扩散焊工艺

出处：按学科分类—工业技术河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第344页（3897字）

扩散焊的工艺流程一般包括以下阶段：工件表面处理、工件装配、装炉、扩散焊接(包括抽真空、加热、加压等)、炉冷。

1．工件表面处理及装配

为了使工件得到满意的扩散焊结合，焊接件必须满足以下两个必要条件：

(1)使焊件表面金属与金属间达到紧密接触。

(2)必须对有妨碍的材料表面污染物加以破坏和分解，以便形成金属间结合。金属表面一般不平整，附着有氧化物或其他固态或液态产物(如油脂、灰尘等)，吸附有气体或潮气。待焊件组装前必须对工件表面进行仔细处理。表面处理不仅包括清洗，去除化学结合的表面膜层(氧化物)，清除气、水、或有机物表面膜层；还有对金属表面粗糙度的要求。

为了保证在扩散焊时能有均匀接触，对表面的最小平直度和最小粗糙度有一定的要求。常用的金属切割和研磨抛光的方法通常能够加工出所要求的表面平直度和粗糙度。机械加工或磨削的附带效果是引起表面的冷作硬化，冷作硬化表面的再结晶有增加界面附近扩散速度的倾向^［7］。

通常作为焊前处理的化学腐蚀有两个作用：一是去除金属表面膜(通常是氧化物)；二是部分或全部去除在机械加工时形成的加工硬化层。除油是任何表面清理工序的必要部分。可使用乙醇、三氯乙烯、丙酮、洗涤剂以及任何其他清洁剂，也可采用在真空中加热的方法来获取清洁的表面。这种方法的可用性很大程度上取决于金属种类和其表面膜的性质。有机物或水、气的吸附层通过在真空中进行高温热处理很容易去除，但大多数氧化物在真空热处理时不分解。真空清洁处理后的零件要求随即在真空或控制气体中保存，以免重新形成吸附层或化学吸附层。

选择表面处理方法时还需考虑具体的焊接条件。如果在很高的温度或压力下扩散连接，获得特别清洁的表面就不十分重要了。原子活性、表面凸凹变形以及对杂质元素溶解度的增加，有助于使表面污染物分解。在较低温度和较低压力下焊接时有必要进行较严格的表面处理和保存。

工件表面处理后须对清洁的表面进行保护，有效的方法是在扩散焊过程中采用保护性气氛，真空环境也能够长时间防止污染。纯氢气氛能减小形成的氧化物数量，并能在高温下使许多金属的表面氧化物层减薄。但氢能够与锆、铌和钽形成氢化物。氩、氦也可用于在高温下保护清洁的表面，但使用这些气体时纯度必须很高，以防止造成重新污染。

工件装配是扩散焊最终得到质量良好的扩散焊接头的关键步骤之一。待焊表面紧密接触可以使被连接面在较低的温度或压力下实现完整、可靠的结合与连接。

2．中间层的选择

在工件之间增加中间层是异种材料扩散焊的有效手段之一，特别是对于原子结构差别很大的材料。中间层的作用主要是改善材料表面的接触，降低对待焊表面制备的要求，降低所需的压力；改善扩散条件(加速扩散过程、降低扩散焊温度、缩短扩散焊时间)；改善冶金反应，避免或减少形成脆性金属间化合物的倾向；避免或减少因被焊材料之间的物理化学性能差异过大而引起的其他冶金问题。

所选择的中间层材料应具有以下特点：

(1)容易发生塑性变形；含有加速扩散的元素，如硼、铍、硅等。

(2)物理化学性能与母材的差异较被焊材料之间的差异小；不与母材发生不良冶金反应，如产生脆性相或不希望的共晶相。

(3)不会在接头上引起电化学腐蚀问题。

通常，中间层是熔点较低(但不低于扩散焊接温度)、塑性较好的纯金属，如铜、镍、铝、银等，或者与母材成分接近的含有少量易扩散的低熔点元素的合金。

中间层厚度一般为几十微米，以利于缩短均匀化扩散处理的时间。厚度在30～100μm时，可以以箔片的形式夹在待焊表面间。不能轧制成箔片的中间层材料，可以采用电镀、真空蒸镀、等离子喷涂的方法直接将中间层材料涂覆在待焊表面^［7］。镀层厚度可以仅有几微米。中间层厚度可以根据最终成分来计算、初选，通过试验修正确定。

3．阻焊剂

扩散焊时为了防止压头与工件或工件之间某些区域被扩散焊黏接在一起，需加阻焊剂(片状或粉状)。阻焊剂应具有以下性能：

(1)有高于焊接温度的熔点或软化点。

(2)具有较好的高温化学稳定性，在高温下不与工件、夹具或压头发生化学反应。

(3)不释放出有害气体污染附近的待焊表面，不破坏保护气氛或真空度。

例如：钢与钢扩散焊时，可以用人造云母片隔离压头；钛与钛扩散焊时，可以涂一层氮化硼或氧化钇粉。

4．焊接工艺参数

(1)加热温度加热温度是扩散焊最重要的工艺参数，加热温度的变化会使扩散速度产生较大的变化。在一定的温度范围内，温度越高，扩散过程越快，所获得的接头结合强度越高。但当温度高于某一定值后，温度再提高时，扩散焊接头质量提高不多，有时反而有所下降。对于许多金属和合金，扩散焊加热温度为0．6～0．8Tm(℃)(Tm为母材熔点)。对于出现液相的扩散焊，加热温度应比中间层材料熔点或共晶反应温度稍高一点。液相填充间隙后的等温凝固和均匀化扩散温度可略微降低一些。

(2)压力在其他参数固定的情况下，采用较高的压力能产生结合强度较好的接头(图1－10－2)。对于异种金属扩散焊，采用较大的压力对减少或防止扩散孔洞有良好作用。通常扩散焊采用的压力在0．5～50MPa之间。由于压力对扩散的第二、三阶段影响较小［5］，在固态扩散焊时可在后期将压力减小，以便减小工件变形。

图1－10－2 焊接接头强度与压力的关系^［5］

(保温时间5min)

1．T=800℃ 2．T=900℃ 3．T=1000℃ 4．T=1100℃

(3)保温时间保温时间是指被焊工件在焊接温度下保持的时间。在该保温时间内必须保证扩散过程全部完成，达到所需的结合强度(图1－10－3)。保温时间太短，扩散焊接头达不到稳定的与母材相等的强度。但高温、高压持续时间太长，对扩散接头质量起不到进一步提高的作用，反而会使母材的晶粒长大。对可能形成脆性金属间化合物的接头，应控制保温时间以控制脆性层的厚度，使之不影响接头性能。保温时间与温度、压力是密切相关的，温度较高或压力较大时，时间可以缩短。图1－10－4显示了钛合金扩散焊时压力与最小连接时间的关系。对于加中间层的扩散焊，保温时间还取决于中间层厚度和对接头化学成分、组织均匀度的要求(包括脆性相的允许量)。