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第二章扩散焊

发布日期:2020-12-09 16:20 作者:波音直营平台 点击:

  第二章扩散焊_其它_职业教育_教育专区。第二章 扩散焊 与其他焊接方法相比较,扩散焊接方法具有以下一些优点: (1)接头质量好 (2) 零部件变形小 (3) 可一次焊接多个接头 因而扩散焊可作为部件的最后组 装连接工艺。 (4) 可焊接大断

  第二章 扩散焊 与其他焊接方法相比较,扩散焊接方法具有以下一些优点: (1)接头质量好 (2) 零部件变形小 (3) 可一次焊接多个接头 因而扩散焊可作为部件的最后组 装连接工艺。 (4) 可焊接大断面接头 (5) 可焊接其他焊接方法难于焊接的材料 (6) 与其他热加工、热处理工艺结合可获得较大的经济效益 1 扩散焊缺点 扩散焊缺点 (1) 对零件待焊表面的制备和装配的要求较高 (2) 焊接热循环时间长,生产率低。在某些情况下 会产生一些副作用,例如母材晶粒可能过度长大 (3) 设备一次性投资较大,而且焊接工件时尺寸受 到设备的限制 (4) 对焊缝的焊合质量尚无可靠的无损检测手段 2 第一节 扩散焊原理 图2-1 金属线 金属表面吸附层组成示意图 1-极化分子层 2-水吸附层 3-气体吸附层 4-氧化层 5-变形区 6-金属 3 一、同种金属扩散焊模型 图2-3 扩散焊的三阶段模型 a) 凹凸不平的初始接触 b) 第一阶段:变形和交界面的形成 c) 第二阶段:晶界迁移和微孔消除 d) 第三阶段:体积扩散,微孔消除 4 影响其扩散过程和程度的主要工艺因素 (1) 温度 影响扩散焊进程的主要因素是原子的扩散,而影响原子扩散的主要因 素是浓度梯度和温度。动力学理论对温度在扩散焊中的影响提供了定量的解释, 即: D =D0e-Q/kT 式中:D-在T温度下的扩散系数 D0—比例常数 e—自然对数的底 Q—扩散激活能 k—波尔兹曼常数 T—绝对温度 这个公式表明,升高温度对提高原子扩散速度有极大作用,所以扩散焊一般都在 高于1/2金属的熔化温度下进行 (2) 压力 压力主要影响扩散焊第一阶段的进行。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 高的扩散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 (3) 时间 扩散焊三个阶段的进行均需要较长的时间。如扩散时间过短,严重时 会导致焊缝中残留有许多孔洞,影响接头性能。 5 二、瞬间液相扩散焊过程 图2-4 瞬间液相扩散焊接过程示意图 a)扩散前准备好的组合件 b)加热到焊接温度 c)在焊接温度下扩散 使接头等温凝固 d)等温凝固完成,继续均匀化 e)完全均匀化的焊缝 6 三、其它扩散焊问题 对子异种材料(包括非金属材料,如陶瓷、石 墨等)的扩散焊和虽有中间层,但中闻层不熔 化的扩散焊 在异种金属A与B扩散焊 7 第二节 扩散焊种类 一、同种材料扩散焊 同种材料扩散焊通常指不加中间层的两同种金 属直接接触的扩散焊。对这种类型的扩散焊, 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。氧溶解度大的金属如钛、铜、铁 、锆、钽等最易焊接,铝及其合金,含铝、铬 、钛的铁基及钴基合金则因容易形成氧化物而 难于焊接。 8 二、异种材料扩散焊 异种材料扩散焊是指异种金属或金属与陶瓷, 石墨等非金属的扩散焊。进行这种类型的扩散 焊时,可能出现下列现象: 1由于膨胀系数不同而在结合面上出现热应力 。 2在结合面上由于冶金反应而产生低熔点共晶 组织或者形成脆性金属间化合物。 3由于扩散系数不同而在接头中形成扩散孔洞 。 4由于两种金属的电化学性能不同,接头易出 现电化学腐蚀 9 三、加中间层扩散焊(扩散钎焊) 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 间层或扩散剂),这样就可以焊接很多难焊的 或冶金上不相容的异种材料。在焊接过程中, 中间层经过充分扩散后,其成分逐渐接近母材 .冷却后在金相照片中不存在单独的一层。如 中间层选用熔点低于焊接温度的材料,则焊接 时中间层熔化为液相而起作用.在这种情况下 的扩散焊有人称它为,扩散钎焊。 10 四、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来加速扩 散焊接过程的一种扩散焊。焊接时选用略高于 共晶点的焊接温度,利用焊接过程中产生的微 量共晶液相,填充界面之间的空隙,以缩短焊 接过程。不过,一旦液相形成之后应立即降温 ,使之凝固.以免继续生成过量的液相。降温 后再使之经过充分的高温扩散处理,消除铸态 组织。由于共晶反应扩散焊要求对温度控制较 严,因而实际上较少采用。 11 五、瞬间液相扩散焊(简称TLP法) 随着扩散焊工艺的发展,当将共晶反应扩散焊原 理应用于加中间层扩散焊时,出现了瞬间液相扩 散焊,它可降低待焊表面制备的质量要求,减少 焊接时间,提高接头质量的稳定性。它常在待焊 的表面间加一层有利于扩散的中间材料,焊接时 ,很薄的中间层在加热过程中与母材发生共晶反 应,形成极薄的液相膜.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, 从而获得成分和组织在接头纵断面上较为均匀的 接头。 12 瞬间液相扩散焊过程 图2-4 瞬间液相扩散焊接过程示意图 a)扩散前准备好的组合件 b)加热到焊接温度 c)在焊接温度下扩散使接头等温凝固 d)等温凝固完 成,继续均匀化 e)完全均匀化的焊1缝3 六、热等静压扩散焊 这种扩散焊是利用高压(例如70MPa) 气 体对工件进行各向均匀加压。它与机械式 加压比较,有加压均匀,不易损坏构件的 优点,因而特别适合于脆性材料的扩散焊 。由于设备特殊(常用制造粉末冶金的热 等静压设备),目前未能披广泛采用。 14 七、超塑成型—扩散焊 (简称SPF--DB ) 对于在高温下具有超塑性的金属材料,例如 TC4钛合金,可以在高温下用较低的压力同时 实现成形和焊接。采用此种组合工艺的条件之 一是材料的超塑性成形温度与扩散焊接温度相 近。该工艺方法的特点是扩散焊在低真空下完 成,扩散焊压力为气体压力以保证对板材加压 均匀。 15 第三节 扩散焊工艺 为获得优质的扩散焊接头,除根据所焊部件的 材料、形状和尺寸等选择合适的扩散焊方法和 设备外,精心制备待焊零件,选取合适的焊接 条件并在焊接过程中控制主要工艺参数是极其 重要的。另外,从冶金因素考虑仔细选择合适 韵中间层和其他辅助材料也是十分重要的。焊 接的加热温度、对工件施加的压力以及扩散的 时间是主要的工艺参数 16 一、工件待焊表面的制备和清理 1.表面机加工 2.除油污和表面侵蚀 17 二、中间层材料的选择 中间层的作用是: 1) 改善表面接触,从而降低对待焊表面制备质量的要 求,降低所需的焊接压力。 2) 改善扩散条件,加速扩散过程,从而可降低焊接温 度,缩短焊接时间。 3) 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组织。 4) 避免或减少因被焊材料之间物理化学性能差异过大 所引起的问题,如热应力过大,出现扩散孔洞等。 18 因此所选择的中间层材料应是 1) 容易塑性变形; 2) 含有加速扩散的元素,如硼、铍、硅 等; 3) 物理化学性能与母材差异较被焊材料 之间的差异小; 4) 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; 5) 不会在接头上引起电化学腐蚀问题。 19 三、止焊剂 扩散焊中为了防止压头与工件或工件之间某些待 定区域被扩散粘结在一起,需加止焊材料(片状 或粉状),这种辅助材料应具有以下性能: 1) 高于焊接温度的熔点或软化点; 2) 有较好的高温化学稳定性,高温下不与工件 、夹具或压头起化学反应; 3) 应不释放出有害气体污染附近待焊表面,不 破坏保护气氛或线 四、焊接工艺参数 1.温度 对许多金属和合金,扩散焊温度为 0.6~0.8Tm(K) (Tm为母材熔点),对出 现液相的扩散焊,加热温度比中间层材 料熔点或共晶反应温度稍高一些。液相 填充间隙后的等温凝固和均匀化扩散温 度可略为下降。 21 2.压力 图2-5 焊接接头强度与压力的关系(保温时间5min) 1-T=800℃ 2-T= 900 ℃ 3-T=1000℃ 4-T =1100℃ 22 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 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。 23 图2-6 真空扩散焊接头强度与保温时间的关系(压力2oMpa,结构钢) 24 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,常用线 第四节 扩散焊设备 一、线-线 真空扩散焊机结构示意图 2-被焊零件 3-高频加热线 二、超塑成型—扩散焊设备 1.由普通液压机与专门设计的加热平台构成 1-陶瓷加热平合 2-线-钛合金扩散焊零件 7-垫块 27 2 压力机的平台置于加热炉内,其平台由 耐高温的合金制成。为加速升温,平台内 亦可安装加热元件 1-下金属平台 2-上金属平台 3-炉壳 4-导筒 5-立住 6-油缸 7-上模具 8-下模具 9-气管 10-活动炉底 28 三、热等静压扩散焊设备 ? 1-电热器 ? 2-炉衬 ? 3-隔热层 ? 4-电源引线-线 第五节 扩散焊接头质量及检验 扩散焊工艺过程较易控制,重复性好。 生产中主要靠控制工艺过程中各参数来 保证质量,同时采用随机抽样进行金相 检查,并配以超声等无损检测手段,但 到目前为止,还无十分可靠的非破坏性 检测手段 30 一、力学性能 正常的同种金属扩散焊接头的组织和性 能与基体材料相同。当扩散焊接头中存 在未焊合或孔洞时,接头塑性性能指标 将明显下降,而抗拉强度在缺陷尺寸小 ,数量不多时,仍可能与母材相同。 31 二、缺陷 扩散焊接头缺陷主要是未焊合和孔洞( 界面孔洞和扩散孔洞)。界面孔洞缺陷 形式在表面制备清理不良,气氛中氧分 压过高以及工艺参数选择不当时,会产 生上述缺陷,尤其在焊接区边缘部分, 因压力较低,更易出现缺陷。 32 三、检测 常用切取金相试片方法来检查焊缝情况。根据 液相检查的界面长度(L)与其中未焊合的线 段长度(L未)来计算焊合率〔(L-L未)/Lx loo%〕。目前,尚无可靠的无损检测方法来 检查十分紧密接触,但晶粒生长未穿过界面的 未焊合区域。生产和试验中也用高灵敏度的超 声扫描检测装置来检查,但只对明显分离的未 焊合和尺寸较大的空洞有效。对某些产品也可 采用真空检漏方法和气压气密检查方法来检测 穿透性未焊合缺陷。 33 第六节 扩散焊的应用 图2-12 能进行扩散焊的材料组合 34 一、钛合金的扩散焊 图2-13 超塑成型-扩散焊结构的一般形式 ?a)加强板结构(一层板) b)整体加强结构(二层板) ?c)桁条芯夹层结构(三层板) d)蜂窝夹层结构(四层板) 35 二、镍基合金的扩散焊 镍基合金扩散焊多采用低熔点的中间层 ,此中间层含有能降低络点又易于扩散 到母材的硼,硅等元素。此类中间材料 很脆、很硬、常以粉末状态(加适当有 机粘结剂)使用。 36 三、异种材料的扩散焊 1.陶瓷与金属的扩散焊 2.异种金属的扩散焊 3.纤维增强金属基复合材料的生产 37 四、特殊结构的扩散焊 某些零件,如细丝网作成的气滤油滤器,虽被焊 工件为普通材料,其熔焊、钎焊的焊接性均较好 。但因其结构复杂,用熔焊有困难,用钎焊时也 会因钎料流布不均匀或因钎料流失而造成结构性 能恶化,此时采用扩散焊就可获得满意的结果。 38

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