第九章 擴散焊

第9章擴散焊主要內容9.1概述9.2擴散焊的分類及擴散焊方法9.3擴散焊的原理9.4擴散焊的工藝9.5常用材料的擴散焊9.6擴散焊設備9.1概述擴散焊（Diffusionwelding）是在一定的溫度和壓力下使待焊表面相互接觸，通過微觀塑性變形或通過在待焊表面上產生的微量液相而擴大待焊表面的物理接觸，然后經過較長時間的原子間相互擴散來實現(xiàn)結合的焊接方法。

擴散焊的接頭性能可與母材相同，適合焊接異種金屬材料、石墨和陶瓷等非金屬材料、彌散強化高溫合金、金屬基復合材料和多孔性燒結材料等。擴散焊已廣泛用于反應堆燃料元件、蜂窩結構板、靜電加速管、各種葉片、葉輪、沖模、過濾管和電子元件等的制造。擴散焊的優(yōu)點1）接頭質量高。2）零部件變形小，無需后續(xù)加工。3）可焊接其他焊接方法難以焊接的材料和工件。擴散焊的缺點1）零件待焊表面的制備和裝配要求較高；2）焊接過程中焊接時間長，生產率低。在某些情況下會產生一些晶粒過度長大等現(xiàn)象。3）設備一次性投資較大，且被焊工件的尺寸受設備限制。無法進行連續(xù)量生產。4）焊接質量的無損檢測手段不完善。9.2擴散焊的分類及方法按被焊材料的組合形式來分，擴散焊可分為有中間層擴散焊和無中間層擴散焊，而后者又可分為同種材料擴散焊和異種材料擴散焊。如果按焊接過程中接頭是否出現(xiàn)過液相來分可分為固相擴散焊和液相擴散焊。同種材料擴散焊指不加中間層的同種金屬間直接接觸的擴散焊。這類擴散焊一般對待焊表面制備質量要求高，焊接時要求施加較大壓力，焊后接頭的成分、組織與母材基本一致。鈦、銅、鋯、鉭等最易焊接。鋁及鋁合金以及含鋁、鉻、鈦的鐵基合金因其氧化物不易去除而難于焊接。異種材料擴散焊指異種金屬或金屬與陶瓷、石墨等非金屬的擴散焊。異種材料擴散焊時在結合面上可能會出現(xiàn)熱應力、產生低熔點共晶組織或脆性金屬間化合物、形成擴散空洞以及電化學腐蝕等問題。加中間層擴散焊對難熔金屬或異種材料進行擴散焊時，可在被焊材料之間加一層金屬或合金（俗稱中間層），可以焊接難焊金屬或冶金上不相容的異種材料，也可焊接熔點很高的同種材料。固相與液相擴散焊固相擴散焊指焊接過程中母材和中間層均不發(fā)生熔化或產生液相的擴散焊方法。液相擴散焊擴散焊過程中接縫區(qū)短時出現(xiàn)微量液相，短時出現(xiàn)的液相有助于改善擴散表面接觸，允許使用較低的擴散焊壓力。微量液相可通過共晶反應或者添加特殊釬料來獲得。微量液相在焊接后期經等溫凝固及均勻擴散過程，形成成分與母材接近的接頭。真空擴散焊真空擴散焊是常用方法，通常在真空擴散焊設備中進行。被焊材料或中間層合金中含有易揮發(fā)元素時不應采用此方法。由于設備尺寸限制，僅適用于焊接尺寸不大的工件。超塑成形擴散焊對于超塑性材料，例如TC4鈦合金，可在高溫下用較低的壓力同時實現(xiàn)成形和焊接。采用此種組合工藝可以在一個熱循環(huán)中制造出復雜空心整體結構件。在該組合工藝中擴散焊的特點是：擴散焊壓力低，與成形壓力相匹配；擴散焊時間較長，可達數(shù)小時。在超塑狀態(tài)下進行擴散焊有助于提高焊接質量，該方法已經在航空航天工業(yè)中得到應用。熱等靜壓擴散焊熱等靜壓擴散焊是在熱等靜壓設備中進行焊接。焊前應將組裝好的工件密封在薄的軟質金屬包囊中并將其抽真空，封焊抽氣孔，然后將整個包囊置于加熱室內加熱，利用高壓氣體與真空氣囊中的壓力差對工件施加各向均衡的等靜壓力，在高溫高壓下完成擴散焊過程。焊接是所加氣壓壓力可達100MPa。當工件輪廓不能充滿包囊時，應采用夾具將其填滿，防止工件變形。該方法尤其適用于脆性材料的擴散焊。9.3擴散焊的原理金屬在不熔化情況下，必須使兩待焊表面緊密接觸，達到相互原子間的引力作用范圍（1～5×10－8cm）內，這樣才可能形成金屬鍵，獲得具有一定強度的接頭。實際上，金屬表面在微觀上總是凹凸不平的，所以在零壓力下接觸時，其實際接觸點只占全部表面積的百萬分之一，在施加一般壓力時，實際緊密接觸面積僅占全部表面積的1％左右，其余表面之間的距離均大于原子引力起作用的范圍。同種金屬擴散焊原理擴散焊時，通過對連接界面加壓和加熱，使得表面氧化膜破碎和表面微觀凸出部位發(fā)生塑性變形和高溫蠕變，因此，在若干微小區(qū)域出現(xiàn)金屬之間的結合。這些區(qū)域進一步通過連接表面微小凸出部位的塑性變形、母材之間發(fā)生的原子相互擴散得以不斷擴大，當整個連接界面均形成金屬鍵結合時，也就是最終完成了擴散連接過程。第一階段為物理接觸階段，在一定溫度下微觀不平的表面，在外加壓力的作用下，通過屈服和蠕變機理使一些點首先達到塑性變形。在持續(xù)壓力的作用下，金屬表面吸附層被擠開，氧化膜被擠碎，表面上微觀凸起點被擠平，接觸面積逐漸擴大，最終達到整個面的可靠接觸。第二階段是接觸界面原子間的相互擴散，形成牢固的結合層。連接表面達到緊密接觸后，由于變形引起的晶格畸變、位錯、空位等各種缺陷大量堆集，界面區(qū)的能量顯著增大，原子處于高度激活狀態(tài)，擴散遷移十分迅速，因此很快就形成以金屬鍵連接為主要形式的接頭，如圖9-2(c)所示。這個階段大部分孔洞消失，而且會產生連接界面的移動。第三階段是在接觸部分形成的結合層，逐漸向體積方向發(fā)展，形成可靠的連接接頭。這個階段要消除界面、晶界和晶粒內部的殘留孔洞，使接頭組織與成分均勻化，最后達到晶粒穿過界面生長，原始界面完全消失，如圖9-2(d)所示。氧化膜的去除方式氧化膜的去除方式與基體材料的特性有關，根據(jù)基體材料的特性，可分為三類：鈦鎳型、鋼鐵型和鋁型。鈦鎳型基體材料主要靠在母材中溶解作用去除氧化膜，最終界面無氧化膜痕跡，不會對擴散連接接頭造成影響；鋼鐵型基體材料主要靠球化聚集作用去除氧化膜，最終在接合面的空隙上形成細小分散的氧化物夾雜；鋁型基體材料主要靠破碎作用去除氧化膜，或者利用真空室中較強的還原元素將鋁表面的氧化膜還原。9.3.2液相擴散焊原理過渡液相擴散焊連接（TransientLiquidPhaseDiffusionBonding,TLP-DB）也稱瞬時液相擴散連接，通常采用比母材熔點低的材料做中間夾層，在加熱到連接溫度時，中間層熔化，在結合面上形成瞬間液膜。在保溫過程中，隨著低熔點組元向母材的擴散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經一定時間的保溫而使成分均勻化。與一般的固相擴散焊相比，液相擴散焊具有如下優(yōu)點：液體金屬原子的運動比較自由，且易于在母材表面形成穩(wěn)定的原子排列而凝固；使界面的緊密接觸變得容易；可大幅降低連接壓力。液相擴散焊過程第一階段為置于兩被焊表面之間的中間層在較低的壓力作用下與待焊表面接觸，如圖9-3(a)所示。第二階段為中間層與母材之間發(fā)生共晶反應或中間層熔化，形成液相并潤濕填充接頭間隙，如圖9-3(b)所示。第三階段為等溫凝固階段，如圖9-3(c)所示。工件處于保溫階段，液相層與母材之間發(fā)生擴散。在一開始，母材邊緣因液相中低熔點元素擴散進來而熔點下降，直至熔入液相，液相熔點則因高熔點母材元素的熔入和液相低熔點元素擴散進母材而提高。晶粒從固相基體表面向液相生長，經過一定時間擴散后液相層變得越來越薄。第四階段為等溫凝固過程結束，液相層完全消失，接頭初步完成，如圖9-3(d)所示。等溫凝固所獲得的結晶成分幾乎一致，均為此溫度下固-液相平衡成分，避免了熔焊或普通釬焊時的不平衡凝固組織。第五階段為均勻化擴散階段，如圖9-3(e)所示。接頭成分和組織進一步均勻化，此階段可與焊后熱處理合并進行。9.3.3異種材料擴散焊原理在異種材料尤其是金屬與非金屬或非金屬與非金屬擴散焊時，界面將發(fā)生化學反應，形成各種界面化合物。化學反應首先在相互接觸的局部形成反應源，而后接觸面積變大，反應面積也變大，反應生成的化合物也逐漸長大。當整個界面都發(fā)生化學反應時，生成相也由不連續(xù)的粒狀或塊狀成長為層狀，形成良好的擴散連接接頭。界面化學反應主要有兩種:化合反應和置換反應?；戏磻饕l(fā)生在金屬經過氧化層與陶瓷或玻璃進行連接時，在界面形成各種尖晶石、硅酸鹽及鋁酸鹽等物質。置換反應是以活潑元素置換非活潑元素，在界面形成新的反應物。在擴散焊過程中，界面反應多數(shù)屬于置換反應。例如Al-Mg合金與玻璃或陶瓷連接時，界面發(fā)生置換反應，其反應機制見圖9-4。鋁與氧化硅在界面上相互作用時，二氧化硅中的硅被鋁置換，還原為硅原子溶解于鋁當中。當達到飽和濃度后，則硅由固溶體中析出并成長為新相。9.4擴散焊的工藝9.4.1固相擴散焊工藝固相擴散焊的工藝包括表面處理、裝配工件、裝爐、擴散焊接、爐冷。1、工件表面的制備、清理及裝配（1）機械加工（2）除油（3）表面侵蝕（4）真空烘烤、輝光放電、離子轟擊等來清理表面（5）工件裝配中間層材料的選擇在工件之間增設中間層是實現(xiàn)異種材料擴散焊的有效工藝措施，特別對原子結構差別很大的材料。中間層的作用有：（1）改善表面接觸，降低對表面要求，降低焊接壓力。（2）改善擴散條件，加速擴散過程，降低溫度，縮短時間。（3）改善冶金反應，避免或減少形成脆性金屬間化合物和不希望有的共晶組織。（4）避免或減少因被焊材料之間的物理化學性能差異過大導致的問題，如熱應力過大，出現(xiàn)擴散孔洞等。

中間層材料應滿足如下條件：（1）容易發(fā)生塑性變形。（2）含有加速擴散或降低中間層熔點的元素，如硼、鈹、硅等。（3）物理化學性能與母材差異較被焊材料之間的差異小。（4）不與母材產生不良的冶金反應。（5）不會在接頭上引起電化學腐蝕問題。通常，固相擴散焊的中間層是熔點較低（但不低于焊接溫度），塑性好的純金屬，如銅、鎳、銀等，液相擴散焊的中間層是與母材成分接近，但含有少量易擴散的低熔點元素的合金，或是能與母材發(fā)生共晶反應，又能在一定時間內擴散到母材中的金屬。中間層厚度一般為幾十微米，有利于縮短均勻化擴散處理時間。止焊劑擴散焊時為了防止壓頭與工件或者工件之間某些特定區(qū)域被擴散焊焊接在一起，需要加止焊劑（也稱阻焊劑或隔離劑，片狀或粉狀），這種輔助材料應具有如下性能：（1）高于焊接溫度的熔點或軟化點。（2）有較好的高溫化學穩(wěn)定性，高溫下不與工件、夾具或壓頭發(fā)生化學反應。（3）不應釋放出有害氣體污染附近待焊表面，不破壞保護氣氛或真空度。擴散焊工藝參數(shù)加熱溫度加熱溫度是擴散焊最重要的工藝參數(shù)，在一定的溫度范圍內，溫度愈高，擴散過程愈快，所獲得的接頭強度也高。從這一點考慮，應盡可能選用較高的擴散溫度。但加熱溫度受被焊工件和夾具的高溫強度、母材成分、表面狀態(tài)、中間層材料、相變點以及再結晶溫度等因素所限制，而且當溫度高于某一定值后再提高時，接頭質量提高不多，有時反而下降。對于許多金屬及合金來說，固相擴散焊溫度為0.6~0.8Tm（K，Tm是母材熔點）。壓力施加壓力的主要作用是使結合面微觀凸起的部分產生塑性變形，達到緊密接觸，同時促進界面區(qū)的擴散，加速再結晶過程。如果壓力過低，表層塑性變形不足，表面形成物理接觸的過程進行不徹底，界面上殘留的孔洞過大且過多。較高的壓力可產生較大的表層塑性變形，還可使表層再結晶溫度降低，加速晶界遷移。高的壓力有助于擴散焊第二階段微孔的收縮和消除，也可減少或防止異種金屬擴散焊時的擴散孔洞。在其它參數(shù)固定時，采用較高壓力能產生較好的接頭。保溫時間保溫時間是指被焊工件在焊接溫度下保持的時間。在該保溫時間內必須保證擴散焊過程全部完成，達到所需的結合強度，如圖9-6所示。保溫時間太短，擴散焊接頭達不到穩(wěn)定的與母材相等或相近的強度，嚴重時導致焊縫中殘留許多孔洞，影響接頭性能。但高溫、高壓持續(xù)時間太長，對擴散焊接頭質量起不到進一步提高的作用，反而會使母材的晶粒長大。對可能形成脆性金屬間化合物的接頭，應控制時間以控制脆性層的厚度。保護氣氛焊接保護氣氛的純度、流量、壓力或者真空度、漏氣率均會影響擴散焊接頭質量。常用的保護氣體是氬氣，常用真空度是為（1~20）×10-3Pa。對有些材料也可用高純度的氮、氫或氦氣。在超塑成形擴散焊工藝中常用氬氣氛負壓（抽低真空—充氬—抽低真空，反復三次）保護鈦板表面。在其他參數(shù)相同的條件下，在真空擴散焊比在常壓氬氣保護氣氛中所需擴散時間短。9.4.2其他擴散焊工藝瞬間液相擴散焊瞬間液相擴散焊是用一種特殊成分、熔化溫度較低的薄層中間合金作為連接合金，放置在焊接面之間，施加小的壓力或不施加壓力，并在真空條件下加熱到中間合金熔化，液態(tài)的中間層合金浸潤母材表面填充毛細間隙，形成致密的連接界面。隨后，在保溫過程中，借助固液相之間的相互擴散使液相合金的成分向高熔點一側變化，最終發(fā)生等溫凝固和固相成分均勻化，結合區(qū)組織與母材相近，不會殘留凝固鑄造組織，從而形成牢固的連接。用于瞬間液相擴散焊的中間層主要有兩類：一類是低熔點合金中間層，其成分常常與母材相近，但添加了少量能降低熔點的元素，使其熔點低于母材，因此加熱時中間層直接熔化形成液相；另一類是與母材能發(fā)生共晶反應形成低熔點合金的中間層。超塑性成形擴散焊

材料超塑性是指在一定溫度下，組織為等軸細晶粒且晶粒尺寸小于3μm時，變形速率小于10－3～10－5/s時，拉伸變形率可達到100％～1500％，這種行為稱為材料超塑性。從擴散焊連接理論可知，焊接界面的緊密接觸和界面孔洞的消除與材料的塑性變形、蠕變及擴散過程關系密切。材料超塑性的發(fā)現(xiàn)，使人們聯(lián)想到可利用超塑性材料的高延展性來加速界面的緊密接觸過程，由此發(fā)展了超塑性成形擴散焊方法。9.5常用材料的擴散焊擴散焊接頭質量高，常見的金屬材料幾乎都可以進行擴散焊接。由于焊接成本較高，所以一般不用來焊接鋼材。但在大平面且接頭質量要求高的情況下可以采用擴散焊。特別適用于鈦合金，鎳合金、鋁合金以及那些用傳統(tǒng)焊接方法難以焊接的異種材料的焊接。鈦合金的擴散焊鈦合金的擴散焊一般在真空條件下進行，雖然鈦合金表面有一層致密的氧化膜，但經過適當清理，在高溫、真空的條件下，其表面的氧化膜很容易溶入母材中，不會妨礙擴散焊的順利進行。由于鈦合金屈服強度較低，根據(jù)不同要求，擴散焊使用的壓力可以在1～10Mpa之間變化，加熱時間在幾秒到幾十分鐘，加熱溫度在1073～1273K之間變化。過高的溫度及在高溫下