瞬间液相扩散焊与钎焊主要特点之异同
扩散连接原理.
3.可焊接其他焊接方法难以焊接的焊件和材料，如
弥散强化合金、活性金属、耐热合金、陶瓷和复合
材料等，特别适合于不同种类的金属、非金属及异
种材料的连接。
⒋作为一种高精密的连接方法，焊后焊件不变形，
可ห้องสมุดไป่ตู้实现机械加工后的精密装配连接。
缺点：
⒈焊件待焊表面的制备和装配要求较高。 ⒉焊接过程中焊接时间长，生产效率低。在某些情 况下还会产生一些晶粒过渡长大等现象。 ⒊无法进行连续式批量生产。 ⒋设备一次性投资较大，且连接工件的尺寸受到设 备的限制。
• 主要用于：异种金属材料、陶瓷、金属间
化合物、非晶态及单晶合金
• 应用领域：航空航天、仪表及电子、核工
业、能源、化工及机械制造
二.扩散焊的分类
一些扩散焊的实例：
铜和不锈钢
铝合金泵叶轮
铝合金和铜
钼锆合金
单晶硅和单晶硅扩散焊
不锈钢板和网
碳碳和铌合金
铝合金分层制造
三.扩散连接原理
1. 固相扩散连接原理
2）机械加工、磨削、研磨和抛光获得所需要的平直
度和光滑度，以保证不用大的变形就可使其界面
达到紧密接触。
3）采用化学腐蚀或酸洗，清除材料表面的非金属膜
（如氧化膜）。
4）有时可采用真空烘烤以获得洁净的表面。是否采 用真空烘烤，很大程度上取决于材料及其表面膜
的性质。真空烘烤易去除有机膜、水膜和气膜。
不易去除钛、铝或含有大量铬的一些合金表面上
态，扩散迁移十分迅速，因此很快就形成以金
属键连接为主要形式的接头，如图c。
C.形成可靠接头阶段
在接触部分形成结合层，逐渐向体积方向发
展，形成可靠的连接接头，如图d。
上述三个阶段是扩散焊过程的主要特征，
试述钎焊的特点及应用范围
试述钎焊的特点及应用范围钎焊是一种常见的金属连接方法，它通过加热填充材料（钎料）至其熔点，使其与需要连接的金属基材发生融合，形成坚固的连接。
与焊接不同，钎焊不会使金属基材融化，因此它常被用于连接低熔点金属，或是连接熔点相差较大的两种金属。
钎焊的特点如下：1. 温度控制：钎焊温度通常较低，不会使基材融化。
这样就能避免由于高温引起的热影响区降低金属材料的性能。
2. 强度高：由于钎料具有较低的熔点，因此能够有效降低对基材的热影响。
这使得钎焊接头的强度相对较高。
3. 与多种材料相容性好：钎焊可以用于连接不同种类的材料，如金属之间、金属和非金属之间的连接。
4. 可加工性好：钎焊接头一般比较均匀，它的形状可根据需要进行设计和调整。
钎焊的应用范围广泛，主要包括以下几个方面：1. 电子电器领域：钎焊广泛应用于电子电器设备的制造，如电路板、电子元件、导线的连接等。
由于钎焊不会产生热影响区，能够保证电子元器件的性能和可靠性。
2. 汽车制造：汽车制造中的钎焊主要用于连接一些特殊的金属合金，如铝合金防撞杆、汽车散热器等。
钎焊能够在连接处形成均匀、强固的接头，提高产品的可靠性和安全性。
3. 刀具制造：由于钎焊接头具有高强度和好的耐磨性，它常被用于刀具制造中，如钎焊切割刀具的制造。
4. 管道连接：钎焊也常被用于连接管道，如石油、天然气和化工行业的管道连接。
由于钎焊能够在高温和高压条件下保持较好的连接质量，因此非常适合这些领域的需求。
5. 珠宝、金银饰品制造：钎焊在珠宝制造领域有广泛的应用，常被用于连接各种珠宝零件，如金属框架和金属线条的连接等。
总之，钎焊作为一种常见的金属连接方法，具有一系列的特点，如温度控制、强度高、与多种材料相容性好和可加工性好等。
它的应用范围广泛，涵盖电子电器、汽车制造、刀具制造、管道连接和珠宝制造等多个领域。
钎焊及扩散焊解析
毛细作用
当将两互相平行 的金属板垂直插 入液态钎料中时, 假设平行金属板 无限大,钎料量无 限多,由于存在毛 细作用,如果钎料 可以润湿金属板, 则会出现图(a)所 示的情形,否则,则 会出现图(b)的情 形。
液态钎料在毛细作用下的流动速度：
V =σlg a cosθ／4ηh= a(σsg - σsl)／4ηh
• Cd基钎料：主要为镉银合金，耐热性、抗腐蚀性 能好。
• Zn基钎料 • Au基软钎料 • 其他低熔点软钎料。包括：
①In（铟）基钎料 ②Bi（铋）基钎料 ③Ga（镓）基钎料 • 无铅软钎料
软钎料
锡铅钎料：共晶成分的机械性能最好；表面张力小， 则润湿性好；铺展、填缝性好。加入Sb（＜3%） 可减少液态钎料的氧化；加入Ag、Sb可提高高温性能。Sn 有冷脆性。钎焊接头工作温度一般不高于100℃。
铅基钎料：纯铅不能润湿Cu、Fe、Al、Ni等金属，常加 入Ag、Sn、Cd、Zn钎焊铜。加入Ag可润湿铜，且使钎料熔 点下降；加入Sn可提高润湿性。焊后接头耐热性提高，可 在150℃以下工作。在潮湿环境下耐湿性差。
镉基钎料：镉基钎料是耐热性最好的一种软钎料，工作 温度可达250℃。
软钎料
常见的有Cd-Zn、Cd-Ag、Cd-Zn-Ag系钎料。 Ag的加入可提高强度，但超过5%Ag使液相线迅速上升，
钎焊过程的分解第3章钎料与源自剂钎料：能与母材金属无限固溶的合金元素可显著减小界面张力， 从而使钎料的润湿性得到明显的提高，比与母材金属形成金属间化合 物的合金元素好。
钎料的分类与编号 钎料可按下列三种方法进行分类。 按熔点：熔点在450℃以下的称为软钎料，高于450℃的称为硬钎 料（难熔钎料），高于950℃的称高温钎料。 按化学成：不论软硬，根据组成钎料的主要金属元素，相应称为 ×基钎料，如Ni基钎料等。 按钎焊工艺性能：自钎性钎料、真空钎料、复合钎料。 钎料按供货要求可制成带、丝、铸条、非晶态箔材、普通箔材、 粉末、环状、膏状、含钎剂芯管材（丝材）、药皮钎料、胶带状钎料 等。
铝基复合材料钎焊与扩散焊
根据铝基复合材料的成分和性 能要求，选择合适的钎料，如 铝硅、铝铜等钎料合金。
加热方式
采用合适的加热方式，如火焰 、电阻、激光等，确保钎料均 匀熔化并充分润湿母材。
冷却与后处理
控制冷却速度，使接头组织细密 、均匀；进行必要的后处理，如
清除残余钎料、修整接头等。
钎焊过程中的问题与解决方案
01
铝基复合材料钎焊与扩散焊
• 铝基复合材料概述 • 铝基复合材料的钎焊技术 • 铝基复合材料的扩散焊技术 • 铝基复合材料钎焊与扩散焊的比较 • 铝基复合材料钎焊与扩散焊的未来
发展
01
铝基复合材料概述
铝基复合材料的定义与特点
定义
铝基复合材料是一种由两种或两 种以上材料组成的新型材料，其 中铝是基体，其他材料作为增强 相。
04
铝基复合材料钎焊与扩散焊的比 较
工艺特点比较
铝基复合材料钎焊 铝基复合材料扩散焊
应用领域比较
铝基复合材料钎焊的应用领域
铝基复合材料扩散焊的应用领域
优缺点比较
01
02
03
04
铝基复合材料钎焊的优 点
铝基复合材料钎焊的缺 点
铝基复合材料扩散焊的 优点
铝基复合材料扩散焊的 缺点
05
铝基复合材料钎焊与扩散焊的未 来发展
工艺技术的改进与创新
焊接工艺的优化
通过改进焊接工艺参数、优化焊接流 程等方式，提高铝基复合材料的焊接 质量和效率，如采用激光焊接、超声 波焊接等新型焊接技术。
新型连接方法的探索
为了满足铝基复合材料的特殊要求， 需要研究新型的连接方法，如冷压连 接、摩擦连接等，以提高连接强度和 可靠性。
环保与可持续发展
新材料的研究与应用
釺焊——精选推荐
釺焊常用焊接方法及特点一、什么是钎焊？钎焊是如何分类的？钎焊的接头形式有何特点？钎焊是利用熔点比母材低的金属作为钎料，加热后，钎料熔化，焊件不熔化，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，将焊件牢固的连接在一起。
根据钎料熔点的不同，将钎焊分为软钎焊和硬钎焊。
（1）软钎焊：软钎焊的钎料熔点低于450°C，接头强度较低(小于70 MPa)。
（2）硬钎焊：硬钎焊的钎料熔点高于450°C，接头强度较高(大于200 MPa)。
钎焊接头的承载能力与接头连接面大小有关。
因此，钎焊一般采用搭接接头和套件镶接，以弥补钎焊强度的不足。
二、电弧焊的分类有哪些，有什么优点？利用电弧作为热源的熔焊方法，称为电弧焊。
可分为手工电弧焊、埋弧自动焊和气体保护焊等三种。
手工自动焊的最大优点是设备简单，应用灵活、方便，适用面广，可焊接各种焊接位置和直缝、环缝及各种曲线焊缝。
尤其适用于操作不变的场合和短小焊缝的焊接；埋弧自动焊具有生产率高、焊缝质量好、劳动条件好等特点；气体保护焊具有保护效果好、电弧稳定、热量集中等特点。
三、焊条电弧焊时，低碳钢焊接接头的组成、各区域金属的组织与性能有何特点？（1）焊接接头由焊缝金属和热影响区组成。
1）焊缝金属：焊接加热时，焊缝处的温度在液相线以上，母材与填充金属形成共同熔池，冷凝后成为铸态组织。
在冷却过程中，液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶，形成柱状晶组织。
由于焊条芯及药皮在焊接过程中具有合金化作用，焊缝金属的化学成分往往优于母材，只要焊条和焊接工艺参数选择合理，焊缝金属的强度一般不低于母材强度。
2）热影响区：在焊接过程中，焊缝两侧金属因焊接热作用而产生组织和性能变化的区域。
（2）低碳钢的热影响区分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。
1）熔合区位于焊缝与基本金属之间，部分金属焙化部分未熔，也称半熔化区。
加热温度约为1 490～1 530°C，此区成分及组织极不均匀，强度下降，塑性很差，是产生裂纹及局部脆性破坏的发源地。
高温合金瞬态液相扩散焊
高温合金瞬态液相扩散焊瞬态液相扩散焊（TLP）是在待焊接件之间放置熔点较低的薄层中间层合金，然后，对连接平面施加法相载荷或不施加载荷，用夹具或点焊定位，在真空条件下加热至中间层合金熔化，，润湿母材，并在焊接面形成均匀的液态薄膜，经过一度保温时间，中间层中降低熔点元素B等向母材扩散，使连接界面处母材熔点降低并发生少量溶解。
由于中间层降低熔点元素B等元素的减少，中间层组织熔点随之提高，中间层液相组织逐渐凝固；延长保温时间，等温凝固继续进行，固/液界面不断向焊缝中心推进，多余的溶质元素在界面前沿富集，当富集达到一定程度时，便形成化合物相。
等温凝固结束后继续延长保温时间，焊缝中心溶质元素扩散更加充分，合金元素趋于平衡，焊缝熔点升高达到扩散焊加热温度而进一步扩散，最终形成牢固的连接，实现了TLP焊接。
TLP焊接综合了高温钎焊和固态扩散焊的特点，它既可以得到高强度的接头，在连接处基本看不出焊缝的痕迹，综合了高温钎焊和固态扩散焊的优点。
对于对开单晶叶片，连接后连接层与基体取向匹配良好，实现了整个叶片单晶化要求。
TLP适合焊接焊接性较差的铸造高温合金，包括定向凝固和单晶高温合金，也包括铸造Ni-Al系金属间化合物，如单晶和定向凝固的涡轮叶片、涡轮导向叶片等。
美国P&W公司为PWA1480单晶合金配制的中间层合金是与PWA1480单晶成分接近但加入了一定量B 元素的韧性箔带，为TLP R-613。
采用该中间层合金连接PWA1480合金，接头在982℃的持久强度和等温低周疲劳性能与PWA1480合金相当。
焊接的叶片已试用于F100发动机及其他新型发动机。
Ni3Al和NiAl金属间化合物的连接主要采用瞬态液相扩散焊。
Ni3Al合金I C6采用17P作为中间层合金。
采用17P中间层合金焊接IC6合金接头的持久性能已达到母材横向性能水平。
管道的瞬时液相扩散焊技术研究的开题报告
管道的瞬时液相扩散焊技术研究的开题报告一、选题背景：随着石油化工行业的不断发展，对管道的需求量也呈现出日益增长的趋势，随之而来的是对管道技术及设备要求的提高。
各种管道连接技术的出现也就应运而生。
液相扩散焊技术是一种目前较为流行的管道连接方法。
液相扩散焊技术在管道连接中具有多种优点，例如连接结构紧凑、强度高、能耗低、操作简便等。
但是由于液相扩散焊技术的焊接速度较慢，同时容易产生焊接变形等问题，因此对液相扩散焊技术进行深入的研究，对其进行优化改进是相当有必要的。
二、选题意义：本论文研究的是管道的瞬时液相扩散焊技术。
液相扩散焊技术在管道连接中的应用比较广泛，但目前该技术的焊接速度较慢，同时一些因素（如基板的材料、径向间距、初始熔点等）也会影响该技术的焊接质量。
因此需要对液相扩散焊技术进行一定程度的改进和优化，以提高焊接质量和效率。
本研究的目的在于通过对管道瞬时液相扩散焊技术进行深入的研究和探索，确立焊接参数对瞬时液相扩散焊接工艺的影响，并对此进行优化改进，提高焊接速度和焊接质量，在实际应用中能够更好地满足工程项目的需要。
三、研究内容：本论文研究的内容涵盖如下方面：1.瞬时液相扩散焊接的工艺原理及性能分析；2.基于瞬时液相扩散焊接技术的数值模拟方法的研究；3.通过实验确定瞬时液相扩散焊接的参数；4.针对瞬时液相扩散焊接过程中可能遇到的问题进行改进。
四、研究方法：1.文献调研法：对国内外瞬时液相扩散焊接技术的研究现状和发展方向进行调研和分析，为本研究的深入开展提供参考;2. 数值模拟法：采用有限元数值计算方法，对瞬时液相扩散焊接的熔池形态和温度场进行模拟分析;3. 实验研究法：通过设计实验并进行实验研究，收集数据，确定瞬时液相扩散焊接的参数，并根据实验结果对焊接参数进行优化和改进。
五、预期成果：1. 通过对液相扩散焊技术的深入研究，确定瞬时液相扩散焊接的优化参数，提高焊接速度和质量。
2. 建立瞬时液相扩散焊接的数值计算模型，深入分析熔池形态和温度场，并对其进行数值模拟优化。
扩散焊
扩散焊:扩散焊又称扩散连接，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一下温度，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。
1.固态扩散焊接过程(Solid Phase Diffusion)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。
室温装配状态变形----接触阶段扩散----界面推移阶段界面孔洞消失阶段固态扩散焊三阶段示意图2.瞬间液相扩散焊接过程(TLP-Transient Liquid Phase)瞬时液相扩散焊（TLP）也称接触反应钎焊或者扩散钎焊，如果生成低熔点的共晶体，也称为共晶反应钎焊。
其重要特征是夹在两待焊面间的夹层材料经加热后，熔化形成一极薄的液相膜，它润湿并填充整个接头间隙，随后在保温过程中通过液相和固相之间的扩散而逐渐凝固形成接头。
其具体过程也分为三个阶段：第一阶段是液相生成阶段，首先将中间层材料夹在焊接表面之间，施加一定的压力，然后在无氧化条件下加热，使母材与夹层之间发生相互扩散，形成小量的液相，填充整个接头缝隙；第二阶段是等温凝固阶段，液-固之间进行充分的扩散，由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材中，母材内某些元素向液相中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固，形成接头。
镍基高温合金瞬时液相扩散焊微观结构的研究
GTD-111 镍基高温合金瞬时液相扩散焊微观结构的研究作者M. Pouranvari∗, A. Ekrami, A.H. Kokabi译文山东大学材料科学与工程学院马群双材料科学与工程学院, 谢里夫科技大学, P.O. Box 11365-9466, 德黑兰, 伊朗.2007.5.31初稿. 2007.7.19修订稿. 2007.7.21接收. 2007.8.6在线刊登摘要瞬时液相扩散焊(TLP)使用非晶态的Ni–Si–B夹层金属MBF30，连接镍基高温合金GTD-111。
扩散焊是在真空环境下保温1100℃，保持不同时间进行的。
接头区域的显微结构通过光学显微镜和扫描电子显微镜进行研究。
微观结构的研究表明，等温凝固完成之前，接头区由四种不同的区域构成：无热凝固产生的中心线共晶相，等温凝固产生的固溶体相，扩散诱发的硼化物沉淀相和母材金属。
在1100℃下保持75min时等温凝固完成，同时抑制中心线共晶相的形成。
在1150℃下保持240min等温凝固接头完成均匀化，导致扩散影响区的二次沉淀物减少和接头区大量γ’相沉淀物的形成。
© 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.关键词：GTD-111高温合金; TLP扩散焊;等温凝固; 微观结构1.前言GP强化的镍基高温合金如GTD-111，广泛应用于航空发动机和涡轮发电机的高温部位。
它们在高温下能够提供优异的抗拉强度，抗应力破坏和蠕变能力，疲劳强度，抗氧化和腐蚀能力以及微观结构的稳定性。
涡轮发动机的效率不断提高，发动机部分的复杂度也不断增加。
此外，地基涡轮机尺寸的增加导致易于产生斑点缺陷的大截面组件的使用。
因此，成功和高效的制造燃气涡轮发动机需要在各种条件下使用熔焊或钎焊的方法连接高温合金。
另一方面，一个涡轮叶片通常表现出各种类型缺陷的结合，例如：热疲劳裂纹，腐蚀，外来物破坏，热腐蚀，氧化和硫化等等。
高温合金组件成本的增加导致人们对修复受损组件更加重视[1,2]。
铝基复合材料钎焊与扩散焊
School of Materials Science and Engineering
HPU
1 增强相与金属合金的润湿机理
为了改善陶瓷表面的润湿性，常采用如下两种方法： （1）陶瓷表面的金属化处理，蒸镀、喷溅、离子注入等 （2）活性金属化法，在钎料中加入活性元素，使陶瓷表 面分解形成新相，产生化学吸附，形成结合牢固的陶瓷 与金属结合界面。常用的活性元素是过渡族金属，如Ti 、Zr、Hf、Nb和Ta等，具有较强的活性。 1.2 活性金属/陶瓷润湿机理 国内外对金属/陶瓷体系的润湿性进行了大量研究， 根据固/液界面结合的情况，可以将润湿过程分为反应性 润湿和非反应性润湿[20]。铝基复合材料焊接时，通过控 制固/液界面的压力、温度以及加入活性元素，对界面反 应有很大的影响，是改善润湿性的有效方法。
2110 / / 011 MgAl2O4 SiC
School of Materials Science and Engineering
HPU
图2 SiCp/Al-Si-Mg-Zn无压浸渗SiC表面MgAl2O4形貌
（1）界面反应 通过冶金和工艺方面的措施解决： 1)冶金措施 加入活性比基体金属更强的元素或能阻止界面反应的 元素。例如，加入Ti可以取代铝与碳化硅的反应。提高基体中Si的 含量可抑制AI与SiC的反应。 2）改善焊接工艺 通过控制加热温度和焊接时间来避免或限制界面反应的发生。如 钎焊时，由于温度较低，基体不熔化，加上钎料金属的阻止作用， 不易引起界面反应。
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瞬间液相扩散焊与钎焊主要特点之异同张贵锋, 张建勋, 王士元, 邱凤翔(西安交通大学焊接研究所,西安 710049)摘 要:从焊接进程、凝固、氧化物的破碎、中间层与钎料的区别、接头组成、脆性相的形成与消除、压力的作用、接头强化机理等方面总结分析了瞬间液相扩散焊与钎焊的区别。
强调指出了下述关键点:(1)中间层的选取是获得两种不同焊接方法接头的首要前提;(2)在钎焊中侧重点是润湿性,它是保证接头获得一定强度的首要前提与主要手段;(3)在瞬间液相扩散焊过程中,除了润湿性之外,更为关注的是降熔元素的扩散。
中间层中降熔元素向母材的持续扩散是TLP接合中液态区增宽、破碎氧化膜、等温凝固、均匀化现象的本质原因;降熔元素向母材的充分扩散及由此而出现的中间层成分的合理改变是TLP焊接成败的命脉。
关键词:瞬间液相扩散焊;钎焊;异同中图分类号:TG454 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2002)06-92-05张贵锋0 序 言瞬间液相扩散焊(Transient liquid phase bonding,简称TLP焊接或TLP连接)是由D.S.Duvall等人于1974年首次汇总了它的应用并用相图解释了其金属学原理[1]。
国内许多文献也称其为过渡液相扩散焊或扩散钎焊,此外其英文名称还有Transient liquid phase diffusion bonding,Transient liquid phase brazing; Diffusion brazing;TLP brazing等多种名称。
在日本被译为液相扩散接合、过渡液相扩散接合、迁移液相扩散接合,其中液相扩散接合一词较为多用。
TLP焊接与钎焊操作步骤相似,如均需在待连接母材表面间放入熔点低于母材的第三种材料(在TLP中常叫中间层-Interlayer;在钎焊中常叫钎料-Filler met-al);然后加热、保温。
简单地将两者的区别归为扩散的充分程度不同;凝固的方式不同;最终所得接头的成分、组织的不连续程度不同这三点[2],尚欠细致全面与深入。
文中试图对这两种焊接工艺的各种细微差别从优缺点、应用、过程、机理等方面进行较为全面的总结与对比分析。
1 优缺点及应用范围与钎焊相比TLP焊接具有如下优点:(1)TLP接头在等温凝固完成后具有明显不同于母材与填充金属的成分,并在一定情况下最终的显微组织中分辨收稿日期:2002-01-18基金项目:西安交通大学校科研基金资助项目(23004)不出填充金属[1~3];(2)TLP接头比一般硬钎焊接头的强度高[3];(3)TLP接头的重熔温度高于钎焊接头而耐高温性能好;(4)TLP焊接容许母材表面存在一定的氧化膜[4],有一定的 自清净 能力。
TLP焊接工艺的上述优点决定了它可用于一般钎焊难以胜任的场合:对力学性能要求高(不低于母材);服役温度高的耐热合金的焊接;接头形式只许采用对接形式(钎焊采用搭接);特别是在先进材料的连接[5](如单晶材料、先进陶瓷、金属基复合材料)等场合,其应用前景更为广阔。
但TLP焊接也存在对中间层要求严、端面粗糙度要求严、焊接时间长等美中不足。
2 焊接进程一般常将TLP进程分为三段[6]:液相生成(利用中间层的熔化或中间层与母材的共晶反应);等温凝固;成分及组织的均匀化。
Tuah-Poku等人将TLP 分为四步[7,8]:中间层的溶解;液态区的均匀化及增宽;等温凝固;均匀化。
Y.Zhou等人[4]将TLP接合进程做了更为细致的划分,指出液态的增宽可进一步细分为加热过程中的增宽(自中间层熔化温度T m 到焊接温度T B期间)和等温阶段(T B)的增宽;并指出当T m到T B期间温升很慢时,有可能在温度到达T B前即开始了凝固过程。
显然,这里所说的液态区增宽是由于已熔化的中间层中的降低熔点的元素(Melting point depressant ele ments,简称MPD元素),扩散入母材并达到某一共晶浓度后,引第23卷 第6期2002年12月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTIONVol.23 No.6December2002起母材表层区熔点降低的结果。
这种情况下,母材的溶解是间接性的溶解,(为区别于一般意义上的溶解,作者称其为 液化 )。
值得指出的是,明确地提出将中间层处于液态的过程细分为液态区增宽与等温凝固两个不同阶段,对于正确理解TLP焊接过程的机制、选中间层及确定规范具有很大的帮助与启示价值,如确定规范时,不能片面地只注意到等温凝固的时间,而应综合考虑使液态区增宽与等温凝固合起来的总时间较短为好。
3 中间层与钎料的区别3.1 钎 料在钎焊中,润湿性是保证接头获得一定强度的首要前提与主要手段,因此首先应基于润湿性来设计或选择钎料的成分。
依相图若钎料能与母材相互溶解或形成化合物,则液态钎料能较好地润湿母材[2],故钎料成分的选择范围较宽一些。
3.2 中间层作为TLP的中间层,应具备以下条件[8]:(1)熔点低于母材;(2)与母材间的润湿性好;(3)不形成有害的金属间化合物;(4)完成等温凝固快;(5)成分均匀化快。
显然对中间层的要求比对钎料要求高。
为此,从成分角度考虑,主组元应尽量与母材相同;合金元素中首先应含有MPD元素;并要求MPD元素应具有以下功能:在母材中扩散迅速[1]、在母材中的溶解度较大[2](利于向母材扩散)、含量适中以兼顾熔点的降低与均匀化的难易[1,4]、使母材表面 液化 显著[9]、有一定 自钎剂 作用、不形成稳定的有害相[1]、中间层溶化后MPD元素应以自由态存在,以利于其迅速扩散入母材。
另外应含有可使焊缝区满足特殊性能要求(如抗高温氧化性能、抗腐蚀性能、抗低温脆断性能等)的合金元素。
从开发制备成型角度考虑,非晶箔带具有能提高溶质(MPD元素)的极限溶解度、薄且成分均匀、熔化区间窄、无需粘结剂的优点,有取代以粉末、电镀、喷涂等方式预置中间层的趋势。
4 母材与中间层/钎料的相互作用无论钎焊或TLP接合都要求中间层或钎料熔化后能与母材发生良好的润湿。
在钎焊中,润湿是铺展、填缝的前提,润湿性不好,即使是预置的中间层也会从界面间流出而球聚于焊缝之外;TLP接合中亦然。
但钎焊的侧重点在于 润湿 ,而TLP接合中的侧重点在于 MPD元素向母材中的扩散 。
钎焊中母材与钎料的作用同时兼有母材向钎料中的溶解和钎料向母材中扩散的双向传质现象。
文献[2]指出,TLP接合过程中,母材的溶入不起主要作用,这是因为在恒温条件下,母材的溶解是有限度的。
无疑TLP接合中传质过程最大的特点在于 MPD元素向母材中的扩散 ,且扩散须是快速的、明显的、持续的扩散。
MPD元素扩散较快的原因一方面在于中间层在焊接温度下处于液态;另一方面作为MPD元素一般人为有意识地选用小原子半径的元素。
MPD元素向母材中的扩散贯穿整个焊接全过程,正是MPD元素的持续扩散才使得液相区先增宽,至最大宽度后开始出现等温凝固转而缩窄,直至等温凝固完成,并最终在固相状态下实现均匀化。
可以说,TLP焊接的命脉就在于MPD元素的浓度是否可通过扩散入母材而降至足够低。
它们的共同特征是母材的溶解有一定的特殊性,即液态金属体积小,固态金属的溶解或 液化 对液态金属内部的浓度影响很大[2]。
5 氧化物破碎及分散机理钎焊中氧化膜靠与钎剂的系列反应,生成低熔点可溶性的盐或低熔点复合化合物溶于钎剂之中,并被液态钎料随液态钎剂一起排出而实现去膜的。
TLP接合过程中不放钎剂(可避免钎剂夹杂及清洗腐蚀性钎剂),在真空或保护气氛下进行。
TLP容许母材表面有一定氧化物存在[4],这也是TLP具有生命力的原因之一。
在此将其破碎机理随焊接进程的进行可归纳为以下几种机制。
5.1 中间层熔化前的升温过程中在此阶段的氧化膜分散与破碎机制应同于一般固态扩散焊。
(1)焊接初期表面局部凸起处因压强大被压溃,材料的塑性流变可引起氧化膜的破碎[5]。
但这种机械破碎仅出现于微观凸起部位,且TLP接合所施加的压力远小于固态扩散焊时的压力,故它的贡献量并不会很大,即从微观角度看,经初期加压实现紧密接触的面积占总面积的比例极小。
(2)氧化物与金属基体的线膨胀系数不同引起的氧化膜龟裂;并为液态钎料渗过这些裂缝并沿氧化膜-合金界面流动而抬起并去除氧化膜创造了条件[10]。
(3)氧化物在金属中的溶解[11]:对于对氧有较大溶解度的母材,如钛及其合金等材料,在真空与高温环境下,因基体对氧的溶解度大氧化物将不稳定而分解,氧原子较快地扩散入母材,氧化膜在扩散的初期就消失,氧化膜的影响并不大[12,13]。
这种氧化物溶解是通过间隙原子(氧)向金属中扩散而发生的,厚度第6期张贵锋,等:瞬间液相扩散焊与钎焊主要特点之异同93为x 的薄膜的溶解时间与x 2/D 成正比(D 为扩散系数)[11]。
(4)氧化膜的球化与聚结[11]:高温下相对稳定的氧化物发生球化或聚结,留滞于空洞表面或已相互接触的界面处;同时伴随着氧化膜聚集的进行氧原子也向母材中扩散,借助于氧的扩散使夹杂物减少。
氧化膜薄时最终残留夹杂物少;焊接时间长时扩散较多夹杂物亦减少[12]。
球化是借薄膜过多的表面能造成的扩散实现的,氧化膜很薄时,球化进行得较快[11]。
如铁、铜、304不锈钢类材料属此种情况。
严格限制氧化膜的厚度是控制夹杂的关键之一。
(5)高温真空条件下母材中C 、Si 、Mn 等微量元素的还原反应消除氧化膜。
文献[10]在研究1Cr18Ni9Nb 的高温真空钎焊去膜机理时指出,母材表面上氧化膜开裂的原因是氧化膜被C 所还原(需900 以上);1000 以上氧化物才可能挥发排除;而Cr 2O 3和Fe 3O 4分解为Cr 和Fe 是即便是在真空下也是很难实现的。
碳素钢上氧化膜的消失是靠C 与Si 的还原反应[14]。
5.2 液态中间层出现后的过程中这一方面的报道极为鲜见,仅中尾嘉邦等人通过其试验观察指出:中间层熔化后,随着MPD 元素向母材中的扩散,母材表层被液化,液相区增宽,使氧化膜从母材基体上剥离下来,呈片状平直地漂浮于液态之中;随后呈平直状漂浮于液态之中的氧化膜在液态之中局部发生弯曲;当某处的氧化膜弯曲至一定程度时即在该处出现氧化膜破裂,随时间的延长破裂处越来越多,这样使氧化膜呈断续状分布,避免了氧化膜成片状连续分布,通过多处且继发的破裂最终实现了氧化膜的破碎[15,16]。
中国学者在研究铝的接触反应钎焊时也观察到类似的现象,即在铝的氧化膜下出现的由铝与中间层材料形成的液态共晶 潜流 ,促使氧化膜的破碎和分散[17]。
确保夹杂物在分布密度方面尽量稀疏、在形态方面避免连续并呈片状、在大小方面小至足够尺度是成败关键之一。