焊接：擴散焊簡介

將焊件緊密貼合﹐在一定溫度和壓力下保持一段時間﹐使接觸面之間的原子相互擴散形成聯(lián)接的焊接方法。影響擴散焊過程和接頭質(zhì)量的主要因素是溫度﹑壓力﹑擴散時間和表面粗糙度。焊接溫度越高﹐原子擴散越快。焊接溫度一般為材料熔點的0.5～0.8倍。根據(jù)材料類型和對接頭質(zhì)量的要求﹐擴散焊可在真空﹑保護氣體或溶劑下進行﹐其中以真空擴散焊應(yīng)用最廣。為了加速焊接過程﹑降低對焊接表面粗糙度的要求或防止接頭中出現(xiàn)有害的組織﹐常在焊接表面間添加特定成分的中間夾層材料﹐其厚度在0.01毫米左右。擴散焊接壓力較小﹐工件不產(chǎn)生宏觀塑性變形﹐適合焊后不再加工的精密零件。擴散焊可與其他熱加工工藝聯(lián)合形成組合工藝﹐如熱耗-擴散焊﹑粉末燒結(jié)-擴散焊和超塑性成形-擴散焊等。這些組合工藝不但能大大提高生產(chǎn)率﹐而且能解決單個工藝所不能解決的問題。如超音速飛機上各種鈦合金構(gòu)件就是應(yīng)用超塑性成形-擴散焊制成的。擴散焊的接頭性能可與母材相同﹐特別適合於焊接異種金屬材料﹑石墨和陶瓷等非金屬材料﹑彌散強化的高溫合金﹑金屬基復(fù)合材料和多孔性燒結(jié)材料等。擴散焊已廣泛用於反應(yīng)堆燃料元件﹑蜂窩結(jié)構(gòu)板﹑靜電加速管﹑各種葉片﹑葉輪﹑沖模﹑過濾管和電子元件等的制造。

參考書目

﹒Φ﹒卡札柯夫著﹐何康生﹑孫國俊譯﹕《材料的擴散焊接》﹐國防工業(yè)出版社﹐北京﹐1982。

擴散焊接是壓焊的一種，它是指在相互接觸的表面，在高溫壓力的作用下，被連接表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，經(jīng)一定時間后結(jié)合層原子間相互擴散而形成整體的可靠連接的過程。擴散焊接過程大致可分為3 個階段，第1 階段為物理接觸階段，被連接表面在壓力和溫度作用下，總有一些點首先達到塑性變形，在持續(xù)壓力的作用下，接觸面積逐漸擴大最終達到整個面的可靠接觸;第2 階段是接觸界面原子間的相互擴散，形成牢固的結(jié)合層;第3 階段是在接觸部分形成的結(jié)合層，逐漸向體積方向發(fā)展，形成可靠連接接頭。

當然，這3 個過程并不是截然分開的，而是相互交叉進行，最終在接頭連接區(qū)域由于擴散、再結(jié)晶等過程形成固態(tài)冶金結(jié)合，它可以生成固溶體及共晶體，有時生成金屬間化合物，形成可靠連接。焊接參數(shù)的選擇就是要控制這些因素，最終得到綜合性能良好的接頭，不但考慮擴散形成原子間的相互作用，同時應(yīng)考慮界面生成物的性質(zhì)。

擴散焊接的參數(shù)主要有:溫度、壓力、時間、氣體介質(zhì)、表面狀態(tài)和中間層的選擇等。其中最主要的是溫度、壓力、時間。溫度影響被焊材料的屈服強度和原子的擴散行為，對消除空隙起著決定性作用，擴散溫度的經(jīng)驗公式為T = (0. 6～0. 8) Tm ，其中Tm 為被焊零件材料中的最低熔點。

壓力僅在焊接的第1 階段中是必要條件，加壓的目的是使連接處微觀凸起部分產(chǎn)生塑性變形，使之達到緊密接觸狀態(tài)，并提供變形能為原子擴散創(chuàng)造條件。所選壓力通常保持在稍低于所選溫度下的屈服應(yīng)力，一般為3～10MPa 。形成接頭所需保溫時間與接頭的組織和成分的均勻化密切相關(guān)，主要取決于連接材料的冶金特性及焊接時的溫度和壓力，一般需幾分鐘到幾個小時。

近幾年興起的放電等離子燒結(jié)技術(shù)( SparkPlasma Sintering ，簡稱SPS) ，具有低溫、快速、組織均勻的特點，已引起國外(尤其是日本) 材料科學(xué)與工程界的極大興趣。SPS 系統(tǒng)除成功地應(yīng)用于梯度功能材料(FGM) 、金屬基復(fù)合材料(MMC) 、纖維增強復(fù)合材料( FRC) 、多孔材料、高致密度、細晶粒特種新材料的制備和硬質(zhì)合金的燒結(jié)外，在多層金屬粉末的同步焊接、金屬粉末的焊接以及固體- 粉末- 固體的焊接等方面也已有廣泛的應(yīng)用。日本的深谷保博等人采用SPS 技術(shù)擴散焊接Al2O3 陶瓷和SUS304 不銹鋼， 有限元方法(FEM) 彈塑性分析表明:脈沖大電流加熱連接有助于緩和Al2O3 中的殘余應(yīng)力 。

異種材料的擴散焊接是一門綜合性技術(shù)，涉及范圍廣，學(xué)科交叉性強。盡管人們在這方面進行了大量的工作，也取得了顯著的成果，但在界面反應(yīng)的研究、殘余應(yīng)力分析、接頭性能評定及連接工藝等方面還有待深入研究 。2100433B

近年來隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，在生產(chǎn)應(yīng)用中，經(jīng)常遇到新材料本身或與其它材料的連接問題。如陶瓷、金屬間化合物、非晶態(tài)材料及單晶合金等，用傳統(tǒng)的熔焊方法，很難實現(xiàn)可靠的連接。而一些特殊的高性能構(gòu)件的制造，往往需要把性能差別較大的異種材料，如金屬與陶瓷、鋁與鋼、鈦與鋼、金屬與玻璃等連接在一起，這用傳統(tǒng)的熔焊方法也難以實現(xiàn)。為了適應(yīng)這種要求，近年來作為固相焊接方法之一的擴散焊接技術(shù)引起了人們的重視，成為焊接領(lǐng)域的研究熱點，正在飛速發(fā)展。這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于異種材料的焊接，其中，異種金屬，陶瓷/ 金屬異種材料焊接構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景 。