焊接方法第8章压焊1123精简扩散焊摩擦焊2zzl

1、第第8 8章章 压力焊压力焊（扩散焊、摩擦焊）（扩散焊、摩擦焊）扩散连接技术扩散连接技术 新材料如新材料如陶瓷、金属间化合物、非晶态材料及单晶陶瓷、金属间化合物、非晶态材料及单晶合金合金等等可焊性差，用传统熔焊方法，很难实现可等等可焊性差，用传统熔焊方法，很难实现可靠的连接。靠的连接。 一些特殊的高性能构件的制造，要求把一些特殊的高性能构件的制造，要求把性能差别较性能差别较大的异种材料大的异种材料，如金属与陶瓷、铝与钢、钛与钢、，如金属与陶瓷、铝与钢、钛与钢、金属与玻璃等连接在一起金属与玻璃等连接在一起-传统熔焊方法难以实现。传统熔焊方法难以实现。 连接所涉及的范围远远超出传统熔焊的概念连接所

2、涉及的范围远远超出传统熔焊的概念-为适为适应这种要求应这种要求-作为固相连接的方法之一扩散连接技作为固相连接的方法之一扩散连接技术引起人们的重视术引起人们的重视-已广泛用于航天、航空、仪已广泛用于航天、航空、仪表及电子等国防部门，并逐步扩展到机械、化工及表及电子等国防部门，并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等领域。汽车制造等领域。 过程过程( (压焊一种变形压焊一种变形) )： 压力点接触点（局部）压力点接触点（局部）塑性变形氧化膜破坏塑性变形氧化膜破坏形成微小连接形成微小连接 ；压力作用时间增加蠕变压力作用时间增加蠕变变形扩散逐渐生长空变形扩散逐渐生长空隙逐渐消失，连接界面增隙逐渐消失，连接界

3、面增加；加；体积扩散空隙完全消失体积扩散空隙完全消失界面原子结合，界面消界面原子结合，界面消失失 扩散连接原理扩散连接原理 工艺参数：工艺参数： 变形与扩散是连接的主要机制，在不同的阶段所变形与扩散是连接的主要机制，在不同的阶段所 占比重不同占比重不同1)1) 压力：促使连接表面产生塑性变形、达到紧密接触状压力：促使连接表面产生塑性变形、达到紧密接触状态，加速扩散与界面孔洞的弥合及消失。扩散焊工件态，加速扩散与界面孔洞的弥合及消失。扩散焊工件一般一般无宏观塑性变形无宏观塑性变形2 2）时间时间：决定原子扩散、界面反应和蠕变的程度。连接：决定原子扩散、界面反应和蠕变的程度。连接时间不同，形成的界

4、面产物和界面结构不同。扩散连时间不同，形成的界面产物和界面结构不同。扩散连接接头成分均匀化的程度越高，保温时间增长，接头接接头成分均匀化的程度越高，保温时间增长，接头强度增加强度增加。由扩散速度决定，一般为几十到几百分钟。由扩散速度决定，一般为几十到几百分钟。3 3）温度：温度升高有利于连接材料间进行原子扩散，）温度：温度升高有利于连接材料间进行原子扩散，一一 般为般为0.5 0.5 至至0.80.8倍熔点倍熔点kk环境气氛环境气氛 扩散连接一般在真空、非活性气体（扩散连接一般在真空、非活性气体（arar、n2n2）或大气气氛环境下进行）或大气气氛环境下进行； 一般真空扩散焊接头强度高于在非活

5、性气一般真空扩散焊接头强度高于在非活性气体和空气中连接的接头强度；体和空气中连接的接头强度； 真空中的材料在温度升高时，气体会从零真空中的材料在温度升高时，气体会从零件和真空室内壁中析出件和真空室内壁中析出-计算和实验结果计算和实验结果表明，常用真空度范围内（表明，常用真空度范围内（1.331.331.331.331010- -3 3papa），就足以保证连接表面达到一定的清），就足以保证连接表面达到一定的清洁度洁度-从而确保实现可靠连接。从而确保实现可靠连接。 表面状态表面状态 表面状态对连接过程和连接质量影响很大，表面状态对连接过程和连接质量影响很大，焊前必须进行焊前必须进行精加工、磨平甚

6、至抛光精加工、磨平甚至抛光。 表面清理：表面清理： 扩散连接前的加工和存放过程扩散连接前的加工和存放过程中，被连接表面不可避免地形成氧化物、覆中，被连接表面不可避免地形成氧化物、覆盖着油脂和灰尘等盖着油脂和灰尘等-连接前需经过脱脂、连接前需经过脱脂、去除氧化物及气体处理去除氧化物及气体处理等工艺过程。等工艺过程。 表面处理方法：机加、化学侵蚀、超声波清表面处理方法：机加、化学侵蚀、超声波清洗洗中间层选择中间层选择 结晶化学性能差别较大结晶化学性能差别较大的两种材料连接时，极的两种材料连接时，极易在接触界面生成易在接触界面生成脆性金属间化合物脆性金属间化合物。 措施：选择中间层，使措施：选择中间

7、层，使中间层金属与两侧材料中间层金属与两侧材料都能较好的结合，生成固溶体都能较好的结合，生成固溶体，则实现良好的，则实现良好的连接。连接。 两种材料的两种材料的热膨胀系数差别大，热膨胀系数差别大，在接头区域极在接头区域极易产生很大的易产生很大的内应力内应力。 措施措施：用软的中间层：用软的中间层（甚至几个中间层）（甚至几个中间层）过渡过渡, ,缓和接头的内应力缓和接头的内应力中间层选择中间层选择 扩散连接时，中间层材料非常主要，除了扩散连接时，中间层材料非常主要，除了能够能够无限互溶的材料以外，异种材料、陶瓷、金属无限互溶的材料以外，异种材料、陶瓷、金属间化合物间化合物等材料多采用中间夹层的扩

8、散连接等材料多采用中间夹层的扩散连接。 中间层可采用多种方式添加，如中间层可采用多种方式添加，如薄金属垫片、薄金属垫片、非晶态箔片、粉末（对难以制成薄片的脆性材非晶态箔片、粉末（对难以制成薄片的脆性材料）和表面镀膜料）和表面镀膜（如蒸镀、（如蒸镀、pvdpvd、电镀、离子、电镀、离子镀、化学镀、喷镀、离子注入等）。镀、化学镀、喷镀、离子注入等）。 中间层选择原则中间层选择原则 1 1）容易塑性变形，熔点比母材低容易塑性变形，熔点比母材低。 2 2）物理化学性能与母材的差异比被连接材物理化学性能与母材的差异比被连接材 料之间的差异小料之间的差异小。 3 3）不与母材产生不良的冶金反应不与母材产生

9、不良的冶金反应，如不产，如不产 生脆性相或不希望出现的共晶相。生脆性相或不希望出现的共晶相。 4 4）不引起接头的电化学腐蚀。）不引起接头的电化学腐蚀。扩散连接的特点扩散连接的特点 1 1）接合区域）接合区域无凝固无凝固( (铸造铸造) )组织组织，不生成气孔、宏观，不生成气孔、宏观 裂纹等熔焊时的缺陷。裂纹等熔焊时的缺陷。 2 2）同种材料同种材料接合时，可获得与母材性能相同的接接合时，可获得与母材性能相同的接 头，几乎不存在残余应力。头，几乎不存在残余应力。 3 3）可以实现）可以实现难焊材料难焊材料的连接。塑性差或熔点高的的连接。塑性差或熔点高的同同 种材料种材料、互相不溶解或在熔焊时会

10、产生脆性金属、互相不溶解或在熔焊时会产生脆性金属 间化合物的间化合物的异种材料异种材料（包括金属与陶瓷），扩散（包括金属与陶瓷），扩散 连接是可靠的连接方法之一。连接是可靠的连接方法之一。 4 4）精度高，变形小，精密接合。）精度高，变形小，精密接合。 5 5）可以进行大面积板及圆柱的连接。）可以进行大面积板及圆柱的连接。 6 6）采用中间层可减少残余应力。）采用中间层可减少残余应力。扩散连接的缺点扩散连接的缺点 1 1）无法进行连续式批量生产。）无法进行连续式批量生产。 2 2）时间长，成本高。）时间长，成本高。 3 3）接合表面要求严格。）接合表面要求严格。 4 4）设备一次性投资较大，且

11、连接工件的尺）设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设备的限制。寸受到设备的限制。摩擦焊摩擦焊 利用焊件相对摩擦运利用焊件相对摩擦运动产生的热量，使连动产生的热量，使连接端部达到接端部达到热塑性状热塑性状态态-然后迅速然后迅速顶锻顶锻，破碎界面氧化膜破碎界面氧化膜-并通过界面元素并通过界面元素扩散扩散及及再结晶再结晶冶金反应实冶金反应实现可靠连接的一种压现可靠连接的一种压力焊方法。力焊方法。摩擦焊的应用摩擦焊的应用 可焊接可焊接大多数同种或异种金属大多数同种或异种金属。高温时，塑性良好。高温时，塑性良好的同种金属以及能够互溶、扩散的异种金属，都具的同种金属以及能够互溶、扩散的异种金属，都具有

12、良好的焊接性。有良好的焊接性。 高温强度高、塑性低、导热性好的高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接，材料不容易焊接，如不锈钢如不锈钢- -铜、硬质合金铜、硬质合金- -钢等。钢等。 活性金属活性金属（如钛、锆等）（如钛、锆等） 、表面氧化膜不易破碎表面氧化膜不易破碎或或有镀膜、渗层及有镀膜、渗层及摩擦系数小摩擦系数小（如铸铁、黄铜等）的（如铸铁、黄铜等）的金属很难焊接。金属很难焊接。摩擦焊的特点摩擦焊的特点 优点优点 属固相焊，焊接接头质量高，废品率是闪光属固相焊，焊接接头质量高，废品率是闪光焊的焊的1%1%，接头组织致密；，接头组织致密； 工件变形量（焊接余量）小，焊前不需特殊工件变

13、形量（焊接余量）小，焊前不需特殊表面处理，不需填充材料和保护气体；表面处理，不需填充材料和保护气体； 适合于大多数同种或异种金属的焊接；适合于大多数同种或异种金属的焊接； 操作简单、易于实现机械化、自动化；操作简单、易于实现机械化、自动化； 高效、节能、环保（无火花、弧光、有害气高效、节能、环保（无火花、弧光、有害气体）。体）。 缺点缺点 焊件的结构形状与焊接位置受限；焊件的结构形状与焊接位置受限； 对焊件的加工与夹持要求较高；对焊件的加工与夹持要求较高； 接头有飞边，焊后需进行机械加工去除；接头有飞边，焊后需进行机械加工去除； 设备一次性投资费用高。设备一次性投资费用高。摩擦焊分类摩擦焊分类

14、 连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊 惯性摩擦焊惯性摩擦焊 相位摩擦焊相位摩擦焊 径向摩擦焊径向摩擦焊 线性摩擦焊线性摩擦焊 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊 通常所说的摩擦焊主要是指通常所说的摩擦焊主要是指连续驱动摩擦焊、相位控制连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊，统称摩擦焊，统称传统摩擦焊传统摩擦焊，共同特点是共同特点是靠两个待焊件之靠两个待焊件之间的相对摩擦运动产生热能间的相对摩擦运动产生热能。 而搅拌摩擦焊是靠而搅拌摩擦焊是靠搅拌头搅拌头和和待焊件之间的相对摩擦运动待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。产生热量而实现焊接。搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊 英国焊接研

15、究所英国焊接研究所19911991年推出：年推出：焊接时焊接时高速旋转的高速旋转的搅拌搅拌头上的特形头上的特形搅拌针插入工件的接缝处搅拌针插入工件的接缝处，与工件摩擦生，与工件摩擦生热，使被焊金属呈热，使被焊金属呈热塑性状态热塑性状态 , ,搅拌金属形成一个搅拌金属形成一个空空腔腔并并随搅拌头前移，被随搅拌头前移，被挤出的热塑性金属填入挤出的热塑性金属填入先前形先前形成的空腔，冷却后即形成致密的焊缝。成的空腔，冷却后即形成致密的焊缝。搅拌摩擦焊过程搅拌摩擦焊过程 搅拌头扎入阶段搅拌头扎入阶段 是将具有一定转速的搅拌是将具有一定转速的搅拌头缓慢扎入接合面内，在扎入过程结束时热循头缓慢扎入接合面内

16、，在扎入过程结束时热循环温度达到最高。随着搅拌头沿焊缝方向行走，环温度达到最高。随着搅拌头沿焊缝方向行走，热循环温度迅速下降。热循环温度迅速下降。 搅拌摩擦焊接过程搅拌摩擦焊接过程分为三个阶段：分为三个阶段： 搅拌头扎入阶段搅拌头扎入阶段 搅拌头沿焊缝方搅拌头沿焊缝方向行走阶段向行走阶段 搅拌头提起阶段搅拌头提起阶段 搅拌头沿焊缝方向行走阶段搅拌头沿焊缝方向行走阶段 搅拌头必须搅拌头必须向前向前方方金属施加金属施加挤压挤压作用，搅拌针的旋转促使材料作用，搅拌针的旋转促使材料流流动到搅拌头后方的空腔内动到搅拌头后方的空腔内，因而搅拌头与焊件间，因而搅拌头与焊件间的摩擦作用较强，摩擦热输入和热循环

17、温度较高。的摩擦作用较强，摩擦热输入和热循环温度较高。 搅拌头提起阶段搅拌头提起阶段 搅拌头与焊件界面间的摩擦热搅拌头与焊件界面间的摩擦热输入不断降低，因而热循环最高温度降低。搅拌输入不断降低，因而热循环最高温度降低。搅拌头离开焊件后，头离开焊件后， 在在焊缝的终端形成一个匙孔焊缝的终端形成一个匙孔。热影响热影响区区热机影响区热机影响区焊焊 核核 区区搅拌摩擦焊工艺 搅拌摩擦焊接参数主要搅拌摩擦焊接参数主要包括搅拌头转速包括搅拌头转速n n、焊接、焊接速度速度v v 、搅拌头仰角和轴、搅拌头仰角和轴肩压力（铝镁合金的搅拌肩压力（铝镁合金的搅拌摩擦焊接头的检测结果）。摩擦焊接头的检测结果）。 搅

18、拌头仰角表示搅拌头向后倾斜的程度，向后倾斜的目搅拌头仰角表示搅拌头向后倾斜的程度，向后倾斜的目的是对焊缝施加压力，改变接头致密性和软化材料填充。的是对焊缝施加压力，改变接头致密性和软化材料填充。 轴肩压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅拌后的塑性金轴肩压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅拌后的塑性金属施加压紧力，防止高温塑性金属属施加压紧力，防止高温塑性金属“上浮上浮”，控制焊缝成形和孔，控制焊缝成形和孔洞。洞。 目前搅拌摩擦焊主要用于熔焊性能不好、强度级别不高的铝、目前搅拌摩擦焊主要用于熔焊性能不好、强度级别不高的铝、镁、铜、钛等有色金属及其合金的焊接。镁、铜、钛等有色金属及其合金的焊接。 搅拌摩擦焊的弱点搅拌摩擦焊的弱点(1) (1) 焊接速度不高焊接速度不高：板材单道焊接速度低于电弧焊。：板材单道焊接速度低于电弧焊。(2) (2) 焊件的夹持要求较高：