、钼的扩散焊二、铜与铝、钛、镍、钼的扩散焊 o1铜和铝扩散焊接铜和铝扩散焊接o2铜与钛的扩散焊铜与钛的扩散焊 o3铜与镍的扩散焊铜与镍的扩散焊o4铜与钼的扩散焊铜与钼的扩散焊 1铜和铝扩散焊接铜和铝扩散焊接o铜和铝扩散焊时，影响接头质量和焊接过程稳定的主要因素有：加热温度、焊接压力、保温时间、真空度和焊件的表面准备等。o焊前焊件表面须进行精细加工、磨平和清洗去油，去除铝材表面的氧化膜，使其表面尽可能洁净和无任何杂质。o根据铜与铝扩散焊接头的显微硬度测定结果，铜侧过渡区中可能产生了金属间化合物。o铜和铝扩散焊的焊接参数应根据实际情况确定。o对于真空电器元件，其焊接参数为：加热温度500520，保温时间1015 min，压力6.89.8MPa，真空度6.6610-3Pa。当压力为9.8MPa时，扩散焊接头的界面结合率可达到100%。2铜与钛的扩散焊铜与钛的扩散焊 o铜与钛的扩散焊可采用直接扩散焊或加中间层的扩散焊方法，前者接头强度低，后者强度高，并有一定塑性。o铜与钛之间不加中间层直接扩散焊时，为了避免金属间化合物的生成，焊接过程应在短时间内完成。o铜与纯钛TA2直接扩散焊的焊接参数是：加热温度850，保温时间l0min，压力4.9MPa，真空度1.3310-5Pa。3铜与镍的扩散焊铜与镍的扩散焊o采用扩散焊方法焊接铜与镍及镍合金的焊接结构，是真空器件制造中应用较为广泛的一种焊接工艺。o由于铜与镍及镍合金具有较好的塑性，而且在相互扩散的过程中均能获得连续的固溶体，使焊接接头质量提高。4铜与钼的扩散焊铜与钼的扩散焊o填加中间层Ni的铜与钼扩散焊的焊接参数为：加热温度800950，保温时间1015mim，压力1923 MPa，真空度1.3310-4Pa。o铜与铝扩散焊还可以采用镀层的方法，在铝表面镀上一层厚度为714m的镍层，然后再进行真空扩散焊，能获得强度较高的扩散焊接头。3.4.3 陶瓷材料的扩散焊o陶瓷材料扩散焊的主要优点是：焊接强度高，尺寸容易控制，适合于焊接异种材料；o不足之处是焊接温度高、时间长且须在真空下进行，成本高，试件尺寸和形状受到限制。o陶瓷材料扩散焊的方法有：同种陶瓷材料直接焊接。用另一种薄层材料焊接同种陶瓷材料。异种陶瓷材料直接焊接。用第三种薄层材料焊接异种陶瓷材料。3.4.3 陶瓷材料的扩散焊 o一、陶瓷与金属材料扩散焊的主要问题一、陶瓷与金属材料扩散焊的主要问题 o二、陶瓷与金属材料的扩散焊工艺二、陶瓷与金属材料的扩散焊工艺 一、陶瓷与金属材料扩散焊的主要问题一、陶瓷与金属材料扩散焊的主要问题o1界面存在很大的热应力界面存在很大的热应力 o2容易生成脆性化合物容易生成脆性化合物o3界面化合物很难进行定量分析界面化合物很难进行定量分析 二、陶瓷与金属材料的扩散焊工艺二、陶瓷与金属材料的扩散焊工艺 o陶瓷与金属的扩散焊时，首先要求被焊接的表面非常平整和洁净，焊接可在真空中，也可在氢气氛中进行。o由于陶瓷的硬度与强度较高，不易发生变形，所以扩散焊时还须施加压力（压力为0.115MPa），焊接温度高（通常为金属熔点的90%），焊接时间长于其他焊接方法。1加热温度加热温度o加热温度对扩散过程的影响最显著，焊接陶瓷与金属时温度一般达到金属熔点的90%以上。o用厚度0.5mm的铝作中间层焊接钢与氧化铝陶瓷时，扩散焊接头的抗拉强度随着加热温度的升高而提高。o陶瓷与金属扩散焊接头的抗拉强度与金属的熔点有关，在氧化铝陶瓷与金属的扩散焊时，金属熔点提高，接头抗拉强度增大。2保温时间保温时间o保温时间对扩散焊接头强度的影响也有同样的趋势，抗拉强度（b）与保温时间（t）的关系为：bB0t1/2，其中B0为常数。保温时间对接头抗拉强度的影响保温时间对接头抗拉强度的影响 保温时间对保温时间对SiC/Nb/18-8接头抗剪强度的影响接头抗剪强度的影响 3焊接压力焊接压力 o扩散焊过程中施加压力是为了使接触界面处产生塑性变形，减小表面不平度和破坏表面氧化膜，增加表面接触，为原子扩散提供条件。o压力较小时，增大压力可以使接头强度提高。压力对接头抗剪强度的影响压力对接头抗剪强度的影响 4.界面结合状态界面结合状态 o表面粗糙度对扩散焊接头强度的影响十分显著，表面粗糙会导致陶瓷金属界面产生局部应力集中而易引起脆性破坏。o固相扩散焊陶瓷与金属时，陶瓷与金属界面会发生反应形成化合物，所形成的化合物种类与焊接条件（如温度、表面状态、杂质类型与含量等）有关。5中间层的选择中间层的选择 o陶瓷与金属直接用扩散焊焊接有困难时，可以采用加中间层的方法。o中间层的选择很关键，选择不当会引起接头性能的恶化。o中间层可以直接使用金属箔片，也可以采用真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积（CVD）、喷涂、电镀等，还可以采用烧结金属粉末法、活性金属化法，金属粉末或钎料等均可实现扩散焊。