金属的固相连接原理与技术.ppt

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1、金属的固相连接理论与技术绪言材料连接的基本方法连接方法：捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接连接过程中涉及到的能量类型：光、电、声、化学、机械结合性质：机械结合、化学结合和材质结合焊接方法好的地方：过程最复杂发展最迅速应用最广泛绪言近年来，随着许多新材料的的出现，如耐热合金、钛合金、陶瓷等的连接。特别是异种材料之间的连接，采用通常的焊接方法已经无法完成，固态连接的优越性日益显现，扩散焊与摩擦焊已成为焊接界关注的热点之一。扩散焊中钛合金超塑成型扩散连接技术在飞机上钛合金蜂窝结构的成功运用，金属与陶瓷已经能够进行扩散连

2、接，摩擦焊已在焊接发动机转子部件上得到认可，线性摩擦焊、搅拌摩擦焊等新技术的应用，解决了某些用熔焊方法无法焊接的材料连接问题，固态连接是有重大发展的连接技术。固相连接的概念与分类固相连接是材料在连接过程中没有发生熔化，主要依靠原子之间的扩散或塑性流动实现连接。属于这类焊接方法的主要有摩擦焊、扩散焊、冷压焊以及超声波焊等。焊接固相焊钎焊熔化焊电焊化学能焊高能束焊非熔化极熔化极电阻焊冷压焊摩擦焊扩散焊闪光焊超声焊爆炸焊钨极氩弧焊等离子弧焊扩散焊连接方法扩散焊（diffusionwelding）扩散焊又称扩散连接

3、，是把两个或两个以上的固相材料（或包括中间层材料）紧压在一起，置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使连接界面微观塑性变形达到紧密接触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。通常根据焊接过程中是否出现液相将扩散焊分为固态扩散焊和瞬间液相扩散焊。固相扩散连接的基本原理金属材料是有着各自特有晶体结构并规则排列的原子集团。扩散连接时，首先必须要使待连接母材表面接近到相互原子间的引力作用范围。右图为原子间作用力和原子间距关系的示意图。可以看出，两个原子充分远离时其相互间的作用引

4、力几乎为零，随着原子间距离的不断靠近，相互引力不断增大。当原子间距约为金属晶体原子点阵平均原子间距的1.5倍时，引力达到最大。如果原于进一步靠近，则引力和斥力的大小相等，原子间相互作用力为零，从能量角度看此状态最稳定。这时，自由电子成为共有，与晶格点阵的金属离子相互作用形成金属键，使两材料间形成冶金结合。通过上述过程和机理来实现连接的方法即为扩散连接。固态扩散焊接过程(SolidPhaseDiffusion)固态扩散连接的过程大致可分为三个阶段：第一阶段为接触变形阶段，高温下微观不平的表面，在外加应力的作用

5、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；第二阶段是界面推移阶段，通过接触界面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层，这个阶段一般要持续几分钟到几十分钟；第三阶段是界面和孔洞消失阶段，在接触部位形成的结合层逐渐向体积方向发展，扩大牢固连接面，消除界面孔洞，形成可靠的连接接头。三个过程相互交叉进行，连接过程中可以生成固溶体及共晶体，有时形成金属间化合物，通过扩散、再结晶等过程形成固态冶金结合，达到可靠连接。室温装配状态Ⅰ变形--接触阶段Ⅱ扩散----界面推移阶

6、段Ⅲ界面孔洞消失阶段扩散连接的优点：1、扩散焊接头的组织和性能与母材接近，不存在熔化焊的各种缺陷及热影响区弱化问题。2、可以焊接其它方法难以焊接的异种金属、陶瓷以及复合材料等。3、可以进行内部及多点、大面积构件的焊接，没有可达性的限制。4、焊接变形小，是一种精密连接技术。扩散连接的缺点：1、待焊表面的制备和装配精度要求高；2、焊接时间长、效率低；3、设备投资大，焊件尺寸受限制。扩散焊工艺参数扩散焊的工艺参数主要包括加热温度、压力、保温时间、真空度以及焊件表面处理和中间层材料的选择等。1、加热温度。加热温度是

7、扩散焊工艺最主要的工艺参数，一般地，温度越高，扩散速度也越快，界面扩散越充分，接头内的缺陷也就越少。但是，温度过高会导致母材晶粒的过度长大，导致接头的性能下降。常用的扩散焊温度范围为0.6-0.8Tm(K)。2、扩散压力压力是使结合界面能够达到紧密接触，促进界面原子的扩散和再结晶过程。如果压力不足，会在界面上形成大的残留孔洞，但是，如果压力过大，又会造成大的焊接变形。3、保温时间保温阶段的主要目的是实现原子的体积扩散和界面组织的均匀化。保温时间不足会导致扩散不完全，残留孔洞较多，界面组织不均匀等缺陷。但是保

8、温时间过长又大大降低生产效率还会导致母材晶粒的过渡长大。特别是对有脆性化合物生产的接头，要严格控制保温时间，以防止脆性层过度生长。保温时间和温度与压力参数密切相关，高温高压下，保温时间可以大幅度缩短。4、材料的表面处理扩散焊材料要求表面平整干净。常用的处理方法有机械研磨、化学清洗和去除表面加工硬化层等手段。一般来讲，表面粗糙度越小，氧化膜去除越干净越有利于原子的扩散。有些表面氧化膜在真空下可以分解或高温下可以溶入