扩散焊教学课件

1、1,1、原理 扩散焊是指在一定的温度和压力下，被连接表面相互接触，通过使局部发生微观塑性变形，或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连接表面的物理接触，然后结合层原子间经过一定时间的相互扩散，形成整体可靠连接的过程。,第四章 扩散焊,2,1）同种材料扩散焊 不加中间层的两同种金属直接接触的扩散焊。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。 2）异种材料扩散焊 异种金属或金属与陶瓷、石墨等非会属的扩散焊。(存在问题) a.膨胀系数不同结合面上出现热应力； b.冶金反应低熔点共晶组织或脆性金属间化合物； c.扩散系数不同形成扩散孔

2、洞； d.电化学性能不同出现电化学腐蚀。,2、扩散焊的分类,3,3）加中间层扩散焊 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)，这样就可以焊接很多难焊的或冶金上不相容的异种材料，可以焊接熔点很高的同种材料。 4）固相扩散焊 焊接过程中母材和中间层均不发生熔化或产生液相的扩散焊方法。 5） 液相扩散焊 指在扩散焊过程中接缝区短时出现微量液相的扩散焊方法。有助于改善扩散表面接触情况，允许使用较低的扩散焊压力。,4,3、扩散焊的特点 (1) 接头质量好； (2) 零件变形小； (3) 可一次焊接多个接头； (4) 可焊接大断面接头； (5) 可焊接其它焊接

3、方法难于焊接的材料和工件； (6) 与其他热加工、热处理工艺结合可获得较大的技术经济效益 (7) 零件待焊表面的制备和装配要求较高； (8) 焊接热循环时间长，生产率低； (9) 设备一次性投资较大，焊件尺寸受到设备的限制 (10) 接头连接质量的无损检测手段尚不完善,优点,不足,5,扩散焊与熔焊、钎焊方法的比较,6,4、扩散焊原理及扩散机制,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，使之距离达到(15)10-6mm以内，在这种条件下，金属原子间的引力才开始起作用，才可能形成金属键，获得有一定强度的接头。实际上，金属表面无论经什么样的精密加工，在徽观上总还是起伏不平的。,

4、7,扩散焊过程,第一阶段：变形和交界面形成 接触点 屈服和蠕变 塑性变形 压力持续 接触面积增 大，晶粒间连接。 第二阶段：晶界迁移和微孔的收 缩和消除 第三阶段：体积扩散，微孔消除 和界面消失,8,原子扩散基本规律,(1) 扩散系数 单位时间内经过一定平面的平均粒子数 d=d0exp(e/rt) d扩散系数；e扩散激活能；r气体常数； d0指数前系数；t绝对温度 (2) 原子平均扩散距离 x=(2dt)0.5 x原子平均扩散距离； d扩散系数；t扩散时间,9,5、扩散焊设备,(1) 真空室 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 由扩散泵和机械

5、泵组成，扩散泵可达到1.33x10-2pa的真空度，加扩散泵后达1.33x10-51.33x10-4pa。 (3) 加热系统 由感应线圈和高频电源组成，按加热方式可分为：感应加热、辐射加热和接触加热。,10,(4) 加压系统 扩散焊所施加的压力较小，压强可在1100mpa范围内变化，当材料的高温变形抗力较大，或表面粗糙、扩散焊接温度较低时，需提高压力。 (5) 测量与控制系统 包括温度、压力、真空度及时间的控制和测量。 (6) 水冷系统 一般通过水循环系统进行冷却，防止系统过热。,11,5、扩散焊工艺,(1) 工件待焊表面的制备和清理 a) 表面机加工 目的是为了获得平整光洁的表面，保证焊接间

6、隙极小，微观上紧密接触点尽可能的多。 对普通金属零件可采用精车、精刨(铣)和磨削加工，通常使粗糙度ra3.2m，ra大小的确定还与材料本身的硬度有关,对硬度较高的材料，ra应更小，对加有软中间层的固相扩散焊和液相扩散焊，以及热等静压扩散焊粗糙度要求可放宽。,12,b) 除油和表面浸蚀 通常用酒精、丙酮、 三氯乙烯或金属清洗剂除油。有些场合还可采用超声清洗净化方法。 (2) 中间层的选择 a)中间层的作用 改善表面接触，降低对待焊表面制备质量的要求，降低所需的焊接压力。 改善扩散条件，加速扩散过程，从而降低焊接温度，缩短焊接时间. 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

7、组织。 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词题，如热应力过大，出现扩散孔洞等.,13,b) 中间层材料应满足条件 容易塑性变形; 含有加速扩散或降低中间层熔点的元素，如硼、被、硅等; 物理化学性能与母材差异较被焊材料之间的差异小; 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; 不会在接头上引起电化学腐蚀问题。,14,(3) 焊接工艺参数 a)温度 在一定的温度范围内，温度愈高，扩散过程愈快，所获得的接头强度也高。加热温度受被焊工件和夹具的高温强度、工件的相变、再结晶等冶金特性所限制，固相扩散焊温度为0.60.8tm(k)( tm为母材熔点)。,15,b)压力

8、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。,16,c)保温扩散时间 扩散过程时间过短，导致焊缝中残留有许多孔洞，接头强度达不到稳定的、与母材相等或相近的强度； 过长的高温高压持续时间，对接头质量不起任何进一步提高的作用，反而会使母材晶粒长大。,17,d)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。 常用保护气体是氢气，对有些材料也可用高纯氮、氢或氮气。,在超塑成形扩散焊工艺中常用氩气氛保护钛板表面。在其他参数相同的条件下，在真空中扩

9、散焊比在常压保护氩气中所需的扩散时间短。,18,6、扩散焊接头质量检测与评价,(1) 接头存在的主要缺陷 未熔合、未焊透、裂纹、变形等 (2) 检测方法 采用着色、荧粉或磁粉探伤检测表面缺陷 采用真空、压缩空气及煤油实验检查气密性 采用超声波、x射线探伤检测接头的内部缺陷,目前超声波成像无损检测在扩散焊接头检测方面取得了初步的成果，有待于进一步研究，为扩散焊应用于航空航天等国防工业提供质量保证。,19,扩散焊目前已实现560多组异种材料的焊接。局部真空措施焊成的巨型工件长达50m ,重75t；有用533个零件焊成的一个巨大的轰炸机部件。 在宇宙飞船构件的制造中,焊接了发动机的喷管、蜂窝壁板；

10、飞机制造中的反推力装置、蒙皮、起落架、钛合金空心叶片、轮盘、桨毂；,7、扩散焊接的应用实例,20,在化工设备制造中，制成了高3m、直径1.8m的部件； 在原子能设备制造中，制成水冷反应堆燃料元件； 在冶金工业中生产了复合板； 在机械制造中应用更为广泛。利用钛合金超塑性的成形扩散焊已得到成功的应用 日常生活中家用复合底锅(焊接后无需表面处理)等等,21,钛合金中空结构,复合底锅,22,8、扩散焊接的应用实例,tini形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊工艺研究 (1)研究的意义 tini 形状记忆合金具有特殊的形状记忆效应和超弹性,及高的比强度、 抗腐蚀、 抗磨损和良好的生物相容性等特点,广泛应用

11、于航空航天、 工业制造和医疗器械等领域。但是 tini 价格较贵 ,在实际应用中将其与性能优异、 价格低廉的不锈钢连接起来是降低材料成本 ,扩大其应用范围的重要途径。 (2)焊接难点 tini 和不锈钢的物理化学性质(如熔点、导热系数、热膨胀系数、 晶体结构等)相差很大 ,采用常规连接方法时 ,接头易产生应力集中而开裂 ,且结合界面易形成 tife , tife2 , tic 等脆性金属间化合物 ,严重影响接头的性能,23,(3) 实验材料及方法 实验材料为ti5012ni4918 (质量分数/ %)和304不锈钢 , 采用 50m 厚的 agcu 金属箔作中间过渡层 ,其化学成分为 agcu

12、28 ,熔点为779 , 室温的抗拉强度为 343mpa。 实验采用搭接接头, 试样尺寸为 30mm 10mm 2mm , 搭接长度为10mm。 (4)焊接工艺参数 实验在真空扩散炉中进行。真空度为110 10 - 21. 0 10 - 3pa , 焊接温度 ( t) 为 820900 , 保温时间(t)为 20100min , 压力( p)为 0011mpa。,24,(5) 实验结果分析 连接温度对接头强度的影响 t=60min , p = 0. 05mpa 时接头的剪切强度随连接温度的变化如右图所示。随着连接温度的升高 ,接头剪切强度先增加后减小。,保温时间对接头强度的影响 t=860, p=0. 05mpa时,接头的剪切强度随保温时间的变化如图右所示。随焊接时间的延长,熔化的液态中间层逐渐铺展到基体金属的表面。同时 焊缝组织逐渐均匀化 ,最终得到性能良好的焊接接头。,25,连接压力对接头强度的影响 连接压力较温度和时间对接头性能的影响相对较小。 当连接压力较小时,被焊材料表面只有少量微观凸起发生物理接触 ,且塑性变形小 ,提供的变形能也很少 ,故焊合率较小 ,接头强度不高。当压力增加到 0. 05mpa 时, 有效接触面积和变形能力增加 , 中间层与母材间隙减小 , 界面原子扩散加快 ,接头强度较高。但当压力过大时 ,连接的过程中可能挤出液态的中间层 ,减少了界面原子