1、特种焊接与设备特种焊接与设备讲解人：1第三单元第三单元 扩散焊扩散焊 3.1 扩散焊概述扩散焊概述 3.2 扩散焊工艺扩散焊工艺 3.3 扩散焊设备扩散焊设备3.4 常用材料的扩散焊常用材料的扩散焊 综合知识模块 2o扩散焊（扩散焊（diffusion welding，DFW）是将紧密接触的焊件置于真空或保护气氛中，是将紧密接触的焊件置于真空或保护气氛中，并在一定温度和压力下保持一段时间，使接并在一定温度和压力下保持一段时间，使接触界面之间的原子相互扩散而实现可靠连接触界面之间的原子相互扩散而实现可靠连接的一种固相焊接方法。的一种固相焊接方法。 3.1 扩散焊概述扩散焊概述 33.1.1 扩散
2、焊的基本原理扩散焊的基本原理（了解）（了解） o 扩散焊时，把两个或两个以上的焊件紧压在一起，置于扩散焊时，把两个或两个以上的焊件紧压在一起，置于真空或保护气氛中，加热至母材熔点以下某个温度，然真空或保护气氛中，加热至母材熔点以下某个温度，然后对其施加压力，使其表面的氧化膜破碎，表面微观凸后对其施加压力，使其表面的氧化膜破碎，表面微观凸起处发生塑性变形和高温蠕变而达到紧密接触，激活界起处发生塑性变形和高温蠕变而达到紧密接触，激活界面原子之间的扩散，在若干微小区域出现界面间的结合。面原子之间的扩散，在若干微小区域出现界面间的结合。再经过一定时间的保温，这些区域进一步通过原子相互再经过一定时间的保
3、温，这些区域进一步通过原子相互扩散不断扩大。当整个连接界面均形成金属键结合时，扩散不断扩大。当整个连接界面均形成金属键结合时，则完成了扩散焊接过程。则完成了扩散焊接过程。4扩散焊焊缝的形成过程可分为以下三个阶段：扩散焊焊缝的形成过程可分为以下三个阶段： o 第一阶段是物理接触阶段；第一阶段是物理接触阶段； o 第二阶段是相互扩散和反应阶段；第二阶段是相互扩散和反应阶段； o 第三阶段是接合层的成长阶段。第三阶段是接合层的成长阶段。 53.1.2 扩散焊的特点及分类扩散焊的特点及分类（掌握）（掌握） 1、扩散焊的优点：、扩散焊的优点：1）扩散焊时因基体不过热、不熔化，可以在不降低焊件）扩散焊时因
4、基体不过热、不熔化，可以在不降低焊件性能的情况下焊接几乎所有的金属或非金属。性能的情况下焊接几乎所有的金属或非金属。 2）扩散焊接头质量好，）扩散焊接头质量好，3）焊件精度高、变形小。可以焊接大断面的接头；）焊件精度高、变形小。可以焊接大断面的接头； 4）可以焊接结构复杂、接头不易接近以及厚薄相差较大）可以焊接结构复杂、接头不易接近以及厚薄相差较大的工件；的工件；5）能对组装件中许多接头同时实施焊接。）能对组装件中许多接头同时实施焊接。 62.扩散焊的缺点：扩散焊的缺点： 1）焊件表面的制备和装配质量的要求较高，特别对）焊件表面的制备和装配质量的要求较高，特别对接合表面要求严格。接合表面要求严
5、格。2）焊接热循环时间长，生产率低。每次焊接快则几）焊接热循环时间长，生产率低。每次焊接快则几分钟，慢则几十小时。对某些金属会引起晶粒长大。分钟，慢则几十小时。对某些金属会引起晶粒长大。3）设备一次性投资较大，且焊接工件的尺寸受到设）设备一次性投资较大，且焊接工件的尺寸受到设备的限制，无法进行连续式批量生产。备的限制，无法进行连续式批量生产。 7二、扩散焊的分类：二、扩散焊的分类：o 根据被焊材料的组合方式和加压方式的根据被焊材料的组合方式和加压方式的不同，扩散焊可以分成：不同，扩散焊可以分成：同种材料扩散同种材料扩散焊、异种材料扩散焊、加中间层的扩散焊、异种材料扩散焊、加中间层的扩散焊焊等。
6、等。 83.1.3 扩散焊的应用扩散焊的应用（重点掌握）（重点掌握）扩散焊应用领域：扩散焊应用领域：o 适宜于焊接特殊材料或特殊结构，这样的适宜于焊接特殊材料或特殊结构，这样的材料和结构在宇航、电子和核工业中应用材料和结构在宇航、电子和核工业中应用很多，因而扩散焊在这些工业部门中的应很多，因而扩散焊在这些工业部门中的应用很广泛。用很广泛。 9钛合金典型结构的超塑性扩散连接钛合金典型结构的超塑性扩散连接 103.2.1 焊前准备焊前准备（了解）（了解） o 一、扩散焊的接头形式设计一、扩散焊的接头形式设计 o 二、焊件表面的制备与清理二、焊件表面的制备与清理 o 三、中间层材料及选择三、中间层材
7、料及选择 3.2 扩散焊工艺扩散焊工艺 11一、扩散焊的接头形式设计一、扩散焊的接头形式设计 o 扩散焊接头的形式比扩散焊接头的形式比熔化焊类型多，可进熔化焊类型多，可进行复杂形状的接合，行复杂形状的接合，如平板、圆管、中空、如平板、圆管、中空、T形及蜂窝结构均可形及蜂窝结构均可进行扩散焊。进行扩散焊。 12二、焊件表面的制备与清理二、焊件表面的制备与清理 o 待焊表面状态对扩散焊接过程和接头质量的影响很待焊表面状态对扩散焊接过程和接头质量的影响很大，特别是固态扩散焊，必须在装焊前对焊件表面大，特别是固态扩散焊，必须在装焊前对焊件表面进行认真准备，其表面准备包括：加工符合要求的进行认真准备，其
8、表面准备包括：加工符合要求的表面粗糙度、平面度，去除表面的氧化物，消除表表面粗糙度、平面度，去除表面的氧化物，消除表面的气、水或有机物膜层。面的气、水或有机物膜层。o 1表面机械加工表面机械加工 o 2表面净化处理表面净化处理 133.2.2扩散焊工艺参数的选择扩散焊工艺参数的选择（了解）（了解） o 扩散焊工艺参数主要有温度、压力、时间、扩散焊工艺参数主要有温度、压力、时间、气氛环境，这些因素之间相互影响、相互制气氛环境，这些因素之间相互影响、相互制约，在选择焊接参数时应综合考虑。约，在选择焊接参数时应综合考虑。143.3.1扩散焊设备的分类与组成扩散焊设备的分类与组成（掌握）（掌握）o 一
9、、扩散焊设备的分类一、扩散焊设备的分类 o 二、扩散焊设备的组成二、扩散焊设备的组成 3.3扩散焊设备扩散焊设备 151按照真空度分类按照真空度分类o 根据工作空间所能达到的真空度或极限真空度，可根据工作空间所能达到的真空度或极限真空度，可以把扩散焊设备分为四类，即低真空（以把扩散焊设备分为四类，即低真空（0.1Pa以以上）、中真空（上）、中真空（0. l Pa10-3 Pa）、高真空）、高真空（10-5Pa）焊机和低压、高压保护气体扩散焊）焊机和低压、高压保护气体扩散焊机。机。一、扩散焊设备的分类一、扩散焊设备的分类 162按照热源类型和加热方式分类按照热源类型和加热方式分类o 根据扩散焊时
10、所应用的加热热源和加热方式，根据扩散焊时所应用的加热热源和加热方式，可以把焊机分为可以把焊机分为感应加热、辐射加热、接触感应加热、辐射加热、接触加热、电子束加热、激光加热加热、电子束加热、激光加热等。等。o 在实际中应用最广的是高频感应加热和电阻在实际中应用最广的是高频感应加热和电阻辐射加热两种方式。辐射加热两种方式。 173其他分类方法其他分类方法o 根据真空室的数量，可以将扩散焊设备分为单室和根据真空室的数量，可以将扩散焊设备分为单室和多室两大类；多室两大类；o 根据真空焊接的工位数（传力杆的数量），又可分根据真空焊接的工位数（传力杆的数量），又可分为单工位和多工位焊机；为单工位和多工位焊
11、机；o 根据自动化程度，可分为手动、半自动和自动程序根据自动化程度，可分为手动、半自动和自动程序控制三类。控制三类。 18二、扩散焊设备的组成二、扩散焊设备的组成扩散焊接设备一般包括：扩散焊接设备一般包括：o 1加热系统加热系统 o 2加压系统加压系统 o 3保护系统保护系统 o 4控制系统控制系统 193.4.1同种材料的扩散焊同种材料的扩散焊（重点掌握）（重点掌握） o 一、钛合金的扩散焊一、钛合金的扩散焊 o 二、镍合金的扩散焊二、镍合金的扩散焊 o 三、高温合金的焊接三、高温合金的焊接 3.4常用材料的扩散焊常用材料的扩散焊 20一、钛合金的扩散焊一、钛合金的扩散焊 o 钛合金采用扩散
12、焊，接头性能优于常规熔焊。钛合金采用扩散焊，接头性能优于常规熔焊。o 钛合金在扩散焊时无需对焊件表面进行特殊的准备钛合金在扩散焊时无需对焊件表面进行特殊的准备和控制。和控制。o 钛合金能吸收大量的钛合金能吸收大量的O2、H2和和N2等气体，故不等气体，故不宜在宜在H2和和N2气氛中进行扩散焊，应在真空状态或气氛中进行扩散焊，应在真空状态或氩气保护下进行。氩气保护下进行。21o 钛合金常用焊接参数为：钛合金常用焊接参数为： 加热温度加热温度在在11231273K范围内选取，范围内选取，保温保温时间时间在在14h范围内选取，范围内选取，压力压力在在25 MPa范围内选取，范围内选取，真空度真空度1
13、.3310-3Pa以上或在氩气保护下焊接。对于大面积钛合以上或在氩气保护下焊接。对于大面积钛合金扩散焊，可采用加中间层进行扩散钎焊，金扩散焊，可采用加中间层进行扩散钎焊，中间层主要采用中间层主要采用Ag基钎料、基钎料、Ag-Cu钎料、钎料、Ti基钎料。由于基钎料。由于Cu基钎料和基钎料和Ni基钎料容易基钎料容易和和Ti发生反应，形成金属间化合物，一般不发生反应，形成金属间化合物，一般不作为中间层或钎料使用。作为中间层或钎料使用。 22二、镍合金的扩散焊二、镍合金的扩散焊 o 镍合金具有优良的耐高温、耐腐蚀及耐磨损等性能，镍合金具有优良的耐高温、耐腐蚀及耐磨损等性能，其熔焊时焊接性差，接头韧性远
14、低于母材，因此较其熔焊时焊接性差，接头韧性远低于母材，因此较多地应用扩散焊实现连接。多地应用扩散焊实现连接。o 镍合金表面含有镍合金表面含有Ti和和A1的氧化膜，比较稳定，须的氧化膜，比较稳定，须仔细地进行焊接表面准备；在焊接过程中，严格控仔细地进行焊接表面准备；在焊接过程中，严格控制气氛，防止表面污染，通常还需要纯镍或镍合金制气氛，防止表面污染，通常还需要纯镍或镍合金作中间层。作中间层。 23一、钢与铝、钛、铜、钼的扩散焊一、钢与铝、钛、铜、钼的扩散焊 o 1. 钢与铝的扩散焊钢与铝的扩散焊o 2钢与钛的扩散焊接钢与钛的扩散焊接 o 3钢与铜及铜合金扩散焊接钢与铜及铜合金扩散焊接 o 4不锈
15、钢与钼扩散焊不锈钢与钼扩散焊 3.4.2异种金属材料的扩散焊接异种金属材料的扩散焊接（了解）（了解）241. 钢与铝的扩散焊钢与铝的扩散焊o 钢与铝及铝合金进行扩散焊的主要问题是焊钢与铝及铝合金进行扩散焊的主要问题是焊接界面附近易形成接界面附近易形成Fe-Al金属间化合物，使金属间化合物，使接头强度下降。接头强度下降。 o 可采用增加中间过渡层的方法获得牢固的接可采用增加中间过渡层的方法获得牢固的接头。头。 o 一般可选用一般可选用Cu和和Ni。 o 合金元素合金元素Mg、Si及及Cu对钢与铝扩散焊接头对钢与铝扩散焊接头的强度影响很大。的强度影响很大。 252钢与钛的扩散焊接钢与钛的扩散焊接o
16、 采用扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金时，应采用扩散焊方法焊接钢与钛及钛合金时，应添加中间层或复合填充材料。添加中间层或复合填充材料。263钢与铜及铜合金扩散焊接钢与铜及铜合金扩散焊接o 钢与铜及铜合金扩散焊时，加热温度钢与铜及铜合金扩散焊时，加热温度750、保温时间保温时间2030min的条件下实施扩散焊，的条件下实施扩散焊，通过金相分析可观察到扩散焊接头中有共晶通过金相分析可观察到扩散焊接头中有共晶体。体。 o 钢与铜扩散焊的焊接参数为：加热温度钢与铜扩散焊的焊接参数为：加热温度900，保温时间，保温时间20min，压力，压力5MPa，真空度真空度1.3310-21.3310-3Pa。o 为了
17、提高钢与铜及铜合金扩散焊接头的强度，为了提高钢与铜及铜合金扩散焊接头的强度，可采用可采用Ni作中间过渡层。作中间过渡层。 274不锈钢与钼扩散焊不锈钢与钼扩散焊 o 不锈钢（不锈钢（1Cr18Ni9Ti和和1Cr13 )与钼扩与钼扩散焊能获得质量稳定的接头。散焊能获得质量稳定的接头。 o 可采用添加中间层，中间层材料一般为可采用添加中间层，中间层材料一般为Ni或或Cu。 28二、铜与铝、钛、镍、钼的扩散焊二、铜与铝、钛、镍、钼的扩散焊 o 1铜和铝扩散焊接铜和铝扩散焊接o 2铜与钛的扩散焊铜与钛的扩散焊 o 3铜与镍的扩散焊铜与镍的扩散焊o 4铜与钼的扩散焊铜与钼的扩散焊 291铜和铝扩散焊接
18、铜和铝扩散焊接o 铜和铝扩散焊时，影响接头质量和焊接过程铜和铝扩散焊时，影响接头质量和焊接过程稳定的主要因素有：加热温度、焊接压力、稳定的主要因素有：加热温度、焊接压力、保温时间、真空度和焊件的表面准备等。保温时间、真空度和焊件的表面准备等。o 焊前焊件表面须进行精细加工、磨平和清洗焊前焊件表面须进行精细加工、磨平和清洗去油，去除铝材表面的氧化膜，使其表面尽去油，去除铝材表面的氧化膜，使其表面尽可能洁净和无任何杂质。可能洁净和无任何杂质。 o 根据铜与铝扩散焊接头的显微硬度测定结果，根据铜与铝扩散焊接头的显微硬度测定结果，铜侧过渡区中可能产生了金属间化合物。铜侧过渡区中可能产生了金属间化合物。
19、 302铜与钛的扩散焊铜与钛的扩散焊 o 铜与钛的扩散焊可采用直接扩散焊或加中间铜与钛的扩散焊可采用直接扩散焊或加中间层的扩散焊方法，前者接头强度低，后者强层的扩散焊方法，前者接头强度低，后者强度高，并有一定塑性。度高，并有一定塑性。 o 铜与钛之间不加中间层直接扩散焊时，为了铜与钛之间不加中间层直接扩散焊时，为了避免金属间化合物的生成，焊接过程应在短避免金属间化合物的生成，焊接过程应在短时间内完成。时间内完成。 o 铜与纯钛铜与纯钛TA2直接扩散焊的焊接参数是：加直接扩散焊的焊接参数是：加热温度热温度850，保温时间，保温时间l0min，压力，压力4.9MPa，真空度，真空度1.3310-5
20、Pa。 313铜与镍的扩散焊铜与镍的扩散焊o 采用扩散焊方法焊接铜与镍及镍合金的焊接采用扩散焊方法焊接铜与镍及镍合金的焊接结构，是真空器件制造中应用较为广泛的一结构，是真空器件制造中应用较为广泛的一种焊接工艺。种焊接工艺。o 由于铜与镍及镍合金具有较好的塑性，而且由于铜与镍及镍合金具有较好的塑性，而且在相互扩散的过程中均能获得连续的固溶体，在相互扩散的过程中均能获得连续的固溶体，使焊接接头质量提高。使焊接接头质量提高。 324铜与钼的扩散焊铜与钼的扩散焊o 填加中间层填加中间层Ni的铜与钼扩散焊的焊接参数为：的铜与钼扩散焊的焊接参数为：加热温度加热温度800950，保温时间，保温时间1015m
21、im，压力，压力1923 MPa，真空度，真空度1.3310-4Pa。o 铜与铝扩散焊还可以采用镀层的方法，在铝铜与铝扩散焊还可以采用镀层的方法，在铝表面镀上一层厚度为表面镀上一层厚度为714m的镍层，然的镍层，然后再进行真空扩散焊，能获得强度较高的扩后再进行真空扩散焊，能获得强度较高的扩散焊接头。散焊接头。 333.4.3 陶瓷材料的扩散焊陶瓷材料的扩散焊（掌握）（掌握）o 陶瓷材料扩散焊的主要优点是：焊接强度高，陶瓷材料扩散焊的主要优点是：焊接强度高，尺寸容易控制，适合于焊接异种材料；尺寸容易控制，适合于焊接异种材料；o 不足之处是焊接温度高、时间长且须在真空不足之处是焊接温度高、时间长且须在真空下进行，成本高，试件尺寸和形状受到限制。下进行，成本高，试件尺寸和形状受到限制。o 陶瓷材料扩散焊的方法有：同种陶瓷材料陶瓷材料扩散焊的方法有：同种陶瓷材料直接焊接。用另一种薄层材料焊接同种陶直接焊接。用另一种薄层材料焊接同种陶瓷材料。异种陶瓷材料直接焊接。用第瓷材料。异种陶瓷材料直接焊接。用第三种薄层材料焊接异种陶瓷材料。三种薄层材料焊接异种陶瓷材料。 34课后作业课后作业o 随堂笔记（标清序列号）随堂笔记（标清序列号）35
