异种金属焊接

全如此。在任何形式的固态焊过程中，必这都会产生扩散过程，当然它对接头的形式的固态焊过程中，必定都会产生扩散过程，当然它对接头的形成过程会有所影响。实践证明，对同种金属，扩散确实起到了有利的影响，但它仅是一种次要的影响。异种金属固态焊的实际结果，有时完全相反。

扩散理论的致命弱点是：它没有考虑接触表面的激活过程和相互结合过程可能会限制整个优质接头的形成过程。例如产塑性变形能力相差很大的两种金属在弱作用力下压焊，或者同种金属在较低温度（低于熔化温度的50%）下，接触表面的激活过程和结合过程都会限制优质接头的形成过程。

在被焊金属之间产生扩散过程，显然是要在接触表面已经形成结合以后才能发生。因此，也不能用扩散理论作为单纯地解释所有形式压焊的理论基础。

五、能量学说

西苗诺夫认为，引起金属间相互结合的条件，不是金属原子的扩散，而是金属原子所含有的能量。当被焊材料相互接触时，即使它们的原子已经接近到晶格参数的数量级，只要原子所含有的能量还没有达到某一水平（这一能量水平可以称为该金属结合的最低能量），就不足以使它们之间产生结合。只有当接触处金属原子的能量提高到某一水平，表面之间才会形成金属键，它们之间的界面开始消失而连接在一起。 能量学说应用了激活状态的概念，其实质是从能量的角度来观察接头的形成过程，弥补了上述各种理论的不足之处。但是，也还存在着一些缺点，众所周知，导致晶格能量增加的冷作硬化会使金属的结合能力变差，对这一现象就不能用能量学说来解释。实际上能量学说并没有提示出金属间的结合到底与连接金属的哪些物理-化学性能有关。

压焊理论上的不统一，可能是由于缺乏大量有关焊接参数和焊接条件对焊接质量影响的试验数据。上述各种理论各自都有自己致命的弱点，不能单独地用它们来解释形式众多的压焊机理。但是，它们又是从不同形式压焊实践中总结出来的理论，对局部的现象都有其合理的成分。因而，近来业已居上述各种理论的基础上总结出关于包含各种形式的压焊特征的一些共同的概念。其中焊接过程三阶段的理论是目前公认的压焊过程的理论基础。

压焊焊接过程的三阶段模式：

第一阶段是物理接触的形成阶段，也就是被焊材料的原子依靠塑性变形，在整个接触面上相互接近到能够引起物理作用的距离；或者被焊材料的原子依靠塑性变形相互接近到足以产生弱化学作用距离以内，这时，位错消失而使塑性材料的接触表面激活，形成弱化学键的条件。

第二阶段是接触表面的激活，形成激活中心，然后两个被焊表面之间产生物理和化学的相互作用，最后形成化学键，所以也称化学的相互作用阶段。激活中心的出现及激活时间的长短取决于较硬一侧的被焊材料（如硬质合金、难熔金属等）的塑性变形。

焊接同种金属时，第一阶段与第二阶段是掺和在一起进行的，很难区分开，因为两个接触表面在相互接近过程中，当产生协调一致的塑性变形而使个别凸出点被压平时，其激活过程就已经开始实行了。

已经使物理接触面实现结合后，金属材料通过结合面向周围扩散的阶段叫做第三阶段，在国外文献中，通常也称为“体”的相互作用阶段。在第一阶段，既要在接触面上形成牢固的化学键，而且还要从接触面的“面”发展到“体”。这种发展过程中，当相互分离的中心汇合到一起时，这时在接触面的作用已宣告结束。但“体”的相互作用还要等到应力权弛后才结束。实际上，往往为了提高接头的强度，必须使过程继续进行，以便让其发生诸发再结晶，有时甚至还有异扩散类型的松驰过程。

在焊接同种金属时，第三阶段结束的标志是在接触处产生再结晶过程，在这个过程中开始形成共同的晶粒。在焊接异种金属时，是否需要限制第三阶段中的异扩散过程，取决于扩散区的性质和新相的产生。物理接触的形成阶段

一、去除表面表面膜

在扩散焊接第一阶段，从焊接面上清除掉附层和氧化膜，雨季能形成实际的接触。从工艺的角度来说，在焊前和焊接过程中是否能将被焊表面上的氧化膜彻底清除掉是至关重要的。被焊面的真空中加热，油脂逐渐分解和挥发；吸附的蒸气和各种气体分子就解吸下来。化学吸附气体和氧化膜最难从表面上清除。在扩散焊的条件下，清除速度与氧化物的热稳定性、焊接温度、真空度、真空中残留气体的成分及其它因素有关。

一）、解吸：在焊接条件下，实际上只有银、铜、镍等金属的氧化物才能解吸下来。提高温度经常可

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以使金属表面上的氧化物结构发生变化，而提高真空度可以使氧化物开始解吸的温度下降。

二）、升华：只有氧化物的饱和蒸气压高于该氧化物在气相中蒸气分压的时候，才能使处在真空中的氧化膜产生升华。在扩散焊条件下，钼、铬等金属的氧化物可能产生升华。 三）、蒸发：蒸发可以使很多金属的氧化物从表面上清除掉。但是，通常只有在接近于金属熔点的高温时，才能产生强烈的蒸发。当两个被焊零件的表面之间已经相互接触，产生强烈的解析、升华和蒸发等过程的可能性已大大下降。这时，去除金属表面的氧化膜主要依靠氧化膜向基体金属的溶解或依靠母材中所含合金元素的还原作用。如果该金属与其氧化物的塑性、硬度和热膨胀系数相差很大，则机械作用将在接触区的氧化膜去除过程中起决定性的作用。

四）、化学反应：不论采用任何一种真空泵进行抽气，在真空系统中仍会会有水，二氧化碳，氢，氧等化学活性气体；这些气体会与被焊零件表面起氧化-还原的化学反应。对于钢来说，碳是主要的还原元素。当钢与石墨进行扩散焊时，钢表面上的氧化物的直接还原作用很剧烈，甚至可以在气压下进行。对钢零件被焊的表面涂敷一层薄薄的碳，可以净化和加强扩散焊接过程。

五）、溶解：在被焊零件已经接触的条件下，如果金属与其氧化物的塑性、硬度、热膨胀系数相差很大，即使极其微小的变形也会破坏氧化膜的整体性而龟裂成碎片被除去。氧化膜在基体金属中的溶解度取决于温度和氧在该金属中的溶解度与扩散速度。例如氧在钛中的扩散速度和溶解度都特别大，比铁、铝等金属要大1～2个数量级。当用扩散焊焊接钛及其合金时，就是利用这个优点来消除表面氧化膜的。

六）、选择适当的焊接工艺创造除膜的条件：扩散焊接金属材料时，提高真空度，能改善清除氧化膜的条件，因为提高真空度，可以相应地降低焊接的温度和压力，这点对于焊接工艺极为重要。此外，接头强度还与氧化膜的清除程度有关。

二、物理接触的形成

无论采用哪一种焊接方法，表面的物理接触（使表面接近到原子间力的作用范围内）都是形成焊接接头的必要条件。熔焊和钎焊时，由于加入了熔敷金属或液体钎料的浸润，会在瞬间内形成接触的自生现象。压焊时，就必须对被焊件施加压力来实现被焊面之间的物理接触。

表面凹凸变形的接触面积，一般称为物理接触面积。严格说，这不是相同的面积，在这种表面上可能有原子之间的相互作用。现已确定物理接触面积取决于材料的性质和施加的压力。

物理接触（也称实际接触）是作用物质之间产生电子相互交换的过程，是任何化学反应的必要条件。现代的科学概念认为，金属固态结合过程是一种化学反应过程。化学反应的结果，在被焊表面的原子之间形成较为稳定的外层电子。由此可见，物理接触也是压焊的必要条件。在熔焊或熔焊-钎焊时，由于熔化金属原子具有很大的活动性，所以很容易在固态-液态之间形成物理接触。

不论那种形式的压焊，物理接触都是依靠一种（或二种）被焊金属在接触处的塑性变形来实现的。利用压焊中的一些焊接方法，如冷压焊、超声波焊、摩擦焊和需要加热的压焊等，物理接触都很重要，是决定焊接接头强度的主要因素。

在一般的扩散焊过程中，实际接触面积的增加，可以分为变形、流动和使实际接触面积继续增加的扩散几个阶段。加压的初期，只在个别点上的作用应力大大超过屈服点，并引起微观突出的点的弹-塑性变形。但加压后，变形速度立即增大到每分钟为1000%。然后才有下述的关系：

P = F S P——外加的压力；F——接触面上的实际压力；S——实际的接触面积。

经过几秒钟的加压力以后，变形量相应的降低2～3个数量级，并转入不稳定的流动阶段。这时接触区内的塑性变形取决于温度和压力。；实际接触面积可以达到名义接触面积的40～75%。

实际接触面积的继续增长与材料稳定的流动过程有关。比较该过程激活能量，可以初步估计出材料流动的倾向性。在外力场的作用下，从位错运动的热激活概念出发来看待流动时，就可以看出应力、温度、结晶组织中的缺陷密度、杂质和合金元素对材料的流动速度的决定性影响。

但是在一定的焊接参数（压力和温度）下，金属流动值可能接近于零。

焊接同种金属或塑性相近的异种金属时，在协同一致的塑性变形过程中，以及在两个接触表面上有微观凸出点产生流动时，实际接触面积会有所增加。当两种被焊材料的塑性差异很大时，上述规律同样适用。但这时主要靠异种金属中硬度较低的金属微观凸出点的弹-塑性变形来提高物理接触面积。

表面加工精度对形成物理接触的影响很大，扩散焊时，机械清理能获得较好的结果。摩擦焊和爆炸焊

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则影响不大。为了提高扩散焊效率，减少焊接时间，降低温度和压力，可采取下列措施：提高表面加工精度；周期性的加压；加塑性好的中间过渡层；提高真空度等。当然这些措施对焊接的整个三阶段都会有影响。

接触表面的激活阶段

一、表面激活的形成

形成实际接触面时，所产生的结合力还不足以产生表面原子间的牢固连接。为了获得原子之间的牢固结合，就必须激活表面上的原子。表面原子的激活会导致原有的原子键的撕裂，此后才有可能使原子间的电子相互作用，这种作用的可能性取决于被焊表面上激活原子或它们的复合体相互间的排列。因此，扩散焊过程的第二阶段又可分为前后两个时期：即前期为被焊金属表面激活时期；后期是被焊面之间形成金属键时期。

金属在外力作用下所产生的切应力和正应力会引起金属表面吸附层的塑性变形和流动。塑性变形和流动会使结晶组织中的缺陷发生振荡、迁移和赶出表面。引时，释放出来的能量决定激活中心的出现。如果升温，就会使位错和空穴迁移的密度和速度增加。表面激活和化学相互作用是连续的。与多晶材料高温塑变形的不均匀性有关。应该说明，用塑性变形的方法来激活表层原子不是唯一的方法。因为任何能使原子从表面上断裂开的作用都可以激活表面。用射线等方法也可以激活表面。表面激活过程与形成物理接触间的联系是十分明显的。但是扩散焊第一阶段的完成，并不意味着出现了表面完全激活。特别是异种金属焊接时尤其如此。此时，形成物理接触是靠这两种金属中硬度较低的金属变形，而表面化学作用的可能性却受到了较硬金属激活条件的限制。因此，异种金属焊接时其中一种材料越硬，需加的压力就越大，或加热的程度就越高，但加热温度不能超过熔点较低材料的熔点。

二、表面原子间的相互作用

把各种金属加工到表面精度相同，然后与铜进行压焊时发现，铜与各种金属之间的物理接触是完全依靠塑性较好的铜的变形来完成的。而且焊接所要求的压力也大致相同。由此可知，是否能在异种金属间形成原子键，首先取决于异种金属中较硬金属表面的激活程度，也取决于所施加压力的大小。其次，也应考虑材料间相互作用的物理化学特性、晶格类型、原子和离子半径的差别、互溶性、弹性模数比值等。虽然这些因素不会妨碍焊接第二阶段的进行，但对过程的发展变化舒服影响。会使表层原子产生应力。

压焊第二阶段后期主要是被焊金属表面已被激活的原子间产生各种相互作用阶段。这时，原子的活动性和振动的振幅都增加了，还出现被吸附气体的解吸过程，由于原子间相互作用而产生结合，可能从接触面向金属内部扩散几个晶格参数的深度。试验发现，铜和钨虽互不溶解，但仍能形成贱个原子直径厚度的过渡层。通常，焊接过程第二阶段的接头区是一个沿着接触面的晶格区。接头区中存在的孔隙和氧化物夹杂是第一阶段焊接过程不彻底所致。接头受静拉伸时，这些分散缺陷不会影响强度和致密性。但如果是贯穿断面的连续缺陷，就会使接头的塑性大幅度下降。

扩散阶段

一、压焊第三阶段的特点 金属材料向周围扩散阶段，即第三阶段。这阶段中会使缺陷（孔洞、氧化物夹杂等）消失；在接触处形成共同的晶粒，并导致内应力松弛。其结果会使接头的使用性能达到与基体金属一致。

如果说在第二阶段中，出现表层原子的反常性能，那么在自由表面已经消失的第三阶段内，材料接触区互相作用的特性将取决于状态图。根据状态图，异种材料体扩散的相互作用，可能引起具有下列成分的过渡区：无限固溶体；有限固溶体；材料间互相化学作用的产物。对于许多不相溶的金属，扩散焊将终止于第二阶段，而不会产生焊接过程的第三阶段。

二、不同金属的第三阶段

1、无限互溶金属：焊接具有无限互溶性的金属时，经过第三阶段的扩散后，在接触区会产生成分不定的固溶区，固溶区的宽度与焊接的温度和时间有关。均质的固溶体塑性很高，强度也高于基体金属。均质固溶体的特点是：在保持高塑性的同时，它的强度要比任何一种基体的强度都高。所以，凡是完成了焊接过程三个阶段的接头，断裂通常都是发生在强度较低的基体金属上。

2、有限互溶金属：具有有限互溶的金属（通常随着温度的上升，溶解度也跟着提高，如铜与铁）的接触面上，会产生浓度不同的固溶体区域。该区域的厚度，取决于过程的温度-压力条件，厚度增加，由于

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在接头中形成共晶体脆性层而使接头的塑性和强度下降。

3、产生金属间化合物的金属：有些金属彼此之间会产生金属间化合物（如铜与铝、锆与铁、锆与镍等）。当过渡区中元素达到溶解度的极限时，由于晶格的变化而产生了金属间化合物。因金属间化合物很脆，使接头性能大为降低。通常，能形成金属间化合物的这类金属之间的互溶性都很低。扩散焊时，对共控制是一个极其复杂的课题。

三、再结晶

扩散焊第三阶段的再结晶是在塑性变形和实际接触形成过程的基础上产生。可以把这一过程的进展看作是再结晶中心的形成过程，然后由于结晶中心的增长产生一次再结晶，由于晶界的迁徙而产生汇集再结晶。在一不定期的条件下，个别晶粒可能产生畸形增长，而形成二次再结晶。最后，再结晶就成为稳定而具有某种最低能量的结晶组织。必须指出，在扩散焊的条件下，上述过程具有动态特征。

实际焊接条件下，残留在接触面之间的孔隙和氧化夹杂物往往会阻碍晶界的移动。夹杂物是造成接头表面的晶界能量高于基体的主要原因。因此，扩散焊时，形成共同晶粒的先决条件是把这些孔隙缩小到很低的程度，直到连接边界的能量接近于基体金属晶界的能量。

扩散焊过程中，主要依靠扩散熔合和扩散流动使空隙愈合。接触处空隙愈合的时间，首先取决于过程第一阶段的进行程度和焊接温度。提高焊接时的变形速度，能加速孔隙的“愈合”。 晶界的迁徙并不表明形成接头的过程已经完全结束。在接触面上还可能残留有个别的孔隙，影响接头的塑性。吸人使其继续扩散，才能使焊接的物理过程完全结束。如果对接头的强度、塑性和气密性等有较高的要求，就必须对同种材料和互溶的异种材料的扩散焊接过程作上述三个阶段的区分和分析。

在扩散焊条件下，能够活化扩散过程的因素通常有：提高焊接温度和压力、周期性的改变焊接温度和压力、用射线照射、能以直流电流和对表面进行冷作硬化等。

四、脆性相

1、脆性相的形成

在扩散焊过程中，当形成金属化合物时，通常在整个接触线上还见不到新相层均匀地增长。这不仅因为前两个阶段具有间断性，而且还因为在第三阶段中，原在表面个别区段内的扩散差异极大。众所周知，沿着晶粒边缘的扩散系数要比体扩散系数大得多。有时甚至大几个数量级。因此，沿晶界扩散元素的浓度要比平均浓度高。由于晶界处固溶体的局部过饱和，可能会产生新相的“核”。然后新相的核不断扩大，变成间断的金属间化合物的“岛”。小“岛”不断扩大而连成一体，形成连续的新相层。

在扩散初期，金属间化合物尚未形成连续层时，对接头的机械性能没有多大的影响。当形成厚度≥3微米的连续层时，接头的强度和塑性开始大幅度下降。这是由于新相脆性很大和相间体积的变化而产生内应力所造成的。

2、减少脆性相的方法

锆与不锈钢、铝与铜、铜与钛等异种金属在扩散焊时，必须采取一些工艺措施来控制脆性相的产生，其方法如下：

（1）控制扩散焊过程中第三阶段的时间；

（2）抑制接触面上形成脆性相元素的大量扩散等。根据上述理论，在第二阶段已基本形成焊接接头。如能在第二阶段内控制焊接工艺，或者使焊接接头在第三阶段内停留极短的时间，使其来不及产生脆性相，或者不让脆性相的厚度超过3微米，就能获得满意的接头。

（3）加中间过渡层

抑制形成脆性相元素扩散的工艺措施通常是在异种金属接触面之间加入中间过渡金属 层。中间过渡金属分为活化过渡层和印化过渡层两大类。加入活化过渡层可使焊接过程的某一阶段加速进行或者进行得更容易。采用塑性比基体金属好的中间过渡层能使接触面更好地形成物理接触。这是一种减少焊接压力、温度和缩短焊接时间的有效方法。例如，在铝合金中间加入纯铝就可以实现低温扩散焊。在这种温度下，纯铝的流动速度和应力松弛要比铝合金高好几个数量级。

纯化过渡层可以限制、甚至完全消除扩散焊第三阶段的进行，阻止脆性金属间化合物的产生。所选用的纯化层材料，向基体金属的扩散系数最好大于基体金属向纯化层的扩散系数。这样可以使焊接接头在高温下保持较长的作用时间。采用中间过渡层，使扩散焊应用的范围大为扩大了。

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