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钎焊及扩散焊

发布日期:2020-12-09 16:20 作者:波音直营平台 点击:

  钎焊及扩散焊_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。钎焊及扩散焊 1.绪论 我国早在青铜器时代已经出现了采用钎焊进 行连接的物件;1637年明代宋应星所著《天工 开物》中有“中华小钎用白铜末,大钎则竭力 挥锤而强合之”的记载; (小钎即钎焊,大 钎

  钎焊及扩散焊 1.绪论 我国早在青铜器时代已经出现了采用钎焊进 行连接的物件;1637年明代宋应星所著《天工 开物》中有“中华小钎用白铜末,大钎则竭力 挥锤而强合之”的记载; (小钎即钎焊,大 钎为锻焊)。 1.1 钎焊及其特点 定义:钎焊是采用(或过程中自动生成)比 母材熔化温度低的钎料,采取低于母材固相线 而高于钎料液相线的焊接温度,通过熔化的钎 料将母材连接在一起的焊接技术。 原理:钎焊是利用液态钎料在母材表面润湿、 铺展与母材相互溶解和扩散以及在母材间隙中 润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散 而实现零件间的连接的。 特点 1. 钎料熔点低于母材,钎焊时母材不熔化; 2. 钎料与母材的成分有很大差别; 3. 熔化的钎料靠润湿和毛细作用吸入并保持在母材 间隙内; 4. 依靠液态钎料与固体母材的相互扩散而形成冶金 结合; 5. 钎焊技术具有很高的生产效率,一次可完成多缝 多零件的连接; 6. 钎焊技术可用于结构复杂、精密、开敞性和接头 可达性差的焊件 7. 钎焊技术特别适用于多种材料组合连接。 不足 1. 接头强度较低,耐热性差; 2. 多用搭接接头,浪费金属,增加结构重量, 易产生应力集中; 3. 焊前准备要求高,特别是表面质量及装配接 头间隙; 4. 个别钎焊工艺方法设备投资大,费用高。 2.1钎料的润湿铺展 1. 钎料的润湿与铺展过程。 润湿是指由固-液相界面来取代固-气相界面, 从而使体系的自由能降低的过程。即将液滴置 于固体表面,若液滴和固体界面的变化能使液 -固体系自由能降低,则液滴能很好润湿固相 表面并铺展开。固、液、气之间的界面张力决 定了液态钎料在母材上的润湿与铺展行为 衡量液体对母材润湿能力的大小,可用液相 与固相接触时的接触夹角θ的大小来表示。 当cosθ为正值时,即0°<θ<90°,这时液体能 润湿固体; 当cosθ为负值时,即90°<θ<180°,这时可认 为液体不能润湿固体。 θ=0表示液体完全润湿固体;θ=180°表示完全不 润湿。钎焊时,钎料的润湿角应小于20°。 毛细作用 当将两互相平行 的金属板垂直插 入液态钎料中时, 假设平行金属板 无限大,钎料量无 限多,由于存在毛 细作用,如果钎料 可以润湿金属板, 则会出现图(a)所 示的情形,否则,则 会出现图(b)的情 形。 液态钎料在毛细作用下的流动速度: V =σlg a cosθ/4ηh= a(σsg - σsl)/4ηh cosθ↑,η↓,则V↑; V ∝ 1/h ,刚开始V大,随着 h 的增加,而逐渐变慢,所以,为填满间隙,必 须有足够的保温时间。 在实际生产中,绝大部分钎焊过程是毛细钎焊 过程,即钎焊时液态钎料不是单纯地沿固态母材 表面铺展,而是流入并填充接头间隙。间隙通常 很小,类似毛细管。钎料就是依靠毛细作用而在 间隙内流动的。 影响钎料润湿作用的因素: ①钎料和母材成分——如二者在液态和固态下均 无物理化学作用,则润湿作用差。如液态钎料与 母材相互溶解或形成化合物,则润湿较好。 可 通过第三者的作用来改善润湿作用。 ②钎焊温度——利于润湿。太高,易使钎料流散、 溶蚀或晶粒粗大。 ③表面氧化物——妨碍润湿。 ④母材表面状态——粗些好。 ⑤钎剂——适当的钎剂有良好作用。 2.2钎料与母材的相互作用 钎焊时,熔化的钎料在毛细填缝过程中往往 还会与母材发生相互物理化学作用。这些作用 可以归结为两个方面: ⑴母材向钎料的溶解 溶解作用对钎焊的影响: 利——“清理”作用、合金化 弊——化合物(脆)、填缝性变差、熔蚀 ⑵钎料组分向母材的扩散 钎料与母材的相互作用可以形成下列组织:固 溶体 化合物 共晶体 钎焊过程的分解 第3章钎料与钎剂 钎料:能与母材金属无限固溶的合金元素可显著减小界面张力, 从而使钎料的润湿性得到明显的提高,比与母材金属形成金属间化合 物的合金元素好。 钎料的分类与编号 钎料可按下列三种方法进行分类。 按熔点:熔点在450℃以下的称为软钎料,高于450℃的称为硬钎 料(难熔钎料),高于950℃的称高温钎料。 按化学成:不论软硬,根据组成钎料的主要金属元素,相应称为 ?基钎料,如Ni基钎料等。 按钎焊工艺性能:自钎性钎料、真空钎料、复合钎料。 钎料按供货要求可制成带、丝、铸条、非晶态箔材、普通箔材、 粉末、环状、膏状、含钎剂芯管材(丝材)、药皮钎料、胶带状钎料 等。 钎料型号表示方法 由于历史原因,钎料的编号方法很多,主要有: ⑴国家标准GB/T6028-1995用型号表示, S表示软钎料, B表示硬钎料如:S-Sn60Pb40Sb、BAg72Cu ⑵ 原机械工业部《焊接材料产品样本》(1997)用牌 号表示如HL1?? (焊料1?? )(表9-1) 软钎料 ? Sn基及Pb基软钎料:对铜等多种金属均具有良好 的润湿和铺展能力,在电子工业中应用最广泛。 ? Cd基钎料:主要为镉银合金,耐热性、抗腐蚀性 能好。 ? Zn基钎料 ? Au基软钎料 ? 其他低熔点软钎料。包括: ①In(铟)基钎料 ②Bi(铋)基钎料 ③Ga(镓)基钎料 ? 无铅软钎料 软钎料 锡铅钎料:共晶成分的机械性能最好;表面张力小, 则润湿性好;铺展、填缝性好。加入Sb(<3%) 可减少液态钎料的氧化;加入Ag、Sb可提高高温性能。Sn 有冷脆性。钎焊接头工作温度一般不高于100℃。 铅基钎料:纯铅不能润湿Cu、Fe、Al、Ni等金属,常加 入Ag、Sn、Cd、Zn钎焊铜。加入Ag可润湿铜,且使钎料熔 点下降;加入Sn可提高润湿性。焊后接头耐热性提高,可 在150℃以下工作。在潮湿环境下耐湿性差。 镉基钎料:镉基钎料是耐热性最好的一种软钎料,工作 温度可达250℃。 软钎料 常见的有Cd-Zn、Cd-Ag、Cd-Zn-Ag系钎料。 Ag的加入可提高强度,但超过5%Ag使液相线迅速上升, 结晶区间变得很宽,故Ag不宜过高。 Zn的加入可减少液态钎料的氧化,并使熔点下降,钎 缝可电镀。 镉基钎料钎焊铜时,温度过高,时间过长,钎缝界面 将生成脆性的化合物,使性能下降。 硬钎料 2.4 硬钎料 (1)铝基钎料 用途:仅用于钎焊铝及铝合金; 组成:铝及可和铝形成共晶的金属 铝硅共晶、铝硅铜共晶 合金成分 wt% 牌号 名称 Al BAl88Si BAl67Cu Si BAl86SiC u HL403 铝硅钎料 铝硅铜1号 余量 余量 Si 12±1 5.5~6.5 Cu ~ 27~29 Zn ~ ~ 577~582 525~535 147~157 脆性大 Tm °C σbf MPa 铝硅铜2号 铝硅铜锌 余量 余量 9.3~10.7 10±1 3.3~4.7 4±0.7 ~ 10±1 520~585 516~560 245~294 245~294 硬钎料 (2)银基钎料 1.线.银铜锌锡钎料 用途广泛的硬钎料: 低碳钢、结构钢、不锈钢、高温合金、铜及铜合金 ; 难熔金 属、陶瓷等;导电、导热性能良好、耐介质腐蚀; 问题: 价格高,低银钎料的研制,如何降低熔点,如何避免脆性相。 硬钎料 (3)铜基钎料 1.纯铜钎料 2.铜磷及铜银磷钎料 3.铜锌钎料 4.铜锗钎料 5.铜基高温钎料 Cu-Zn钎料:通过Zn含量降低熔点, ? ? ? ? ? Cu62/Zn38(黄铜) 熔点902°C α 固熔体组织 良好的强度和塑性 加入Si抑制Zn的挥发 加入Sn提高铺展性 硬钎料 (4)锰基 钎料 加入Cr、 Co可使钎料 提高高温抗 氧化性和热 强性,接头 工作温度可 达600~ 700℃。 硬钎料 (5)镍基钎料 Ni-B共晶点1140℃(4%B)。B显著提 高高温强度,改善润湿性,但使溶蚀增加, 形成化合物变脆。 Ni-Si共晶点1152℃(11%Si)。Si可 溶于Ni中形成固溶体,超过6%Si,会产生脆 的化合物。 Ni-P共晶点880℃(11%P)。 P不溶于 Ni,易形成一系列化合物变脆。 硬钎料 (6)自钎剂钎料 既能填充钎缝金属,又能起钎剂作用的钎料称之。即自 身含有起到钎剂作用的微量或一定量元素的钎料。 要求: 1)钎料内含有较强的还原剂,钎焊时能还原母材表面氧 化物; 2)还原产物的熔点应低于钎焊温度,或还原产物能与表 面氧化物形成低熔点的复合化合物; 3)还原产物或形成的复合化合物的粘度要小,能被液体 钎料排开,不妨碍钎料的铺展。 此外,还原剂应溶于钎料中,能降低钎料的表面张力。 如:钎焊铜的铜磷、铜磷银钎料;含有锂的银基、铜基 钎料;钎焊不锈钢的锰基钎料等。 钎料选择的影响因素 经济性:根据结构的重要性,选择成本最低 的钎料合金; 接头性能:工作温度,强度,可靠性; 密封性:电真空器件,真空室; 导电性:锡基钎料,银基钎料; 工艺性:焊接温度对母材的影响; 与钎焊方法的匹配。 钎剂 钎剂的作用是去除母材和液态钎料表面上的氧化物,保护 母材和钎料在加热过程中不被进一步氧化以及改善钎料在母 材表面的润湿性能。 1、对钎剂的基本要求 ①足够之溶解或破坏表面氧化膜能力; ②钎焊温度范围内表面张力小、粘度低、流动性好、密 度低; ③熔点低于钎料合适温度; ④成分及作用稳定(稳定温度≥100℃); ⑤产物密度低、易排除; ⑥ 无强烈腐蚀作用、无毒性。 钎 剂 钎剂的作用与性能要求: 1)去除氧化膜,为 润湿、铺展创造条件; 2)液态钎剂覆盖母 材与钎料表面起保护作用; 3)起界面活性作用 ,改善润湿与铺展。 钎 剂 钎剂的组成及分类 组成: 基体组分: 保证物理性能; 去膜剂: 起溶解或置换表面氧化膜的作用; 活性剂: 加速氧化膜的去除。 分类: 软钎剂、硬钎剂、铝、镁、钛专用钎剂、气 体钎剂四大类。 钎 剂 钎 剂 钎剂的型号与牌号 硬钎剂型号 钎剂型号 钎 剂 3.1.3 软钎剂 分为无机、有机两类: 按其残渣对接头的腐蚀作用分为腐蚀性、弱 腐蚀性、无腐蚀性三类。无机软钎剂属腐蚀性, 有机软钎剂属后两类钎剂。 1.无机软钎剂 无机酸HCl、HF、H3PO4 的水溶液或酒精溶液 使用,均可去氧化膜,但前两种有强烈腐蚀性, 且加热中析出有害气体,故很少单独用。 MeO + 2HCl → MeCl2 + H2O MeO + 2HF →MeF2 + H2O 钎 剂 3MeO + 2H3PO4 → Me3(PO4)2 + 3H2O 常以无机盐ZnCl2 (熔点262℃)的水溶液作钎剂 (ZnCl2 ≯ 30%)。 ZnCl2 + H20 → H[ZnCl2OH] FeO + 2H[ZnCl2OH] → H2O + Fe[ZnCl2OH]2 当缺少氯化锌时,可以把锌放入盐酸中直接使 用。 为提高活性,常配加NH4Cl。 无机软钎剂去氧化物的能力强,热稳定性好,保证 钎焊质量。其残渣有强的腐蚀性,钎后应清除。 钎 剂 钎 剂 2.有机软钎剂 用于电子行业,其组成有: ①有机酸 乳酸、硬脂酸、水杨酸、油酸等; ②有机胺盐 盐酸苯胺、磷酸苯胺、盐酸肼、盐酸二乙胺等; ③胺和酰胺类 尿素、乙二胺、乙酰胺、三乙醇胺等; ④天然树脂 松香等。 松香在127℃熔化,150℃可以表现出能溶解 Cu、Ag、Sn 等氧 化物的能力, 但松香酸系弱有机酸,去膜能力不强。 为提高活性,可加入各类无机、有机钎剂组分,成活性松香, 提高去膜性。 松香在冷凝后成固态,具有绝缘、耐湿和无腐蚀的特点。 钎 剂 钎 剂 3 铝用软钎剂 ①铝用有机软钎剂 QJ204由胺类(三乙醇胺) 、氟硼酸铵、重金属氟硼酸盐组成。因高于275℃钎 剂炭化失效,且放出大量气体,造成不致密性缺陷 ,故此类钎剂只能在275℃以下快速钎焊。 ②反应钎剂 以Zn、Sn等重金属氯化物及提高 活性的K、Na、Li的卤化物组成。 铝用软钎剂在钎焊时均放出有害气体,应注意 通风。 钎 剂 3.2.4 硬钎剂 1 银基、铜基钎料用硬钎剂 现有硬钎剂主要是以硼砂、硼酸及 它们的混合物作为基 体,及某些碱金属或 碱土金属的氟化物、氟硼酸盐组成的。 硼酸可溶于水和酒精,硼酸加热分解: 2H3BO3 → B2O3 + 3H2O ↑ 硼酐熔点580℃,有很强的酸性,能与铜、锌、镍和铁的 氧化物形成易熔的硼酸盐。 MeO + B2O3 → MeO ? B2O3 生成的硼酸盐在900℃以下不大溶于硼酐,且在900℃以下 硼酐粘度大,故只有在高于900℃才具有较大的活性。 钎 剂 硼砂 Na2B4O7 ? 10H2O能溶于水,200℃以上,结晶水全部蒸 发,故必须脱水后才能使用。硼砂在741℃熔化,液态下分解: Na2B4O7 → B2O3 + 2NaBO2 硼砂的去膜作用仍是硼酐与金属氧化物形成易熔硼酸盐,且 生成的偏硼酸钠能进一步与硼酸盐形成熔点更低的混合物,故它 的去膜能力比硼酸强。 但硼砂熔点较高,800℃以下粘度较大,单独使用时,应在 800℃以上,仅适用于铜基钎料钎焊。 硼砂和硼酸的混合物是应用很广的钎剂,因硼酸的加入可降 低熔点和减小钎剂的表面张力,促进硼砂钎剂的铺展。 钎 剂 硼砂和硼酸作钎剂具有下列缺点: 1)活性温度很高,均在800℃以上,只 能配合铜基钎料使用。 2)去氧化物能力不强,不适合钎焊含有 铬、硅、铝、钛较多的合金钢、不锈钢和高 温合金。 3)它们的残渣对金属的腐蚀虽然不大, 但在接头表面可形成玻璃渣壳,难用机械方 法清除干净。 在硼砂―硼酸系钎剂中加入氟化钙可提高去膜 能 力,但因熔点高,只适合铜基、镍基钎料钎焊。 在硼砂―硼酸系钎剂中加入氟化钾不仅提高了 去膜能力,且能降低熔点及表面张力,使活性温度 降至650~850℃,适合银基钎料钎焊。氟硼酸钾在 530℃熔化,然后分解: KBF4 → KF + BF3 活性更强,活性温度继续降低。 右表中钎焊温度在800℃以上的适合铜基、镍基 钎料钎焊; 钎焊温度在800℃以下的适合银基钎料钎焊; QJ105适合锌基或低温银基钎料钎焊。 钎 剂 钎 剂 2 铝用硬钎剂 分为以氯化物为主的钎剂和氟化物为主的钎剂两 大类。 氯化物基钎剂--基体组分:碱金属或碱土 金属的氯化物(如LiCl、NaCl、kCl 等)的低熔 点混合物。 去膜剂:氟化物,如NaF、KF 等。 活性剂:易熔重金属氯化物,如ZnCl2、SnCl2、 CdCl2等。 2Al + 3ZnCl2 (SnCl2) = 2AlCl3 ↑+ 3Zn (Sn)↓ 钎 剂 氟化物基钎剂 此种钎剂由氟化物组成,各自的质量分数为: KF ? 2H2O(42%)、AlF3 ? 3.5H2O(58%), 接近KF-AlF3 状态图上的 K3AlF6 + KAlF4 的共晶成分。它的 熔化温度为562~575℃。因此粘度小,流动性好。钎剂具有 较强的去膜能力,较好地保证钎料铺展和填缝。 钎剂的最大特点是,不论在固态还是在熔化状态它同铝 都不相互作用;钎剂及残渣均不溶于水、不吸潮、不水解。 因此对铝没有腐蚀作用,称为无腐蚀性钎剂。 钎 剂 ? 气体钎剂 ? 特殊活性气体(气体钎剂)加至中性或活性气体炉 中钎焊。 ? 固态化合物热分解 ? (600~800℃完全分解) ? (850~950℃完全分解) NH4F → NH3 + HF NH4BF4 → NH3 + HF + BF3 ? (800~900℃完全分解) ? 气态 KBF4 → KF + BF3 2NH3 → N2 + 3H2 钎 剂 ? HF、 BF3 、 KF、H2 能很好地去除氧化膜, 但它们的分解温度很高,主要用于合金钢、 不锈钢的硬钎焊。 ? 直接使用卤化物气体 ? 分两类: ? 卤化氢 有HCl、HF,它们对母材有 腐蚀性。 ? 三卤化硼 有较好的性能。 钎 剂 第4章 钎焊方法及工艺 第4章 钎焊方法及工艺 1火焰钎焊(torch brazing ; torch soldering) 特点:简单灵活、应用广泛 应用范围 :一般应用中性焰或轻微炭化焰/通用气焊 炬或专用钎焊炬(软钎焊也可用喷灯)先加热工 件: 1、适用于钎焊某些受焊件形状、尺寸及设备等限制 而不能用其它方法钎焊的焊件 2、可采用火焰自动钎焊 3、可焊接钢、不锈钢、硬质合金、铸铁、铜、银、 铝等及其合金 4、常用钎料有铜锌、铜磷、银基、铝基及锌铝钎料 烙铁钎焊 5.1 烙铁钎焊 依靠烙铁头 的头部积蓄的热量 熔化钎料,并将它 送进给到焊件钎焊 处,同时加热钎焊 处的金属而完成钎 焊接头。 主要用于软钎焊 烙铁钎焊 ? 加热元件 – 镍铬合金丝、陶瓷加热器 ? 烙铁头 – 保持和传送热量到被焊件 – 铜,表面镀铁等 ? 改进 – 烙铁头表面镀层,提高寿命 – 温度控制 ? 用途 – 小、薄件的软钎焊;在电子产品焊接中广泛使用 – Sn基、Zn基等钎料的软钎焊 烙铁钎焊 4.3 电阻钎焊 电阻钎焊是依靠电流通过焊件处所产生的电 阻热加热焊件和熔化钎料而实现钎焊的方法。 平行间隙电极钎焊 焊产 点生流 时。的经 间通电引 可过阻线 以控热和 控制使焊 制电钎盘 焊流料的 点强熔瞬 的度化时 质和,大 量加形电 。热成流 5.4 感应钎焊 焊件依靠它在交变磁场中产生的感应电流的电 阻热来实现钎焊的方法。 ? 交变磁场在工件中产生感应电流,利用电阻热 钎焊 ? 感应电流 4.44B ? S ? f ? W ?10?12 I? Z – B-最大磁感应强度 (T) – S-零件受磁场作用的断面积 (cm2) – f-交流电的频率 (Hz) – W-线圈的匝数 – Z-焊件的全部阻抗 (Ω ) 适合于焊接钢、铜及其合金、不锈钢、高温合 金等,适合于焊接对称性的零件如管类、轴等。 感应加热时的集肤效应 ? 交流电频率增加,感应电流随之增大,焊接加热 速度变快 ? 但频率增加,集肤效应也增强,加热深度减小 ? 电流渗透深度 – 85%的电流强度所分布的导体表面层厚度 ? ? 5.03?104 ? ?f – δ -导体中的电流渗透深度 (mm) – ρ -导体的电阻系数 (Ω ?mm) – μ -导体的磁导率 (H/m) 4.5 浸沾钎焊(在液体 介质中钎焊) 焊件局部或整体浸 入熔化的盐混合物或钎 料中实现钎焊的一种钎 焊方法。 1.盐浴浸沾钎焊 2.熔化钎料中浸沾钎 焊 ? 原理 – 焊件浸入混合无机盐熔液或熔融钎料中,依靠 熔液的热量加热钎焊 ? 特点 – 焊接加热迅速,加热均匀 – 保护焊件不被氧化 – 熔液温度可精确控制 – 可同时完成热处理、渗碳等过程 – 容易实现机械化 盐浴钎焊的适用性 ? 可钎焊材料 – 铜基和银基钎料钎焊钢、合金钢、铜合金、高温合金 – 铝的硬钎焊(此时可以用铝硬钎剂作熔盐) – 钎料以箔的形式预置在钎缝中,或采用敷钎料板 ? 钎剂 – 铜基钎料钎焊结构钢时可不用钎剂 – 注意钎剂涂敷在焊件上,焊前必须干燥(为什么?) ? 工件 – 由于熔液的浮力和冲刷作用,工件应进行可靠的定位 – 工件及工装全部一定要预热除水 – 不适合钎焊有深孔、盲孔和封闭型的部件 熔融钎料浸沾钎焊 ? 原理 – 涂敷钎剂的焊件浸入熔化的钎料中,被加热至钎焊温度; 熔化钎料进入钎缝间隙内;取出后冷却,钎料凝固形成 接头 ? 特点 – 工艺简单,生产效率高 – 焊件全部被涂敷上钎料,造成浪费 ? 应用 – 钢、铜及合金的软钎焊 – 蜂窝式换热器、汽车水箱、电机电枢等 – 电子印制电路板的波峰焊 空气炉中钎焊 保护气氛炉中钎焊 真空炉中钎焊 炉中钎焊 ? 空气炉中钎焊 – 将装配好并加有钎剂和钎料的工件放入工业电炉中加热 至钎焊温度,钎料进入钎缝,取出冷却或降低炉温冷却, 钎料凝固形成接头 – 整体加热,焊件变形小 – 成本低、设备简单;一炉多件,有较高的生产效率 – 焊件表面氧化严重 – 铝合金钎焊的炉温控制要求较高 ? 气体保护炉中钎焊 – – – – 中性气体保护 活性气体保护 脱水装置和脱氧装置 安全 再流钎焊 再流钎焊是将预先涂以钎料(常用膏状钎料)的焊件置于 加热的环境中,待钎料熔化流入间隙,形成钎焊接头的一种 钎焊方法。这种方法主要用于电子元器件的表面组装(SMT) ,还可用于印刷线路板或集成电路的元器件与铜箔电路的连 接。 气相钎焊 气相钎焊又称蒸气浴钎焊。它的原理是利用液体的饱和 蒸气凝结时释放出来的蒸气潜热加热焊件并熔化钎料来实现 钎焊的。 氟化五聚氧丙烯、高氟三戊胺(沸点分别是224、215℃) 目前,只适用于锡铅钎料的软钎焊。 气相再流钎焊 红外再流钎焊 红外线的波长介于红光和微波之间,是肉眼不 能见到的一种电磁波,它有显著的热效应。红外钎 焊就是利用红外线辐射能来加热和熔化钎料的钎焊 方法。红外线很容易被物体吸收,在通过悬浮粒子 的物质时不容易发生散射,具有较强的穿透能力。 因此,在工业上被广泛用作热源。 红外线隧道加热炉广泛应用于印刷线路板和微 电子器件的再流钎焊。 激光再流钎焊 激光束是用激光器发射的高相干性的、几乎是 单色的、高强度的细电磁辐射波束,它能聚集在直 径仅为1~10μ m的小面积中,从而得到很高的能量 密度(最小加热面积为10-7cm2,最大热流密度为 1?109W/cm2)。 激光钎焊是利用激光束优良的方向性和高功率 密度的特点,通过光学系统将激光束聚焦在很小的 区域和很短的时间内使钎焊处形成一个能量高度集 中的局部加热区,实现钎焊的一种方法。 激光再流钎焊 激光束可用来 实现对微小面积的 高速加热,并保证 毗邻的母材性能不 产生明显的影响。 它的这种加热特性 适宜于钎焊连接对 加热敏感的微电子 器件。 钎焊工艺 钎焊生产工艺包括钎焊前工件表面准备、装配、安置 钎料、钎焊、钎后处理等各工序。 1、钎焊接头设计 设计钎焊接头时,首先应考虑接头的强度,其次 还要考虑如何保证组合件的尺寸精度、零件的装配 定位、钎料的安置、钎焊接头的间隙等工艺问题。 钎焊接头大多采用搭接形式。在生产实践中,对 采用银基、铜基、镍基等强度较高的钎料钎焊接头, 搭接长度通常取为薄件厚度的2~3倍;对用锡铅等 软钎料钎焊接头,可取为薄件厚度的4~5倍,但不 希望搭接长度大于15mm。 钎焊的各种接头形式 a)平板钎焊的接头形式 1、2、3—对接形式 4—盖板形式 5、6—搭接形式 7—双盖板形式 8—搭接加盖板形式 9、10—弯边和锁边 形式 b) T形和斜角钎焊的接头形式 11、12、13、14、—T形接头 15、16、17、18、19、20、21—斜角形式 c)管或棒与板的接头形式 26、30—较少用 27、28、29—常用 31、32、33—多用 34、35、36—板厚接头 d)线——蜂窝结构接头 e)管件钎焊的接头形式 22—内孔径相同 23—外径相同 24—外径允许有差别 25—不能有差别的外 径 钎缝间隙值的确定 间隙对接头性能的影响受下列因素的综 合结果: 1.钎料的毛细填缝; 2.钎料从间隙中排除钎剂残渣及气体; 3.母材与填缝钎料的相互作用; 4.母材对钎缝合金层受力对塑性流动的 机械约束作用。 ? 间隙偏小:钎料填缝困难,气体、残渣难 以排出,造成未钎透、气孔及夹渣等缺陷, 致使接头强度下降。 ? 间隙偏大:毛细作用减弱,使钎料不 能填满间隙;母材对填缝钎料中心区合金化 作用消失;钎缝结晶生成柱状组织和枝晶偏 析;受力时母材对钎缝合金层的支承作用减 弱,接头强度下降。 不同钎料与母材组合时的间隙值 注意:表中所列的是指钎焊温度下的间隙推荐值, 考虑到装配间隙与钎焊时的不一致,应给以补偿。 间隙与强度关系 钎焊间隙的选择应遵循的原则: 1.按钎料对母材润湿性好坏 好的应选小间隙 (如铜钎焊钢);反之,选大间隙; 2.按钎料与母材相互作用的强弱 强的应选大 间隙(如铝钎焊);弱的选小间隙(如铜基、银 基 钎料钎焊钢); 3.按钎料的粘度和流动性 流动性好的选小间 隙(如钎料为纯金属、共晶成分、自钎剂钎料); 含有高蒸气压元素组元应选大间隙; 焊件表面准备 钎焊前必须仔细地清除工件表面的氧化物、油脂、 脏物及油漆等。有时,钎焊前还必须将零件预先镀 覆某种金属层。 (1)清除油污 油污可用机溶剂去除。常用的有机 溶剂有酒精、四氯化碳、汽油、三氯乙烯、二氯乙 烷及三氯乙烷等。 (2)清除氧化物 钎焊前,零件表面的氧化物可用 机械方法、化学浸蚀法和电化学浸蚀方法进行。 装配和固定 钎料的放置 在各种钎焊方法中,除火焰钎焊和烙铁钎焊外,大多数 是将钎料预先安置在接头上的。安置钎料时应尽可能利用 钎料的重力作用和间隙的毛细作用来促进钎料填满间隙。 膏状钎料应直接涂在钎焊处;粉末状钎料可用粘结剂调 合后粘附在接头上。 为了防止钎料流失,有时需要涂阻流剂。阻流剂主要是 由氧化物与适当的粘接剂组成。钎焊前将糊状阻流剂涂在 邻近接头的零件表面上。阻流剂在保护气氛炉中钎焊和真 空炉中钎焊中用得很广。 钎焊工艺参数及确定 钎焊过程的主要工艺是钎焊温度和保温时间。 钎焊温度通常选为高于钎料液相线℃。 钎焊保温时间视工件大小、钎料与母材相互作用 的剧烈程度而定。过长的保温时间将导致溶蚀等 缺陷的发生。 加热速度 过快导致产生内应力,过慢母材晶粒 长大、低沸点组元蒸发、金属氧化、钎剂分解 冷却速度 过快—细化组织、减小枝晶偏析、热 应力、裂纹、气孔。过慢—母材晶粒长大。 焊后清洗 钎剂残渣大多数对钎焊接头起腐蚀作用,也妨碍对钎缝的检 查,常需清除干净。 软钎剂松香不会起腐蚀作用,不必清洗。 由有机酸及盐组成的钎剂,一般都溶于水,可采用热水洗涤。 由无机酸组成的软钎剂溶于水,因此可用热水洗涤。 硬钎焊用的硼砂钎剂残渣基本上不溶于水,很难清除,一般 用喷砂去除。 含氟硼酸钾或氟化镓的硬钎剂(如剂102)残渣可用水煮或 在柠檬酸热水中清除。 铝用软钎剂残渣可用有机溶剂(例如甲醇)清除。铝用硬钎 剂残渣对铝具有很大的腐蚀性,钎焊后必须清除干净。 对 于有氟化物组成的无腐蚀性铝钎剂。 常用金属材料的钎焊 1、碳钢和低合金钢的钎焊 ⑴钎焊特点:氧化物易去除,钎焊性好; ⑵钎焊材料:软钎焊多用锡铅钎料,硬钎焊用铜基 或银基钎料; ⑶ 钎焊技术:①可用火焰钎焊、浸渍钎焊、炉中钎 焊、电阻钎焊、保护气氛钎焊和真空钎焊等方法; ②火焰钎焊时,通常用中性焰或轻度还原性火焰, 同时注意避免母材过热,如不要直接加热母材。 ③对于调质钢等,为避免退火,钎焊温度不能过高 且应采用加热快的钎焊方法,如感应钎焊、浸渍 钎焊等。 2、铝及铝合金的钎焊 ⑴钎焊特点:钎焊性不好,主要表现为①氧化 物难去除②钎料、母材熔点接近③热处理强化铝 合金接头容易软化④颜色无变化。 ⑵钎焊材料:用铝基钎料、氯化物钎剂、中性 或惰性气氛; ⑶ 钎焊技术:①直接软钎焊应用很少,多用硬 钎焊; ②可用火焰钎焊、浸渍钎焊、炉中钎焊、保护 气氛钎焊和真空钎焊等方法; ③火焰钎焊时,用汽油压缩空气为宜。 3、铜及铜合金的钎焊 ⑴钎焊特点:铜合金种类很多,钎焊性取决于 表面形成的氧化物和加热、冷却过程中材料性能 的变化。 ⑵钎焊材料:软钎焊多用锡铅钎料,硬钎焊按 材料不同,选用不同的钎焊材料。 ⑶ 钎焊技术:可用火焰钎焊、浸渍钎焊、炉中 钎焊、电阻钎焊、感应钎焊等方法; 4、工具钢和硬质合金的钎焊 ⑴钎焊特点:要求接头强度高、质量可靠, 接头母材性能不受影响,同时要注意降低焊接 应力,防止裂纹。 ⑵钎焊材料:铜基钎料和银基钎料 ⑶ 钎焊技术:可用火焰钎焊、浸渍钎焊、 炉中钎焊、电阻钎焊、感应钎焊等方法; 可采取如下工艺措施:在钎缝中加入补偿片、 加大钎缝间隙等。 5、不锈钢的钎焊 ⑴钎焊特点:表面氧化膜难去除,晶粒容 易长大和耐蚀性降低,且所有铬镍不锈钢与 液态钎料接触均有应力腐蚀倾向。 ⑵钎焊材料:软钎焊主要用锡铅钎料+氯 化锌盐酸溶液或磷酸溶液;硬钎焊主要用铜 基、银基、锰基和镍基钎料。 ⑶ 钎焊技术:软钎焊时加热要快,加热温 度不能过高; 硬钎焊时,用不同的钎料,焊接工艺各不相同。 钎焊缺陷 钎缝不致密性 钎缝不致密 性缺陷是指钎缝 中的气孔 、夹渣、 夹气夹渣和未钎 透缺陷。缺陷的 存在,降低了气 密性、水密性降 低了导电能力及 接头强度;引起 接头的腐蚀;工 件镀后翻浆、长 毛等。 ? 产生不致密性缺陷的原因 ? 与熔化钎剂钎料的填缝过程有很大关系。 ? 平行间隙中金属表面不可能绝对平整; 清洁度也有差异; 加之熔化的钎剂钎料与母材的理化作用等的影响 ,钎剂 钎料填缝常以不整齐的前沿向前推进,造成“小包围”, 产生缺陷。钎料沿外围的流动速度常常大于在间隙内部 的填缝速度,造成气体与钎剂的“大包围”,造成内部 大缺陷。 ? 造成大包围的原因是: ? 1 外围受钎剂或气体介质去膜更充分; ? 2 钎料在平行间隙中填缝比在L槽流动时受阻小; ? 3 外围温度比间隙内高。 缺陷 部分间隙未填满 产 生 原 因 1. 接头间隙过小;装 配时零件倾斜 2. 表面准备不佳 3. 钎剂选择不当(活 4. 钎焊温度不当 性、熔点等) 1. 钎剂活性或毛细填 2. 钎料的毛细填缝能 钎料在一面未填满间 缝能力差 力差 隙 和形成圆角 3. 钎料不足 4.加热不均 钎缝中气孔 1. 钎焊前焊件清洗不 2. 钎剂选择不当 当 3. 母材和钎料析出气 体 1. 钎剂用量过多或过 2. 间隙不合适 少;粘度过大 4. 钎剂与钎料熔化温 3. 加热不均 度不匹配 钎缝中夹渣 ? 提高钎缝致密性的措施 ? 1 适当增大钎缝间隙,使缝隙差值减小; ? 2 采用不等间隙; ? 夹角以3~6。为宜。不等间隙时,钎料无 论从哪端进入,都能使填缝前沿比较整齐,减 小缺陷 ? 的产生。此外,已产生的夹气夹渣,在钎焊 过程中,在一定程度上从大端排出; ? 3 滑移钎焊 使夹气、夹渣等缺陷排出。 ? 钎焊金属的自裂 ? 多发生于高强度材料,如不锈钢、镍基合金、铜镍合金等 与熔化钎料接触处。 ? 常出现在焊件受到锤击或划痕的地方以及在冷作硬化的焊 件上;焊件被刚性固定;或加热不均匀时容易产生。 ? 即,常出现在应力作用下,在被液态钎料润湿过的地方。 ? 产生自裂的原因 吸附假设认为:受应力的金属同能降低 固态金属表面能的表面活性液态钎料金属接触时,液态金属 能向固态金属表面显微裂纹渗入,使其扩大,并且使固态金 属的强度降低,在拉应力作用下,从而形成脆性破坏。因为 晶界的强度低,则自裂均沿晶界分布。 ? 可见,钎焊时产生的应力是导致自裂的重要因素,因而, 在钎焊操作时,应尽力避免较大应力的出现。 ? 采取措施防止自裂的产生: ? 1 采用退火材料代替淬火材料; ? 2 有冷作硬化的焊件预先进行退火; ? 3 减少接头的刚性,使接头在加热时尽量能自由膨胀 和收缩; ? 4 降低加热速度,尽量减少产生热应力的可能性;采 取均匀加热的钎焊方法可减少热应力,且可消除因冷作 硬化造成的内应力; ? 5 尽量选用熔点低的钎料,钎焊温度低则热应力小; ? 6 火焰钎焊时,用火焰先将装配好的焊件加热到足够 高的温度以消除内应力,然后将焊件冷却到钎焊温度再 进行钎焊。 ? 溶蚀 ? 溶蚀是母材向钎料溶解造成的。 ? 溶蚀首先取决于母材和钎料相互作用的能力, 母材确定之后,则主要是钎料的选择,之后是工 艺参数的影响。 ? 选择钎料时应遵循的原则是:钎焊时,不应因 母材向钎料的溶解而使钎料的熔点进一步下降。 否则母材就会过量的溶解,造成溶蚀。 ? 以Al-Si钎料钎焊Al为例: ? 过共晶(Ⅲ)成分钎料比亚共晶(Ⅰ)、共晶 (Ⅱ)钎料的母材溶解量大得多。因此不应选过 共晶钎料。 ? 影响溶蚀的工艺因素: ? 1 钎焊温度高,溶解量和溶速均加大; ? 2 钎焊时间增长,溶解量增加; ? 3 钎料量增加,溶解量增加。 扩散连接技术 ? 近年来,新材料在生产中应用,经常遇到这些材料本 身或与其他材料的连接问题。一些新材料如陶瓷、金 属间化合物、非晶态材料及单晶合金等等可焊性差, 用传统熔焊方法,很难实现可靠的连接。随着技术的 发展,一些特殊的高性能构件的制造,往往要求把性 能差别较大的异种材料,如金属与陶瓷、铝与钢、钛 与钢、金属与玻璃等连接在一起,这也是传统熔焊方 法难以实现的,现在不但要连接金属,而且要连接非 金属,或金属与非金属。因此,连接所涉及的范围远 远超出传统熔焊的概念。为了适应这种要求,近年来 作为固相连接的方法之一扩散连接技术引起人们的重 视,成为连接领域新的研究热点,正在飞速发展。这 种技术已广泛用于航天、航空、仪表及电子等国防部 门,并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等领域。 扩散连接方法特点 ? 1)接合区域无凝固(铸造)组织,不生成气孔、宏 观裂纹等熔焊时的缺陷。 ? 2)同种材料接合时,可获得与母材性能相同的接 头,几乎不存在残余应力。 ? 3)可以实现难焊材料的连接。对于塑性差或熔点 高的同种材料、互相不溶解或在熔焊时会产生脆 性金属间化合物的异种材料(包括金属与陶瓷), 扩散连接是可靠的连接方法之一。 ? 4)精度高,变形小,精密接合。 ? 5)可以进行大面积板及圆柱的连接。 ? 6)采用中间层可减少残余应力。 扩散连接的缺点 ? ? ? ? 1)无法进行连续式批量生产。 2)时间长,成本高。 3)接合表面要求严格。 4)设备一次性投资较大,且连接工件的尺 寸受到设备的限制。 扩散连接原理 ? 扩散连接是压力焊一种变形,与常用压力焊方法 (冷压焊、摩擦焊、爆炸焊、超声波焊)相同的 是在连接过程中要施加一定的压力,不同:温度-压 力强度及过程持续时间。 ? 扩散连接是零件整体连接的方法,这种连接接头 是在原子水平上形成的,它是相互接触的表面, 在高温和压力的作用下,被连接表面相互靠近, 局部发生塑性变形,经一定时间后保证结合层原 子间相互扩散,形成整体水平上的可靠连接。 扩散连接分类 扩散连接 加中间层的扩散连接 不加中间层的扩散连接 气体保护扩散连接 真空扩散连接 溶剂保护扩散连接 超塑性成形 -扩散连接 瞬时液相扩散 连接 固态扩散连 接 烧结-扩散连接 固相扩散连接过程 ? 第一阶段为物理接触阶段,这是保证整个表面都 可靠接触,只有接触面达到一定的距离,原子间 才能相互作用形成原子间的结合,才能形成可靠 的连接。在高温下微观不平的表面,在外加压力 的作用下,总有一些点首先达到塑性变形,在持 续压力的作用下,接触面逐渐增大,而达到整个 面的可靠接触。 ? 第二阶段则是接触的表面原子间的相互扩散,形 成牢固的结合层。 ? 第三阶段是在接触的部分形成的结合层,逐渐向 体积方向发展,形成可靠的连接接头。 扩散连接的三阶段模型示意图 a) b) c) a)凹凸不平的初始接触 c)元素相互扩散和反应阶段 d) b)变形和形成部分界面阶段 d)体积扩散及微孔消除阶段 ? 上述过程相互交叉进行,最终在连接界面 处由于扩散、再结晶等生成固溶体及共晶 体,有时生成金属间化合物,形成可靠的 连接接头。该过程不但应考虑扩散过程, 同时应考虑界面生成物的性质,如性能差 别较大的两种金属,在高温长时间扩散时, 界面极易生成脆性金属间化合物,而使接 头性能变差。 液相扩散连接基本原理 ? 液相扩散连接方法自20世纪50年代以来,在弥散 强化高温合金、纤维增强复合材料、异种金属材 料以及新型材料的连接中得到了大量应用。该方 法也称瞬时液相扩散连接(Transient Liquit Phase),通常采用比母材熔点低的材料作中间夹 层,在加热到连接温度时,中间层熔化,在结合 面上形成瞬间液膜,在保温过程中,随着低熔点 组元向母材的扩散,液膜厚度随之减小直至消失, 再经一定时间的保温而使成分均匀化(如图8下所 示)。 瞬时液相扩散连接过程示意图 a)形成液相 b)低熔点元素向母材扩散 c)等温凝固 d)等温凝固结束 e)成 分均匀化 液相扩散连接 ? 液相的生成 将中间扩散夹层材料夹在被连接表面 之间,施加一定的压力,或依靠工件自重使相互接 触。然后在无氧化或无污染的条件下加热,当加热 到连接温度TB时,形成共晶液相(上图a)。 ? 等温凝固过程 液相形成并充满整个焊缝缝隙后, 应立即开始保温,使液-固相之间进行充分的扩散, 由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材内 (图b),母材中某些元素向液相中溶解,使液相 的熔点逐渐升高而凝固,凝固界面从两侧向中间推 进(图c)。随着保温时间的延长,接头中的液相 逐渐减少,最后形成接头(图d)。 ? 成分均匀化 等温凝固形成的接头,成分很不均匀。 为了获得成分和组织均匀的接头,需要继续保温扩 散(图e)。 超塑成形扩散连接基本原理 ? 超塑性是指在一定的温度下,对于等轴细晶粒组织, 当晶粒尺寸、材料的变形速率小于某一数值时,拉伸 变形可以超过100%、甚至达到数千倍,这种行为叫 做材料的超塑性行为。材料的超塑性成形和扩散连接 的温度在同一温度区间,因此可以把成形与连接放在 一起进行,而构成超塑成形扩散连接工艺。用这种方 法可以制造钛合金薄壁复杂结构件(飞机大型壁板、 翼梁、舱门、发动机叶片),并已经在航天、航空领 域得到应用,如波音747飞机上有70多个钛合金结构 件就是应用这种方法制造的。用这种方法制成的结构 件,质量小,刚度大,可减轻质量30%,降低成本50 %,提高加工效率20倍。 扩散连接参数选择 ? 扩散连接参数主要有温度、压力、时间、 气氛环境和试件的表面状态,这些因素之 间相互影响、相互制约,在选择焊接参数 时应统筹考虑。此外,扩散连接时还应考 虑中间层材料的选用。 连接温度 ? 连接温度T越高,扩散系数愈大,金属的塑性变形 能力愈好,连接表面达到紧密接触所需的压力愈 小。但是,加热温度受到再结晶、低熔共晶和金 属间化合物生成等因素的影响。因此,不同材料 组合的连接温度,应根据具体情况,通过实验来 选定。从大量实验结果看,连接温度大都在0.5~ 0.8Tm(母材熔化温度)范围内,最适合的温度一般 为T≈0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度的选择,常 在可生成液相的最低温度附近,温度过高将引起 母材的过量溶解。 保温时间 ? 扩散连接时间t(也称保温时间)主要决定原子扩 散和界面反应的程度,同时也对所连接金属的蠕 变产生影响。连接时间不同,所形成的界面产物 和界面结构不同。扩散连接时,要求接头成分均 匀化的程度越高,保温时间就将以平方的速度增 长。实际扩散连接工艺中保温时间从几分钟到几 小时,甚至达到几十小时。但从提高生产率考虑, 保温时间越短越好。缩短保温时间,必须相应提 高温度与压力。 ? 接头强度一般是随时间的增加而上升,而后逐渐 趋于稳定。接头的塑性,延伸率和冲击韧性与保 温扩散时间的关系也与此相似。 连接压力 ? 扩散连接时的压力主要促使连接表面产生塑性变 形及达到紧密接触状态,使界面区原子激活,加 速扩散与界面孔洞的弥合及消失,防止扩散孔洞 的产生。压力愈大,温度愈高,紧密接触的面积 也愈多。但不管压力多大,在扩散连接的初期不 可能使连接表面达到100%的紧密接触状态,总 有一小部分演变成界面孔洞。目前,扩散连接规 范中应用的压力范围很宽,最小只有0.04MPa(瞬 时液相扩散连接),最大可达350MPa(热等静压 扩散连接),而一般压力约为10~30MPa。与连 接温度和时间的影响一样,压力也存在最佳值, 在其他规范参数不变的条件下,最佳压力时接头 可以获得最佳强度。 环境气氛 ? 扩散连接一般在真空、不活性气体(Ar、 N2)或大气气氛环境下进行,一般来说, 真空扩散连接的接头强度高于在不活性气 体和空气中连接的接头强度。真空中的材 料在温度升高时,气体会从零件和真空室 内壁中析出,计算和实验结果表明,真空 室内的真空度在常用的规范范围内 (1.33~1.33?10-3Pa),就足以保证连接表 面达到一定的清洁度,从而确保实现可靠 连接。 表面状态 ? 表面粗糙度的影响 几乎所有的焊接件都需 要由机械加工制成,不同的机械加工方法, 获得的粗糙等级不同。扩散连接的试件一 般要求表面粗糙度应达到Ra>2.5mm(▽6) 以上。 ? 表面清理 待连接零件在扩散连接前的加工 和存放过程中,被连接表面不可避免地形 成氧化物、覆盖着油脂和灰尘等。在连接 前需经过脱脂、去除氧化物及气体处理等 工艺过程。 中间层选择 ? 两种材料结晶化学性能差别较大,这两种材料连 接时,极易在接触界面生成脆性金属间化合物。 两种材料的热膨胀系数差别大,在接头区域极易 产生很大的内应力。针对这些问题为了获得高质 量的接头,则要选择中间层,使中间层金属与两 侧材料都能较好的结合,生成固溶体,则实现良 好的连接,对热物理性能差别较大的材料,可以 用软的中间层或用几个中间层过渡,缓和接头的内 应力,以保证获得性能良好的接头。 中间层选择 ? 扩散连接时,中间层材料非常主要,除了能够无 限互溶的材料以外,异种材料、陶瓷、金属间化 合物等材料多采用中间夹层进行扩散连接。中间 层材料不仅在固相扩散连接时使用,在液相扩散 连接中应用的也比较广泛。 ? 中间层可采用多种方式添加,如薄金属垫片、非 晶态箔片、粉末(对难以制成薄片的脆性材料) 和表面镀膜(如蒸镀、PVD、电镀、离子镀、化 学镀、喷镀、离子注入等)。 中间层的作用 ? 改善表面接触,减小扩散连接时的压力。 对于难变形材料,扩散连接时采用软质金 属或合金作中间层,利用中间层的塑性变 形和塑性流动,使结合界面达到紧密接触, 提高物理接触效果和减少达到紧密接触所 需的时间。同时,中间层材料的加入,使 界面的浓度梯度变大,促进元素的扩散, 加速扩散空洞的消失。 中间层的作用 ? 可以抑制夹杂物的形成,促进其破碎或分解。例 如,Al合金表面易形成一层稳定的Al2O3氧化物层, 扩散连接时该层不向母材中溶解。可以采用Si作 中间层,利用Al-Si共晶反应形成液膜,促进Al2O3 层破碎。Ni基合金表面也容易形成氧化膜,扩散 连接时,由于微量氧的存在,可在连接界面促进 碳化物和氮化物的形成,影响接头性能。采用Ni 箔作中间层进行扩散连接,可以对这些化合物的 生成起抑制作用。 中间层的作用 ? 改善冶金反应,避免或减少形成脆性金属间化合 物和有害的共晶组织。异种金属材料扩散连接时, 最好选用和母材不形成金属间化合物的第三者材 料,以便通过控制界面反应,改善材料的连接性。 例如,Fe和Ti扩散连接时,除形成Fe-Ti化合物以外, Fe中的C元素和Ti反应形成TiC。采用Ni作中间层进 行扩散连接,可以抑制TiC脆性相的出现。而且, 在Ni与Ti的界面上,形成Ni-Ti化合物后,接头强度 比形成TiC时高。 中间层的作用 ? 可以降低连接温度,减少扩散连接时间。例如, Mo直接扩散连接时,连接温度为1260℃,而采用 Ti箔作中间层,连接温度只需要930℃。 ? 控制接头应力,提高接头强度。异种材料连接时, 由于材料物理化学性能的突变,特别是因热膨胀 系数不同,接头易产生很大的热应力。选取兼有 两种母材性能的材料作中间层,形成梯度接头, 避免或减少界面的热应力,从而提高接头强度。 中间层选择原则 ? 1)容易塑性变形,熔点比母材低。 ? 2)物理化学性能与母材的差异比被连接材 料之间的差异小。 ? 3)不与母材产生不良的冶金反应,如不产 生脆性相或不希望出现的共晶相。 ? 4)不引起接头的电化学腐蚀。 扩散连接的设备 ? 扩散连接是在一定的温度和压力下,经过一定的 时间,连接界面原子间相互扩散,实现可靠的连 接。在焊接时,必须保证连接面及被焊金属不受 空气的影响,才能保证得到优质的接头。一般情 况下,必须在真空或惰性气体介质中进行。现在 应用最多的方法是真空扩散连接,它可以焊接活 性金属,也可以焊接一般金属与非金属。真空扩 散连接可以用高频、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。 真空扩散连接设备的组成 ? 真空系统,包括真空室、机械泵、扩散泵、 管路、切换阀门和真空计组成。真空室的 大小应根据焊接工件的尺寸确定,对于确 定的机械泵和扩散泵,线Pa所需的时间就越长。一般情况下,机 械泵能达到的线Pa,扩散泵可以 达到10-3Pa~10-5Pa真空度。为了加快抽真 空的时间,一般还要在机械泵和扩散泵之 间增加一级增压泵(也称罗斯泵)。 真空扩散连接设备的组成 ? 加热系统 高频感应扩散焊接设备采用高频电源加 热,工作频率为60~500kHz,由于集肤效应的作 用,该类频率区间的设备只能加热较小的工件。 对于较大或较厚的工件,为了缩短感应加热时间, 最好选用500~1000Hz的低频焊接设备。感应线圈 由铜管制成,内通冷却水,其形状可根据焊件的 形状进行设计,但一般为环状,线匝或 多匝。电阻加热真空扩散连接设备采用辐射加热 的方法进行连接,加热体可选用钨、钼或石墨材 料。真空室中应有耐高温材料(一般用多层钼箔) 围成的均匀加热区,以便保持温度均匀。 真空扩散连接设备的组成 ? 加压系统 为了使被连接件之间达到密切接 触,扩散连接时要施加一定的压力。对于 一般的金属材料,在合适的扩散连接温度 下,采用的压强范围为1~100MPa。对于陶 瓷、高温合金等难变形的材料,或加工表 面粗糙度较大,或当扩散连接温度较低时, 才采用较高的压力。扩散连接设备一般采 用液压或机械加压系统,在自动控制压力 的扩散连接设备上,一般装有压力传感器, 以此实现对压力的测量和控制。 真空扩散连接设备的组成 ? 控制系统 控制系统主要实现温度、压力、真空度 及连接时间的控制,少数设备还可以实现位移测 量及控制。温度测量采用镍铬-镍铝、钨-铑、铂铂铑等热电偶,测量范围为293~2573K,控制精 度范围为±(5~10)K。采用压力传感器测量施 加的压力,并通过和给定压力比较进行调节。控 制系统多采用计算机编程自动控制,可以实现连 接参数显示、存储、打印等功能。 ? 冷却系统 为了防止设备在高温下损坏,对扩散泵、 感应加热线圈、电阻加热电极、辐射加热的炉体 等应按照要求通水冷却。 电阻辐射加热真空扩散连接设备结构原理 示意图 1-下压头 2-上压头 3-加热器 4-线-真空系统 感应加热扩散焊机原理示意图 感应加热扩散连接设备照片 超塑成形扩散连接设备示意图 1-下金属平台 2-上金属平台 3-炉壳 4-导筒 5-立柱 6-油缸 7-上模具 8-下模具 9-气管 10-活动炉底

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