第二章扩散焊.ppt

1 第二章扩散焊 与其他焊接方法相比较 扩散焊接方法具有以下一些优点 接头质量好零部件变形小 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 2 扩散焊缺点 扩散焊缺点 1 对零件待焊表面的制备和装配的要求较高 2 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 3 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 4 对焊缝的焊合质量尚无可靠的无损检测手段 3 第一节扩散焊原理 图2 1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 4 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 微孔消除 5 影响其扩散过程和程度的主要工艺因素 1 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 d d0e q kt式中 d 在t温度下的扩散系数d0 比例常数e 自然对数的底q 扩散激活能k 波尔兹曼常数t 绝对温度这个公式表明 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1 2金属的熔化温度下进行 2 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 加速晶界迁移 3 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 严重时会导致焊缝中残留有许多孔洞 影响接头性能 6 二 瞬间液相扩散焊过程 图2 4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 7 三 其它扩散焊问题 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 但中闻层不熔化的扩散焊在异种金属a与b扩散焊 8 第二节扩散焊种类 一 同种材料扩散焊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物而难于焊接 9 二 异种材料扩散焊 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焊时 可能出现下列现象 1由于膨胀系数不同而在结合面上出现热应力 2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 3由于扩散系数不同而在接头中形成扩散孔洞 4由于两种金属的电化学性能不同 接头易出现电化学腐蚀 10 三 加中间层扩散焊 扩散钎焊 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 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 在这种情况下的扩散焊有人称它为 扩散钎焊 11 四 共晶反应扩散焊 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 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 12 五 瞬间液相扩散焊 简称tlp法 随着扩散焊工艺的发展 当将共晶反应扩散焊原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 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 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在接头纵断面上较为均匀的接头 13 瞬间液相扩散焊过程 图2 4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 14 六 热等静压扩散焊 这种扩散焊是利用高压 例如70mpa 气体对工件进行各向均匀加压 它与机械式加压比较 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 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 15 七 超塑成型 扩散焊 简称spf db 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成 扩散焊压力为气体压力以保证对板材加压均匀 16 第三节扩散焊工艺 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 17 一 工件待焊表面的制备和清理 1 表面机加工2 除油污和表面侵蚀 18 二 中间层材料的选择 中间层的作用是 1 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 2 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 3 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 4 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 19 因此所选择的中间层材料应是 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 20 三 止焊剂 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 片状或粉状 这种辅助材料应具有以下性能 1 高于焊接温度的熔点或软化点 2 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 3 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 21 四 焊接工艺参数 1 温度对许多金属和合金 扩散焊温度为0 6 0 8tm k tm为母材熔点 对出现液相的扩散焊 加热温度比中间层材料熔点或共晶反应温度稍高一些 液相填充间隙后的等温凝固和均匀化扩散温度可略为下降 22 2 压力 图2 5焊接接头强度与压力的关系 保温时间5min 1 t 800 2 t 900 3 t 1000 4 t 1100 23 3 扩散时间 扩散时间是指被焊工件在焊接温度下保持的时间实际焊接过程中 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 24 图2 6真空扩散焊接头强度与保温时间的关系 压力2ompa 结构钢 25 4 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 常用保护气体是氩气 常用真空度为 10 20 x10 3pa 26 第四节扩散焊设备 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 27 二 超塑成型 扩散焊设备 1 由普通液压机与专门设计的加热平台构成 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 28 2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 1 下金属平台2 上金属平台3 炉壳4 导筒5 立住6 油缸7 上模具8 下模具9 气管10 活动炉底 29 三 热等静压扩散焊设备 1 电热器2 炉衬3 隔热层4 电源引线5 惰性气体管道6 安全阀组件7 真空管道8 冷却管9 热电耦 30 第五节扩散焊接头质量及检验 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 但到目前为止 还无十分可靠的非破坏性检测手段 31 一 力学性能 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 数量不多时 仍可能与母材相同 32 二 缺陷 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 33 三 检测 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 l 与其中未焊合的线段长度 l未 来计算焊合率 l l未 lxloo 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穿透性未焊合缺陷 34 第六节扩散焊的应用 图2 12能进行扩散焊的材料组合 35 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 36 二 镍基合金的扩散焊 镍基合金扩散焊多采用低熔点的中间层 此中间层