1、2022-11-10Page 1 低温焊接技术低温焊接技术扩散焊扩散焊摩擦焊摩擦焊冷金属过渡焊接（冷金属过渡焊接（CMT)许志武许志武 博士博士/副教授副教授哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室先进焊接与连接国家重点实验室2022-11-10Page 2 焊接技术分类焊接技术分类固相连接：固相连接：扩散焊扩散焊摩擦焊摩擦焊超声波焊超声波焊爆炸焊爆炸焊段焊段焊2022-11-10Page 3 扩散焊扩散焊焊接原理焊接原理：在真空或惰性环境下，将两个待焊试件紧密接触，加热至低于固相线的温度在真空或惰性环境下，将两个待焊试件紧密接触，加热至低于固相线的温度（T=0.5-0.8Tm
2、),T=0.5-0.8Tm),在一定的压力作用下，首先界面局部接触塑性变形，促使氧化在一定的压力作用下，首先界面局部接触塑性变形，促使氧化膜破碎分解；当达到净面接触时，为原子间扩散创造了条件，同时界面上的氧化膜破碎分解；当达到净面接触时，为原子间扩散创造了条件，同时界面上的氧化物被溶解吸收；继而再结晶组织生长，晶界移动，有时出现联生晶及金属间化合物被溶解吸收；继而再结晶组织生长，晶界移动，有时出现联生晶及金属间化合物，经过一段时间后构成牢固一体的焊接接头。物，经过一段时间后构成牢固一体的焊接接头。2022-11-10Page 4 扩散焊扩散焊焊接特性焊接特性：(1)(1)扩散焊接头的显微组织和
3、性能与母材接近或相同，不存在熔化缺陷扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相同，不存在熔化缺陷(2)(2)焊接温度低，母材损伤小焊接温度低，母材损伤小(3)(3)可进行内部及多点、大面积焊接可进行内部及多点、大面积焊接 (4)(4)微变形、微变形、小应力、高精密小应力、高精密(5)(5)适合于塑性差或熔点及耐热材料的同种和异种、多层材料间连接适合于塑性差或熔点及耐热材料的同种和异种、多层材料间连接（扩散焊的研究和实际应用中，（扩散焊的研究和实际应用中，70%70%涉及异种材料的连接）涉及异种材料的连接）(6)(6)表面制备要求高表面制备要求高 (7)(7)焊接和辅助时间长焊接和辅助时间长(8)
4、(8)设备一次性投资大，工件尺寸受到设备限制设备一次性投资大，工件尺寸受到设备限制2022-11-10Page 5 焊接设备：焊接设备：扩散焊扩散焊技术指标下：技术指标下：(1)(1)极限真空度：极限真空度：2 21010-4-4PaPa（冷态）（冷态）2 21010-3-3PaPa（热态）（热态）(2)(2)压升率压升率 0.5Pa/h0.5Pa/h(3)(3)高频加热功率高频加热功率 25KW25KW(4)(4)加压范围加压范围 300N-40000N300N-40000N，控制精度控制精度3%3%(5)(5)最高加热温度最高加热温度 13001300，控制精度，控制精度1 1(6)(6)
5、位移测量范围位移测量范围 -2-+3mm-2-+3mm，测量精度，测量精度 1 1(7)(7)真空室尺寸真空室尺寸 350350350mm350mm真空系统、加压系统、加热系统、真空系统、加压系统、加热系统、控制及测量系统控制及测量系统2022-11-10Page 6 焊接过程：焊接过程：（1）工件表面处理）工件表面处理 平整，平整，Ra一般一般0.8；无油污；无油污（2）工件装配）工件装配 中间层选择（塑性好；含加速扩散元素，如中间层选择（塑性好；含加速扩散元素，如B、P、Si等；有活等；有活化作用；不与母材发生有害反应等，厚度一般为几十微米）、放置化作用；不与母材发生有害反应等，厚度一般为
6、几十微米）、放置 阻焊剂（熔点或软化点高于焊接温度；化学稳定性好）阻焊剂（熔点或软化点高于焊接温度；化学稳定性好）（3）装炉）装炉（4）焊接）焊接（5）炉冷）炉冷扩散焊扩散焊2022-11-10Page 7 1 1）连接温度）连接温度2 2）连接时间）连接时间SiC/Ti SiC/Ti 反应层厚度与温度及时间的关系反应层厚度与温度及时间的关系SiC-Nb SiC-Nb 界面反应层厚度与时间的关系界面反应层厚度与时间的关系焊接工艺参数：焊接工艺参数：3 3）连接压力）连接压力)/exp(0RTEDD 5.0)2(Dtx 2022-11-10Page 8 4 4）表面加工状态）表面加工状态SiSi
7、3 3N N4 4-Al-Al 表面粗糙度对接头弯曲强度的影响表面粗糙度对接头弯曲强度的影响5 5）连接气氛）连接气氛6 6）中间层的选择）中间层的选择环境条件对环境条件对SiSi3 3N N4 4/Al/Si/Al/Si3 3N N4 4 接头抗接头抗弯强度的影响弯强度的影响 降低连接温度降低连接温度 减小连接压力减小连接压力 降低界面应力集中降低界面应力集中2022-11-10Page 9 典型焊接构件典型焊接构件铝钛铝钛钛不锈钢钛不锈钢铝铜铝铜铝不锈钢铝不锈钢2022-11-10Page 10 衍生技术：衍生技术：扩散焊扩散焊（1 1）过渡液相扩散连接）过渡液相扩散连接（2 2）热轧扩散
8、连接）热轧扩散连接（3 3）超塑性扩散连接）超塑性扩散连接零阶段：加热下相互扩散母材中间层第一阶段：溶解第四阶段：均匀化液相层达到最大值第三阶段：等温凝固第二阶段：液相层扩大原理：原理：Transient Liquid Phase BondingTransient Liquid Phase Bonding 1 1）焊接温度达到中间层的熔点而使其熔化成液相，）焊接温度达到中间层的熔点而使其熔化成液相，或加热条件下，通过中间层金属与基体金属相互扩散，或加热条件下，通过中间层金属与基体金属相互扩散，达到低熔点共晶成分而形成液相共晶；达到低熔点共晶成分而形成液相共晶；2 2）形成的共晶薄膜在较小压力下
9、润湿母材，然后）形成的共晶薄膜在较小压力下润湿母材，然后保持恒定温度使中间层与母材之间的扩散继续进行，达保持恒定温度使中间层与母材之间的扩散继续进行，达到最大液相量；到最大液相量；3 3）元素继续扩散，达到固、液相线之间的成分时）元素继续扩散，达到固、液相线之间的成分时开始等温凝固；开始等温凝固；4 4）完全凝固后经过均匀化，形成与母材组织成分）完全凝固后经过均匀化，形成与母材组织成分一致的焊接接头。一致的焊接接头。2022-11-10Page 11（1 1）过渡液相扩散焊）过渡液相扩散焊优点：优点：焊接温度低；焊接温度低；液体金属原子运动较为自由，扩散速度快；液体金属原子运动较为自由，扩散速
10、度快；压力作用下液相薄膜更易破坏界面连续的氧压力作用下液相薄膜更易破坏界面连续的氧化膜并能消除接头表面的油污；化膜并能消除接头表面的油污；液相层在压力条件下凝固，最后所得组织致液相层在压力条件下凝固，最后所得组织致密，易得到与母材组织近似的接头。密，易得到与母材组织近似的接头。压力压力AlGa 26.6 AlLi 180 AlZn 381 AlGe 420 AlMg 450 AlCu 548 AlAg 577 AlSi 577 AlNi 639 2022-11-10Page 12(1)(1)利用非金属中间层：玻璃利用非金属中间层：玻璃(2)(2)利用组合金属中间层：低利用组合金属中间层：低/高
11、高/低低陶瓷材料瞬间液相扩散焊陶瓷材料瞬间液相扩散焊过程示意图过程示意图 熔化的熔化的B B 或或 AB AB 的界面产物可以和陶瓷连接。的界面产物可以和陶瓷连接。A A 是高熔点元素且线膨胀系数和复合材料相似。是高熔点元素且线膨胀系数和复合材料相似。高熔点的中间层能够消耗低熔点层，形成高熔高熔点的中间层能够消耗低熔点层，形成高熔 点的合金或反应产物。点的合金或反应产物。中间层的选择原则：中间层的选择原则：BAB（1 1）过渡液相扩散焊）过渡液相扩散焊2022-11-10Page 13 陶瓷材料瞬间液相扩散焊常用复合中间层陶瓷材料瞬间液相扩散焊常用复合中间层2022-11-10Page 14（
12、2 2）热轧扩散焊）热轧扩散焊 将构件在真空将构件在真空环境下加热至一定环境下加热至一定温度，随后通过辊温度，随后通过辊轧力使连接界面的轧力使连接界面的金属发生塑性融合金属发生塑性融合，实现连接，实现连接2022-11-10Page 15 典型界面特征典型界面特征优点：优点：（1 1）焊接温度低，材料连接面无有害反应）焊接温度低，材料连接面无有害反应（2 2）适合双金属与多金属的较大面积连接）适合双金属与多金属的较大面积连接（3 3）焊接速度较快）焊接速度较快2022-11-10Page 16 典型焊接构件典型焊接构件不锈钢不锈钢/钼钼不锈钢不锈钢/钛合金钛合金不锈钢不锈钢/铜合金铜合金铝铝/
13、钢钢。2022-11-10Page 17（3 3）超塑性扩散焊）超塑性扩散焊 超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺超塑性是指材料在一定的内部（组织）条件（如晶粒形状及尺寸，相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈寸，相变等）和外部（环境）条件下（如温度、应变速率等），呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能（例如大的延伸率）的现象。现象。金属超塑性可以分为几类，主要是以下两种：细晶超塑性（又金属超塑性可以分为几类，主要是以下两种：细晶超塑性（又称组织超塑性或恒温超塑性），其内在条件是具有稳定的等轴细晶称组
14、织超塑性或恒温超塑性），其内在条件是具有稳定的等轴细晶组织，外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形；组织，外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形；相变超塑性（又称环境超塑性），是指在材料相变点上下进行温相变超塑性（又称环境超塑性），是指在材料相变点上下进行温度循环的同时对试样加载，每次循环中试样得到累积的大变形。度循环的同时对试样加载，每次循环中试样得到累积的大变形。2022-11-10Page 18 W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2钢和钢和4545钢的超塑性扩散焊接钢的超塑性扩散焊接细晶处理细晶处理焊接过程：焊接过程：将经细砂纸打磨且丙酮清洗过的试样对接后放入
15、试验装置内将经细砂纸打磨且丙酮清洗过的试样对接后放入试验装置内 施加一定的预压力施加一定的预压力 加热至超塑性变形温度后保温一段时间加热至超塑性变形温度后保温一段时间 在超塑性变形速率下短时间压缩变形在超塑性变形速率下短时间压缩变形 卸载卸载 待温度降至待温度降至 250 250 以下时空冷。以下时空冷。2022-11-10Page 19 结论：经超细化预处理后的结论：经超细化预处理后的W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2钢与钢与4545钢钢 ,在变形温度在变形温度 Ts=750Ts=750780 780、压接前保温时间压接前保温时间t0=10t0=1015 min 15 min 及初始及
16、初始应变速率应变速率0=1.00=1.03.03.01010-4-4s s-1-1的条件下经的条件下经3 35 min 5 min 的短的短时间压接可实现压接接头强度达到母材时间压接可实现压接接头强度达到母材(45(45钢钢)的超塑性扩散焊的超塑性扩散焊接。接。2022-11-10Page 20 虽然奥氏体不锈钢虽然奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9Ti在焊接温度范围在焊接温度范围内不发生相变，但是近内不发生相变，但是近钛合金钛合金 TA17的的 相变点相变点为为888,有可能实现有可能实现 TA17和和 0C r18N i 9T i的相的相变超塑性扩散焊。变超塑性扩散焊。请参考：请参考：焊接学报
17、，焊接学报，2006，27（1）：）：41-44，48钛合金与不锈钢的相变超塑性扩散焊工艺钛合金与不锈钢的相变超塑性扩散焊工艺2022-11-10Page 21 可焊材料种类：可焊材料种类：(1)(1)同种材料：碳钢、不锈钢、钛合金、镍合金、铝合金、金属件化合同种材料：碳钢、不锈钢、钛合金、镍合金、铝合金、金属件化合物、物、C/CC/C、陶瓷基、金属基等复合材料。、陶瓷基、金属基等复合材料。(2)(2)异种材料：异种材料：注意：界面是否会形成金属间化合物；界面两侧金属扩散速度差异是注意：界面是否会形成金属间化合物；界面两侧金属扩散速度差异是否大；两种材料的热膨胀系数差异是否大。否大；两种材料的
18、热膨胀系数差异是否大。钢（铜钢（铜/镍）镍）/铝；钢（铜铝；钢（铜/镍）镍）/钼；钢钼；钢/铜；钢铜；钢/铸铁铸铁 铜铜/铝；铜铝；铜/钛、镍、钼钛、镍、钼 钛（渗铝）钛（渗铝）/铝；铝；陶瓷陶瓷/金属金属扩散焊扩散焊2022-11-10Page 22 应用例子：应用例子：扩散焊目前已实现扩散焊目前已实现560多组异种材料的焊接。局部真空措多组异种材料的焊接。局部真空措施焊成的巨型工件长达施焊成的巨型工件长达50m,重重75t；有用；有用533个零件焊成的一个零件焊成的一个巨大的轰炸机部件。在宇宙飞船构件的制造中个巨大的轰炸机部件。在宇宙飞船构件的制造中,焊接了发动焊接了发动机的喷管、蜂窝壁板
19、；飞机制造中的反推力装置、蒙皮、起机的喷管、蜂窝壁板；飞机制造中的反推力装置、蒙皮、起落架、钛合金空心叶片、轮盘、桨毂；在化工设备制造中，落架、钛合金空心叶片、轮盘、桨毂；在化工设备制造中，制成了高制成了高3m、直径、直径1.8m的部件；在原子能设备制造中，制成的部件；在原子能设备制造中，制成水冷反应堆燃料元件；在冶金工业中生产了复合板；利用钛水冷反应堆燃料元件；在冶金工业中生产了复合板；利用钛合金超塑性的成形扩散焊已得到成功的应用。铝合金与不锈合金超塑性的成形扩散焊已得到成功的应用。铝合金与不锈钢的焊接，钛合金与钢的焊接，钛合金与95%氧化铝陶瓷的封接，无氧铜，镀镍氧化铝陶瓷的封接，无氧铜，
20、镀镍可伐及蒙乃尔合金与可伐及蒙乃尔合金与95%氧化铝陶瓷和氧化铝陶瓷和99.5%氧化铝的封接。氧化铝的封接。实验证明该方法可得到气密的连接件。实验证明该方法可得到气密的连接件。扩散焊扩散焊2022-11-10Page 23 Al2O3/Cu/Al连接时间对接头强度的影响连接时间对接头强度的影响T=773KT=773K连接温度对接头强度的影响连接温度对接头强度的影响T=1226sT=1226s 扩散焊的应用扩散焊的应用人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH&Co.KG
