一种机械加载扩散焊焊接装置

张晓峰 徐倩倩 李曙光 谢家俊 韩晨

摘 要：发明了一种带载荷转向夹具的机械加载扩散焊焊接装置，用于同种/异种材料、多层材料间连接的扩散焊。试验表明，该装置结构简单，操作简便，通用性强，压力恒定，焊接成本低。

关键词：扩散焊；装置；机械加载

1. 前言

随着材料科学的发展，新材料不断涌现，在生产应用中，经常遇到异种金属的连接问题。焊接异种金属的方法较多，主要有超声波焊接、熔焊、固相压力焊、熔焊-钎焊及液相过渡焊等。一些型面复杂薄壁工件的焊接工艺，因焊接面积大、焊缝强度要求高，实现这样的焊接工艺通常采用扩散焊接。扩散焊接不仅能完成同种材料的焊接，而且可完成异种材料之间的焊接，是一种获得整体接头的固相连接方法，它的焊接强度是一般钎焊焊接强度的几倍。扩散焊具有：(1)扩散焊接头的显微组织和性能与母材接近或相同，不存在熔化缺陷；(2)焊接温度低，母材损伤小；(3)可进行内部及多点、大面积焊接；(4)微变形、小应力、高精密；(5)适合于同种/异种材料、多层材料间连接；(6)表面制备要求高；(7)焊接和辅助时间长；(8)设备一次性投资大，工件尺寸受到设备限制的焊接特性。

扩散焊接工艺通常复杂，设备体积大。薄壁件要完成内外层之间的焊接，在高温条件下自然会产生较大的变形，若水平放置，在重力作用下，就会产生椭圆变形；若垂直放置，就会产生下部堆压变形。为提高焊缝强度，防止焊接面的氧化，内外壁之间的夹层必须抽真空或通入惰性气体进行气氛保护。因此在焊接中，通常是将工件安装在专用的装置上使其悬空，并慢速均匀旋转来控制焊接过程中工件变形。再次，根据材料在不同温度下的性能确定升温速率和保温时间，同时，升温过程中工件“心表”温差不能太大，并且炉内气氛不能被污染，以减少氧化和残余应力。上述复杂的工艺过程使得加热设备也变得复杂。

扩散焊接必须在扩散焊温度条件下在同种或异种材料焊接面上施加一定的挤压力，挤压力的大小因焊接材料的不同而不同。接头界面组织结构界面局部接触塑性变形，促使氧化膜破碎分解。当达到净面接触时，发生焊接材料原子间扩散，同时界面上的氧化物被溶解吸收，继而再结晶组织生长，晶界移动，有时出现联生晶及金属间化合物，经过一段时间后构成牢固一体的焊接接头。扩散连接接头的形成大致可以分为三个阶段：第一阶段是材料表面的物理接触，为了两个待焊试件获得理想的连接，必须使它们尽量接近到足以建立金属键的距离之内，互相接触的微观不平的表面在高温及压力的作用下，微观凸起部位会发生塑性变形，不均匀的接触面会被碾平，实际的接触面积不断增大；第二阶段是接触界面原子间的相互扩散，实际的接触面形成后继续加热和塑性变形会使晶格中原子的能量和迁移率增加，接头区的原子会被激活而发生迁移，由原来的平衡位置进入新的平衡位置，进行互相扩散，连接的深度逐渐扩大，牢固的结合层不断形成，部分小空隙仍残留在晶粒内；第三阶段是可靠接头的形成，由于材料在高温下会发生回复和再结晶，此阶段将消除残余的微观不连续性和缺陷，接触阶段形成的结合层逐渐向体积方向发展，最终形成可靠的连接接头。其中焊接头因未焊合而形成的孔洞是接头的初始缺陷，孔微孔洞随循环次数的增多沿加载轴向变宽；洞扩展并导致承载面积减小是接头疲劳失效的主要原因。

传统的真空扩散焊炉设计采用电液伺服系统，经过多年的发展，系统结构已经相对成熟，但仍然存在一些固有的缺点，如：真空加热系统压力装置调阀值高、低压力值控制精度差、电液装置中的液压油对环境存在一定的污染等。因此，电液伺服系统不能满足新型扩散焊接的技术要求。扩散焊接装置对被焊接表面要求提供稳定而适中的压力，接合面间的压力是消除或减少表面微观凹凸不平、增加材料直接接触表面积，以至于达到原子间距的重要条件，主要影响第一阶段。施加的压力存在需要一个适当的范围，过大和过小都不利于接头强度的提高。若压力过低，被焊表面的塑性变形不足，物理接触表面原子间距大于建立金属键的距离，原子间排斥力起主导作用，导致原子扩散不足，界面上残留的孔洞过大且过多；过高的扩散压力可产生较大的表面塑性变形，会使被焊表面再结晶温度减低，加速晶界迁移，也将使液态金属挤出过多，接头中剩余的液态中间层过少，不能与母材产生一定程度的相互作用（润湿、填充、溶解、扩散），同样降低扩散效果，导致接头性能变差。因此，扩散焊接装置提供的压力将直接影响扩散焊结果。如用气囊充气加压或加垫板加压，模具结构复杂，扩散连接面若保护不好会导致氧化，影响连接强度。

扩散焊的加压机构一般有机械（液压）式占65％、热膨胀式占11％、HIP（Hot Isostatic Pressing）式占24％。传统机械式扩散焊的压力夹具一般由上夹板，下夹板，型腔体，导柱和螺帽组成。压力通过旋紧螺帽以拉紧导柱，从而带动上、下夹板将拉紧力施加到被焊接表面。其不足之处在于：预加载时施加的压力在压力装置连同焊接零件受热后，发生热膨胀，作用在被焊接表面的压力将下降，导致被焊表面原子扩散不足，焊接后强度降低，甚至结合不上；若在加热前提供过大预压力，加热膨胀后压力不仅无法测量，还会造成被焊接零件表面产生大的塑性变形，不仅影响零件尺寸还可能降低焊接强度。理化性能相差较大的钛合金与铜合金扩散连接研究上也遇到很大困难，尤其是多元精密摩擦付类套筒结构件(先进航空发动机恒速装置)至今尚未获得成功。此外，传统扩散焊接设备通用性较差，成本较高，尤其是真空扩散焊炉存在体积庞大、压力起调阀值高、生产效率低、油污染等问题。

2 一种机械加载扩散焊焊接装置

为了解决传统扩散焊装置因加热导致的压力不足和无法精确控制的缺点，本文提供了一种结构简单，操作简便，通用性强，压力恒定，不需要大型的升控温装置和复杂的零件夹持装置的机械加载扩散焊焊接装置。

2.1装置结构与原理

图1 扩散焊接装置的构造示意图 图2 载荷转换夹具的构造示意图

图中：1.平衡铊，2.放大杠杆，3.后立柱，4.砝码，5.基座，6.水平调节螺栓，7.稳定砝码，8.前挡板，9.升降丝杆，10.齿轮传动副，11.微调手轮，12.调节手轮，13.下球形连接座，14.传力杆，15.加热装置固定轴，16.加热炉，17.载荷转换夹具，18.前立柱，19.上球形连接座，20.平衡指针，21.平衡标尺，22.前支点挂钩，23.平衡支点，24.后支点挂钩，25.长吊杆，26.传力杆连接销孔，27.上连接板，28.紧固螺母，29.导向杆，30.下压板，31.上压板，32.型腔体，33.下连接板。

如图1所示，机械加载扩散焊焊接装置主要包括：控温加热系统、加载系统和提供焊接压力的载荷转换夹具。控温加热系统主要由加热装置固定轴15、加热炉16和加热炉位移调节的调整环组成，为被焊零件表面原子扩散提供能量。加载系统主要包括固联在放大杠杆2与基座5之间的前立柱18、后立柱3、通过齿轮传动副10转动的升降丝杆9。

载荷转换夹具的主要作用是将加载系统提供的拉力转换成待焊零件的压力。载荷转换夹具设置在加热炉16内，并通过传力杆14连接在上球形连接座19与下球形连接座13之间，齿轮传动副10通过旋转调节手轮12，带动升降丝杆9，通过载荷转换夹具17将加载系统提供的拉力转换成待焊零件的压力。

加载系统主要由平衡铊1，放大杠杆2，后立柱3，砝码4，基座5，水平调节螺栓6，稳定砝码7，前挡板8，升降丝杆9，齿轮传动副10，微调手轮11，调节手轮12，下球形连接座13，传力杆14，载荷转换夹具17，前立柱18和上球形连接座19组成，其中，微调手轮11通过基座5上端平面连接齿轮传动副10，齿轮传动副10连接升降丝杆9，升降丝杆9通过调节手轮12同轴连接下球形连接座13，球形连接座13连接在传力杆14的下端，传力杆14通过加热炉16，连接载荷转换夹具17再相连上球形连接座19，同时通过设置在加载系统装置中的万向接头相连放大杠杆2，位于加载系统装置外侧的平衡铊1通过放大杠杆2尾端相连立杆连接拉起砝码4。前立柱18和后立柱3是支撑设备的主体结构，支撑在压力系统装置与基座5之间。基座5提供操作平台，底部设有调节整套设备水平的水平调节螺栓6，基座内腔设有稳定设备重心，避免因过大的载荷导致设备发生偏斜的稳定砝码7。基座5前端前挡板8是标明设备型号、规格、吨位等参数的维护窗口。升降丝杆9通过齿轮传动副10相连的微调手轮11和同轴相连的调节手轮12的共同作用，调节位于加热炉16中心的载荷转换夹具17对待焊零件上的压力，同时转动调节手轮12或微调手轮11会带动升降丝杆9上升或下降，然后通过下球形连接座13、传力杆14、载荷转换夹具17和上球形连接座19将丝杆的运动传递到放大杠杆2，通过杠杆效应再使得平衡指针20向下或向上运动，调节平衡指针20的指示位置，使平衡指针位于平衡标尺21的平衡红线处。分别连接在传力杆14上下方上的下球形连接座13和上球形连接座19采用自位调心球形连接结构，保证传力杆14与载荷转换夹具17的同轴度，以提供高精度力值。自位调心球形连接结构主要由球支撑座、钢球、球面沉孔销和外环组成，在承受外部载荷作用时，外环带动球面沉孔销对钢球和球支撑座施加压向力，通过钢球在球支撑座和球面沉孔中的球面接触，进行自位调心，从而保证了较高的同轴度。为免使用大量砝码造成设备刚度不足，平衡铊1通过放大杠杆2放大砝码的力值，调平放大杠杆2支点后部设备零部件产生的力矩。砝码4根据放大杠杆的系数进行标定，当计算好施加的载荷后，根据标定后的砝码载荷进行组合。将组合后的砝码放置在砝码托盘上，此时砝码的重力作用在后传力杆上，后传力杆带动放大杠杆后端下降，经放大杠杆的杠杆效应，放大杠杆前端将上升，从而带动前传力杆上升，因下球形连接座被固定在升降丝杆上，在上下传力杆之间会产生一个轴向拉力，载荷转换夹具17将加载系统提供的拉力转换成待焊零件的压力。

加热炉16通过垂直固联在基座5上端平面上的固定轴15固定连接，加热炉16通过内置高频感应加热电源加热装置组成加热系统，为被焊零件表面原子扩散提供能量。高频感应加热与传统的扩散焊机采用的工频电阻丝加热方式相比，具有非接触加热、加热速度快、加热范围集中，提高加热深度，保证焊接性能均匀的优点。同时由于高频具有集肤效应的特点，尤为适于焊管。加热速度快有利于提高生产率，适宜于分散、单个的焊接。

在基座5上设有调节过程简单，相连传力杆14的调平装置。调平装置主要包括.相连齿轮传动副10的升降丝杆9和连接在升降丝杆9的调节手轮12,以及同轴连接在升降丝杆9上的下球形连接座13, 下球形连接座13通过传力杆14相连载荷转换夹具17, 载荷转换夹具17通过加热炉上端口连接上球形连接座19, 上球形连接座19垂直通过前支点挂钩22与横向放大杠杆2相连, 与放大杠杆2尾端相连的平衡标尺21通过后支点挂钩24与平衡指针20和砝码4相连。转动调节手轮12带动升降丝杆9上升或下降，然后通过下球形连接座19、拉杆、载荷转换夹具17和上球形连接座19将升降丝杆9的运动传递到放大杠杆2，通过杠杆效应驱动平衡指针20向下或向上运动，直到平衡指针20指到平衡标尺21的平衡红线处即可。

如图2所示，载荷转换夹具主要包括两端制有连接销孔26的传力杆14，位于传力杆中部上连接板27、下连接板33、紧固螺母28、导向杆29、下压板30、上压板31和型腔体32，其中，三根前后相互平行的导向杆29通过上连接板27和下压板30的装配孔相连，形成一个连接组件，另三根相互平行的导向杆29通过下连接板33和上压板31的装配孔相连，形成另一个连接组件，该两个组件交叉连接后即在上、下压板间形成一个型腔体32。上、下压板处于上、下连接板之间，两组导向杆的装配方向相反。将装配好待焊零件的载荷转换夹具与传力杆连接，传力杆再与下球形连接座13和上球形连接座19相连，构成一个完整的加载系统。载荷转换夹具的主要作用是将加载系统的拉力转换成对焊接表面的压力，其主要原理是当加载系统通过传力杆对载荷转换夹具施加拉伸载荷时，将带动上、下连接板向上和向下运动，因导向杆与连接板使用紧固螺母固连，会带动导向杆一起运动，从而带动压板运动，两个压板之间的距离将减小，实现对焊接零件施加压力。

2.2 操作方法

2.2.1 焊前准备。控制焊接表面粗糙度Ra≤0.8μm、平行度≤0.05，检查零件表面无裂纹、沙眼或成群的气孔，无因机加工造成的氧化层。使用（2%-3%HF+(4%-6%)HNO₃的混合酸液清洗被焊表面（2-4min），将零件放入装有丙酮溶液的超声波清洗仪中清洗（15-20min，清洗完成后迅速将待焊接面使用吹风吹干并将待焊接面紧密贴合。

2.2.2 安装待焊零件。将焊接表面预处理好后的零件放入下压板26和上压板27间的型腔体28中。

2.2.3 施加压力。安装好载荷转换夹具后，先将合适的砝码放置在砝码座上，然后旋转调节手轮12，通过手轮与丝杆的螺纹配合运动，带动升降丝杆9向下运动，丝杆带动下球形连接座，下球形连接座再带动载荷转换夹具和传力杆，从而带动放大杠杆前端下降，放大杠杆后端上升，拉起砝码座，并拉起砝码4，直至砝码座上的调节平衡指针20指向平衡标尺21的中心刻度线，完成压力施加。

2.2.4 加热。在固定轴15上通过调整环调整加热炉16的位置，直至待焊零件位于加热炉16的有效加热区中间，闭合加热炉16，设定加热温度并开始加热。

2.2.5 卸载。待焊接零件完成焊接且冷却至室温后，打开加热炉16，旋松载荷转换夹具17上的紧固螺母28，取下导向杆29和上连接板27、下连接33，从上压板31和下压板30中的型腔体32中取出待焊接零件，完成焊接。

2.3 装置特点

2.3.1 结构简单，操作简便，通用性强，不需要大型的升控温装置和复杂的零件夹持装置。本装置采用齿轮传动副10通过旋转调节手轮12或微调手轮11，带动升降丝杆9，通过载荷转换夹具17将加载系统提供的拉力转换成待焊零件的压力，对待焊零件之间施加一定的压力，使得待焊零件表面之间实现扩散连接，此连接过程材料接触面积大，保压时间长，保持连接工件的均匀接触。在升温阶段加压可使局部表面凸起部位被压平，等效于改善了表面粗糙度，同时发生塑性流动的部位氧化膜得以机械破碎。在加入中间层的量一定的情况下，加压还可以消除等温凝固末期的缩松与缩孔，使对接工件的间隙均匀，保证焊缝各处性能一致。

2.3.2 焊接成本低。本装置仅需要对焊接零件的焊接区域加热，节能高效，焊接效果好，合格率高。通过检测接头处的缺陷，如空洞、夹杂物、残留在接头中的气体等来评价气氛对接头力学性能的影响，对扩散连接处接头显微组织进行了观察。结果表明：（1）连接处焊合率较大，最大达到99.5%，最小为88.89%；（2）连接的焊缝较窄，无铸造组织，其冶金、力学性能与基体材料基本相同；（3）焊缝边缘比较平滑，对后续超塑成形过程有利；（4）毛坯组装方便，焊接容易。

2.3.3 焊接过程中压力稳定。通过调平装置，调节合适的压力，使液体金属原子的运动较为自由，且易于在母材表面原子产生的势能场中形成稳定的原子排列而凝固，使界面的紧密接触变得相当容易，可大幅度降低焊接压力，缩短焊接时间。合适的调节压力对破碎氧化膜、提高接头的致密性，避免了因焊接零件和夹具的热膨胀引起的压力大幅衰减。压力值可控且精度高，压力精度达0.5%。在适当的温度和焊接时间等参数下，焊接表面无任何缺陷。

3结论

提供了一种结构简单，操作简便，通用性强，压力恒定，不需要大型的升控温装置和复杂的零件夹持装置的机械加载扩散焊焊接装置，用于同种/异种材料、多层材料间连接的扩散焊，解决了传统扩散焊装置因加热导致的压力不足和无法精确控制的缺点。

参考文献

[1] 魏莉莉等，转子及滑靴组件的扩散焊工艺研究[J]，航空维修与工程，2016年第2期

[2] 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册 焊接方法及设备[M]

作者简介：

张晓峰（1985-），男，汉族，籍贯：四川成都，工程师，学士，成都航利(集团)实业有限公司，研究方向：材料检测

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