瞬时液相扩散焊

扩散焊接

液相扩散焊方法也称瞬时液相扩散焊（Transient Liquid Phase Welding），是扩散焊接的一种，通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。

扩散过程

瞬时液相扩散焊是扩散焊接方法中的一种，液相扩散连接方法自20世纪50年代以来，在弥散强化高温合金、纤维增强复合材料、异种金属材料以及新型材料的连接中得到了大量应用。该方法也称瞬时液相扩散连接（Transient Liquid Phase，简称TLP），通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化，液相的生成将中间扩散夹层材料夹在被连接表面之间，施加一定的压力，或依靠工件自重使相互接触。然后在无氧化或无污染的条件下加热，当加热到连接温度TB时，形成共晶液相。n等温凝固过程液相形成并充满整个焊缝缝隙后，应立即开始保温，使液-固相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内，母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固，凝固界面从两侧向中间推进。随着保温时间的延长，接头中的液相逐渐减少，最后形成接头。n成分均匀化等温凝固形成的接头，成分很不均匀。为了获得成分和组织均匀的接头，需要继续保温扩散，（如图1所示）。

工艺参数

扩散连接参数主要有温度、压力、时间、气氛环境和试件的表面状态，这些因素之间相互影响、相互制约，在选择焊接参数时应统筹考虑。此外，扩散连接时还应考虑中间层材料的选用。

连接温度

连接温度T越高，扩散系数愈大，金属的塑性变形能力愈好，连接表面达到紧密接触所需的压力愈小。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T≈0.7Tm。对瞬时液相扩散连接温度的选择，常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。

保温时间

扩散连接时间t（也称保温时间）主要决定原子扩散和界面反应的程度，同时也对所连接金属的蠕变产生影响。连接时间不同，所形成的界面产物和界面结构不同。扩散连接时，要求接头成分均匀化的程度越高，保温时间就将以平方的速度增长。实际扩散连接工艺中保温时间从几分钟到几小时，甚至达到几十小时。但从提高生产率考虑，保温时间越短越好。缩短保温时间，必须相应提高温度与压力。 n接头强度一般是随时间的增加而上升，而后逐渐趋于稳定。接头的塑性，延伸率和冲击韧性与保温扩散时间的关系也与此相似。

连接压力

扩散连接时的压力主要促使连接表面产生塑性变形及达到紧密接触状态，使界面区原子激活，加速扩散与界面孔洞的弥合及消失，防止扩散孔洞的产生。压力愈大，温度愈高，紧密接触的面积也愈多。但不管压力多大，在扩散连接的初期不可能使连接表面达到100%的紧密接触状态，总有一小部分演变成界面孔洞。扩散连接规范中应用的压力范围很宽，最小只有0.04MPa(瞬时液相扩散连接)，最大可达350MPa（热等静压扩散连接），而一般压力约为10~30MPa。与连接温度和时间的影响一样，压力也存在最佳值，在其他规范参数不变的条件下，最佳压力时接头可以获得最佳强度。

环境气氛

扩散连接一般在真空、不活性气体（Ar、N2）或大气气氛环境下进行，一般来说，真空扩散连接的接头强度高于在不活性气体和空气中连接的接头强度。真空中的材料在温度升高时，气体会从零件和真空室内壁中析出，计算和实验结果表明，真空室内的真空度在常用的规范范围内（1.33~1.33×10-3Pa），就足以保证连接表面达到一定的清洁度，从而确保实现可靠连接。

中间层选择

n两种材料结晶化学性能差别较大，这两种材料连接时，极易在接触界面生成脆性金属间化合物。两种材料的热膨胀系数差别大，在接头区域极易产生很大的内应力。针对这些问题为了获得高质量的接头，则要选择中间层，使中间层金属与两侧材料都能较好的结合，生成固溶体，则实现良好的连接，对热物理性能差别较大的材料，可以用软的中间层或用几个中间层过渡,缓和接头的内应力，以保证获得性能良好的接头。

表面状态

表面粗糙度的影响几乎所有的焊接件都需要由机械加工制成，不同的机械加工方法，获得的粗糙等级不同。扩散连接的试件一般要求表面粗糙度应达到Ra＞2.5mm以上。 n表面清理待连接零件在扩散连接前的加工和存放过程中，被连接表面不可避免地形成氧化物、覆盖着油脂和灰尘等。在连接前需经过脱脂、去除氧化物及气体处理等工艺过程。

原理示图

扩散焊设备通过感应线圈，感应器加热，通入中频，高频感应电流。焊接时母材不熔化，中间层熔化。

工艺应用

近年来，新材料在生产中应用，经常遇到这些材料本身或与其他材料的连接问题。一些新材料如陶瓷、金属间化合物、非晶态材料及单晶合金等等可焊性差，用传统熔焊方法，很难实现可靠的连接。随着技术的发展，一些特殊的高性能构件的制造，往往要求把性能差别较大的异种材料，如金属与陶瓷、铝与钢、钛与钢、金属与玻璃等连接在一起，这也是传统熔焊方法难以实现的，不但要连接金属，而且要连接非金属，或金属与非金属。因此，连接所涉及的范围远远超出传统熔焊的概念。为了适应这种要求，近年来作为固相连接的方法之一扩散连接技术引起人们的重视，成为连接领域新的研究热点，正在飞速发展。这种技术已广泛用于航天、航空、仪表及电子等国防部门，并逐步扩展到机械、化工及汽车制造等领域。

领域专家

瞬时液相扩散焊作为一种新型焊接方法已经在耐热钢、耐热合金的连接方向获得较大进展，国内有较多学者对这种连接进行了大量的实践应用。在本方向有独特造诣的的专家有

（1）河南理工大学陈思杰教授

（2）西安理工大学井晓天教授

（3）四川化工职业技术学院王菲森

（4）山东电力高等专科学校王学刚

（5）山东电科院李辛庚

等。

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