真空扩散焊焊接

2020-07-27

1. 真空扩散焊焊接方法基本概念

    真空扩散焊是将两个被焊件表面相互接触,靠近到很小距离,当这个距离能与被焊材料的原子作用相比拟时,接触面上的原子首先相互发生作用和转移,形成离子键,金属键和共价键,在一定条件下进一步发生原子的相互扩散以及回复、再结晶等过程,形成牢固性接头。达到原子作用距离,在许多资料中称为接触面的紧贴、紧密接触或物理接触。紧密接触是在一定压力作用下,使接触表面产生局部塑性变形达到的。紧密接触的表面在足够温度作用下使表面活化,并提供足够的胡扩散能量,使互扩散加速进行。因此扩散可以说是在适当的压力作用下,将紧密接触的被焊零件,加热到预定的温度,并保温一定时间,形成永固性接头的过程。

扩散焊是两紧密贴合的焊件在真空或保护气氛中,经过一定温度和压力的保持,使接触面原子相互扩散完成焊接的一种压焊方法。这种焊接方法是在完全没有液相或者仅有极小量的渡液相的参加下,通过金属间原子相互扩散与金属键结合来实现两焊件的焊接,其接头内不留任何铸态组织,且因为没有引入任何其它元素,故其接头成份和组织与基体均匀一致,原始界面完全消失,两焊件最终变成一个。

将工件在高温下加压,但不产生可见变形和相对移动的固态焊接方法。扩散焊一般以间接热能为能源,通常是在真空或保护气氛下进行。焊接时使两被焊工件的表面在高温和较大压力下接触并保温一段时间,以达到原子间距离,经过原子相互扩散而接合。焊前不仅需要清洗工件表面的氧化物等杂质,而且表面粗糙度要低于一定值才能保证焊接质量,使用这种焊接方法时接合面间可预置填充金属。

扩散焊对被焊材料的性能几乎不产生有害作用,可以用来焊接很多同种和异种金属以及一些非金属材料,如陶瓷等,并且可以焊接复杂的结构及厚度相差很大的工件。

2. 基本原理和分类

2.1 基本原理

     材料的扩散焊是以物理纯表面的主要特性之一为根据,该种表面由于开裂的原子键而具有结合能力。 
   
采用真空和其他净化表面的方法之后,就有可能利用上述原子结合力,来连接两个和两个以上的表面,随后表面上产生的扩散过程提高了这一连接的强度。 
  
扩散焊接要求有一足够的挤压力,以便使焊接表面之间的距离缩短到原子之间力的相互作用半径。连接某一材料所需的压力应足以消除工件表面微观的不平度。 
  
在真空中,高于再结晶温度时只施加不大的压力,就足以使相接触的焊件接合如果连接区域扩散开,并具有体积特性时,则就获得了连接的可靠性和强度。  
  
用这种焊接方法,可以连接具有不同硬度、强度、相互润湿的各种材料,其中包括异种金属、陶瓷、金属陶瓷,这些材料用熔化焊接方法焊接都不能得到良好效果。例如,在生产中,首次实现了下述材料之间的高质量连接:陶瓷和可伐合金、铜、钛、玻璃和可伐合金;黄金和青铜;铂和钛;银和不锈讽钢;铌和陶瓷、钥;钢和铸铁、铝、钨、钛、金屑陶瓷、锡;铜和铝、钛;青铜和各种金属等等。这还远不是真空扩散焊所能够焊接材料的全部。 
  
机械制造、工具、电子学、航空工业、仪表、造船、半导体以及其他部门已应用这一新方法来制造电真空器件、工具、制动器、水力机械的部件、双金属的各种零件(焊接后无需表面处理)等等。 
  
经检验后证明:真空扩散焊的焊接接头的机械强度、热稳定性、密封性、耐腐蚀性和弹性都能满足重要构件的技术要求。尤为突出的是:扩散焊接的工件的尺寸可以从几微米到几米。因此真空扩散焊接具有良好的经济效果。

2.2 分类

2.2.1 同种材料扩散焊

     同种材料扩散焊通常指不加中间层的两种同种金属直接接触的扩散连接。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。Ti、Cu、Ta等最易焊接;铝及其合金,含Al、Cr、Ti的铁基及钴基合金则因氧化物不易去除而难于焊接。

2.2.2 异种材料扩散焊

      异种材料扩散焊是指两种不同的金属、合金或金属与陶瓷、石墨等非金属材料的扩散连接。异种金属的化学成分、物理性能等有显著差异。两种材料的熔点、线胀系数、电磁性、氧化性等差异越大,扩散焊接难度越大。因两种材料扩散系数不同,可能导致扩散接头中形成显微孔洞;在扩散结合面上由于冶金反应产生低熔点共晶或者形成脆性金属间化合物,容易使界面处产生裂纹,甚至断裂

2.2.3 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加速扩散焊过程的方法。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。

2.2.4 瞬间液相扩散焊

     瞬间液相扩散焊是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。在扩散焊过中,中间层与母材发生共晶反应,形成一层极薄的液相薄膜,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,从而获得均匀的扩散焊接头。

2.2.5 超塑性成形扩散焊

     超塑性成形扩散焊工艺的特点是:扩散焊压力较低,与成形压力相匹配,扩散焊时间较长,可长达数小时。在高温下具有超塑性的金属材料,可以在高温下用较低的压力实现成形和连接。采用此方法的条件之一是材料的超塑性成形温度与扩散焊温度接近,该方法在低真空下完成。在超塑性状态下进行扩散焊有助于焊接质量的提高,这种方法在航空航天工业中得到应用.

3. 工艺特点和应用范围(材料、结构、环境)

3.1 工艺特点

     真空扩散焊接技术是为了适应原子能,航空,航天及电子工业等尖端科学技术领域的需要而迅速发展起来的一种特种焊接工艺方法。它是在一定的真空度条件下,将两个平整光洁的焊接表面加热到一定的温度,在不加任何焊料或中间金属的情况下,在温度和压力的同时作用下,发生微观塑性流变后相互紧密接触,利用焊件接触表面的电子,原子或分子互相扩散转移,金属键或者共价键,经一段时间保温,使焊接区的成分,组织均匀化,达到完全的冶金连接过程。由此可见,扩散焊接主要是依靠焊接表面发生微观塑性流变后,达到紧密接触,使原子相互大量扩散而实现焊接的。它能够完成用其他焊接方法难以实现的焊接工作,并且还可以实现互不溶解,高熔点金属以及非金属等异种材料之间的焊接,使它们均能够获得优质的焊接接头。

     真空扩散焊接的特点是:

   1)焊接过程是在完全没有液相或仅有极小过渡相参加下,形成接头后再经过扩散处理的过程。使其成分和组织完全与基体一致,接头内不残留任何铸态组织,原始界面完全消失。因此能保持原有基金属的物理,化学和力学性能。

 2)扩散焊由于基体不过热或熔化,因此几乎可以在不破坏被焊材料性能的情况下,焊接一切金属和非金属材料。特别适用焊接用一般焊接方法难以实现,或虽可焊接但性能和结构在焊接过程中容易受到严重破坏的材料。如弥散强化的高温合金,纤维强化的硼铝复材

料等。

 3)可焊接不同类型,甚至差别很大的材料。包括异种金属,金属与陶瓷等冶金上完全互不相溶的材料。

 4)可焊接结构复杂以及厚薄相差很大的工件。

  5)加热均匀,焊件不变形,不产生残余应力。使工件保持较高精度的几何尺寸和形状。        

扩散焊与溶焊、钎焊方法的比较

工艺条件

扩散焊

溶焊

钎焊

加热

局部、整体

局部

局部、整体

温度

0.5~0.8tm

母材熔点

高于钎料温度

表面准备

严格

不严格

严格

装配

精确

不严格

不严格

可焊材料

金属、非金属

金属

金属、非金属

裂纹倾向

变形

接头强度

接近母材

接近母材

取决于钎料强度

3.2 应用范围

适用于钛合金层板结构件、铝合金泵叶轮多层不锈钢复合滤网、单晶硅同步辐射冷却器、铝铜滤波器、屏蔽器、发电厂不锈钢阀笼、重离子加速器铜/钢冷却板、不锈钢网/板复合结构、不锈钢喷墨打印喷头等。适用于(1)难焊材料的焊接;(2)异质材料组配;3)双层或多层网/板的分层实体制造;(4)封闭复杂型空结构制造。

3.2.1 航空航天

    钛合金层板结构件,铝合金泵叶轮,多层不锈钢复合滤网等;

3.2.2 工程物理

    单晶硅同步辐射冷却器等;

3.2.3 卫星导航

    铝铜滤波器、屏蔽器;

3.2.4 民用技术

    发电厂不锈钢阀笼,重离子加速器铜/钢冷却板,不锈钢网/板复合结构,不锈钢喷墨打印喷头等。

4. 影响焊接质量的工艺参数

1)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

2)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。

4.1 加热温度

     加热温度是扩散焊最重要的工艺参数,加热温度的微小变化会使扩散速度产生较大的变化。在一定的温度范围内,温度越高扩散系数越大,扩散过程越快,所获得的接头结合强度越高。但当温度高于某一定值后,温度再提高时,扩散焊接头质量提高不多,有时反而有所下降。

     受材料的物理性能、工件表面状态、设备等因素的限制,对于许多金属和合金,扩散焊合适的加热温度一般为06~08Tm()(Tm为母材熔点)。给出一些金属材料的扩散焊温度与熔化温度的关系。对于出现液相的扩散焊,加热温度应比中间层材料熔点或共晶反应温度稍高一点。液相填充间隙后的等温凝固和均匀化扩散温度可略微降低一些。

4.2 压力

     施加压力的主要作用是使接合面微观凸起的部分产生塑性变形,达到紧密接触,同时促进界面区的扩散,加速再结晶过程。一般增加压力能提高接头强度,但过大的压力会导致工件变形。同时高压力需要成本较高的设备和更精确的控制。从经济角度考虑,应选择较低的压力。

     在其它参数固定时,采用较高压力能产生较好的接头。压力上限取决于对焊件总体变形量的限度,设备吨位等。对于异种金属扩散焊,采用较大的压力对减少或防止扩散孔洞有作用。除热等静压扩散焊外通常扩散焊压力在0.5~50MPa之间选择。对出现液相的扩散焊可以选用较低一些的压力。压力过大时,在某些情况下可能导致液态金属被挤出,使接头成分失控。由于扩散压力对第二、三阶段影响较小,在固态扩散焊时允许在后期将压力减小,以便减小工件变形。

4.3 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。在该焊接时间内必须保证扩散过程全部完成,以达到所需的强度。扩散时间过短,则接头强度达不到稳定的、与母材相等的强度。但过高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。对可能形成脆性金属间化合物的接头,应控制扩散时间以求控制脆性层的厚度,使之不影响接头性能。扩散焊时间并非一个独立参数,它与温度、压力是密切相关的。温度较高或压力较大,则时间可以缩短。对于加中间层的扩散焊,焊接时间取决于中间层厚度和对接头成分组织均匀度的要求(包括脆性相的允许量)。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。

4.4 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(1—20)X10—3Pa。对有些材料也可用高纯氮、氢或氦气。在超塑成形和扩散焊组合工艺中常用氩气氛负压(低真空)保护金属板表面。

  另外,冷却过程中有相变的材料以及陶瓷类脆性材料扩散焊时,加热和冷却速度应加以控制。共晶反应扩散中,加热速度过慢,则会因扩散而使接触面上成分变化,影响熔融共晶成.

4.5 表面准备

     扩散焊组装之前必须对工件表面进行认真准备,其表面准备包括:加工符合要求的表面粗糙度、平直度、去除表面的氧化物,消除表面的气、水或有机物膜层。

     表面的平直度和粗糙度是通过机械加工、磨削、研磨或抛光得到的,经过抛光的表面微观凹凸不平,可达到50nm。表面氧化物和加工硬化层通常采用化学腐蚀方法,应注意的是化学腐蚀后要用酒精和水清洗。

     表面去油一般用乙醇、三氯乙烯、丙酮等清洗剂,可以在多种溶液中反复清洗。这类清洗剂有毒,使用时应注意安全。真空加热可以有效地清除有机物、水和气体吸附层,烘烤温度一般不超过300

     扩散焊接头质量与保护方法、保护气体、母材与中间扩散层的冶金物理性能等因素有关。表面准备之后,必须随即对清洁的表面加以保护,保护措施可以在真空环境中或加氢、氩、氦等保护气氛。但氢能与Zr、Ti、Nb和Ta形成不利的氢化物,应注意避免。

4.6 保温时间

     保温时间是指被焊工件在焊接温度下保持的时间。在该保温时间内必须保证扩散过程全部成

,达到所需的结合强度保温时间太短,扩散焊接头达不到稳定的与母材相等的强度。但高温、高压持续时间太长,对扩散接头质量起不到进一步提高的作用,反而会使母材的晶粒长大。对可能形成脆性金属间化合物的接头,应控制保温时间以控制脆性层的厚度,使之不影响接头性能。

     保温时间与温度、压力是密切相关的,大多数由扩散控制的反应都是随时间变化的。温度较高或压力较大时,时间可以缩短。在一定的温度和压力条件下,初始阶段接头强度随时间延长增加,但当接头强度提高到一定值后,便不再随时间而继续增加。在实际焊接中,焊接时间可以在一个较宽的范围内变化,但从提高生产率考虑,在保证强度条件下,保温时间越短越好。

  在实际生产中,所有工艺参数的确定均应根据试焊所得接头性能挑选出1个最佳值(或最佳范围)。

5.焊接方法设备及装备组成和性能指标

5.1 焊接方法设备及装备组成

     在进行扩散焊时,必须保证连接面及被连接金属不受空气的影响,必须在真空或惰性气体介质中进行。现在采用最多的方法是真空扩散焊。真空扩散焊可以采用高频、辐射、接触电阻、电子束及辉光放电等方法,对工件进行局部或整体加热。工业生产中普遍应用的扩散焊设备,主要采用感应和辐射加热的方法。

    扩散焊设备是由真空室.真空系统.加热系统.加压系统.对温度和真空度的检测以及控制装置等组成。无论何种加热方式的扩散焊设备都主要由以下几部分组成:

5.1.1 真空室和真空系统

     真空室越大,要达到和保持一定的真空度,对所需真空系统要求越高。真空室中应有耐高温材料围城的均匀加热区,以保持设定的温度;真空室外壳需要冷却。真空系统一般由扩散泵和机械泵组成。机械泵只能达到1.33*10^-2的真空度,加扩散泵后可以达到1.33*10^-41.33*10^-5Pa的真空度,可以满足材料的扩散焊要求。真空度越高,越有利于被焊材料表面杂质和氧化物的分解与蒸发,促进扩散焊的顺利进行。但真空度越高,抽真空的时间越长。按真空度可分为:低真空、中真空、高真空等。

5.1.2 加热系统

 一般由感应线圈和高频电源组成根据不同的加热需求,辐射加热可选用钨或石墨做加热体,经过高温辐射对工件进行加热。按加热方式可分为:感应加热、辐射加热和接触加热。

5.1.3 加压系统

     扩散焊过程一般要施加一定的压力。在高温下材料的屈服强度较低,为避免构件的整体变形,加压只是使接触面产生微观的局部变形。扩散焊所施加的压力较小,压强可在1~

100MPa范围内变化。只有当材料的高温变形阻力较大,或加工表面较粗糙,或扩散焊温度较低时,才采用较高的压力。分为液压系统、气压系统、机械系统、热膨胀加压等。目前主要采用液压和机械加压系统.

5.1.4 测量与控制系统

现在应用的扩散焊机都具有对温度、压力、真空度及时间的控制系统。可实现对温度从202300的测量,温度控制的精度可在±510.压力的测量与控制一般是通过压力传感器进行的。

5.1.5 水冷系统

     一帮通过水循环系统进行冷却。扩散焊设备启动前应接通水冷系统。

5.2 性能指标

1、  最高焊接温度1450—2000度;

2、  均匀区:¢300*300MM,按照要求设计;

3、 工作真空度:6.6*10Pa

4、 焊后变形量控制:0.2—2%

5.2.1 点:

1、 固相焊接,对母材热损伤小,为熔焊、难焊材料提供了有效的焊接方法;

2、 变形量小、变形可控,近终成形,为金属分层实体的制造提供了可靠方法;

3 可与真空钎焊结合,实现复合工艺制造。

 

6.典型零件的应用实例

   铝合金与不锈钢的焊接,钛合金与95%氧化铝陶瓷的封接,无氧铜,镀镍可伐及蒙乃尔合金与95%氧化铝陶瓷和99.5%氧化铝的封接。

 
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