1. 真空擴散焊焊接方法基本概念

    真空擴散焊是將兩個被焊件表面相互接觸，靠近到很小距離，當這個距離能與被焊材料的原子作用相比擬時，接觸面上的原子首先相互發生作用和轉移，形成離子鍵，金屬鍵和共價鍵，在一定條件下進一步發生原子的相互擴散以及回復、再結晶等過程,形成牢固性接頭。達到原子作用距離，在許多資料中稱為接觸面的緊貼、緊密接觸或物理接觸。緊密接觸是在一定壓力作用下，使接觸表面產生局部塑性變形達到的。緊密接觸的表面在足夠溫度作用下使表面活化，并提供足夠的胡擴散能量，使互擴散加速進行。因此擴散可以說是在適當的壓力作用下，將緊密接觸的被焊零件，加熱到預定的溫度，并保溫一定時間，形成永固性接頭的過程。

擴散焊是兩緊密貼合的焊件在真空或保護氣氛中，經過一定溫度和壓力的保持，使接觸面原子相互擴散完成焊接的一種壓焊方法。這種焊接方法是在完全沒有液相或者僅有極小量的渡液相的參加下，通過金屬間原子相互擴散與金屬鍵結合來實現兩焊件的焊接，其接頭內不留任何鑄態組織，且因為沒有引入任何其它元素，故其接頭成份和組織與基體均勻一致，原始界面完全消失，兩焊件最終變成一個。

將工件在高溫下加壓，但不產生可見變形和相對移動的固態焊接方法。擴散焊一般以間接熱能為能源，通常是在真空或保護氣氛下進行。焊接時使兩被焊工件的表面在高溫和較大壓力下接觸并保溫一段時間，以達到原子間距離，經過原子相互擴散而接合。焊前不僅需要清洗工件表面的氧化物等雜質，而且表面粗糙度要低于一定值才能保證焊接質量，使用這種焊接方法時接合面間可預置填充金屬。

擴散焊對被焊材料的性能幾乎不產生有害作用，可以用來焊接很多同種和異種金屬以及一些非金屬材料，如陶瓷等，并且可以焊接復雜的結構及厚度相差很大的工件。

2. 基本原理和分類

2.1 基本原理

     材料的擴散焊是以“物理純”表面的主要特性之一為根據，該種表面由于開裂的原子鍵而具有“結合”能力。 
   采用真空和其他凈化表面的方法之后，就有可能利用上述原子結合力，來連接兩個和兩個以上的表面，隨后表面上產生的擴散過程提高了這一連接的強度。 
   擴散焊接要求有一足夠的擠壓力，以便使焊接表面之間的距離縮短到原子之間力的相互作用半徑。連接某一材料所需的壓力應足以消除工件表面微觀的不平度。 
   在真空中，高于再結晶溫度時只施加不大的壓力，就足以使相接觸的焊件接合如果連接區域擴散開，并具有體積特性時，則就獲得了連接的可靠性和強度。  
   用這種焊接方法，可以連接具有不同硬度、強度、相互潤濕的各種材料，其中包括異種金屬、陶瓷、金屬陶瓷，這些材料用熔化焊接方法焊接都不能得到良好效果。例如，在生產中，首次實現了下述材料之間的高質量連接：陶瓷和可伐合金、銅、鈦、玻璃和可伐合金；黃金和青銅；鉑和鈦；銀和不銹諷鋼；鈮和陶瓷、鑰；鋼和鑄鐵、鋁、鎢、鈦、金屑陶瓷、錫；銅和鋁、鈦；青銅和各種金屬等等。這還遠不是真空擴散焊所能夠焊接材料的全部。 
   機械制造、工具、電子學、航空工業、儀表、造船、半導體以及其他部門已應用這一新方法來制造電真空器件、工具、制動器、水力機械的部件、雙金屬的各種零件（焊接后無需表面處理）等等。 
   經檢驗后證明：真空擴散焊的焊接接頭的機械強度、熱穩定性、密封性、耐腐蝕性和彈性都能滿足重要構件的技術要求。尤為突出的是：擴散焊接的工件的尺寸可以從幾微米到幾米。因此真空擴散焊接具有良好的經濟效果。

2.2 分類

2.2.1 同種材料擴散焊

     同種材料擴散焊通常指不加中間層的兩種同種金屬直接接觸的擴散連接。這種類型的擴散焊，一般要求待焊表面制備質量較高，焊接時要求施加較大的壓力，焊后接頭的成分、組織與母材基本一致。Ｔｉ、Ｃｕ、Ｔａ等最易焊接；鋁及其合金，含Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ的鐵基及鈷基合金則因氧化物不易去除而難于焊接。

2.2.2 異種材料擴散焊

      異種材料擴散焊是指兩種不同的金屬、合金或金屬與陶瓷、石墨等非金屬材料的擴散連接。異種金屬的化學成分、物理性能等有顯著差異。兩種材料的熔點、線脹系數、電磁性、氧化性等差異越大，擴散焊接難度越大。因兩種材料擴散系數不同，可能導致擴散接頭中形成顯微孔洞；在擴散結合面上由于冶金反應產生低熔點共晶或者形成脆性金屬間化合物，容易使界面處產生裂紋，甚至斷裂

2.2.3 共晶反應擴散焊

     共晶反應擴散焊是利用在某一溫度下待焊異種金屬之間會形成低熔點共晶的特點加速擴散焊過程的方法。在被焊材料之間加入一層金屬或合金（稱為中間層），這樣就可以焊接很難焊的或冶金上不相容的異種材料，可以焊接熔點很高的同種材料。

2.2.4 瞬間液相擴散焊

     瞬間液相擴散焊是指在擴散焊過程中接縫區短時出現微量液相的擴散焊方法。在擴散焊過中，中間層與母材發生共晶反應，形成一層極薄的液相薄膜，此液膜填充整個接頭間隙后，再使之等溫凝固并進行均勻化擴散處理，從而獲得均勻的擴散焊接頭。

2.2.5 超塑性成形擴散焊

     超塑性成形擴散焊工藝的特點是：擴散焊壓力較低，與成形壓力相匹配，擴散焊時間較長，可長達數小時。在高溫下具有超塑性的金屬材料，可以在高溫下用較低的壓力實現成形和連接。采用此方法的條件之一是材料的超塑性成形溫度與擴散焊溫度接近，該方法在低真空下完成。在超塑性狀態下進行擴散焊有助于焊接質量的提高，這種方法在航空航天工業中得到應用.

3. 工藝特點和應用范圍（材料、結構、環境）

3.1 工藝特點

     真空擴散焊接技術是為了適應原子能，航空，航天及電子工業等尖端科學技術領域的需要而迅速發展起來的一種特種焊接工藝方法。它是在一定的真空度條件下，將兩個平整光潔的焊接表面加熱到一定的溫度，在不加任何焊料或中間金屬的情況下，在溫度和壓力的同時作用下，發生微觀塑性流變后相互緊密接觸，利用焊件接觸表面的電子，原子或分子互相擴散轉移，金屬鍵或者共價鍵，經一段時間保溫，使焊接區的成分，組織均勻化，達到完全的冶金連接過程。由此可見，擴散焊接主要是依靠焊接表面發生微觀塑性流變后，達到緊密接觸，使原子相互大量擴散而實現焊接的。它能夠完成用其他焊接方法難以實現的焊接工作，并且還可以實現互不溶解，高熔點金屬以及非金屬等異種材料之間的焊接，使它們均能夠獲得優質的焊接接頭。

     真空擴散焊接的特點是：

   （1）焊接過程是在完全沒有液相或僅有極小過渡相參加下，形成接頭后再經過擴散處理的過程。使其成分和組織完全與基體一致，接頭內不殘留任何鑄態組織，原始界面完全消失。因此能保持原有基金屬的物理，化學和力學性能。

 （2）擴散焊由于基體不過熱或熔化，因此幾乎可以在不破壞被焊材料性能的情況下，焊接一切金屬和非金屬材料。特別適用焊接用一般焊接方法難以實現，或雖可焊接但性能和結構在焊接過程中容易受到嚴重破壞的材料。如彌散強化的高溫合金，纖維強化的硼—鋁復材

料等。

 （3）可焊接不同類型，甚至差別很大的材料。包括異種金屬，金屬與陶瓷等冶金上完全互不相溶的材料。

 （4）可焊接結構復雜以及厚薄相差很大的工件。

  （5）加熱均勻，焊件不變形，不產生殘余應力。使工件保持較高精度的幾何尺寸和形狀。        

擴散焊與溶焊、釬焊方法的比較

工藝條件	擴散焊	溶焊	釬焊
加熱	局部、整體	局部	局部、整體
溫度	0.5~0.8tm	母材熔點	高于釬料溫度
表面準備	嚴格	不嚴格	嚴格
裝配	精確	不嚴格	不嚴格
可焊材料	金屬、非金屬	金屬	金屬、非金屬
裂紋傾向	無	強	弱
變形	輕	強	輕
接頭強度	接近母材	接近母材	取決于釬料強度

3.2 應用范圍

適用于鈦合金層板結構件、鋁合金泵葉輪多層不銹鋼復合濾網、單晶硅同步輻射冷卻器、鋁銅濾波器、屏蔽器、發電廠不銹鋼閥籠、重離子加速器銅/鋼冷卻板、不銹鋼網/板復合結構、不銹鋼噴墨打印噴頭等。適用于（1）難焊材料的焊接；（2）異質材料組配；（3）雙層或多層網/板的分層實體制造；（4）封閉復雜型空結構制造。

3.2.1 航空航天

    鈦合金層板結構件，鋁合金泵葉輪，多層不銹鋼復合濾網等；

3.2.2 工程物理

    單晶硅同步輻射冷卻器等；

3.2.3 衛星導航

    鋁銅濾波器、屏蔽器；

3.2.4 民用技術

    發電廠不銹鋼閥籠，重離子加速器銅/鋼冷卻板,不銹鋼網/板復合結構,不銹鋼噴墨打印噴頭等。

4. 影響焊接質量的工藝參數

（1）擴散焊過程

第一階段：變形和交界面形成接觸點  屈服和蠕變   塑性變形壓力持續          接觸面積增大，晶粒間連接。

第二階段：晶界遷移和微孔的收縮和消除

第三階段：體積擴散，微孔消除和界面消失

（2）中間層材料應滿足條件

容易塑性變形；

含有加速擴散或降低中間層熔點的元素，如硼、被、硅等；

物理化學性能與母材差異較被焊材料之間的差異小

不與母材產生不良的冶金反應，如產生脆性相或不希望有的共晶相；

不會在接頭上引起電化學腐蝕問題。

4.1 加熱溫度

     加熱溫度是擴散焊最重要的工藝參數，加熱溫度的微小變化會使擴散速度產生較大的變化。在一定的溫度范圍內，溫度越高擴散系數越大，擴散過程越快，所獲得的接頭結合強度越高。但當溫度高于某一定值后，溫度再提高時，擴散焊接頭質量提高不多，有時反而有所下降。

     受材料的物理性能、工件表面狀態、設備等因素的限制，對于許多金屬和合金，擴散焊合適的加熱溫度一般為０６～０８Ｔｍ（℃）（Ｔｍ為母材熔點）。給出一些金屬材料的擴散焊溫度與熔化溫度的關系。對于出現液相的擴散焊，加熱溫度應比中間層材料熔點或共晶反應溫度稍高一點。液相填充間隙后的等溫凝固和均勻化擴散溫度可略微降低一些。

4.2 壓力

     施加壓力的主要作用是使接合面微觀凸起的部分產生塑性變形，達到緊密接觸，同時促進界面區的擴散，加速再結晶過程。一般增加壓力能提高接頭強度，但過大的壓力會導致工件變形。同時高壓力需要成本較高的設備和更精確的控制。從經濟角度考慮，應選擇較低的壓力。

     在其它參數固定時，采用較高壓力能產生較好的接頭。壓力上限取決于對焊件總體變形量的限度，設備噸位等。對于異種金屬擴散焊，采用較大的壓力對減少或防止擴散孔洞有作用。除熱等靜壓擴散焊外通常擴散焊壓力在0.5~50MPa之間選擇。對出現液相的擴散焊可以選用較低一些的壓力。壓力過大時，在某些情況下可能導致液態金屬被擠出，使接頭成分失控。由于擴散壓力對第二、三階段影響較小，在固態擴散焊時允許在后期將壓力減小，以便減小工件變形。

4.3 擴散時間

     擴散時間是指被焊工件在焊接溫度下保持的時間。在該焊接時間內必須保證擴散過程全部完成，以達到所需的強度。擴散時間過短，則接頭強度達不到穩定的、與母材相等的強度。但過高的高溫高壓持續時間，對接頭質量不起任何進一步提高的作用，反而會使母材晶粒長大。對可能形成脆性金屬間化合物的接頭，應控制擴散時間以求控制脆性層的厚度，使之不影響接頭性能。擴散焊時間并非一個獨立參數，它與溫度、壓力是密切相關的。溫度較高或壓力較大，則時間可以縮短。對于加中間層的擴散焊，焊接時間取決于中間層厚度和對接頭成分組織均勻度的要求(包括脆性相的允許量)。實際焊接過程中，焊接時間可在一個非常寬的范圍內變化。采用某種工藝參數時，焊接時間有數分鐘即足夠，而用另一種工藝參數時則需數小時。

4.4 保護氣氛

  焊接保護氣氛純度、流量、壓力或真空度、漏氣率均會影響擴散焊接頭質量。常用保護氣體是氬氣，常用真空度為(1—20)X10—3Pa。對有些材料也可用高純氮、氫或氦氣。在超塑成形和擴散焊組合工藝中常用氬氣氛負壓(低真空)保護金屬板表面。

  另外，冷卻過程中有相變的材料以及陶瓷類脆性材料擴散焊時，加熱和冷卻速度應加以控制。共晶反應擴散中，加熱速度過慢，則會因擴散而使接觸面上成分變化，影響熔融共晶成.

4.5 表面準備

     擴散焊組裝之前必須對工件表面進行認真準備，其表面準備包括：加工符合要求的表面粗糙度、平直度、去除表面的氧化物，消除表面的氣、水或有機物膜層。

     表面的平直度和粗糙度是通過機械加工、磨削、研磨或拋光得到的，經過拋光的表面微觀凹凸不平，可達到５０ｎｍ。表面氧化物和加工硬化層通常采用化學腐蝕方法，應注意的是化學腐蝕后要用酒精和水清洗。

     表面去油一般用乙醇、三氯乙烯、丙酮等清洗劑，可以在多種溶液中反復清洗。這類清洗劑有毒，使用時應注意安全。真空加熱可以有效地清除有機物、水和氣體吸附層，烘烤溫度一般不超過３００℃。

     擴散焊接頭質量與保護方法、保護氣體、母材與中間擴散層的冶金物理性能等因素有關。表面準備之后，必須隨即對清潔的表面加以保護，保護措施可以在真空環境中或加氫、氬、氦等保護氣氛。但氫能與Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ和Ｔａ形成不利的氫化物，應注意避免。

4.6 保溫時間

     保溫時間是指被焊工件在焊接溫度下保持的時間。在該保溫時間內必須保證擴散過程全部成

，達到所需的結合強度保溫時間太短，擴散焊接頭達不到穩定的與母材相等的強度。但高溫、高壓持續時間太長，對擴散接頭質量起不到進一步提高的作用，反而會使母材的晶粒長大。對可能形成脆性金屬間化合物的接頭，應控制保溫時間以控制脆性層的厚度，使之不影響接頭性能。

     保溫時間與溫度、壓力是密切相關的，大多數由擴散控制的反應都是隨時間變化的。溫度較高或壓力較大時，時間可以縮短。在一定的溫度和壓力條件下，初始階段接頭強度隨時間延長增加，但當接頭強度提高到一定值后，便不再隨時間而繼續增加。在實際焊接中，焊接時間可以在一個較寬的范圍內變化，但從提高生產率考慮，在保證強度條件下，保溫時間越短越好。

  在實際生產中，所有工藝參數的確定均應根據試焊所得接頭性能挑選出1個最佳值（或最佳范圍）。

5.焊接方法設備及裝備組成和性能指標

5.1 焊接方法設備及裝備組成

     在進行擴散焊時，必須保證連接面及被連接金屬不受空氣的影響，必須在真空或惰性氣體介質中進行?，F在采用最多的方法是真空擴散焊。真空擴散焊可以采用高頻、輻射、接觸電阻、電子束及輝光放電等方法，對工件進行局部或整體加熱。工業生產中普遍應用的擴散焊設備，主要采用感應和輻射加熱的方法。

    擴散焊設備是由真空室.真空系統.加熱系統.加壓系統.對溫度和真空度的檢測以及控制裝置等組成。無論何種加熱方式的擴散焊設備都主要由以下幾部分組成：

5.1.1 真空室和真空系統

     真空室越大，要達到和保持一定的真空度，對所需真空系統要求越高。真空室中應有耐高溫材料圍城的均勻加熱區，以保持設定的溫度；真空室外殼需要冷卻。真空系統一般由擴散泵和機械泵組成。機械泵只能達到1.33*10^-2的真空度,加擴散泵后可以達到1.33*10^-4～1.33*10^-5Pa的真空度，可以滿足材料的擴散焊要求。真空度越高，越有利于被焊材料表面雜質和氧化物的分解與蒸發，促進擴散焊的順利進行。但真空度越高，抽真空的時間越長。按真空度可分為：低真空、中真空、高真空等。

5.1.2 加熱系統

 一般由感應線圈和高頻電源組成根據不同的加熱需求，輻射加熱可選用鎢或石墨做加熱體，經過高溫輻射對工件進行加熱。按加熱方式可分為：感應加熱、輻射加熱和接觸加熱。

5.1.3 加壓系統

     擴散焊過程一般要施加一定的壓力。在高溫下材料的屈服強度較低，為避免構件的整體變形，加壓只是使接觸面產生微觀的局部變形。擴散焊所施加的壓力較小，壓強可在１～

１００ＭＰａ范圍內變化。只有當材料的高溫變形阻力較大，或加工表面較粗糙，或擴散焊溫度較低時，才采用較高的壓力。分為液壓系統、氣壓系統、機械系統、熱膨脹加壓等。目前主要采用液壓和機械加壓系統.

5.1.4 測量與控制系統

現在應用的擴散焊機都具有對溫度、壓力、真空度及時間的控制系統?？蓪崿F對溫度從20～2300的測量，溫度控制的精度可在±（5～10）.壓力的測量與控制一般是通過壓力傳感器進行的。

5.1.5 水冷系統

     一幫通過水循環系統進行冷卻。擴散焊設備啟動前應接通水冷系統。

5.2 性能指標

1、  最高焊接溫度1450度—2000度；

2、  均勻區：￠300*300MM，按照要求設計；

3、 工作真空度：6.6*10Pa；

4、 焊后變形量控制：0.2—2%。

5.2.1 特 點：

1、 固相焊接，對母材熱損傷小，為熔焊、難焊材料提供了有效的焊接方法；

2、 變形量小、變形可控，近終成形，為金屬分層實體的制造提供了可靠方法；

3、 可與真空釬焊結合，實現復合工藝制造。

 

6.典型零件的應用實例

   鋁合金與不銹鋼的焊接，鈦合金與95%氧化鋁陶瓷的封接，無氧銅，鍍鎳可伐及蒙乃爾合金與95%氧化鋁陶瓷和99.5%氧化鋁的封接。