材料连接技术15-11

1、 School of Materials Science & Engineering 材料连接技术材料连接技术 Materials Welding and Joining Techniques 赵兴科赵兴科School of Materials Science & Engineering 1 材料连接概述 2 电弧焊接新技术 3 高能束焊接新技术 4 压焊连接新技术压焊连接新技术 5 钎焊连接新技术 提提 纲纲 School of Materials Science & Engineering 4 压焊连接新技术压焊连接新技术 4.3 扩散焊新技术扩散焊新技术 4.1

2、 摩擦焊新技术摩擦焊新技术 4.2 电阻焊新技术电阻焊新技术 School of Materials Science & Engineering 4.3.1 扩散焊技术特点与分类 4.3.2 扩散焊/超塑性成形 4.3.3 瞬时液相扩散焊 4.3 扩散焊扩散焊 扩散焊（Diffusion Bonding）是指在一定的温度和压力下， 被连接表面相互靠近、相互接触，通过使局部发生微观塑性 变形，或通过被连接表面产生的微观液相而扩大被连接表面 的物理接触，然后结合层原子之间经过一定时间的相互扩散， 形成结合界面可靠连接的过程。 School of Materials Science & Engine

3、ering School of Materials Science & Engineering 优点 可以进行构件内部及多点、大面积的连接，以及电弧 可达性不好，或用熔焊方法根本不能实现的连接。 可以实现机械加工后的精密装配连接，工件变性很小。 适合于活性金属材料、耐热金属材料、陶瓷材料等的 连接，特别适合于异种材料的连接，扩散连接的70% 涉及到异种材料连接。 4.3.1 扩散焊技术特点与分类扩散焊技术特点与分类 School of Materials Science & Engineering 不足 零件被连接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； 连接过程中，加热时间

4、长，在某些情况下会产生基 体晶粒长大等副作用； 生产设备一次性投资较大，且被连接工件的尺寸受 到设备的限制，无法进行连续式批量生产。 School of Materials Science & Engineering 2、扩散焊的分类扩散焊的分类 School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 1) 同种材料扩散连接 通常指不加中间层的两种同种金属直接接触的扩散连接。 待焊表面制备质量较高 焊接时要求施加较大的压力 焊后扩散接头的化学成分、组织与母材基本一致。 对于同种材料来

5、说，Ti、Cu、Zr、Ta等最易实现扩散连接； 铝及其合金、含Al、Cr、Ti的铁基及钴基合金则因氧化物 不易去除而难于实现扩散连接。 School of Materials Science & Engineering 两种不同的金属、合金或金属与陶瓷、石墨等非金属材料 的扩散连接。 异种金属的化学成分、物理性能等有显著差异。两种材料 的熔点、线膨胀系数、电磁性、氧化性等差异越大，扩散 连接难度越大。 2) 异种材料扩散连接 School of Materials Science & Engineering 由于线膨胀系数不同而在结合面上出现热应力，导致界 面附近出现裂纹。 在扩散结合面上由于

6、冶金反应产生低熔点共晶或者形成 脆性金属间化合物，易使界面处产生裂纹，甚至断裂。 扩散系数不同可能导致扩散接头中形成扩散孔洞。 异种材料扩散连接时可能出现的问题： School of Materials Science & Engineering 对于采用常规扩散连接方法难以焊接或焊接效果较差 的材料，可在被焊材料之间加入一层过渡金属或合金 （称为中间层），这样就可以焊接很多难焊的或冶金 上不相容的异种材料，可以焊接熔点很高的同种或异 种材料。 3) 加中间层的扩散连接 School of Materials Science & Engineering 固相扩散连接 扩散连接过程中，母材和中间

7、层均不发生熔化或产生液相 的扩散连接方法，是常规的扩散连接方法。 液相扩散连接 扩散连接过程中接缝区短时出现微量液相的扩散连接方法。 微量液相的出现有助于改善界面接触状态，允许使用较低的 扩散压力。 School of Materials Science & Engineering 获得微量液相的方法主要有两种： 利用共晶反应利用某些异种材料之间可能形成低熔点共 晶的特点进行液相扩散连接（称为共晶反应扩散连接共晶反应扩散连接）。 将共晶反应扩散连接原理应用于加中间层扩散连接时，液相 总量可通过中间层厚度来控制，这种方法称为瞬间液相扩散 连接（或过渡液相扩散连接）。 添加特殊钎料采用与母材成分接

8、近但含有少量既能降降低 熔点又能在母材中快速扩散的元素元素（如B、Si、Be等），用 此钎料作为中间层，以箔片或涂层方式加入。与普通钎焊相 比，此钎料层厚度较薄，钎料凝固是在等温状态下完成，而 钎焊时钎料是在冷却过程中凝固的。 School of Materials Science & Engineering 4) 超塑性成形扩散连接 扩散连接压力较低，与成形压力相匹配。 扩散时间较长，可长达数小时。 在高温下具有相变超塑性的材料，可以在高温下用较低 的压力同时实现成形和扩散连接。 用此种组合工艺可以在一个热循环中制造出复杂的空心整 体结构件。采用此方法的条件之一是材料的超塑性成形温 度与扩散

9、连接温度接近，该方法在低真空度下完成。在超 塑性状态下进行扩散连接有助于焊接接头质量的提高，这 种方法已在航空航天工业中得到应用。 School of Materials Science & Engineering （3）扩散连接过程）扩散连接过程 可以大致分为三个阶段： 物理接触阶段物理接触阶段：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， 接触面积逐渐扩大，最终达到整个面的可靠接触； 原子扩散阶段原子扩散阶段：接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结 合层； 可靠接头阶段可靠接头阶段：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

10、接头。 School of Materials Science & Engineering 扩散连接的设备 真空室 真空系统 加热系统 加压系统 测量与控制系统 School of Materials Science & Engineering 材料在特定组织结构和变形温度、变形速度条件下， 可以呈现异常高的塑性和较小的变形抗力，这种现象 称为超塑性。 利用材料的超塑性进行实际成形生产的技术称为超塑 成形技术（简称SPF），超塑成形技术的应用不仅为 产品的开发利用提供新的途径，而且也是节约能源、 降低成本的有效措施。 要具备这种超塑性的特定条件是晶粒细小、等轴、变 形温度为（0.50.7）Tm

11、（Tm：材料熔点温度）以及 较低的初始应变速率等。 4.3.2 超塑性成形超塑性成形-扩散焊扩散焊 School of Materials Science & Engineering 超塑胀形就是在超塑性条件下，将毛坯周边压紧，然后 通过流体压力使毛坯变薄而成形的一种成形工艺。它体 现了超塑成形全部特点，主要用于板材加工制造复杂形 状的空心零件。 超塑成形原理 School of Materials Science & Engineering 超塑成形作为一种新的材料成形技术优点： 成形压力小 模具寿命高 可一次精密成形等 成形件质量好，不存在由于硬化引起的回弹导致的零件成 形后的变形问题。

12、零件尺寸稳定，对钛合金等零件更能显示其优点。 利用材料的超塑性可以加工普通方法难以加工的零件，在航 空航天、医疗器械制造等方面的应用获得越来越广泛的应用， 尤其在航空航天领域已成为不可或缺的加工手段。 School of Materials Science & Engineering 超塑成形加工的零件 （a）整流罩（b）弹头（c）冷却剂容器（d）骨骼矫形件 School of Materials Science & Engineering 在超塑成形过程中，由于周边材料被模具压紧不参与变形， 零件面积增加完全由材料的变薄来实现，同时应力和应变 场分布不均匀造成了最终零件壁厚的明显差异，而且在

13、一 些局部地方容易出现破裂，它直接关系到零件能否满足设 计要求； 另外对于一些复杂异形结构，无法由超塑成形直接完成， 这在性能及复杂零件的设计自由度上均限制了该工艺的应 用和发展。 School of Materials Science & Engineering 将超塑成形和焊接技术相结合成为焊接/超塑成形组合工艺。 焊接/超塑成形组合工艺是指在超塑成形之前或者同时进行焊 接工艺，它的应用大大提高了零件制作的灵活性、复杂度， 减少工序和成本，同时由于焊接技术的引进避免了复杂零件 成形中的局部大变形问题。 School of Materials Science & Engineering 扩散

14、连接/超塑成形组合工艺（简称DB/SPF）是利用材料在 一定温度和压力下具有很高延伸率和固态扩散能力，在一个 热循环中完成成形和焊接的工艺技术，其技术可用来生产低 成本、高减重和近无余量加工的复杂构件。 材料的超塑性温度与该材料的扩散连接温度相近时，可以在 一次加热过程中完成超塑成形和扩散连接两个工艺步骤，从 而制造出局部加强或者整体加强的构件。 School of Materials Science & Engineering 用扩散连接来代替螺接、铆接，可以大大减轻构件重量， 减少装配工作量。钛合金材料的性能非常适合扩散连接/ 超塑成形组合工艺（DB/SPF），现已广泛应用于飞机、 航空发

15、动机、导弹、航天器等结构的生产中。 School of Materials Science & Engineering （c）三层结构（d）四层结构 典型DBSPP结构件 School of Materials Science & Engineering DBSPF工艺过程中，通过阻焊剂区分焊接区域和成形区域。 预先在需要超塑成形的部位涂上阻焊剂，而将需要扩散连接 的部位保持表面清洁，通过DBSPF工艺成形后，即可获得 重量轻、结构刚度大的封闭夹层整体构件。 而且这种工艺在不改变模具结构形式的情况下，只需改变阻 焊剂涂敷的位置，便可获得内部结构不同的零件。 School of Material

16、s Science & Engineering 工艺流程 （a）三层结构 （b）四层结构 School of Materials Science & Engineering 在采用DB/SPF组合工艺进行多层结构的生产中，可以 先扩散连接后超塑成形（DB/SPF），也可以先超塑成 形后扩散连接（SPF /DB）。 DB/SPF工艺过程中，构件的芯板结构由板面的阻焊剂 位置而定。对于钛合金来说，在高温下能同多种气体 发生反应，特别是与氧、氢反应强烈，致使材料表面 性能恶化。 在DB/SPF过程中必须对材料进行高温保护。 School of Materials Science & Engineering 保护方法有三种： 真空保护 涂料保护 氩气保护 尽管真空保护接头质量较好，但生产效率低，成本高，故 在工业生产中普遍采用的是氩气保护的方法，保护氩气可 同DB/SPF的气源结合在一起考虑。 目前工业生产中，采用先扩散连接后超塑成形的DB/SPF 组合工艺较多，其优点是工艺实现方便，模具结构简单， 气体保护容易，连接强度好。 School of Materials Science & Engineering SPF和DB/SPF技术表现出以下特点和优势 节省工