先进固态焊接技术

1、1. 焊接及其分类焊接及其分类 从广义上讲，使被焊物体相互靠近达到原子间结合的程度，从广义上讲，使被焊物体相互靠近达到原子间结合的程度， 以获得永久牢固的连接以获得永久牢固的连接，或者说除可拆卸的螺钉连接、铆或者说除可拆卸的螺钉连接、铆 接接 等机械连接外，使材料之间产生不可拆卸的冶金结合。等机械连接外，使材料之间产生不可拆卸的冶金结合。 分类：熔化焊、钎焊和压力焊接。分类：熔化焊、钎焊和压力焊接。 1 1熔化焊：熔化焊： 2 2压力焊：压力焊： 3 3钎焊：钎焊： 加热。加热。电弧焊、激光焊等电弧焊、激光焊等 加压或同时加热。加压或同时加热。电阻焊、摩擦焊、扩散焊等电阻焊、摩擦焊、扩散焊等

2、焊件不熔化。焊件不熔化。软软钎焊、硬钎焊钎焊、硬钎焊 接头区焊件材料要发生熔化、扩散和凝固过程。接头区焊件材料要发生熔化、扩散和凝固过程。 钎料要发生熔化、扩散及凝固过程。钎料要发生熔化、扩散及凝固过程。 2. 固态焊接及其特点固态焊接及其特点 涵义：指被连接材料完全不熔化的压力焊接，它是通过各种涵义：指被连接材料完全不熔化的压力焊接，它是通过各种 物理方法克服两个连接表面的不平度，除去氧化膜及其它物理方法克服两个连接表面的不平度，除去氧化膜及其它 污污 染物，使两个连接表面上的原子相互接近达到晶格距离，染物，使两个连接表面上的原子相互接近达到晶格距离， 形形 成金属键结合的固态下的连接。成金

3、属键结合的固态下的连接。 分类：按接合机理的不同，固态连接可大致分为两类。分类：按接合机理的不同，固态连接可大致分为两类。 以塑性变形为主的变形焊接，如锻焊，它是在较高温度较大以塑性变形为主的变形焊接，如锻焊，它是在较高温度较大 外力作用下使结合区发生大的塑性流变，提高接触面的密合外力作用下使结合区发生大的塑性流变，提高接触面的密合 性，同时破坏表面的氧化膜，使之露出新鲜表面，从而实现性，同时破坏表面的氧化膜，使之露出新鲜表面，从而实现 原子间结合。原子间结合。 以扩散为主的扩散焊接，它是在真空或保护气氛下通过高温以扩散为主的扩散焊接，它是在真空或保护气氛下通过高温 低应力、长时间控制扩散的形

4、式，利用高温蠕变变形使结合低应力、长时间控制扩散的形式，利用高温蠕变变形使结合 面密合，尔后靠空位扩散或边界扩散实现固态连接。面密合，尔后靠空位扩散或边界扩散实现固态连接。 要点：接触要点：接触 连接连接 塑变和扩散塑变和扩散 固态焊接技术在实施中均需在一定外力作用下，使结合区的固态焊接技术在实施中均需在一定外力作用下，使结合区的 材料发生塑性变形以实现紧密接触并破坏表面氧化膜并扩散。材料发生塑性变形以实现紧密接触并破坏表面氧化膜并扩散。 举例：举例：扩散焊，摩擦焊，超塑焊，扩散焊，摩擦焊，超塑焊，爆炸焊，锻焊，超声波焊爆炸焊，锻焊，超声波焊 优点优点 （1）传统的熔焊方法难以实现高性能复合连

5、接构件成形。如金属）传统的熔焊方法难以实现高性能复合连接构件成形。如金属/ 陶瓷、陶瓷、 铜铜/钨合金、钢钨合金、钢/钛、铜、硬质合金等连接钛、铜、硬质合金等连接。 （2）固态连接能最大程度地实现此类材料与母材组织性能一致的高质）固态连接能最大程度地实现此类材料与母材组织性能一致的高质 量连接和精密连接。量连接和精密连接。 第第 2 节扩散焊节扩散焊 1. 固态焊接及其特点固态焊接及其特点 涵义：相互接触的材料表面，在温度和压力作用下相互靠近，局部相互接触的材料表面，在温度和压力作用下相互靠近，局部 发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在界面形成扩散层，从而实发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在

6、界面形成扩散层，从而实 现可靠连接现可靠连接。 分为直接扩散及加中间层的扩散焊接分为直接扩散及加中间层的扩散焊接。 特点： （1）适用材料对象上广泛）适用材料对象上广泛 （2）可实现多点和内部及大面积焊接）可实现多点和内部及大面积焊接 （3）接头质量高，精密焊接）接头质量高，精密焊接 （4）设备大、复杂。）设备大、复杂。 2. 固态焊基本原理固态焊基本原理 (a) 凹凸不平的初始接触 (b)变形和形成部分界面阶段 (c)元素相互扩散和反应阶段 (d)体积扩散及微孔消除阶段 （1）第一阶段为物理接触阶段第一阶段为物理接触阶段 （2）第二阶段是接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层第二阶段是接

7、触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层 （3）第三阶段是在接触部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，第三阶段是在接触部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展， 形成可靠的连接接头形成可靠的连接接头 3. 扩散焊工艺参数扩散焊工艺参数 （1）温度：温度高，扩散系数大，金属塑变能力好）温度：温度高，扩散系数大，金属塑变能力好 T0.7 Tm （2）扩散时间：愈短愈好）扩散时间：愈短愈好 （3）压力：愈小愈好）压力：愈小愈好 （4）表面准备：光洁度，平直度，表面处理等）表面准备：光洁度，平直度，表面处理等 第第 3 节摩擦焊节摩擦焊 1. 摩擦焊摩擦焊 涵义：是一种固态热压焊，在外力作用下，利用焊件接

8、触面之间的是一种固态热压焊，在外力作用下，利用焊件接触面之间的 相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其近区金属达相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其近区金属达 到塑性状态，而后加压形成的焊接接头的方法。到塑性状态，而后加压形成的焊接接头的方法。 由原苏联学者首先提出摩擦焊以其优质、高效、节能和无污染的由原苏联学者首先提出摩擦焊以其优质、高效、节能和无污染的 技术特色，受到制造业的重视。近年来不断开发出的摩擦焊新技术技术特色，受到制造业的重视。近年来不断开发出的摩擦焊新技术 使焊件的形状由典型的圆截面扩展到非圆截面使焊件的形状由典型的圆截面扩展到非圆截面(线性摩擦焊线性摩擦

9、焊)和板材和板材 (搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊)，所焊材料由传统金属材料拓宽到粉末合金、复合材，所焊材料由传统金属材料拓宽到粉末合金、复合材 料、功能材料、难熔材料，及陶瓷料、功能材料、难熔材料，及陶瓷-金属等新型和异种材料领域。金属等新型和异种材料领域。 2. 分类分类 （1）连续驱动摩擦焊（连续驱动摩擦焊（continues drive friction welding） 是利用被焊工件的相对转是利用被焊工件的相对转 动，同时施加适当的轴向压力动，同时施加适当的轴向压力 (摩擦压力摩擦压力)，使工件接触面相，使工件接触面相 互摩擦而升温，当温度达到使互摩擦而升温，当温度达到使 焊接件接触端部呈热

10、塑性状态焊接件接触端部呈热塑性状态 时，迫使工件相对转动迅速停时，迫使工件相对转动迅速停 止，同时将轴向压力加大，并止，同时将轴向压力加大，并 适当保压一段时间以产生足够适当保压一段时间以产生足够 塑性变形，从而使两工件牢固塑性变形，从而使两工件牢固 地焊接在一起。地焊接在一起。 （2）连续驱动摩擦焊（连续驱动摩擦焊（continues drive friction welding） 在线性摩擦焊中，摩擦副在线性摩擦焊中，摩擦副 中的一个焊件被往复机驱动，中的一个焊件被往复机驱动， 相对于另一侧的焊件表面做相相对于另一侧的焊件表面做相 对运动。在垂直于往复运动方对运动。在垂直于往复运动方 向的

11、压力作用下，随着摩擦运向的压力作用下，随着摩擦运 动的进行，摩擦表面被清理并动的进行，摩擦表面被清理并 产生摩擦热，摩擦表面的金属产生摩擦热，摩擦表面的金属 逐渐达到粘塑性状态并产生变逐渐达到粘塑性状态并产生变 形。然后，停止往复运动并施形。然后，停止往复运动并施 加顶锻力，完成焊接。加顶锻力，完成焊接。 连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊一般限于把圆柱截面连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊一般限于把圆柱截面 或管截面的焊件焊到相同类型的截面或板上，而线性摩或管截面的焊件焊到相同类型的截面或板上，而线性摩 擦焊的主要优点是不管工件截面是否对称，均可进行焊擦焊的主要优点是不管工件截面是否对称，均可进行焊 接。如

12、：可焊接方形、圆形、多边形截面的金属、塑料接。如：可焊接方形、圆形、多边形截面的金属、塑料 焊件及不规则构件。线性摩擦焊主要用于飞机发动机涡焊件及不规则构件。线性摩擦焊主要用于飞机发动机涡 轮盘与叶片的焊接，还可用于焊接大截面的塑料部件，轮盘与叶片的焊接，还可用于焊接大截面的塑料部件， 如汽车减振器、货车罩、底板，以及塑料或金属的复合如汽车减振器、货车罩、底板，以及塑料或金属的复合 焊件。焊件。 （3）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊(Friction stir welding) 搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利技术，即利用高搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利技术，即利用高 速旋转的摩擦焊头

13、进行焊接，摩擦焊头一边旋转一边沿着工件的焊速旋转的摩擦焊头进行焊接，摩擦焊头一边旋转一边沿着工件的焊 缝移动，使被焊工件在摩擦热的作用下焊接成一体。缝移动，使被焊工件在摩擦热的作用下焊接成一体。 将耐高温硬质材料制成的一定形状的搅拌头旋转插入到被焊接将耐高温硬质材料制成的一定形状的搅拌头旋转插入到被焊接 工件的待焊处，高速旋转的搅拌头与被焊接材料之间的摩擦剪切阻工件的待焊处，高速旋转的搅拌头与被焊接材料之间的摩擦剪切阻 力产生摩擦热，摩擦热使搅拌头邻近区域的材料受热变软从而得到力产生摩擦热，摩擦热使搅拌头邻近区域的材料受热变软从而得到 了热塑化。刀头的旋转，对母材也有搅动、碾压和锻造等作用，随

14、了热塑化。刀头的旋转，对母材也有搅动、碾压和锻造等作用，随 着刀具的移动，在其后形成一道焊缝。着刀具的移动，在其后形成一道焊缝。 工艺特点： (1)固相连接在合金中保持母材冶金性能固相连接在合金中保持母材冶金性能, 可焊金属基复合材料、快速凝可焊金属基复合材料、快速凝 固材料等采用熔焊会有不良反应的材料；固材料等采用熔焊会有不良反应的材料； (2)对挤压型材进行焊接对挤压型材进行焊接, 可制成大型结构可制成大型结构, 如船板、框架、平台等；如船板、框架、平台等； (3)实现不同材料的连接实现不同材料的连接, 如铸件与挤压件；如铸件与挤压件； (4)残余应力比熔焊低；残余应力比熔焊低； (5)不

15、需焊料；不需焊料； (6)设备简单设备简单, 能耗低能耗低, 功效高；功效高； (7)操作人员不需受特殊训练；操作人员不需受特殊训练； (8)适于自动化生产；适于自动化生产； (9)不需开专门坡口，可用于几种接头形式不需开专门坡口，可用于几种接头形式:对接对接,搭接和角焊；搭接和角焊； (10)可焊热裂纹敏感的材料。可焊热裂纹敏感的材料。 3. 摩擦焊技术特点摩擦焊技术特点 （1）固态焊固态焊 （2）广泛的工艺适应性（广泛的工艺适应性（材料，尺寸材料，尺寸） （3）焊接过程可靠性高（压力、时间、速度和位移焊接过程可靠性高（压力、时间、速度和位移 ） （4）高效、低能、清洁高效、低能、清洁 第第

16、 4 节超塑性焊节超塑性焊 1. 超塑性及其形成条件超塑性及其形成条件 超塑性 超塑性分类及形成条件 （1）等轴细晶组织等轴细晶组织 （2）应变速率应变速率 （3）应变速率应变速率 分组织超塑性和相变超塑性，其中分组织超塑性和相变超塑性，其中 2. 超塑性焊接及其特点超塑性焊接及其特点 涵义：利用材料在超塑状态下易焊合的特点而进行的固态压力焊接。利用材料在超塑状态下易焊合的特点而进行的固态压力焊接。 分恒温超塑性固态焊接和相变超塑性固态焊接。分恒温超塑性固态焊接和相变超塑性固态焊接。 实质：超塑变形在低应力下实现大的塑性流变，因而能比常规塑变、超塑变形在低应力下实现大的塑性流变，因而能比常规塑

17、变、 蠕变更有效地实现待焊面的紧密接触。材料在超塑状态下原子扩散迁蠕变更有效地实现待焊面的紧密接触。材料在超塑状态下原子扩散迁 移率较高，非常有利于实现待连接面两侧原子扩散而实现固态连接。移率较高，非常有利于实现待连接面两侧原子扩散而实现固态连接。 固态接合过程一般分为三个阶段，超塑性都能在其中起到促进作用：固态接合过程一般分为三个阶段，超塑性都能在其中起到促进作用： 在超塑状态下，材料可以在小应力下产生大的塑性流变，从而促进了在超塑状态下，材料可以在小应力下产生大的塑性流变，从而促进了 氧化膜破碎及焊接面的紧密接触；超塑性效应可以使接触表面活化和氧化膜破碎及焊接面的紧密接触；超塑性效应可以使

18、接触表面活化和 形成活化中心；在固态接合的体积相互作用阶段，晶体缺陷密度增加形成活化中心；在固态接合的体积相互作用阶段，晶体缺陷密度增加 和运动加剧，使焊接表面的活化中心数增多，以界面扩散为主的扩散和运动加剧，使焊接表面的活化中心数增多，以界面扩散为主的扩散 显著加快，因而导致该阶段迅速完成。显著加快，因而导致该阶段迅速完成。 钢的恒温超塑焊(ISSW)与扩散焊、锻焊的对比 恒温超塑焊(ISSW)扩散焊锻焊 焊接 工艺 特点 焊前清理、装配较严格、较精确严格、精确一般 焊接温度 (0.60.7)Tm 0.7Tm(0.80.9)Tm 应变速率(10-210-4)s-10(100101)s-1 焊

19、接压力约(3050)MPa约(1020)MPa s 的27倍 焊接时间几分钟几十分钟约1分钟 保护介质大气、真空或保护气氛真空、保护气氛大气 工艺控制参量组织、温度、应变速率温度、压力、时间变形量 接头 质量 接头强度接近或达到母材接近母材 接头质量好好一般 变形一般2%6%小于3%约15% 连接对象适用范围有限制无限制有限制 3. 恒温超塑性焊接恒温超塑性焊接 原理原理 ：指材料在满足恒温超塑性变形的组织条件和变形条件下，接触：指材料在满足恒温超塑性变形的组织条件和变形条件下，接触 界面两侧或一侧材料发生超塑流变，使待连接面紧密接触至原子间作界面两侧或一侧材料发生超塑流变，使待连接面紧密接触

20、至原子间作 用力能达到的范围之内并发生界面两侧原子的扩散，致使原界面消失用力能达到的范围之内并发生界面两侧原子的扩散，致使原界面消失 以实现界面两侧材料的固态连接。借助于材料在超塑状态下具有低应以实现界面两侧材料的固态连接。借助于材料在超塑状态下具有低应 力大塑性流变能力，及原子的迁移率，在短时间内实现材料的固态冶力大塑性流变能力，及原子的迁移率，在短时间内实现材料的固态冶 金结合。金结合。 （1）被焊材料的双方或至少其中一方具有一定的恒温超塑性变形能力被焊材料的双方或至少其中一方具有一定的恒温超塑性变形能力 （2）焊接温度及变形速率在材料超塑性流变的温度及应变速率范围焊接温度及变形速率在材料

21、超塑性流变的温度及应变速率范围 （3）焊接前对待焊表面的洁净度、粗糙度和活化度有较高要求焊接前对待焊表面的洁净度、粗糙度和活化度有较高要求 （4）环境环境 影响因素影响因素 A （1）超塑性焊接超塑性焊接ISSW （2）单边或单侧恒温超塑性焊接单边或单侧恒温超塑性焊接U-ISSW （3）预置中间夹层的恒温超塑焊接预置中间夹层的恒温超塑焊接I-ISSW （1）焊接温度焊接温度:双方任一超塑变形最佳温度或超塑性相对较好一方的超塑双方任一超塑变形最佳温度或超塑性相对较好一方的超塑 变形温度上限。变形温度上限。 （2）应变速率应变速率:一般为双方任一超塑变形最佳应变速率或超塑性相对较好一般为双方任一超

22、塑变形最佳应变速率或超塑性相对较好 一方的超塑变形应变速率范围。一方的超塑变形应变速率范围。 （3）焊接时间焊接时间:压接时间比扩散焊接时间短。压接时间比扩散焊接时间短。 （4）预压应力预压应力 :保证试件待焊接面紧密接触并防止其在加热保温过程中保证试件待焊接面紧密接触并防止其在加热保温过程中 的氧化的氧化 。 （5）保温时间保温时间 : （6）表面状态表面状态:包括表面粗糙度和洁净度。包括表面粗糙度和洁净度。 （7）焊前组织焊前组织:组织超细化预处理组织超细化预处理 。 1. 焊接及其分类焊接及其分类 从广义上讲，使被焊物体相互靠近达到原子间结合的程度，从广义上讲，使被焊物体相互靠近达到原子

23、间结合的程度， 以获得永久牢固的连接以获得永久牢固的连接，或者说除可拆卸的螺钉连接、铆或者说除可拆卸的螺钉连接、铆 接接 等机械连接外，使材料之间产生不可拆卸的冶金结合。等机械连接外，使材料之间产生不可拆卸的冶金结合。 分类：熔化焊、钎焊和压力焊接。分类：熔化焊、钎焊和压力焊接。 1 1熔化焊：熔化焊： 2 2压力焊：压力焊： 3 3钎焊：钎焊： 加热。加热。电弧焊、激光焊等电弧焊、激光焊等 加压或同时加热。加压或同时加热。电阻焊、摩擦焊、扩散焊等电阻焊、摩擦焊、扩散焊等 焊件不熔化。焊件不熔化。软软钎焊、硬钎焊钎焊、硬钎焊 接头区焊件材料要发生熔化、扩散和凝固过程。接头区焊件材料要发生熔化、扩散和凝固过程。 钎料要发生熔化、扩散及凝固过程。钎料要发生熔化、扩散及凝固过程。 第第 2 节扩散焊节扩散焊 3. 摩擦焊技术特点摩擦焊技术特点 （1）固态焊固态焊 （2）广泛的工艺适应性（广泛的工艺适应性（材料，尺寸材料，尺寸） （3）焊接过程可靠性高（压力、时间、速度和位移焊接