扩散连接原理--焊接技术讲座
铝和铝合金扩散焊接
铝和铝合金扩散焊接摘要：一、铝及铝合金概述二、扩散焊接原理三、铝和铝合金扩散焊接工艺1.焊接前准备2.焊接参数选择3.焊接过程中注意事项四、焊接接头性能分析五、应用实例及优缺点六、发展趋势与展望正文：一、铝及铝合金概述铝及铝合金在我国工业领域具有广泛的应用，其优良的性能如轻质、高强度、良好的耐腐蚀性等，使其在航空、航天、交通运输、建筑等领域受到青睐。
然而，铝及铝合金的焊接性能相对较差，传统的焊接方法难以获得高质量的焊接接头。
为此，扩散焊接技术应运而生，成为解决这一问题的有效手段。
二、扩散焊接原理扩散焊接是一种固态连接方法，通过高温和压力作用下，使焊接界面两侧的金属原子发生扩散，从而实现连接。
在扩散焊接过程中，焊接参数的选择至关重要，直接影响到焊接接头的质量。
三、铝和铝合金扩散焊接工艺1.焊接前准备在进行铝和铝合金扩散焊接前，应充分了解焊接材料的性能、焊接接头的使用要求等，以确保选用合适的焊接参数。
此外，还需对焊接表面进行严格清理，去除油污、氧化膜等，以提高焊接质量。
2.焊接参数选择焊接参数主要包括焊接温度、保温时间、焊接压力和冷却速度等。
焊接温度的选择应使焊接界面两侧金属的原子扩散速度达到最佳，一般控制在400-500℃；保温时间要充分保证扩散过程的进行；焊接压力根据焊接件的厚度和性能要求选取，一般为0.5-1.0MPa；冷却速度应适当，过快会导致焊接接头性能下降。
3.焊接过程中注意事项在焊接过程中，应严格控制焊接参数，确保焊接过程中焊接件的变形和裂纹等缺陷。
同时，要注意观察焊接接头的形成情况，及时调整焊接参数，以获得最佳的焊接效果。
四、焊接接头性能分析铝和铝合金扩散焊接接头的性能较好，可以实现无缝连接，提高焊接接头的强度和耐腐蚀性能。
此外，焊接接头的性能还与焊接参数、焊接材料等因素密切相关。
通过合理调整焊接参数和选用合适的焊接材料，可以进一步提高焊接接头的性能。
五、应用实例及优缺点铝和铝合金扩散焊接在航空航天、交通运输、建筑等领域具有广泛的应用。
铝和铝合金扩散焊接
铝和铝合金扩散焊接
【原创版】
目录
一、铝和铝合金的特性
二、扩散焊接的原理
三、铝和铝合金扩散焊接的应用
四、铝和铝合金扩散焊接的优点与挑战
正文
一、铝和铝合金的特性
铝是一种轻质、高导电性和高导热性的金属，被广泛应用于各种工业领域。
铝合金是由铝与其他元素（如铜、镁、锌等）混合而成的合金，具有较高的强度、良好的耐腐蚀性和优良的加工性能，因此在航空、航天、汽车等行业中得到了广泛的应用。
二、扩散焊接的原理
扩散焊接是一种在焊接过程中，通过高温使材料间的原子相互扩散，从而实现连接的方法。
在铝和铝合金的扩散焊接中，通常采用高温下的气氛扩散焊接，以实现材料间的原子扩散。
这种方法可以获得较高的连接强度，并且焊缝质量较好。
三、铝和铝合金扩散焊接的应用
铝和铝合金扩散焊接在许多领域都有广泛的应用，如航空航天、汽车制造、电子行业等。
在航空航天领域，扩散焊接被用于制造飞机和火箭的结构件，这些结构件需要承受高温、高压等极端环境。
在汽车制造领域，扩散焊接被用于制造发动机、轮毂等部件，以提高其性能和可靠性。
在电子行业，扩散焊接也被广泛应用于散热器的制造，以提高散热性能。
四、铝和铝合金扩散焊接的优点与挑战
铝和铝合金扩散焊接具有许多优点，如焊缝质量好、连接强度高、工艺简单等。
但同时也存在一些挑战，如对焊接设备和工艺要求较高、高温下易产生变形和氧化等。
扩散连接原理
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焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院 课件制作：徐世伟 指导教师：刘耀东
但由于实际的材料表面不可能完全平整和清洁，因而 实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的 表面结构如图7一4所示，除在微观上表面呈凹凸不平外， 最外层表面还有0.2～0.3nm的气体吸附层，主要是水 蒸气、氧、CO2和H2S。在吸附层之下为3 ～4nm厚的 氧化层，是由氧化物的水化物、氢氧化物和碳酸盐等组成。 在氧化层之下是1 ～10μm的变形层。
5)扩散连接可与母材的热处理和超塑性成型过程同时 进行;
6)借助适当的方法，可以在低于母材再结晶温度下进 行扩散连接，因而经过加工的母材的性能连接后也几乎没 有损失。
7)可连接结构复杂、厚薄相差悬殊、精度要求高 的各种工件，以及有封闭性连接要求的工件，如蜂窝 夹芯板等;
但由于扩散连接要求被连接材料表面加工精度高、 并能均匀加压，因而，生产率较低，加之所用设备较 贵，使其应用范围受到一定限制。
我国在20世纪50年代末期才开始对扩散连接方法进 行研究，70年代又开始了专用扩散焊机的开发。目前， 大型超高真空扩散焊机、钛一陶瓷静电加速管和钛合金飞 机构件等产品的试制成功，标志着我国扩散连接己发展到 一个较高的水平。但在研究的深度和应用广度上与发达国 家相比仍有较大的差距。
Contents
§7.2 固相扩散连接
温度和压力的作用主要是:使连接表面微观凸起处产 生塑性变形而增大紧密接触面积，激活原子之间的扩散。
扩散焊的原理及应用DFW-diffusion Welding
DFW－diffusion Welding
3.1 扩散焊原理及分类
扩散焊是在一定温度和压力下使待焊表面相互接触，通过 微观塑性变形或通过待焊面产生的微量液相而扩大待焊面的 物理接触，然后经较长时间的原子相互扩散来实现冶金结合 的一种压焊方法。
扩散焊是适应原子能、航空、航天及电子工业等尖端技术 领域的需要而迅速发展起来的一种特种焊接技术。
液相扩散焊
3.2 扩散焊的主要特点
优点：
①焊接质量高 ，焊缝中不存在熔化焊缺陷，也不存在过 热组织和热影响区。
②同种材料焊接时，可获得与母材性能相同的接头，几乎 不存在残余应力。
③焊接基体不熔化、不过热，可以焊接所有的金属和非金 属；特别适合焊接用一般焊接方法难以焊接或虽可焊接，但 性能和结构在焊接过程中容易遭受严重破坏的材料，如弥散 强化的高温合金、纤特 种材料、特殊结构中， 如航天工业、电子工业 、核工业。
图30能进行扩散焊的材料
热压焊(或热轧焊和锻焊)：用压力大，产生相当大的塑性 变形。在高温停留时间短，扩散很不充分，影响接头成型质 量的主要因素是变形量。
扩散焊：应用的压力较小，焊接表面发生的塑性流变量较 小，限制在微观范围内。在焊接温度下有充裕的保温扩散时 间，影响接头质量的主要因素是扩散过程。
扩散焊原理示意图
固相扩散焊
发展初期，在焊接界面不产生液相，焊接接头完全是在固 态下形成的。随着扩散焊工艺方法的不断发展，特别是焊接 不同材料或新型材料时，广泛采用了加中间扩散层的焊接工 艺，并在此基础上发展了过渡液相扩散焊工艺，使焊接界面 内有少量液相产生。
3.1 扩散焊原理及分类
扩散焊是在热压焊基础上发展起来的，并吸收了钎焊的某 些优点发展了一些新的工艺方法。
扩散焊 原理
扩散焊原理扩散焊原理扩散焊是一种常用的金属焊接方法，其原理是利用材料的扩散性质，在高温下使金属材料发生互扩散，从而实现焊接的目的。
扩散焊广泛应用于电子、航空航天、汽车制造等领域，具有焊缝强度高、焊接质量稳定等优点。
扩散焊的原理主要包括扩散和金属间化合物形成两个方面。
首先是扩散过程。
在扩散焊接过程中，焊接材料经过高温加热，使金属表面的晶粒处于活动状态。
当两个金属材料接触时，由于晶粒中存在空隙和缺陷，使得原子能够从一个晶粒扩散到另一个晶粒。
扩散是非常重要的，它使得两个金属材料之间的原子能够互相交换位置，从而实现了焊接的目的。
其次是金属间化合物形成。
在扩散焊接过程中，由于金属表面活性，原子在高温下容易发生化学反应。
当两个金属材料接触时，金属表面的原子会与周围的原子发生反应，形成一种新的化合物。
这种化合物在焊接接头中起到了很好的增强作用，提高了焊接接头的强度和稳定性。
扩散焊的实施过程主要包括准备工作、加热和冷却三个步骤。
首先是准备工作。
在进行扩散焊接之前，需要对要焊接的金属材料进行清洁处理，以去除表面的污垢和氧化物。
同时，还需要对焊接接头进行设计和加工，以保证焊接接头的质量和连接性。
接下来是加热过程。
在加热过程中，需要将金属材料加热到一定温度，使其达到扩散的温度范围。
这样，金属材料的晶粒就能够活动起来，原子能够进行扩散。
加热温度的选择需要根据具体的材料和焊接要求进行确定。
最后是冷却过程。
在扩散焊接完成后，需要将焊接接头冷却到室温。
这样，金属材料的晶粒就会固化，形成坚固的焊接接头。
冷却过程的控制非常重要，过快或过慢都会对焊接接头的质量产生不利影响。
扩散焊的应用非常广泛。
在电子领域，扩散焊常用于电路板的制造和元器件的连接。
在航空航天领域，扩散焊被用于飞机发动机的制造和航天器的连接。
在汽车制造领域，扩散焊则常用于汽车发动机的制造和车身的连接。
扩散焊具有焊接强度高、焊接接头稳定等优点，受到了广泛的认可和应用。
扩散焊是一种利用金属材料的扩散性质实现焊接的方法。
3.扩散连接解析
固相扩散连接时，元 素之间的互扩散引起化 学反应，温度越高，反 应越激烈，生成反应相 的种类也越多。同时， 在其他条件相同时，随 着温度的增加，反应层 厚度越厚。
图11是SiC/Ti界面的 反应层厚度与时间、温 度的关系，从图中可知， 连接时间相同时，提高 温度可以大幅度增加接 头反应层厚度
锡青铜与钛扩散连接时，温 度在1073K（800℃）以下，即 使施加很大的压力，接头强度仍 然很低，主要原因是温度过低， 界面处于活化状态的原子少，无 法形成良好的接合界面。连接温 度在1073～1093K范围内，接 头强度随温度的上升而增加，在 1093K时达到165MPa的最大强 度值。但连接温度进一步增加，接头强度逐渐下降。 原因在于，接合界面出现了脆性的金属间化合物，该 化合物层随温度增加而变厚，从而降低了接头强度
量级，并转入不稳定的流
动阶段。实际接触面积可
以达到名义接触面积的
204200/3/-275%。
9
形成实际接触的
时间与温度和压力有 关，约为1到几十分钟， 实际接触面积可达到 总面积的90%-95%。 剩余的孔隙将在扩散 过程中被填满。
1.1.3扩散连接时的化学反应
异种材料连接时，界面将发生化学反应，形成各 种界面化合物。化学反应首先在相互接触的局部形成 反应源，而后接触面积变大，反应面积也变大，反应 生成的化合物也逐渐增大。
2.2.1.连接温度
连接温度T越高，扩散系数越大，金属的 塑性变形能力越好，连接表面达到紧密接触 所需的压力越小。但是，加热温度受到再结 晶、低熔共晶和金属间化合物生成等因素的 影响。因此，不同材料组合的连接温度，应 根据具体情况，通过实验来选定。从大量实 验结果看，连接温度大都在0.5～0.8Tm （母材熔化温度）范围内，最适合的温度一 般为≈0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度， 常选择在可生成液相的最低温度附近，温度 过高将引起母材的过量溶解。
第六讲扩散焊专题
钟；
第三阶段是界面和孔洞消失，形成可靠接头阶段在接触部位形
成的结合层向体积方向发展，扩大牢固连接面消除界面孔洞，
形成可靠连接
三过程相互交叉进行，连接过程中可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
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图 扩散焊的三阶段模型
a) 凹凸不平的初始接触
（1）真空室： 真空室越大，要达到和保持一定的真空度，对所需真 空系统要求越高。真空室中应有由耐高温材料围成 的均匀加热区，以保持设定的温度；真空室外壳需 要冷却。
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（2）真空系统
一般由扩散泵和机械泵组成。机械泵只能达到 1.33×10-2 Pa的真空度，加扩散泵后可以达到
1.33×10-4 ～1.33×10-5 Pa的真空度，可以满足所
置换反应：活泼元素置换非活泼元素，如AlMg+SiO2，形成新相硅。
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扩散焊专题之二
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扩散焊工艺
工艺参数 主要包括温度、压力、时间、真空度以及焊件表面处理和中
间层材料的选择等，这些因素对扩散连接过程和接头质量有着极 其重要的影响。
1、温度：①对连接初期表面凸出部位塑性变形、扩散系数、表面 氧化物向母材内溶解及界面孔洞的消失过程等均产生影响；②也 决定了母材的相变、析出以及再结晶过程，从而直接或间接影响 到扩散连接过程及接头质量。温度越高，扩散系数越大；连接表 面达到紧密接触所需压力越小。但温度提高受到被焊材料冶金物 理特性方面的限制；提高加热温度还会造成母材软化及硬化
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加压只是使接触面产生微观的局部变形。扩散焊所施
第七章扩散连接原理
固相扩散连接过程
目前，人们认为扩散连接包括以下三个过程 ：（）塑性 变形使连接表面接触;（）晶界迁移和孔洞消失;()界面和 孔洞消失过程。下面分别叙述各阶段的过程和机理。 ()塑性变形使连接表面接触
固相扩散连接时，材料表面通常是进行机械加工后 再进行研磨、抛光(包括化学抛光)和清洗，加工后材料表 面在微观上仍然是粗糙的、存在许多一μ的微观凹凸，且 表面还常常有氧化膜覆盖。将这样的固体表面相互接触， 在不施加任何压力的情况下，只会在凸出的顶峰处出现接 触，如图(。初始接触区面积的大小与材料性质、表面加 工状态以及其它许多因素有关。
但由于实际的材料表面不可能完全平整和清洁，因而 实际的扩散连接过程要比上述过程复杂得多。固体金属的 表面结构如图一所示，除在微观上表面呈凹凸不平外，最 外层表面还有～的气体吸附层，主要是水蒸气、氧、和。 在吸附层之下为 ～厚的氧化层，是由氧化物的水化物、 氢氧化物和碳酸盐等组成。在氧化层之下是 ～μ的变形层 。
扩散连接的定义及其特点
扩散连接是将两待连接工件紧压在一起，置于真空或 保护气氛中加热至母材熔点以下温度，对其施加压力使两 连接表面微观凸凹不平处产生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。
可见，扩散连接过程是在温度和压力的共同作用下完 成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变形。
图一 几种材料扩散连接接头拉伸断口的微 观形貌
()钛 (℃ )； (}铁(℃ ); ()不锈钢钛 (℃ ,
); ()铝钛 (℃ )
()扩散、晶界迁移和孔洞消失 与第一阶段的变形机制相比，该阶段中扩散的作用
就要大得多。连接表面达到紧密接触后，由于变形引起的 晶格畸变、位错、空位等各种缺陷大量堆集，界面区的能 量显著增大，原子处于高度激活状态，扩散迁移十分迅速 ，很快就形成以金属键连接为主要形式的接头。由于扩散 的作用，可使大部分孔洞消失，也会产生连接界面的移动 。关于孔洞消失的机制阐述如下。