异种金属焊接

1、异种金属焊接技术 何康生、曹雄夫编著 机械工业岀版社 1986 年 10 月第一版 随着现代工业的发展，对结构和材料的要求越来越高，如造船和海洋工程要求解决大面积拼板、 大型 立体框架结构自动焊及各种低合金高强钢的焊接问题； 石油化学工业要求解决各种耐低温及耐各种腐蚀性 介质压力容器的焊接问题；航空航天工业中要求解决铝、钛等轻合金结构的焊接问题；重型机械工业中要 求解决大截面构件的拼接问题； 电子及精密仪表制造工业要求解决微精密焊件的焊接问题。 工业产品的结 构调整及技术进步对焊接技术提出了更高的要求，同时也促进了传统焊接工艺的变革与新型焊接技术的开 发与应用。优质、高效、节能的现代焊接技术正

2、逐步取代能耗大、效率低和工作环境差的传统焊条电弧焊 焊接工艺， 焊接技术结构性的转变必将对装备制造业技术水平与生产能力的提升发挥更加重要的作用。 现代化动力机械、化工和石油加工设备以及多种食品的许多零部件，都要在高温、巨大的载荷、强烈 浸蚀性介质、电磁场或放射性环境中长期工作。因此，用来制造这些零部件的材料，必须是满足上述要求 的特殊材料，如高合金钢、有色金属以及专用合金等。 显然，如果整个设备和仪器都采用贵重材料制造，不但会使生产工艺过程大为复杂化、显著提高设备 和仪器的造价、更重要的是满足不了使用要求。此外，运载火箭、航天器、超音速飞机、现代化的潜艇等 部门的发展更与材料性能紧密相关，这些

3、部门要求使用的材料在低温和高温下有很高的比强度，以及在振 动和高速运行时，具有足够的强度和寿命，以保证长期工作的可靠性。目前对所有材料的性能分析表明， 单独使用任何一种材料都不能同时满足上述的全部要求。 通常，任何一种构件在使用过程中，其各部分所承受的载荷并不一致，一部分零件的工作条件较差， 可能接近许用应力的极限值，而另一部分零件的工作条件可能只承受很小的应力。显然，在这种场合下， 应用异种金属焊接结构就比较合理。 把异种金属零件连接成一个整体部件，焊接常常是最好的方法。有时也可以采用钎焊，但接头的强度 和耐腐蚀等性能往往受到钎料性能的限制，不容易满足较高的使用要求。现有的机械连接法不但连接

4、工艺 复杂，而且在使用过程中多半不能满足可靠性要求。 一些常用金属的主要物理性能 金属 密度 熔点 比电阻 线膨胀系 数 导热系数 热容量 晶格类型 晶格参数 20 C C 28 C 0 100 C 0 500 C 0 500 C 20 C kg /m3 -8 Q .m.10 8 C .10-6 W/m.K J/ kk .K m.10-6 Al 2700 660 2.6 24.0 204 880 面心立方 4.040 V 6000 1735 26 8.3 30 体心立方 3.033 W 19300 3410 5.5 4.0 164 525 体心立方 3.158 Fe 7800 1539 9.7

5、 11.9 78 460 体心立方 2.860 Co 8900 1495 6.2 12.5 69 453 稠密立方 2.502/4.061 Cu 8900 1083 1.6 16.5 390 380 面心立方 3.608 Mo 10200 2625 5.1 5.1 152 268 体心立方 3.140 Ni 8900 1455 6.8 13.5 58 444 面心立方 3.516 Nb 8500 2415 13.1 6.2 52 284 体心立方 3.294 Sn 7300 232 11.5 21.0 64 230 正方晶格 5.819/3.175 Pb 11300 327 20.6 29.5

6、 35 130 面心立方 4.493 Ag 10500 960 1.6 18.9 420 210 面心立方 4.077 Ta 16600 2996 12.4 6.6 56 146 体心立方 3.295 Ti 4500 1820 80 4.5 13 578 稠密立方 2.953/4.729 Zn 7100 419 5.9 30.0 112 370 稠密立方 2.659/4.935 Zr 6500 1750 41 5.4 5.8 17 289 稠密立方 3.223/5.123 常见异种金属组合、 焊接方法及焊缝中的形成物 被焊金属 焊接方法 焊缝中的形成物 熔焊 压焊 溶液 金属间化合物 钢+ A

7、l 及 Al 合金 电子束焊、氩弧焊 冷压焊、电阻焊、 扩散焊、摩擦焊、 爆炸焊 在a-Fe 中 Al 033% FeAl; Fe2Al 3； Fe2Al 7 钢+ Cu及 Cu合金 氩弧焊、埋弧自动 焊，电子束焊，等 离子焊、电渣焊 摩擦焊、爆炸焊 在丫 Fe 中 Cu 08% 在a-Fe 中 Cu 0 14% 钢+ Ti 电子束焊、氩弧焊 扩散焊、爆炸焊 在 a-Ti 中 Fe0.5% 在伊 Ti 中 Fe 025% FeTi, Fe3Ti 钢+ Mo 扩散焊 在 a-Fe 中 Mo 含量 可达 6.7% FeMo Fe3Mo 2 Fe7Mo 8 钢+ Nb 在 a-Fe 中 Nb 可达

8、1.8% 在丫 Fe 中 Nb 可达 1.0% FeNb Fe2Nb Fe2Nb 5 钢+ V 连续系列 V nCm型碳化物 钢+ Ta 电子束焊 : 有限溶解 Fe?Ta Al + Cu 氩弧焊 埋弧自动焊 冷焊、电阻焊、爆 炸焊、扩散焊 Al 在 Cu中溶解到 9.8%以下 CuAl 2 Al + Ti 扩散焊、摩擦焊 Al 在 a-Ti 中溶解到 6%以下 TiAl , TiAl 3 Ti + Ta 电子束焊 连续系列 Ti + Cu 氩弧焊 Cu在 a-Ti 中溶解到 2.1%以下，在3-Ti 中 溶解到 17%以下 Ti2Cu, TiCu , Ti2Cu3, TiCu 2, TiCu

9、3 Cu+ Mo 电子束焊 扩散焊 Cu+ Ta 特种焊接技术的应用范围 焊接方法 材料 接头形式 板厚 焊件种类 钢铁 非铁金属 对 接 T 形 接 头 搭 接 薄 板 厚 板 超 厚 板 建 筑 机 械 车 辆 桥 梁 船 舶 压 力 容 器 核 反 应 堆 汽 车 飞 机 家 用 电 器 电子束焊 A B A B A B A B B A B B B B B A B B 激光焊 A A A C A A B C B B B C C B B A A B 等离子弧 A B A B A A B B B A A B B A A B B C 扩散连接 A A B B A B A C B A B B B

10、 B B B A B 摩擦焊 A B A C D B C C B A B C C C C B C C 超声波焊 A A D C A A C D D C D D D D C B B B 爆炸焊 A A A B A B A A B B B B A B B B C C 冷压焊 B B C C A A C D D C D D C D C C C B 热压焊 A D A B C C A C B C C C C C D C C D 注：A 表示最佳；B 表示较好； C表示差；D 表示最差。 电子束焊异种金属时所采用的中间过渡层金属 被焊金属 过渡层金属 Ni + Ta Pt Mo+钢 Ni 铬镍钢+ Ti

11、 V 铬镍钢+ Zr V 钢+硬质合金 Co、Ni Al + Cu Zn、Ag 黄铜+ Pb Sn 低合金钢+碳钢 10Mn Si8 电子束焊的异种金属组合 ? W ? Ti ? ? Au ? Ag Ge ? Co ?焊接良好 电阻焊的异种金属组合 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 铁 2 未氧化过的钢（C0.20%） 3 酸洗过的钢（C0.20%） 4 炉中加热的钢 5 粗钢 6 高强度合金钢 7 含 Co 钢 8 镀锌钢 9 镀锡钢 10 镀铬钢 11 FeCr 合金(70/30) 12 Fe-Cr-Ni 合金(74/18/8) 13 FeNi 合

12、金(64/36) 14 FeNi 合金(50/50) 15 FeNiCo 合金(54/29/17) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 16 Ag 17 Al 18 Al 合金 19 Au 20 Cd 21 Cu 22 CuAl 合金(96/4) 23 CuBe 合金(97.5/2.5) 24 CuSn合金 25 CuZ n 26 Mo 27 镍黄铜 28 Ni 29 锌白铜 30 W 注：焊接性良好 贮能焊的异种金属组合 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1、Al 2、Ag 3、Fe、Ni 合金 4、Cu、Ni 合金 5、N

13、i 6、黄铜 7、Cu 8 钢 9、Mo 10、W 11、Ta 注：焊接性良好 冷压焊的异种金属组合 Ti Cd Be Pd Pt Sn Pb W Zn Fe Ni Au Ag Cu Ai Ti Cd Be Pd Pt Sn Pb W Zn Fe Ni Au Ag Cu Al 注：焊接性良好 超声波焊的异种金属组合 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 Al 及 Al 合金 2 Be 及 Be 合金 3 Cu、黄铜 4 Ge 5 Au 6 Fe、钢 7 Mg 及 Mg 合金 8 Mo 及 Mo 合金 9 Ni 及 Ni 合金 10 Pb

14、及 Pb 合金 11 Pt 及 Pt 合金 12 Si 13 Ag 及 Ag 合金 摩擦焊的异种金属组合 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 Al 2 杜拉铝 3 铅 4 青铜 5 铸铁 6 Cu 7 电解铜 8 r 黄铜 9 蒙乃尔 10 Ni 11 NiCrTi 合 金 12 Ag 13 结构钢 14 合金钢 15 不锈钢 16 Ta 17 Ti 18 W 19 V 20 Zr 注：焊接性良好 爆炸焊的异种金属组合 14 Ta 及 Ta 合金 15 Sn 16 Ti 及 Ti 合金 17 W 及 W 合金 18 Zr 及

15、 Zr 合金 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 注：一一焊接性良好。 1、低碳钢；2、中碳钢；3、低合金钢；4、合金钢；5、铸钢；6、不锈钢；7、Ni 及 Ni 合金；8、因康洛 依；9、因康镍；10、蒙乃尔；11、哈斯特洛依；12、Cu ； 13、BeCu ； 14、黄铜；15、青铜；16、Al ； 17、 Be； 1

16、8、Nb ； 19、Nb 合金；20、Au ； 21、铪；22、Mg ； 23、Mo ； 24、Pt; 25、Ag ； 26、 Ta； 27、W； 28、Ti ； 29、Zr 扩散焊的异种金属组合 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1、Al ; 2、Be; 3、Pb; 4、玻璃；5、石墨；6、灰口铸铁；7、硬质合金；8、陶瓷；9、康铜；10、柯氏 合金；11、塑料；12、Cu ；

17、 13、Mo ； 14、Ni ； 15、Nb ； 16、磷青铜；17、Ag ； 18、碳钢；19、高合金钢； 20、Ta； 21、Ti ； 22、W ； 23、钢青铜；24、Zr 注：一一焊接性良好。 金属压焊的理论基础 压焊是在低于被焊金属熔点的温度下， 不添加填充金属，施加一定的压力，使接头产生必要的塑性变 形，实现焊接的方法。 压焊的机理极为复杂，它是理论家和工程师们长期以来所注意的课题，也是长期争论的内容， 而且迄 今为止， 许多机理还远未被人们所揭示和了解。 一、 薄膜学说 薄膜理论认为， 焊接性并不取决于材料本身的性能， 而是决定于零件被焊接表面的状态。只要去掉被 焊金属表面的油膜

18、和氧化膜，在 协调一致变形（相互接触的两种不同金属在外力作用下，产生变形方向和 变形速度相同的塑性变形，称为协调一致的变形）过程中，使被焊零件互相接近到原子间力的作用范围内， 就能形成焊接接头。他们把氧化膜分成硬而脆的，和韧而易变形的两类。当金属零件冷变形时，硬而脆的 氧化膜即被粉碎，裸露出清洁的金属层，当它们相互接近到原子间力的作用距离时， 就牢固的结合在一起； 如果金属表面上的薄膜是韧而易变形的，在塑性变形时，易变形的氧化膜就会随同金属一起流动，而阻碍 接头的形成。 试验证明，两种被焊材料原子直径不同，对焊接过程的影响最大。用接触面上结晶方向不同的单晶体 所做的试验表明， 结晶的方向对金属

19、的相互结合力也有很大的影响。此外，目前已经采用压焊的方法焊接 金属与非金属材料，例如用扩散焊焊接金属与陶瓷，而陶瓷本身就是氧化物，这一事实已使纯洁金属表面 的概念失去其意义。综上所述，薄膜理论虽然可以很好地解释冷压焊的焊接机理，但它已经不能解释其他 压焊；实践中不断出现的许多现象，因此，不能用它来作为单纯地解释所有压焊的理论基础。 二、 再结晶理论 帕克斯根据金属在变形量很大时， 再结晶温度会显著下降的事实提出了再结晶理论。在冷压焊时，形 成接头的主要过程是接触区的再结晶过程。也就是说，金属的变形和变形所引起的冷作硬化，在高温的作 用下，会使被焊零件界面边缘的晶格原子重新排列，形成同属于两个被

20、焊件的共同晶粒，这样，就使相互 接触的金属焊接在一起。 但是，必须指出，再结晶理论首先要求在连接区形成共同的晶粒，其次要求在接触区两边形成晶粒方 向一致的晶界。此外，还要求在界面上的晶粒要具有金属内部晶粒的一切特征。 因此， 我们说， 再结晶理 论所论证的问题，是接触表面已经产生结合以后的组织变化过程，而没有对结合过程的本身进行论证。 实际上， 许多试验说明， 赞成这一理论的人并没有掌握令人信服的依据。 三、 位错学说 位错学说认为当两个相互接触的金属产生协调一致的塑性变形时， 位错迁移到金属的接触表面，从而 使金属的氧化膜破除，并产生高度只有一个原子间隔距离的小台阶。 把金属接触表面上出现位

21、错看作是塑 性变形阻力的减小，因而有利于金属的连接。但从另一个角度来看，金属表面上出现位错，必定会增加表 面上的不平度， 这就造成接触表面比内部金属大得多的塑性变形。由此可知，结合过程是接触区金属的塑 性流动的结果。 四、 扩散理论 卡扎柯夫提出了被焊金属在一定温度 （0.60.8 倍的熔化温度） 下形成焊接接头的扩散理论。 他认为， 在接头区域中存在着一层很薄的互扩散理论。他认为，在接头区保证了优质的焊接接头。看来，这一理论 也不全面，根据这种扩散理论推断，如果增加互扩散区的厚度，应能提高接头的机械性能。但事实并非完 全如此。在任何形式的固态焊过程中，必这都会产生扩散过程，当然它对接头的形式

22、的固态焊过程中，必 定都会产生扩散过程，当然它对接头的形成过程会有所影响。实践证明，对同种金属，扩散确实起到了有 利的影响，但它仅是一种次要的影响。异种金属固态焊的实际结果，有时完全相反。 扩散理论的致命弱点是： 它没有考虑接触表面的激活过程和相互结合过程可能会限制整个优质接头的 形成过程。 例如产塑性变形能力相差很大的两种金属在弱作用力下压焊，或者同种金属在较低温度（低于 熔化温度的 50%）下，接触表面的激活过程和结合过程都会限制优质接头的形成过程。 在被焊金属之间产生扩散过程， 显然是要在接触表面已经形成结合以后才能发生。因此，也不能用扩 散理论作为单纯地解释所有形式压焊的理论基础。 五

23、、 能量学说 西苗诺夫认为，引起金属间相互结合的条件，不是金属原子的扩散，而是金属原子所含有的能量。当 被焊材料相互接触时，即使它们的原子已经接近到晶格参数的数量级， 只要原子所含有的能量还没有达到 某一水平（这一能量水平可以称为该金属结合的最低能量） ，就不足以使它们之间产生结合。只有当接触 处金属原子的能量提高到某一水平，表面之间才会形成金属键，它们之间的界面开始消失而连接在一起。 能量学说应用了激活状态的概念， 其实质是从能量的角度来观察接头的形成过程，弥补了上述各种理 论的不足之处。但是，也还存在着一些缺点，众所周知，导致晶格能量增加的冷作硬化会使金属的结合能 力变差，对这一现象就不能

24、用能量学说来解释。实际上能量学说并没有提示出金属间的结合到底与连接金 属的哪些物理 -化学性能有关。 压焊理论上的不统一， 可能是由于缺乏大量有关焊接参数和焊接条件对焊接质量影响的试验数据。上 述各种理论各自都有自己致命的弱点，不能单独地用它们来解释形式众多的压焊机理。但是，它们又是从 不同形式压焊实践中总结出来的理论，对局部的现象都有其合理的成分。因而，近来业已居上述各种理论 的基础上总结出关于包含各种形式的压焊特征的一些共同的概念。其中焊接过程三阶段的理论是目前公认 的压焊过程的理论基础。 压焊焊接过程的三阶段模式： 第一阶段是 物理接触的形成阶段 ，也就是被焊材料的原子依靠塑性变形，在整

25、个接触面上相互接近到 能够引起物理作用的距离；或者被焊材料的原子依靠塑性变形相互接近到足以产生弱化学作用距离以内， 这时，位错消失而使塑性材料的接触表面激活，形成弱化学键的条件。 第二阶段是 接触表面的激活 ，形成激活中心，然后两个被焊表面之间产生物理和化学的相互作用，最 后形成化学键，所以也称化学的相互作用阶段。激活中心的出现及激活时间的长短取决于较硬一侧的被焊 材料（如硬质合金、难熔金属等）的塑性变形。 焊接同种金属时， 第一阶段与第二阶段是掺和在一起进行的， 很难区分开，因为两个接触表面在相互 接近过程中，当产生协调一致的塑性变形而使个别凸出点被压平时，其激活过程就已经开始实行了。 已经

26、使物理接触面实现结合后， 金属材料通过结合面向周围扩散 的阶段叫做第三阶段， 在国外文献中， 通常也称为“体”的相互作用阶段。在第一阶段，既要在接触面上形成牢固的化学键，而且还要从接触面 的“面”发展到“体” 。这种发展过程中，当相互分离的中心汇合到一起时，这时在接触面的作用已宣告 结束。但“体”的相互作用还要等到应力权弛后才结束。实际上，往往为了提高接头的强度，必须使过程 继续进行，以便让其发生诸发再结晶，有时甚至还有异扩散类型的松驰过程。 在焊接同种金属时， 第三阶段结束的标志是在接触处产生再结晶过程， 在这个过程中开始形成共同的 晶粒 。在焊接异种金属时，是否需要限制第三阶段中的异扩散过

27、程， 取决于扩散区的性质和新相的产生 物理接触的形成阶段 一、 去除表面表面膜 在扩散焊接第一阶段， 从焊接面上清除掉附层和氧化膜， 雨季能形成实际的接触。 从工艺的角度来说， 在焊前和焊接过程中是否能将被焊表面上的氧化膜彻底清除掉是至关重要的 。被焊面的真空中加热，油脂 逐渐分解和挥发；吸附的蒸气和各种气体分子就解吸下来。化学吸附气体和氧化膜最难从表面上清除。在 扩散焊的条件下，清除速度与氧化物的热稳定性、焊接温度、真空度、真空中残留气体的成分及其它因素 有关。 一）、解吸：在焊接条件下，实际上只有银、铜、镍等金属的氧化物才能解吸下来。提高温度经常可 以使金属表面上的氧化物结构发生变化，而提

28、高真空度可以使氧化物开始解吸的温度下降。 二）、升华：只有氧化物的饱和蒸气压高于该氧化物在气相中蒸气分压的时候，才能使处在真空中的 氧化膜产生升华。在扩散焊条件下，钼、铬等金属的氧化物可能产生升华。 三）、蒸发：蒸发可以使很多金属的氧化物从表面上清除掉。但是，通常只有在接近于金属熔点的高 温时，才能产生强烈的蒸发。当两个被焊零件的表面之间已经相互接触，产生强烈的解析、升华和蒸发等 过程的可能性已大大下降。这时，去除金属表面的氧化膜主要依靠氧化膜向基体金属的溶解或依靠母材中 所含合金元素的还原作用。如果该金属与其氧化物的塑性、硬度和热膨胀系数相差很大， 则机械作用将在 接触区的氧化膜去除过程中起

29、决定性的作用。 四）、化学反应：不论采用任何一种真空泵进行抽气，在真空系统中仍会会有水，二氧化碳，氢，氧 等化学活性气体； 这些气体会与被焊零件表面起氧化 -还原的化学反应。 对于钢来说， 碳是主要的还原元素。 当钢与石墨进行扩散焊时，钢表面上的氧化物的直接还原作用很剧烈，甚至可以在气压下进行。对钢零件 被焊的表面涂敷一层薄薄的碳，可以净化和加强扩散焊接过程。 五）、溶解：在被焊零件已经接触的条件下，如果金属与其氧化物的塑性、硬度、热膨胀系数相差很 大，即使极其微小的变形也会破坏氧化膜的整体性而龟裂成碎片被除去。 氧化膜在基体金属中的溶解度取 决于温度和氧在该金属中的溶解度与扩散速度。 例如氧

30、在钛中的扩散速度和溶解度都特别大，比铁、铝等 金属要大 12 个数量级。当用扩散焊焊接钛及其合金时，就是利用这个优点来消除表面氧化膜的。 六）、选择适当的焊接工艺创造除膜的条件： 扩散焊接金属材料时，提高真空度，能改善清除氧化膜 的条件，因为提高真空度，可以相应地降低焊接的温度和压力，这点对于焊接工艺极为重要 。此外，接头 强度还与氧化膜的清除程度有关。 二、物理接触的形成 无论采用哪一种焊接方法，表面的物理接触 （使表面接近到原子间力的作用范围内） 都是形成焊接接 头的必要条件 。熔焊和钎焊时， 由于加入了熔敷金属或液体钎料的浸润， 会在瞬间内形成接触的自生现象。 压焊时，就必须对被焊件施加

31、压力来实现被焊面之间的物理接触。 表面凹凸变形的接触面积，一般称为物理接触面积。严格说，这不是相同的面积，在这种表面上可能 有原子之间的相互作用。现已确定物理接触面积取决于材料的性质和施加的压力。 物理接触 （也称实际接触） 是作用物质之间产生电子相互交换的过程，是任何化学反应的必要条件 。 现代的科学概念认为，金属固态结合过程是一种化学反应过程。化学反应的结果，在被焊表面的原子之间 形成较为稳定的外层电子。由此可见， 物理接触也是压焊的必要条件。 在熔焊或熔焊 -钎焊时， 由于熔化金 属原子具有很大的活动性，所以很容易在固态 -液态之间形成物理接触。 不论那种形式的压焊，物理接触都是依靠一种

32、（或二种）被焊金属在接触处的塑性变形来实现的 。利 用压焊中的一些焊接方法，如冷压焊、超声波焊、摩擦焊和需要加热的压焊等，物理接触都很重要，是决 定焊接接头强度的主要因素。 在一般的扩散焊过程中，实际接触面积的增加，可以分为变形、流动和使实际接触面积继续增加的扩 散几个阶段。 加压的初期， 只在个别点上的作用应力大大超过屈服点， 并引起微观突出的点的弹 -塑性变形。 但加压后，变形速度立即增大到每分钟为 1000%。然后才有下述的关系： P = FS P外加的压力；F接触面上的实际压力； S实际的接触面积。 经过几秒钟的加压力以后，变形量相应的降低 23 个数量级，并转入不稳定的流动阶段。这时

33、接触 区内的塑性变形取决于温度和压力。 ；实际接触面积可以达到名义接触面积的 40 75% 。 实际接触面积的继续增长与材料稳定的流动过程有关。 比较该过程激活能量，可以初步估计出材料流 动的倾向性。在外力场的作用下，从位错运动的热激活概念出发来看待流动时，就可以看出应力、温度、 结晶组织中的缺陷密度、杂质和合金元素对材料的流动速度的决定性影响。 但是在一定的焊接参数（压力和温度）下，金属流动值可能接近于零 。 焊接同种金属或塑性相近的异种金属时，在协同一致的塑性变形过程中，以及在两个接触表面上有微 观凸出点产生流动时， 实际接触面积会有所增加。 当两种被焊材料的塑性差异很大时， 上述规律同样

34、适用。 但这时主要靠异种金属中硬度较低的金属微观凸出点的弹 -塑性变形来提高物理接触面积。 表面加工精度对形成物理接触的影响很大 ，扩散焊时，机械清理能获得较好的结果。摩擦焊和爆炸焊 则影响不大。为了提高扩散焊效率，减少焊接时间，降低温度和压力，可采取下列措施：提高表面加工精 度；周期性的加压；加塑性好的中间过渡层；提高真空度等。当然这些措施对焊接的整个三阶段都会有影 响。 接触表面的激活阶段 一、表面激活的形成 形成实际接触面时，所产生的结合力还不足以产生表面原子间的牢固连接。为了获得原子之间的牢固 结合，就必须激活表面上的原子。表面原子的激活会导致原有的原子键的撕裂，此后才有可能使原子间的

35、 电子相互作用， 这种作用的可能性取决于被焊表面上激活原子或它们的复合体相互间的排列。因此，扩散 焊过程的第二阶段又可分为前后两个时期： 即前期为被焊金属表面激活时期；后期是被焊面之间形成金属 键时期。 金属在外力作用下所产生的切应力和正应力会引起金属表面吸附层的塑性变形和流动。 塑性变形和流 动会使结晶组织中的缺陷发生振荡、迁移和赶出表面。引时，释放出来的能量决定激活中心的出现。如果 升温，就会使位错和空穴迁移的密度和速度增加。表面激活和化学相互作用是连续的。与多晶材料高温塑 变形的不均匀性有关。应该说明，用塑性变形的方法来激活表层原子不是唯一的方法。 因为任何能使原子 从表面上断裂开的作用

36、都可以激活表面。用射线等方法也可以激活表面。表面激活过程与形成物理接触间 的联系是十分明显的。但是扩散焊第一阶段的完成，并不意味着出现了表面完全激活。特别是异种金属焊 接时尤其如此。此时，形成物理接触是靠这两种金属中硬度较低的金属变形， 而表面化学作用的可能性却 受到了较硬金属激活条件的限制。因此， 异种金属焊接时其中一种材料越硬，需加的压力就越大，或加热 的程度就越高 ，但加热温度不能超过熔点较低材料的熔点。 二、表面原子间的相互作用 把各种金属加工到表面精度相同，然后与铜进行压焊时发现， 铜与各种金属之间的物理接触是完全依 靠塑性较好的铜的变形来完成的。而且焊接所要求的压力也大致相同。由此

37、可知，是否能在异种金属间形 成原子键，首先取决于异种金属中较硬金属表面的激活程度，也取决于所施加压力的大小。其次，也应考 虑材料间相互作用的物理化学特性、晶格类型、原子和离子半径的差别、互溶性、弹性模数比值等。虽然 这些因素不会妨碍焊接第二阶段的进行，但对过程的发展变化舒服影响。会使表层原子产生应力。 压焊第二阶段后期主要是被焊金属表面已被激活的原子间产生各种相互作用阶段。这时，原子的活动 性和振动的振幅都增加了，还出现被吸附气体的解吸过程，由于原子间相互作用而产生结合，可能从接触 面向金属内部扩散几个晶格参数的深度。试验发现，铜和钨虽互不溶解，但仍能形成贱个原子直径厚度的 过渡层。通常，焊接

38、过程第二阶段的接头区是一个沿着接触面的晶格区。 接头区中存在的孔隙和氧化物夹 杂是第一阶段焊接过程不彻底所致。 接头受静拉伸时， 这些分散缺陷不会影响强度和致密性。 但如果是贯 穿断面的连续缺陷，就会使接头的塑性大幅度下降。 扩散阶段 一、压焊第三阶段的特点 金属材料向周围扩散阶段，即第三阶段。这阶段中会使缺陷（孔洞、氧化物夹杂等）消失；在接触处 形成共同的晶粒，并导致内应力松弛。其结果会使接头的使用性能达到与基体金属一致。 如果说在第二阶段中， 出现表层原子的反常性能， 那么在自由表面已经消失的第三阶段内，材料接触 区互相作用的特性将取决于状态图。根据状态图，异种材料体扩散的相互作用，可能引

39、起具有下列成分的 过渡区： 无限固溶体； 有限固溶体； 材料间互相化学作用的产物 。 对于许多不相溶的金属，扩散焊将终止 于第二阶段，而不会产生焊接过程的第三阶段。 二、不同金属的第三阶段 1、无限互溶金属：焊接具有无限互溶性的金属时，经过第三阶段的扩散后，在接触区会产生成分不 定的固溶区，固溶区的宽度与焊接的温度和时间有关。均质的固溶体塑性很高，强度也高于基体金属。均 质固溶体的特点是： 在保持高塑性的同时，它的强度要比任何一种基体的强度都高 。所以，凡是完成了焊 接过程三个阶段的接头， 断裂通常都是发生在强度较低的基体金属上。 2、有限互溶金属：具有有限互溶的金属（通常随着温度的上升，溶解

40、度也跟着提高，如铜与铁）的 接触面上，会产生浓度不同的固溶体区域。该区域的厚度，取决于过程的温度 -压力条件，厚度增加，由于 在接头中形成共晶体脆性层而使接头的塑性和强度下降。 3、产生金属间化合物的金属： 有些金属彼此之间会产生金属间化合物 （如铜与铝、锆与铁、锆与镍 等）。当过渡区中元素达到溶解度的极限时，由于晶格的变化而产生了金属间化合物。因金属间化合物很 脆，使接头性能大为降低。通常，能形成金属间化合物的这类金属之间的互溶性都很低。扩散焊时，对共 控制是一个极其复杂的课题。 三、 再结晶 扩散焊第三阶段的再结晶是在塑性变形和实际接触形成过程的基础上产生。 可以把这一过程的进展看 作是再

41、结晶中心的形成过程，然后由于结晶中心的增长产生一次再结晶，由于晶界的迁徙而产生汇集再结 晶。在一不定期的条件下，个别晶粒可能产生畸形增长，而形成二次再结晶。最后，再结晶就成为稳定而 具有某种最低能量的结晶组织。必须指出，在扩散焊的条件下，上述过程具有动态特征。 实际焊接条件下， 残留在接触面之间的孔隙和氧化夹杂物往往会阻碍晶界的移动。夹杂物是造成接头 表面的晶界能量高于基体的主要原因。因此，扩散焊时，形成共同晶粒的先决条件是把这些孔隙缩小到很 低的程度，直到连接边界的能量接近于基体金属晶界的能量。 扩散焊过程中， 主要依靠扩散熔合和扩散流动使空隙愈合。 接触处空隙愈合的时间，首先取决于过程 第

42、一阶段的进行程度和焊接温度。提高焊接时的变形速度，能加速孔隙的“愈合” 。 晶界的迁徙并不表明形成接头的过程已经完全结束。 在接触面上还可能残留有个别的孔隙，影响接头 的塑性。吸人使其继续扩散，才能使焊接的物理过程完全结束。如果对接头的强度、塑性和气密性等有较 高的要求，就必须对同种材料和互溶的异种材料的扩散焊接过程作上述三个阶段的区分和分析。 在扩散焊条件下，能够活化扩散过程的因素通常有： 提高焊接温度和压力、周期性的改变焊接温度和 压力、用射线照射、能以直流电流和对表面进行冷作硬化 等。 四、脆性相 1、脆性相的形成 在扩散焊过程中，当形成金属化合物时，通常在整个接触线上还见不到新相层均匀

43、地增长。这不仅因 为前两个阶段具有间断性，而且还因为在第三阶段中， 原在表面个别区段内的扩散差异极大。 众所周知， 沿着晶粒边缘的扩散系数要比体扩散系数大得多。有时甚至大几个数量级。因此，沿晶界扩散元素的浓度 要比平均浓度高。由于晶界处固溶体的局部过饱和，可能会产生新相的“核” 。然后新相的核不断扩大， 变成间断的金属间化合物的“岛” 。小“岛”不断扩大而连成一体，形成连续的新相层。 在扩散初期， 金属间化合物尚未形成连续层时， 对接头的机械性能没有多大的影响。当形成厚度 3 微米的连续层时，接头的强度和塑性开始大幅度下降。这是由于新相脆性很大和相间体积的变化而产生内 应力所造成的。 2、减少

44、脆性相的方法 锆与不锈钢、铝与铜、铜与钛等异种金属在扩散焊时，必须采取一些工艺措施来控制脆性相的产生， 其方法如下： （1） 控制扩散焊过程中第三阶段的时间； （2） 抑制接触面上形成脆性相元素的大量扩散等。根据上述理论，在第二阶段已基本形成焊接接头。 如能在第二阶段内控制焊接工艺， 或者使焊接接头在第三阶段内停留极短的时间， 使其来不及产生脆性相， 或者不让脆性相的厚度超过 3 微米，就能获得满意的接头。 （3） 加中间过渡层 抑制形成脆性相元素扩散的工艺措施通常是在异种金属接触面之间加入中间过渡金属 层。中间过渡 金属分为活化过渡层和印化过渡层两大类。加入活化过渡层可使焊接过程的某一阶段加

45、速进行或者进行得 更容易。 采用塑性比基体金属好的中间过渡层能使接触面更好地形成物理接触。这是一种减少焊接压力、 温度和缩短焊接时间的有效方法。例如，在铝合金中间加入纯铝就可以实现低温扩散焊。在这种温度下， 纯铝的流动速度和应力松弛要比铝合金高好几个数量级。 纯化过渡层可以限制、 甚至完全消除扩散焊第三阶段的进行， 阻止脆性金属间化合物的产生。所选用 的纯化层材料，向基体金属的扩散系数最好大于基体金属向纯化层的扩散系数。 这样可以使焊接接头在高 温下保持较长的作用时间。采用中间过渡层，使扩散焊应用的范围大为扩大了。 接触熔化及其在异种金属焊接中的应用 一、 接触熔化 在固态的异种金属接触区内的

46、扩散过程可能会引起“接触熔化”现象， 凡低于熔点温度，固态的异种 金属在接触处转变为液态的现象叫做接触熔化 。 不仅共晶体系的异种金属间具有接触熔化的性能，固熔体 中也会出现接触熔化现象。如锰 -铜体系。 可以利用接触熔化现象来连接金属。这是一项比较新的， 并有很 大发展前途的焊接方法。从某种意义上说， TLP 法是介于熔焊与钎焊之间的一种金属连接方法。 接触熔化现象既可应用于焊接工艺也可应用于各种形式的钎焊。 应用接触熔化现象连接金属的名称很 多，如共晶扩散连接，带熔化夹层的焊接，共晶焊，液相过渡连接（ TLP ）等。 如果从实验中去测定接触熔化温度， 那么， 这种温度可能要高于状态图中共晶

47、体熔化温度或固溶体最 低温度，因为实测的温度与接触表面状态、物理接触的密度、金属的组织有关。 二、利用接触熔化的焊接 1、焊接特点 任何形式的固态焊接，都能满足第一个要求。由于扩散的结果，可能在固态下形成一个或几个共晶区 域。两种固态金属在相互接触情况下，扩散过程就一直会进行下去，直到该温度下的极限溶解度，此后就 会出现液相。 异种金属 A 与金属 B ，希望把它们连接到一起，需要预先把相互接触的表面精细地加工。两块金属在 温度为 Ti时接触在一起，经时间 t1 的扩散后，在金属 A 附近形成a固溶体，靠近金属 B 形成B固溶体。 如果在温度 Ti保持足够长时间 t2,在a相里 B金属的浓度比

48、X1大， 而在B相里金属的浓度大于 X2， 这 样就会产生液相 L。如果延长保温时间，液相的体积会迅速扩大。当把接头冷却到温度 T2时（T2 TE ）, 液相就会凝聚成 a+B的形式，并且还带有在 A 和 B 结合区域内形成的共晶体。在这个过程里，最重要的 条件是温度 Ti比共晶温度 TE高。 利用接触熔化来连接金属，可采用多种形式。如果金属 A 和金属 B 形成共晶体，就可以直接应用接 触熔化效应对 A 和 B 进行连接，把金属 A 和金属 B 一起加热到略高于共晶温度，在接触面上就会出现共 晶体的熔化。由此可知，液相的出现，并不是事先在被焊件坡口间加入了熔点较低的第三种金属（熔化过 渡层或

49、钎料等） ，而是依靠接触面两表层的本身。 这种焊接方法既与熔焊不同， 也与钎焊不同 （不加钎料） 。 2、焊接形式 1 ）、二种金属利用接触熔化的形式焊接。如甘霖 些半导体仪器生产中，铝线和硅片的连接、铜触点 与铜或黄铜板的连接等。 2） 由于金属 A 制成的被焊零件之间加入金属 B 的夹层， 而金属 A 和金属 B 能够形成共晶体。 它与第 一种形式不同之外在于液相的数量有限制，液相的数量由金属夹层 B 的厚度来决定。 3） 当不允许在接触面之产明大量的液态共晶体存在时，可以应用第三种形式，这里在被焊件之间除 了加入金属 B 之外，还另外加入两小块金属 A，作为夹层形式加入的这两小块金属 A

50、 的厚度，要略小于与 金属 B 形成共晶体所需的厚度，不够部分就会由被焊零件的接触表面来补充。这样，就可以在一定程度上 控制被焊表面的熔化深度。应用第二、第三种形式的实例有：用银箔作夹层来焊接紫铜与黄铜；用铜夹层 来焊接铝；以铝和铜粉末作为中间夹层来焊接铝与铜接头。 4） 基体金属 C 并不参与共晶体的形成。这一形式与钎焊几乎没有区别，只不过以最方便的形式应用 钎料。如果为了减小共晶体在接触面之间的厚度，还可向被焊件施加压力 P,这时液态的共晶混合物就会 从接触面之间挤压出来，只在两工件之间没有物理接触的间隙中残留微量的共晶体，这就会提高接头的质 量，成为共晶扩散钎焊。 从工艺角度年，第一种形

51、式最难掌握。因为在保温时间内，液态共晶体的数量会不断增加。只有在加 热温度下降到低于共晶温度时，这种形成液态共晶体的过程才会停止。 即形成共晶体的数量要取决于加 热时间。但要精确控制加热时间是困难的。 利用接触熔化的焊接过程如下。首先将中间夹层加入在两焊接表面之间，然后在焊件上加一个很小的 压力（00.01 kg /mm2），将焊件加热到共晶温度以上，便会出现液相，并在这个温度下保温扩散， 在保温 过程中通过液相和固相之间的扩散而逐渐凝固， 这个过程是等温凝固过程； 等温凝固后形成的接头， 其成 分还很不均匀。为了获得成分和组织都很均匀、性能与基体金属一样的接头，需要继续进行扩散处理。 实验和

52、理论研究均表明 ，焊接过程共分三个阶段，熔焊、堆焊和钎焊也不例外。由于在第三阶段中产 生再结晶、形成脆性化合物，或因相与相之间的反应扩散而形成各种新相， 往往使第二阶段中已经得到的 强度又重新下降。有时也不完全如此，如果由于扩散而使焊缝和近缝区的化学成分向有利方向变化，过程 的第三阶段也能继续提高焊接接头的强度。 两个被焊的金属表面在压力作用下逐渐接近， 表面上的原子间将首先产生物理引力的作用，而能够引 起化学结合力的距离还要小得多。因此， 为了实现分子或原子之间的化学吸附，还必须使分子或原子具有 一定的能量。分子获得这种能量的过程叫做激活过程 ，当分子获得这种能量以后，激活过程也就结束了。

53、激活能有多种形式，如热能（热激活） 、弹 -塑性变形能（机械激活） 、慢性子、离子或其它形式。压 焊就是靠两个被连接的金属零件在接触中 （有时还要进行辅助的升温） 产生的共同弹 -塑性变形使原子相互 接近的。熔焊、熔焊 -钎焊和钎焊，则是依靠熔融金属（热能）润湿基体金属而实现原子的接近。 不论采用任何一种焊接方法， 都需要一定的时间来实现物理接触的发展过程和两相之间的化学相互作 用。烛接过程中温度越低，就越容易区分两个主要阶段。熔融金属与固态基体金属相互作用过程是在高温 下进行的（与基体金属的熔化温度对比而言） ，所以，作用速度快。第一阶段与第二阶段是在润湿过程中 一个接着一个地进行，实际上不

54、太可能分开。 根据上述，在熔焊、熔焊 -钎焊和钎焊时，紧跟在第二阶段之后就是扩散过程，扩散过程的进行速度 极快，在连接有限相互溶解度的异种金属时，实际上很难使熔合区中没有脆性金属间化合物。为了确定焊 接工艺，必须有这些过程“允许时间”的概念，以便正确地选择焊接方法、焊接参数和保证获得优质的接 头。 根据试验测得 钢与铝，或者钢、镍与铜 焊接时所需要的激活液相 -固相的接触界面的 激活能约等于 93.6 焦耳/千克原子。在温度为 700 C时，要使相互间具有物理接触的铝与钢之间产生异扩散而形成焊接接头， 至少要有 4 个小时的扩散时间；为了使钢或镍与铜形成同样的焊接接头，只要在 1100C温度中

55、保温 0.5 秒 钟即可。 压焊的时间是一个主要的焊接参数 ，这一点与熔焊有所不同，而且它与压焊方法有关。 异种金属焊接接头中新相的形成 一、 无限固溶异种金属的焊接 合金在凝固时的状态，取决于合金元素原子间相互作用。合金元素总是超向于形成能量上较稳定的状 态，这就决定了合金元素间相互作用的形式。如果溶质金属原子在溶剂金属原子的晶格中占据某一固定位 置，从能量动力学上说，呈稳定状态时，这两种合金元素就会形成与溶质金属和溶剂金属都不相同的新相 固溶体。 具有无限互相溶解度的两种金属在固态下进行压焊时，甚至只要有微量互扩散的元素存在， 也能保证焊缝获得均匀的固溶体， 所以焊缝金属是单相的金属，这对

56、于金属的性能来说是有益的。根据库 乐纳可夫法则，在连续系列的固溶体中，合金的性质与组成合金元素的性质有所不同。 二、 液态互溶、固态无限溶解的异种金属焊接 假如金属 A 在压力作用下与金属 B 紧密接触，而且接触界面上的温度不断上升。起初，当加热的温 度还没有达到熔化温度， 但已超过再结晶温度， 在微观的个别点之间相互接触处， 由于产生金属 A 的原子 和金属 B 的原子相互扩散，就会产生固溶体，两种金属的晶粒会结合和互生在一起，这就是压焊过程的开 始。如果继续加热，当温度达到了熔点较低金属的熔化温度时，就开始出现液相。随着温度的不断上升， 液相逐渐扩大，因而液相中所含较难熔金属量也不断增多，

57、冷却后，形成固溶体。当达到某一温度时，妈 了使没有压力作用， 液相也足以保证焊接接头的质量。 这时固溶体的厚度，即较难熔金属在固溶体中的浓 度梯度，将取决于焊接过程的时间和温度。 如果金属 A 和 B 的接触面是理想的平面。则扩散区只要有一个分子层的厚度就足以保证整体的连接 了。可是，事实上由于接触面的不平整，为了保证整体的连接质量，因此要求具有较大的扩散层。 由于继续扩散， 在固溶体边缘层中的化学成分与中心部位的化学成分会有某些不同。从熔化温度开始 缓慢结晶时，焊缝的成分必定与上述状态图相一致。这时焊接接头的质量将取决于被焊金属扩散过程进行 得充分与否，也就是取决于接触界限上所获得的固溶体。

58、 熔焊-钎焊与上述压焊的情况略有不同。 这时，起 决定性作用的是浸润过程（浸润的时间和温度） 。短时间浸润，原则上可以获得优质的焊接接头。长时间 浸润，还可能产生被焊金属相互溶解和相互扩散的过程，而这类过程一般地并不会引起有害的作用。 三、 液态互溶、固态互不溶解的共晶型及固态形成有限固溶体的异种金属焊接 能够形成平衡的机械混合物共晶体（一次结晶时形成）和类共晶休（二次结晶时形成）的元素构 成的合金，对形成焊接接头有很大的影响。产生这种混合物时，元素在固态下是否形成不含有限固溶体的 混合物或具有有限的相互溶解度， 这对于形成焊接接头来说是十分重要的。在合金成分中，如果没有有限 溶解度的元素，异

59、种金属的熔焊接头的焊缝区从一种相向另一种相逐渐过渡时，就会具有完全均匀的微观 组织。 在液态焊接熔池中，金属 A 与金属 B 组成均匀的连续互溶液态金属。但液相与基体金属始终保持接 触，在 A 坡口附近的溶液中含金属 A 的成分就多一些；同样，在另一边靠近 B 坡口的溶液中含金属 B 的 成分就多一些。焊缝中金属组织和相组成的逐渐转变，保证了从一种金属性质逐渐地过渡到另一种金属的 性能。 对这类金属进行固态压焊时， 形成接头的过程会受到一定限制， 由于金属不熔化，所以坡口上不会产 生再结晶，而被焊金属在固态下相互之间溶解度几乎等于零（连有限溶解度都不存在） ，因此在界限上不 可能引起扩散过程。

60、 为了获得优质压焊的接头， 就必须使清洁的接缝之间紧密接触， 创造更多的激活核心， 尽量使被焊金属的原子结构和晶格类型一致（如加入不熔化的中间过渡金属夹层等） 。 除了两种被焊的金属在液态下互溶， 而固态下互不溶解的情况以外， 在固态下还往往可能形成具有有 限溶解度的固溶体。众所周知，在固态下有限溶解度的情况有两种：形成共晶体和形成包晶体。第一种情 况比较典型，突出的例子有钢与紫铜，铜与锌等。对于这类金属来说，形成焊接接头的机理与上述情况显 著不同。加热的第一阶段主要产生扩散过程，当达到共晶温度时，在接触处就会出现液相。如温度继续提 高，液相会扩大，其成分也相应地要起变化。 在压焊时，异种氏包