異種金屬焊接

1、異種金屬焊接技術(shù)何康生、曹雄夫編著 機(jī)械工業(yè)出版社 1986年10月第一版隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的要求越來(lái)越高，如造船和海洋工程要求解決大面積拼板、大型立體框架結(jié)構(gòu)自動(dòng)焊及各種低合金高強(qiáng)鋼的焊接問(wèn)題；石油化學(xué)工業(yè)要求解決各種耐低溫及耐各種腐蝕性介質(zhì)壓力容器的焊接問(wèn)題；航空航天工業(yè)中要求解決鋁、鈦等輕合金結(jié)構(gòu)的焊接問(wèn)題；重型機(jī)械工業(yè)中要求解決大截面構(gòu)件的拼接問(wèn)題；電子及精密儀表制造工業(yè)要求解決微精密焊件的焊接問(wèn)題。工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整及技術(shù)進(jìn)步對(duì)焊接技術(shù)提出了更高的要求，同時(shí)也促進(jìn)了傳統(tǒng)焊接工藝的變革與新型焊接技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的現(xiàn)代焊接技術(shù)正逐步取代能耗大、效率低和工作

2、環(huán)境差的傳統(tǒng)焊條電弧焊焊接工藝，焊接技術(shù)結(jié)構(gòu)性的轉(zhuǎn)變必將對(duì)裝備制造業(yè)技術(shù)水平與生產(chǎn)能力的提升發(fā)揮更加重要的作用?，F(xiàn)代化動(dòng)力機(jī)械、化工和石油加工設(shè)備以及多種食品的許多零部件，都要在高溫、巨大的載荷、強(qiáng)烈浸蝕性介質(zhì)、電磁場(chǎng)或放射性環(huán)境中長(zhǎng)期工作。因此，用來(lái)制造這些零部件的材料，必須是滿(mǎn)足上述要求的特殊材料，如高合金鋼、有色金屬以及專(zhuān)用合金等。顯然，如果整個(gè)設(shè)備和儀器都采用貴重材料制造，不但會(huì)使生產(chǎn)工藝過(guò)程大為復(fù)雜化、顯著提高設(shè)備和儀器的造價(jià)、更重要的是滿(mǎn)足不了使用要求。此外，運(yùn)載火箭、航天器、超音速飛機(jī)、現(xiàn)代化的潛艇等部門(mén)的發(fā)展更與材料性能緊密相關(guān)，這些部門(mén)要求使用的材料在低溫和高溫下有很高的比強(qiáng)

3、度，以及在振動(dòng)和高速運(yùn)行時(shí)，具有足夠的強(qiáng)度和壽命，以保證長(zhǎng)期工作的可靠性。目前對(duì)所有材料的性能分析表明，單獨(dú)使用任何一種材料都不能同時(shí)滿(mǎn)足上述的全部要求。通常，任何一種構(gòu)件在使用過(guò)程中，其各部分所承受的載荷并不一致，一部分零件的工作條件較差，可能接近許用應(yīng)力的極限值，而另一部分零件的工作條件可能只承受很小的應(yīng)力。顯然，在這種場(chǎng)合下，應(yīng)用異種金屬焊接結(jié)構(gòu)就比較合理。把異種金屬零件連接成一個(gè)整體部件，焊接常常是最好的方法。有時(shí)也可以采用釬焊，但接頭的強(qiáng)度和耐腐蝕等性能往往受到釬料性能的限制，不容易滿(mǎn)足較高的使用要求?，F(xiàn)有的機(jī)械連接法不但連接工藝復(fù)雜，而且在使用過(guò)程中多半不能滿(mǎn)足可靠性要求。一些常用

4、金屬的主要物理性能金屬密度熔點(diǎn)比電阻線膨脹系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)熱容量晶格類(lèi)型晶格參數(shù)202801000500050020/m3.m.10-8.10-6W/m.KJ/.Km.10-6Al27006602.624.0204880面心立方4.040V60001735268.330體心立方3.033W1930034105.54.0164525體心立方3.158Fe780015399.711.978460體心立方2.860Co890014956.212.569453稠密立方2.502/4.061Cu890010831.616.5390380面心立方3.608Mo1020026255.15.1152268體心立方

5、3.140Ni890014556.813.558444面心立方3.516Nb8500241513.16.252284體心立方3.294Sn730023211.521.064230正方晶格5.819/3.175Pb1130032720.629.535130面心立方4.493Ag105009601.618.9420210面心立方4.077Ta16600299612.46.656146體心立方3.295Ti45001820804.513578稠密立方2.953/4.729Zn71004195.930.0112370稠密立方2.659/4.935Zr65001750415.45.817289稠密立方3

6、.223/5.123常見(jiàn)異種金屬組合、焊接方法及焊縫中的形成物被焊金屬焊接方法焊縫中的形成物熔焊壓焊溶液金屬間化合物鋼Al及Al合金電子束焊、氬弧焊冷壓焊、電阻焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊、爆炸焊在-Fe中Al033%FeAl；Fe2Al3；Fe2Al7鋼Cu及Cu合金氬弧焊、埋弧自動(dòng)焊，電子束焊，等離子焊、電渣焊摩擦焊、爆炸焊在-Fe中Cu08%在-Fe中Cu014%鋼Ti電子束焊、氬弧焊擴(kuò)散焊、爆炸焊在-Ti中Fe0.5%在- Ti中Fe025%FeTi，F(xiàn)e3Ti鋼Mo擴(kuò)散焊在-Fe中Mo含量可達(dá)6.7%FeMoFe3Mo2Fe7Mo8鋼Nb在-Fe中Nb可達(dá)1.8%在-Fe中Nb可達(dá)1.0%Fe

7、NbFe2NbFe2Nb5鋼V連續(xù)系列VnCm 型碳化物鋼Ta電子束焊有限溶解Fe2TaAlCu氬弧焊埋弧自動(dòng)焊冷焊、電阻焊、爆炸焊、擴(kuò)散焊Al在Cu中溶解到9.8%以下CuAl2AlTi擴(kuò)散焊、摩擦焊Al在-Ti中溶解到6%以下TiAl，TiAl3TiTa電子束焊氬弧焊連續(xù)系列TiCuCu在-Ti中溶解到2.1%以下,在-Ti中溶解到17%以下Ti2Cu，TiCu，Ti2Cu3，TiCu2，TiCu3CuMo電子束焊擴(kuò)散焊CuTa特種焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍焊接方法材料接頭形式板厚焊件種類(lèi)鋼鐵非鐵金屬對(duì)接T形接頭搭接薄板厚板超厚板建筑機(jī)械車(chē)輛橋梁船舶壓力容器核反應(yīng)堆汽車(chē)飛機(jī)家用電器電子束焊ABAB

8、ABABBABBBBBABB激光焊AAACAABCBBBCCBBAAB等離子弧ABABAABBBAABBAABBC擴(kuò)散連接AABBABACBABBBBBBAB摩擦焊ABACDBCCBABCCCCBCC超聲波焊AADCAACDDCDDDDCBBB爆炸焊AAABABAABBBBABBBCC冷壓焊BBCCAACDDCDDCDCCCB熱壓焊ADABCCACBCCCCCDCCD注：A表示最佳；B表示較好；C表示差；D表示最差。電子束焊異種金屬時(shí)所采用的中間過(guò)渡層金屬被焊金屬過(guò)渡層金屬NiTaPtMo鋼Ni鉻鎳鋼TiV鉻鎳鋼ZrV鋼硬質(zhì)合金Co、NiAlCuZn、Ag黃銅PbSn低合金鋼碳鋼10MnSi8

9、電子束焊的異種金屬組合AlBeCuGeAuFeMgMoNiPdPtSiAgTaIrTiWZrVUAlBeCuGeAuFeMgMoNiPbPtSiAgTaIrTiWZrVU激光焊的異種金屬組合AlMoFeCuTaNiSiWTiAuAgGeCoAlMoFeCuTaNiSiWTiAuAgGeCo焊接良好電阻焊的異種金屬組合1234567891011121314151鐵2未氧化過(guò)的鋼（C0.20%）3酸洗過(guò)的鋼（C0.20%）4爐中加熱的鋼5粗鋼6高強(qiáng)度合金鋼7含Co鋼8鍍鋅鋼9鍍錫鋼10鍍鉻鋼11FeCr合金(70/30)12Fe-Cr-Ni合金(74/18/8)13FeNi合金(64/36)14F

10、eNi合金(50/50)15FeNiCo合金(54/29/17)16171819202122232425262728293016Ag17Al18Al合金19Au20Cd21Cu22CuAl合金(96/4)23CuBe合金(97.5/2.5)24CuSn合金25CuZn26Mo27鎳黃銅28Ni29鋅白銅30W注：焊接性良好貯能焊的異種金屬組合12345678910111、Al2、Ag3、Fe、Ni合金4、Cu、Ni合金5、Ni6、黃銅7、Cu8、鋼9、Mo10、W11、Ta注：焊接性良好冷壓焊的異種金屬組合TiCdBePdPtSnPbWZnFeNiAuAgCuAiTiCdBePdPtSnPbW

11、ZnFeNiAuAgCuAl注：焊接性良好超聲波焊的異種金屬組合1234567891011121314151617181Al及Al合金2Be及Be合金3Cu、黃銅4Ge5Au6Fe、鋼7Mg及Mg合金8Mo及Mo合金9Ni及Ni合金10Pb及Pb合金11Pt及Pt合金12Si13Ag及Ag合金14Ta及Ta合金15Sn16Ti及Ti合金17W及W合金18Zr及Zr合金注：焊接性良好摩擦焊的異種金屬組合12345678910111213141516171819201Al2杜拉鋁3鉛4青銅5鑄鐵6Cu7電解銅8黃銅9蒙乃爾10Ni11NiCrTi合金12Ag13結(jié)構(gòu)鋼14合金鋼15不銹鋼16Ta1

12、7Ti18W19V20Zr注：焊接性良好爆炸焊的異種金屬組合12345678910111213141516171819202122232425262728291234567891011121314151617181920212223242526272829注： 焊接性良好。1、低碳鋼；2、中碳鋼；3、低合金鋼；4、合金鋼；5、鑄鋼；6、不銹鋼；7、Ni 及Ni合金；8、因康洛依；9、因康鎳；10、蒙乃爾；11、哈斯特洛依；12、Cu；13、BeCu；14、黃銅；15、青銅；16、Al；17、Be；18、Nb；19、Nb合金；20、Au；21、鉿；22、Mg；23、Mo；24、Pt；25、Ag；

13、26、Ta；27、W；28、Ti；29、Zr擴(kuò)散焊的異種金屬組合1234567891011121314151617181920212223241234567891011121314151617181920212223241、Al；2、Be；3、Pb；4、玻璃；5、石墨；6、灰口鑄鐵；7、硬質(zhì)合金；8、陶瓷；9、康銅；10、柯氏合金；11、塑料；12、Cu；13、Mo；14、Ni；15、Nb；16、磷青銅；17、Ag；18、碳鋼；19、高合金鋼；20、Ta；21、Ti；22、W；23、鋼青銅；24、Zr注：焊接性良好。金屬壓焊的理論基礎(chǔ)壓焊是在低于被焊金屬熔點(diǎn)的溫度下，不添加填充金屬，施加一定的

14、壓力，使接頭產(chǎn)生必要的塑性變形，實(shí)現(xiàn)焊接的方法。壓焊的機(jī)理極為復(fù)雜，它是理論家和工程師們長(zhǎng)期以來(lái)所注意的課題，也是長(zhǎng)期爭(zhēng)論的內(nèi)容，而且迄今為止，許多機(jī)理還遠(yuǎn)未被人們所揭示和了解。一、薄膜學(xué)說(shuō)薄膜理論認(rèn)為，焊接性并不取決于材料本身的性能，而是決定于零件被焊接表面的狀態(tài)。只要去掉被焊金屬表面的油膜和氧化膜，在協(xié)調(diào)一致變形（相互接觸的兩種不同金屬在外力作用下，產(chǎn)生變形方向和變形速度相同的塑性變形，稱(chēng)為協(xié)調(diào)一致的變形）過(guò)程中，使被焊零件互相接近到原子間力的作用范圍內(nèi)，就能形成焊接接頭。他們把氧化膜分成硬而脆的，和韌而易變形的兩類(lèi)。當(dāng)金屬零件冷變形時(shí)，硬而脆的氧化膜即被粉碎，裸露出清潔的金屬層，當(dāng)它們相

15、互接近到原子間力的作用距離時(shí)，就牢固的結(jié)合在一起；如果金屬表面上的薄膜是韌而易變形的，在塑性變形時(shí)，易變形的氧化膜就會(huì)隨同金屬一起流動(dòng)，而阻礙接頭的形成。試驗(yàn)證明，兩種被焊材料原子直徑不同，對(duì)焊接過(guò)程的影響最大。用接觸面上結(jié)晶方向不同的單晶體所做的試驗(yàn)表明，結(jié)晶的方向?qū)饘俚南嗷ソY(jié)合力也有很大的影響。此外，目前已經(jīng)采用壓焊的方法焊接金屬與非金屬材料，例如用擴(kuò)散焊焊接金屬與陶瓷，而陶瓷本身就是氧化物，這一事實(shí)已使純潔金屬表面的概念失去其意義。綜上所述，薄膜理論雖然可以很好地解釋冷壓焊的焊接機(jī)理，但它已經(jīng)不能解釋其他壓焊；實(shí)踐中不斷出現(xiàn)的許多現(xiàn)象，因此，不能用它來(lái)作為單純地解釋所有壓焊的理論基礎(chǔ)。

16、二、再結(jié)晶理論帕克斯根據(jù)金屬在變形量很大時(shí)，再結(jié)晶溫度會(huì)顯著下降的事實(shí)提出了再結(jié)晶理論。在冷壓焊時(shí)，形成接頭的主要過(guò)程是接觸區(qū)的再結(jié)晶過(guò)程。也就是說(shuō)，金屬的變形和變形所引起的冷作硬化，在高溫的作用下，會(huì)使被焊零件界面邊緣的晶格原子重新排列，形成同屬于兩個(gè)被焊件的共同晶粒，這樣，就使相互接觸的金屬焊接在一起。但是，必須指出，再結(jié)晶理論首先要求在連接區(qū)形成共同的晶粒，其次要求在接觸區(qū)兩邊形成晶粒方向一致的晶界。此外，還要求在界面上的晶粒要具有金屬內(nèi)部晶粒的一切特征。因此，我們說(shuō)，再結(jié)晶理論所論證的問(wèn)題，是接觸表面已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)合以后的組織變化過(guò)程，而沒(méi)有對(duì)結(jié)合過(guò)程的本身進(jìn)行論證。實(shí)際上，許多試驗(yàn)說(shuō)明，

17、贊成這一理論的人并沒(méi)有掌握令人信服的依據(jù)。三、位錯(cuò)學(xué)說(shuō) 位錯(cuò)學(xué)說(shuō)認(rèn)為當(dāng)兩個(gè)相互接觸的金屬產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的塑性變形時(shí)，位錯(cuò)遷移到金屬的接觸表面，從而使金屬的氧化膜破除，并產(chǎn)生高度只有一個(gè)原子間隔距離的小臺(tái)階。把金屬接觸表面上出現(xiàn)位錯(cuò)看作是塑性變形阻力的減小，因而有利于金屬的連接。但從另一個(gè)角度來(lái)看，金屬表面上出現(xiàn)位錯(cuò)，必定會(huì)增加表面上的不平度，這就造成接觸表面比內(nèi)部金屬大得多的塑性變形。由此可知，結(jié)合過(guò)程是接觸區(qū)金屬的塑性流動(dòng)的結(jié)果。四、擴(kuò)散理論卡扎柯夫提出了被焊金屬在一定溫度（0.60.8倍的熔化溫度）下形成焊接接頭的擴(kuò)散理論。他認(rèn)為，在接頭區(qū)域中存在著一層很薄的互擴(kuò)散理論。他認(rèn)為，在接頭區(qū)保證

18、了優(yōu)質(zhì)的焊接接頭?？磥?lái)，這一理論也不全面，根據(jù)這種擴(kuò)散理論推斷，如果增加互擴(kuò)散區(qū)的厚度，應(yīng)能提高接頭的機(jī)械性能。但事實(shí)并非完全如此。在任何形式的固態(tài)焊過(guò)程中，必這都會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散過(guò)程，當(dāng)然它對(duì)接頭的形式的固態(tài)焊過(guò)程中，必定都會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散過(guò)程，當(dāng)然它對(duì)接頭的形成過(guò)程會(huì)有所影響。實(shí)踐證明，對(duì)同種金屬，擴(kuò)散確實(shí)起到了有利的影響，但它僅是一種次要的影響。異種金屬固態(tài)焊的實(shí)際結(jié)果，有時(shí)完全相反。擴(kuò)散理論的致命弱點(diǎn)是：它沒(méi)有考慮接觸表面的激活過(guò)程和相互結(jié)合過(guò)程可能會(huì)限制整個(gè)優(yōu)質(zhì)接頭的形成過(guò)程。例如產(chǎn)塑性變形能力相差很大的兩種金屬在弱作用力下壓焊，或者同種金屬在較低溫度（低于熔化溫度的50%）下，接觸表面的激活過(guò)

19、程和結(jié)合過(guò)程都會(huì)限制優(yōu)質(zhì)接頭的形成過(guò)程。在被焊金屬之間產(chǎn)生擴(kuò)散過(guò)程，顯然是要在接觸表面已經(jīng)形成結(jié)合以后才能發(fā)生。因此，也不能用擴(kuò)散理論作為單純地解釋所有形式壓焊的理論基礎(chǔ)。五、能量學(xué)說(shuō)西苗諾夫認(rèn)為，引起金屬間相互結(jié)合的條件，不是金屬原子的擴(kuò)散，而是金屬原子所含有的能量。當(dāng)被焊材料相互接觸時(shí)，即使它們的原子已經(jīng)接近到晶格參數(shù)的數(shù)量級(jí)，只要原子所含有的能量還沒(méi)有達(dá)到某一水平（這一能量水平可以稱(chēng)為該金屬結(jié)合的最低能量），就不足以使它們之間產(chǎn)生結(jié)合。只有當(dāng)接觸處金屬原子的能量提高到某一水平，表面之間才會(huì)形成金屬鍵，它們之間的界面開(kāi)始消失而連接在一起。能量學(xué)說(shuō)應(yīng)用了激活狀態(tài)的概念，其實(shí)質(zhì)是從能量的角度來(lái)

20、觀察接頭的形成過(guò)程，彌補(bǔ)了上述各種理論的不足之處。但是，也還存在著一些缺點(diǎn)，眾所周知，導(dǎo)致晶格能量增加的冷作硬化會(huì)使金屬的結(jié)合能力變差，對(duì)這一現(xiàn)象就不能用能量學(xué)說(shuō)來(lái)解釋。實(shí)際上能量學(xué)說(shuō)并沒(méi)有提示出金屬間的結(jié)合到底與連接金屬的哪些物理-化學(xué)性能有關(guān)。壓焊理論上的不統(tǒng)一，可能是由于缺乏大量有關(guān)焊接參數(shù)和焊接條件對(duì)焊接質(zhì)量影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。上述各種理論各自都有自己致命的弱點(diǎn)，不能單獨(dú)地用它們來(lái)解釋形式眾多的壓焊機(jī)理。但是，它們又是從不同形式壓焊實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的理論，對(duì)局部的現(xiàn)象都有其合理的成分。因而，近來(lái)業(yè)已居上述各種理論的基礎(chǔ)上總結(jié)出關(guān)于包含各種形式的壓焊特征的一些共同的概念。其中焊接過(guò)程三階段的理

21、論是目前公認(rèn)的壓焊過(guò)程的理論基礎(chǔ)。壓焊焊接過(guò)程的三階段模式：第一階段是物理接觸的形成階段，也就是被焊材料的原子依靠塑性變形，在整個(gè)接觸面上相互接近到能夠引起物理作用的距離；或者被焊材料的原子依靠塑性變形相互接近到足以產(chǎn)生弱化學(xué)作用距離以?xún)?nèi)，這時(shí)，位錯(cuò)消失而使塑性材料的接觸表面激活，形成弱化學(xué)鍵的條件。第二階段是接觸表面的激活，形成激活中心，然后兩個(gè)被焊表面之間產(chǎn)生物理和化學(xué)的相互作用，最后形成化學(xué)鍵，所以也稱(chēng)化學(xué)的相互作用階段。激活中心的出現(xiàn)及激活時(shí)間的長(zhǎng)短取決于較硬一側(cè)的被焊材料（如硬質(zhì)合金、難熔金屬等）的塑性變形。焊接同種金屬時(shí)，第一階段與第二階段是摻和在一起進(jìn)行的，很難區(qū)分開(kāi)，因?yàn)閮蓚€(gè)接

22、觸表面在相互接近過(guò)程中，當(dāng)產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的塑性變形而使個(gè)別凸出點(diǎn)被壓平時(shí)，其激活過(guò)程就已經(jīng)開(kāi)始實(shí)行了。已經(jīng)使物理接觸面實(shí)現(xiàn)結(jié)合后，金屬材料通過(guò)結(jié)合面向周?chē)鷶U(kuò)散的階段叫做第三階段，在國(guó)外文獻(xiàn)中，通常也稱(chēng)為“體”的相互作用階段。在第一階段，既要在接觸面上形成牢固的化學(xué)鍵，而且還要從接觸面的“面”發(fā)展到“體”。這種發(fā)展過(guò)程中，當(dāng)相互分離的中心匯合到一起時(shí)，這時(shí)在接觸面的作用已宣告結(jié)束。但“體”的相互作用還要等到應(yīng)力權(quán)弛后才結(jié)束。實(shí)際上，往往為了提高接頭的強(qiáng)度，必須使過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，以便讓其發(fā)生諸發(fā)再結(jié)晶，有時(shí)甚至還有異擴(kuò)散類(lèi)型的松馳過(guò)程。在焊接同種金屬時(shí)，第三階段結(jié)束的標(biāo)志是在接觸處產(chǎn)生再結(jié)晶過(guò)程，在這

23、個(gè)過(guò)程中開(kāi)始形成共同的晶粒。在焊接異種金屬時(shí)，是否需要限制第三階段中的異擴(kuò)散過(guò)程，取決于擴(kuò)散區(qū)的性質(zhì)和新相的產(chǎn)生。物理接觸的形成階段一、去除表面表面膜在擴(kuò)散焊接第一階段，從焊接面上清除掉附層和氧化膜，雨季能形成實(shí)際的接觸。從工藝的角度來(lái)說(shuō)，在焊前和焊接過(guò)程中是否能將被焊表面上的氧化膜徹底清除掉是至關(guān)重要的。被焊面的真空中加熱，油脂逐漸分解和揮發(fā)；吸附的蒸氣和各種氣體分子就解吸下來(lái)。化學(xué)吸附氣體和氧化膜最難從表面上清除。在擴(kuò)散焊的條件下，清除速度與氧化物的熱穩(wěn)定性、焊接溫度、真空度、真空中殘留氣體的成分及其它因素有關(guān)。一）、解吸：在焊接條件下，實(shí)際上只有銀、銅、鎳等金屬的氧化物才能解吸下來(lái)。提高

24、溫度經(jīng)?？梢允菇饘俦砻嫔系难趸锝Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而提高真空度可以使氧化物開(kāi)始解吸的溫度下降。二）、升華：只有氧化物的飽和蒸氣壓高于該氧化物在氣相中蒸氣分壓的時(shí)候，才能使處在真空中的氧化膜產(chǎn)生升華。在擴(kuò)散焊條件下，鉬、鉻等金屬的氧化物可能產(chǎn)生升華。三）、蒸發(fā)：蒸發(fā)可以使很多金屬的氧化物從表面上清除掉。但是，通常只有在接近于金屬熔點(diǎn)的高溫時(shí)，才能產(chǎn)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)。當(dāng)兩個(gè)被焊零件的表面之間已經(jīng)相互接觸，產(chǎn)生強(qiáng)烈的解析、升華和蒸發(fā)等過(guò)程的可能性已大大下降。這時(shí)，去除金屬表面的氧化膜主要依靠氧化膜向基體金屬的溶解或依靠母材中所含合金元素的還原作用。如果該金屬與其氧化物的塑性、硬度和熱膨脹系數(shù)相差很大，則機(jī)械

25、作用將在接觸區(qū)的氧化膜去除過(guò)程中起決定性的作用。四）、化學(xué)反應(yīng)：不論采用任何一種真空泵進(jìn)行抽氣，在真空系統(tǒng)中仍會(huì)會(huì)有水，二氧化碳，氫，氧等化學(xué)活性氣體；這些氣體會(huì)與被焊零件表面起氧化-還原的化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)，碳是主要的還原元素。當(dāng)鋼與石墨進(jìn)行擴(kuò)散焊時(shí)，鋼表面上的氧化物的直接還原作用很劇烈，甚至可以在氣壓下進(jìn)行。對(duì)鋼零件被焊的表面涂敷一層薄薄的碳，可以?xún)艋图訌?qiáng)擴(kuò)散焊接過(guò)程。五）、溶解：在被焊零件已經(jīng)接觸的條件下，如果金屬與其氧化物的塑性、硬度、熱膨脹系數(shù)相差很大，即使極其微小的變形也會(huì)破壞氧化膜的整體性而龜裂成碎片被除去。氧化膜在基體金屬中的溶解度取決于溫度和氧在該金屬中的溶解度與擴(kuò)散速度

26、。例如氧在鈦中的擴(kuò)散速度和溶解度都特別大，比鐵、鋁等金屬要大12個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)用擴(kuò)散焊焊接鈦及其合金時(shí)，就是利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)來(lái)消除表面氧化膜的。六）、選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に噭?chuàng)造除膜的條件：擴(kuò)散焊接金屬材料時(shí)，提高真空度，能改善清除氧化膜的條件，因?yàn)樘岣哒婵斩?，可以相?yīng)地降低焊接的溫度和壓力，這點(diǎn)對(duì)于焊接工藝極為重要。此外，接頭強(qiáng)度還與氧化膜的清除程度有關(guān)。二、物理接觸的形成無(wú)論采用哪一種焊接方法，表面的物理接觸（使表面接近到原子間力的作用范圍內(nèi)）都是形成焊接接頭的必要條件。熔焊和釬焊時(shí)，由于加入了熔敷金屬或液體釬料的浸潤(rùn)，會(huì)在瞬間內(nèi)形成接觸的自生現(xiàn)象。壓焊時(shí)，就必須對(duì)被焊件施加壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)被焊面之間的物理

27、接觸。表面凹凸變形的接觸面積，一般稱(chēng)為物理接觸面積。嚴(yán)格說(shuō)，這不是相同的面積，在這種表面上可能有原子之間的相互作用。現(xiàn)已確定物理接觸面積取決于材料的性質(zhì)和施加的壓力。物理接觸（也稱(chēng)實(shí)際接觸）是作用物質(zhì)之間產(chǎn)生電子相互交換的過(guò)程，是任何化學(xué)反應(yīng)的必要條件。現(xiàn)代的科學(xué)概念認(rèn)為，金屬固態(tài)結(jié)合過(guò)程是一種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程?；瘜W(xué)反應(yīng)的結(jié)果，在被焊表面的原子之間形成較為穩(wěn)定的外層電子。由此可見(jiàn)，物理接觸也是壓焊的必要條件。在熔焊或熔焊-釬焊時(shí)，由于熔化金屬原子具有很大的活動(dòng)性，所以很容易在固態(tài)-液態(tài)之間形成物理接觸。不論那種形式的壓焊，物理接觸都是依靠一種（或二種）被焊金屬在接觸處的塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用壓焊中

28、的一些焊接方法，如冷壓焊、超聲波焊、摩擦焊和需要加熱的壓焊等，物理接觸都很重要，是決定焊接接頭強(qiáng)度的主要因素。在一般的擴(kuò)散焊過(guò)程中，實(shí)際接觸面積的增加，可以分為變形、流動(dòng)和使實(shí)際接觸面積繼續(xù)增加的擴(kuò)散幾個(gè)階段。加壓的初期，只在個(gè)別點(diǎn)上的作用應(yīng)力大大超過(guò)屈服點(diǎn)，并引起微觀突出的點(diǎn)的彈-塑性變形。但加壓后，變形速度立即增大到每分鐘為1000%。然后才有下述的關(guān)系：P = F S P外加的壓力；F接觸面上的實(shí)際壓力；S實(shí)際的接觸面積。經(jīng)過(guò)幾秒鐘的加壓力以后，變形量相應(yīng)的降低23個(gè)數(shù)量級(jí)，并轉(zhuǎn)入不穩(wěn)定的流動(dòng)階段。這時(shí)接觸區(qū)內(nèi)的塑性變形取決于溫度和壓力。；實(shí)際接觸面積可以達(dá)到名義接觸面積的4075%。實(shí)

29、際接觸面積的繼續(xù)增長(zhǎng)與材料穩(wěn)定的流動(dòng)過(guò)程有關(guān)。比較該過(guò)程激活能量，可以初步估計(jì)出材料流動(dòng)的傾向性。在外力場(chǎng)的作用下，從位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的熱激活概念出發(fā)來(lái)看待流動(dòng)時(shí)，就可以看出應(yīng)力、溫度、結(jié)晶組織中的缺陷密度、雜質(zhì)和合金元素對(duì)材料的流動(dòng)速度的決定性影響。但是在一定的焊接參數(shù)（壓力和溫度）下，金屬流動(dòng)值可能接近于零。焊接同種金屬或塑性相近的異種金屬時(shí)，在協(xié)同一致的塑性變形過(guò)程中，以及在兩個(gè)接觸表面上有微觀凸出點(diǎn)產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)，實(shí)際接觸面積會(huì)有所增加。當(dāng)兩種被焊材料的塑性差異很大時(shí)，上述規(guī)律同樣適用。但這時(shí)主要靠異種金屬中硬度較低的金屬微觀凸出點(diǎn)的彈-塑性變形來(lái)提高物理接觸面積。表面加工精度對(duì)形成物理接觸的影響

30、很大，擴(kuò)散焊時(shí)，機(jī)械清理能獲得較好的結(jié)果。摩擦焊和爆炸焊則影響不大。為了提高擴(kuò)散焊效率，減少焊接時(shí)間，降低溫度和壓力，可采取下列措施：提高表面加工精度；周期性的加壓；加塑性好的中間過(guò)渡層；提高真空度等。當(dāng)然這些措施對(duì)焊接的整個(gè)三階段都會(huì)有影響。接觸表面的激活階段一、表面激活的形成形成實(shí)際接觸面時(shí)，所產(chǎn)生的結(jié)合力還不足以產(chǎn)生表面原子間的牢固連接。為了獲得原子之間的牢固結(jié)合，就必須激活表面上的原子。表面原子的激活會(huì)導(dǎo)致原有的原子鍵的撕裂，此后才有可能使原子間的電子相互作用，這種作用的可能性取決于被焊表面上激活原子或它們的復(fù)合體相互間的排列。因此，擴(kuò)散焊過(guò)程的第二階段又可分為前后兩個(gè)時(shí)期：即前期為被

31、焊金屬表面激活時(shí)期；后期是被焊面之間形成金屬鍵時(shí)期。金屬在外力作用下所產(chǎn)生的切應(yīng)力和正應(yīng)力會(huì)引起金屬表面吸附層的塑性變形和流動(dòng)。塑性變形和流動(dòng)會(huì)使結(jié)晶組織中的缺陷發(fā)生振蕩、遷移和趕出表面。引時(shí)，釋放出來(lái)的能量決定激活中心的出現(xiàn)。如果升溫，就會(huì)使位錯(cuò)和空穴遷移的密度和速度增加。表面激活和化學(xué)相互作用是連續(xù)的。與多晶材料高溫塑變形的不均勻性有關(guān)。應(yīng)該說(shuō)明，用塑性變形的方法來(lái)激活表層原子不是唯一的方法。因?yàn)槿魏文苁乖訌谋砻嫔蠑嗔验_(kāi)的作用都可以激活表面。用射線等方法也可以激活表面。表面激活過(guò)程與形成物理接觸間的聯(lián)系是十分明顯的。但是擴(kuò)散焊第一階段的完成，并不意味著出現(xiàn)了表面完全激活。特別是異種金屬焊

32、接時(shí)尤其如此。此時(shí)，形成物理接觸是靠這兩種金屬中硬度較低的金屬變形，而表面化學(xué)作用的可能性卻受到了較硬金屬激活條件的限制。因此，異種金屬焊接時(shí)其中一種材料越硬，需加的壓力就越大，或加熱的程度就越高，但加熱溫度不能超過(guò)熔點(diǎn)較低材料的熔點(diǎn)。二、表面原子間的相互作用把各種金屬加工到表面精度相同，然后與銅進(jìn)行壓焊時(shí)發(fā)現(xiàn)，銅與各種金屬之間的物理接觸是完全依靠塑性較好的銅的變形來(lái)完成的。而且焊接所要求的壓力也大致相同。由此可知，是否能在異種金屬間形成原子鍵，首先取決于異種金屬中較硬金屬表面的激活程度，也取決于所施加壓力的大小。其次，也應(yīng)考慮材料間相互作用的物理化學(xué)特性、晶格類(lèi)型、原子和離子半徑的差別、互溶

33、性、彈性模數(shù)比值等。雖然這些因素不會(huì)妨礙焊接第二階段的進(jìn)行，但對(duì)過(guò)程的發(fā)展變化舒服影響。會(huì)使表層原子產(chǎn)生應(yīng)力。壓焊第二階段后期主要是被焊金屬表面已被激活的原子間產(chǎn)生各種相互作用階段。這時(shí)，原子的活動(dòng)性和振動(dòng)的振幅都增加了，還出現(xiàn)被吸附氣體的解吸過(guò)程，由于原子間相互作用而產(chǎn)生結(jié)合，可能從接觸面向金屬內(nèi)部擴(kuò)散幾個(gè)晶格參數(shù)的深度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，銅和鎢雖互不溶解，但仍能形成賤個(gè)原子直徑厚度的過(guò)渡層。通常，焊接過(guò)程第二階段的接頭區(qū)是一個(gè)沿著接觸面的晶格區(qū)。接頭區(qū)中存在的孔隙和氧化物夾雜是第一階段焊接過(guò)程不徹底所致。接頭受靜拉伸時(shí)，這些分散缺陷不會(huì)影響強(qiáng)度和致密性。但如果是貫穿斷面的連續(xù)缺陷，就會(huì)使接頭的塑性

34、大幅度下降。擴(kuò)散階段一、壓焊第三階段的特點(diǎn)金屬材料向周?chē)鷶U(kuò)散階段，即第三階段。這階段中會(huì)使缺陷（孔洞、氧化物夾雜等）消失；在接觸處形成共同的晶粒，并導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力松弛。其結(jié)果會(huì)使接頭的使用性能達(dá)到與基體金屬一致。如果說(shuō)在第二階段中，出現(xiàn)表層原子的反常性能，那么在自由表面已經(jīng)消失的第三階段內(nèi)，材料接觸區(qū)互相作用的特性將取決于狀態(tài)圖。根據(jù)狀態(tài)圖，異種材料體擴(kuò)散的相互作用，可能引起具有下列成分的過(guò)渡區(qū)：無(wú)限固溶體；有限固溶體；材料間互相化學(xué)作用的產(chǎn)物。對(duì)于許多不相溶的金屬，擴(kuò)散焊將終止于第二階段，而不會(huì)產(chǎn)生焊接過(guò)程的第三階段。二、不同金屬的第三階段1、無(wú)限互溶金屬：焊接具有無(wú)限互溶性的金屬時(shí)，經(jīng)過(guò)第三階

35、段的擴(kuò)散后，在接觸區(qū)會(huì)產(chǎn)生成分不定的固溶區(qū)，固溶區(qū)的寬度與焊接的溫度和時(shí)間有關(guān)。均質(zhì)的固溶體塑性很高，強(qiáng)度也高于基體金屬。均質(zhì)固溶體的特點(diǎn)是：在保持高塑性的同時(shí)，它的強(qiáng)度要比任何一種基體的強(qiáng)度都高。所以，凡是完成了焊接過(guò)程三個(gè)階段的接頭，斷裂通常都是發(fā)生在強(qiáng)度較低的基體金屬上。2、有限互溶金屬：具有有限互溶的金屬（通常隨著溫度的上升，溶解度也跟著提高，如銅與鐵）的接觸面上，會(huì)產(chǎn)生濃度不同的固溶體區(qū)域。該區(qū)域的厚度，取決于過(guò)程的溫度-壓力條件，厚度增加，由于在接頭中形成共晶體脆性層而使接頭的塑性和強(qiáng)度下降。3、產(chǎn)生金屬間化合物的金屬：有些金屬彼此之間會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物（如銅與鋁、鋯與鐵、鋯與鎳等

36、）。當(dāng)過(guò)渡區(qū)中元素達(dá)到溶解度的極限時(shí)，由于晶格的變化而產(chǎn)生了金屬間化合物。因金屬間化合物很脆，使接頭性能大為降低。通常，能形成金屬間化合物的這類(lèi)金屬之間的互溶性都很低。擴(kuò)散焊時(shí)，對(duì)共控制是一個(gè)極其復(fù)雜的課題。三、再結(jié)晶擴(kuò)散焊第三階段的再結(jié)晶是在塑性變形和實(shí)際接觸形成過(guò)程的基礎(chǔ)上產(chǎn)生?？梢园堰@一過(guò)程的進(jìn)展看作是再結(jié)晶中心的形成過(guò)程，然后由于結(jié)晶中心的增長(zhǎng)產(chǎn)生一次再結(jié)晶，由于晶界的遷徙而產(chǎn)生匯集再結(jié)晶。在一不定期的條件下，個(gè)別晶?？赡墚a(chǎn)生畸形增長(zhǎng)，而形成二次再結(jié)晶。最后，再結(jié)晶就成為穩(wěn)定而具有某種最低能量的結(jié)晶組織。必須指出，在擴(kuò)散焊的條件下，上述過(guò)程具有動(dòng)態(tài)特征。實(shí)際焊接條件下，殘留在接觸面之間

37、的孔隙和氧化夾雜物往往會(huì)阻礙晶界的移動(dòng)。夾雜物是造成接頭表面的晶界能量高于基體的主要原因。因此，擴(kuò)散焊時(shí)，形成共同晶粒的先決條件是把這些孔隙縮小到很低的程度，直到連接邊界的能量接近于基體金屬晶界的能量。擴(kuò)散焊過(guò)程中，主要依靠擴(kuò)散熔合和擴(kuò)散流動(dòng)使空隙愈合。接觸處空隙愈合的時(shí)間，首先取決于過(guò)程第一階段的進(jìn)行程度和焊接溫度。提高焊接時(shí)的變形速度，能加速孔隙的“愈合”。晶界的遷徙并不表明形成接頭的過(guò)程已經(jīng)完全結(jié)束。在接觸面上還可能殘留有個(gè)別的孔隙，影響接頭的塑性。吸人使其繼續(xù)擴(kuò)散，才能使焊接的物理過(guò)程完全結(jié)束。如果對(duì)接頭的強(qiáng)度、塑性和氣密性等有較高的要求，就必須對(duì)同種材料和互溶的異種材料的擴(kuò)散焊接過(guò)程

38、作上述三個(gè)階段的區(qū)分和分析。在擴(kuò)散焊條件下，能夠活化擴(kuò)散過(guò)程的因素通常有：提高焊接溫度和壓力、周期性的改變焊接溫度和壓力、用射線照射、能以直流電流和對(duì)表面進(jìn)行冷作硬化等。四、脆性相1、脆性相的形成在擴(kuò)散焊過(guò)程中，當(dāng)形成金屬化合物時(shí)，通常在整個(gè)接觸線上還見(jiàn)不到新相層均勻地增長(zhǎng)。這不僅因?yàn)榍皟蓚€(gè)階段具有間斷性，而且還因?yàn)樵诘谌A段中，原在表面?zhèn)€別區(qū)段內(nèi)的擴(kuò)散差異極大。眾所周知，沿著晶粒邊緣的擴(kuò)散系數(shù)要比體擴(kuò)散系數(shù)大得多。有時(shí)甚至大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，沿晶界擴(kuò)散元素的濃度要比平均濃度高。由于晶界處固溶體的局部過(guò)飽和，可能會(huì)產(chǎn)生新相的“核”。然后新相的核不斷擴(kuò)大，變成間斷的金屬間化合物的“島”。小“島”

39、不斷擴(kuò)大而連成一體，形成連續(xù)的新相層。在擴(kuò)散初期，金屬間化合物尚未形成連續(xù)層時(shí)，對(duì)接頭的機(jī)械性能沒(méi)有多大的影響。當(dāng)形成厚度3微米的連續(xù)層時(shí)，接頭的強(qiáng)度和塑性開(kāi)始大幅度下降。這是由于新相脆性很大和相間體積的變化而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力所造成的。2、減少脆性相的方法鋯與不銹鋼、鋁與銅、銅與鈦等異種金屬在擴(kuò)散焊時(shí)，必須采取一些工藝措施來(lái)控制脆性相的產(chǎn)生，其方法如下：（1）控制擴(kuò)散焊過(guò)程中第三階段的時(shí)間；（2）抑制接觸面上形成脆性相元素的大量擴(kuò)散等。根據(jù)上述理論，在第二階段已基本形成焊接接頭。如能在第二階段內(nèi)控制焊接工藝，或者使焊接接頭在第三階段內(nèi)停留極短的時(shí)間，使其來(lái)不及產(chǎn)生脆性相，或者不讓脆性相的厚度超過(guò)3微米，就能獲得滿(mǎn)意的接頭。（3）加中間過(guò)渡層抑制形成脆性相元素?cái)U(kuò)散的工藝措施通常是在異種金屬接觸面之間加入中間過(guò)渡金屬 層。中間過(guò)渡金屬分為活化過(guò)渡層和印化過(guò)渡層兩大類(lèi)。加入活化過(guò)渡層可使焊接過(guò)程的某一階段加速進(jìn)行或者進(jìn)行得更容易。采用塑性比基體金屬好的中間過(guò)渡層能使接觸面更好地形成物理接觸。這是一種減少焊接壓力、溫度和縮短焊接時(shí)間的有效方法。例如，在鋁合金中間加入純鋁就可以實(shí)現(xiàn)低溫?cái)U(kuò)散焊。在這種溫度下，純鋁的流動(dòng)速