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铝焊方法-扩散焊

 
扩散焊
扩散焊接(亦称扩散连接)是在不高于母材熔点的温度和不致引起母材产生宏观变形的压力的作用下,使相互接触的两个零件表层发生微观塑性变形,实现紧密的物理接触,通过表层原子相互扩散而实现冶金结合的焊接过程。
自20世纪80年初出现扩散技术后,扩散焊技术已获得迅速的发展和具有重要意义的应用。
与气体焊接方法相比较,扩散焊方法具有下列优点:
① 接头质量好。扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相同。
② 焊接变形小。扩散焊时整体加热和冷却,施加的压力不致引起焊件宏观塑性变形,机械加工后扩散焊的焊件无需再加工。
③ 可焊接其他焊接方法难以焊接的材料。如焊接性不良的同种材料,相互不熔化或熔化时会产生脆性金属间化合物的异种材料等。
④ 可焊接截面大、结构复杂的焊件。如波纹板夹层结构,经过成形和热处理工艺相结合,可实现其超塑成形并扩散连接。
扩散焊的缺点是零件待焊表面的制备和装配要求高;焊接热循环时间长,生产率低;设备一次性投资较大,焊件的尺寸受设备的限制;接头质量检验较难,检测手段尚不完善。

一、焊接过程原理
现代扩散焊的分类如下:
扩散焊可分为:
a、固相扩散焊:包括无中间层和加中间层
b、液相扩散焊:包括无中间层(反应扩散型)和加中间层,加中间层又可分为反应扩散型(TLP)和中间层熔化型
1.固相扩散焊
固相扩散焊的特点是过程中不出现液相。
扩散焊接的必要条件是待连接的两表面必须全面地紧密接触。但无论经过何种精密加工,零件表面在微观上仍是凸凹不平和附有氧化膜等杂物,如图15-1所示。
固相扩散焊接过程模型如图15-2所示。
固相扩散焊过程模型
整个焊接过程可分为三个阶段,图12-a为两表面凹凸不平部位初始接触状态。
第一阶段:变形发展,界面形成,在加热和加压条件下,由于接触点截面积小,压应力大,接触点高温软化并发送塑性变形,该处吸附层被挤开,氧化膜被挤碎,凸起的接触点被压平,形成金属链连接。随着变形的继续,接触点数量逐渐增加,接触点链接区逐渐扩大,局部表面形成晶粒之间的连接,形成交界面,未接触部分形成“孔洞”而残留在界面行。图15-2b。
第二阶段:晶界迁移,孔洞缩小。通过原子扩散和再结晶,使界面上晶界发生迁移,界面上孔洞缩小,继而大部分孔洞在界面上消失,形成焊缝(图15-2c)。
第三阶段:体积扩散,界面消失。原子扩散向纵深发展,原始界面完全消失,界面上残留的微小孔洞也随之消失,界面处实现冶金结合,接头成分逐渐均匀。
在扩散焊接过程中,不同材料的表面氧化膜的行为各不相同,如表15-1所示。

表15-1 不同材料表面氧化膜行为
材料类型
钛合金型
钛铜合金
铝合金型
氧化膜行为
溶解
球化聚集
破碎
结果
界面无氧化膜痕迹
界面留有细小分散氧化物
界面残留破碎的氧化膜


铝及铝合金表面氧化膜非常稳定,它在过程中只能被破碎,而不能被清除而消失,故界面结合强度较低。

2.液相扩散焊
液相扩散焊的特点是在整个过程中有液相出现和消失的中间过程。
液相扩散焊可细分为几种不同的情况:
① 无中间层。无中间层液相扩散焊应用于能形成低熔点共晶体或图熔体的两种相异材料的焊接中,如Ni+Al、铜铝、锌铝、钡铝、镁铝、银铝等,它们的共晶温度如表15-2所示。
异材组合时共晶体熔化温度
无中间层液相扩散焊时,焊接温度应略高于两者共晶体的共晶温度。加热加压是,氧化膜破裂,两种母材接触点处,氧化膜被挤碎,两母材相互精密接触,由于元素相互扩散,该处达到共晶成分而熔化,形成局部液相,随着保温时间的延长,液相体积增大并填充到整个结合面间歇中,同时,液相的出现加速固相母材与液相之间的元素扩散迁移进程,液相的成分逐渐改变,当成分达到其液相线相当于焊接温度时,液相开始等温凝固过程,随后则是接头区元素的继续扩散和均匀化。
② 有中间层。有中间层的液相扩散焊有两种不同类型。一种是焊接温度低于中间层材料的熔点,通过中间层中元素向母材扩散,形成低熔点成分而出现液相,随后的过程则与上述无中间层液相扩散过程相似,这种方法也称为TLP法。另一种是采用低熔点的中间层材料,熔化后液相填充整个接头面积,这一过程基本与钎焊相同,随后在继续保温时间内,母材向液相中间层溶解、扩散,使其成分改变而进行等温凝固剂成分的扩散和均匀化。与钎焊不同的是这种方法得到的接头中并不是残存有钎料的钎缝,而是在两母材间形成共同晶粒的连续并冶金结合的接头。
液相扩散焊时,压力的作用不如固相扩散焊时那样明显,因此它可以采用较低的压力,特别是当采用较软的中间层材料时,可避免焊件发生变形,更精确地控制焊件的尺寸精度。

二、扩散焊设备
扩散焊可在真空或纯净的气体保护下进行。焊接设备必须具备如下4个基础条件:
1.加热装置
2.加压装置
3.焊接循环程序控制装置
4.真空或气体保护或真空-气体保护
扩散焊接设备根据不同条件可有不同的类型:
1.真空扩散焊机
2.冷壁式真空加热炉
3.热壁式真空加热炉
4.普通加热炉
5.真空箱
6.气体保护箱
7.其他设备


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