李悅

瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊（TLP）是擴(kuò)散焊的一種連接方法，它是指在被焊母材之間放入含有降熔元素的中間層合金，依靠中間層合金的直接熔化或中間層和母材之間的擴(kuò)散共晶反應(yīng)產(chǎn)生液相，隨后通過(guò)等溫凝固和成分均勻化形成焊接接頭的連接工藝。就本質(zhì)而言，TLP連接中的擴(kuò)散在狹義上講就是降低熔點(diǎn)的元素（Melting point depressant elements，簡(jiǎn)稱MPD元素）的擴(kuò)散，MPD元素的充分?jǐn)U散是TLP焊接成敗的命脈；而合理選定中間層則是起內(nèi)因方面的首要前提。擴(kuò)散的目的就在于試圖使中間層中MPD元素的濃度降至足夠低，以達(dá)到如提高接頭的重熔溫度，消除中間層中的脆性相使其改變成固熔體等目的，中間層成分的這種顯著且合理的質(zhì)的變化乃至中間層的消失正是該方法中“過(guò)渡”（或“瞬時(shí)”）一詞的含義所在。

上世紀(jì)五十年代，Lynch等人在連接Ti時(shí)采用一種合金做中間層，從中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)高溫保溫過(guò)程，獲得接頭成分與母材接近的接頭現(xiàn)象。1961年Owczarski在連接Zr合金和304不銹鋼兩種材料時(shí)，把這兩種材料直接對(duì)接在一起，形成具有較高強(qiáng)度和抗蝕性的接頭，并首先提出了近似于TLP擴(kuò)散連接的概念。20世紀(jì)70年代初Hoppin和Berry在連接鎳基耐熱合金時(shí)率先使用了MPD（Melting point depressant element），并提出了活性擴(kuò)散連接的概念。1974年D.S.Duvall在Udimet700材料的擴(kuò)散連接中采用Cu-Ni做中間層，并獲得了無(wú)脆性相的接頭，他把TLP擴(kuò)散連接的應(yīng)用進(jìn)行了匯總，并論述了其連接原理，提出了瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接的概念。

TLP連接過(guò)程如圖1-2所示。將一特殊成分和熔化溫度的TLP中間層合金（厚度約25～100μm）作為釬料，放置于裝配好的工件間，并施加不大的壓力，然后在真空或氬氣保護(hù)下加熱到連接溫度。在連接溫度下中間層首先熔化，潤(rùn)濕母材，在工件的配合面之間形成一薄層液體（圖1-2b）。當(dāng)工件在連接溫度下保溫時(shí)，中間層與母材之間的元素?cái)U(kuò)散迅速進(jìn)行，使界面區(qū)成分發(fā)生變化，這種變化導(dǎo)致接頭部分的等溫凝固，在連接溫度下形成了結(jié)合（圖1-2c）。等溫凝固發(fā)生后，接頭的組織與母材基本相似，但在成分和結(jié)構(gòu)上仍有所差別。然后在此溫度下保持更長(zhǎng)的時(shí)間，使接頭的成分和結(jié)構(gòu)均勻化，直到與母材相同（圖1-2d）。

TLP連接與釬焊操作步驟相似，如均需在待連接母材表面間放入熔點(diǎn)低于母材的第三種材料（在TLP中常叫中間層-Interlayer；在釬焊中常叫釬料-Filler metal）；然后加熱、保溫。其原理是通過(guò)中間層在合金與母材間形成低熔點(diǎn)的液相，在一定溫度和壓力下，利用合金元素的快速擴(kuò)散使母材瞬時(shí)液化，并隨后等溫凝固而完成焊接過(guò)程。等溫凝固發(fā)生后，接頭的組織與母材基本相似，但是成分和結(jié)構(gòu)上仍有差別，在此溫度下保持一定時(shí)間可使接頭的結(jié)構(gòu)和成分均勻化，直到與母材的相似。

圖1-3是瞬時(shí)液相連接的等溫凝固機(jī)理。中間層（含硅、硼等降低熔點(diǎn)的合金元素）的原始成分為Ci，其初始溫度為Tmb，低于母材的熔點(diǎn)為Tmb。當(dāng)工件加熱到連接溫度TB，中間層熔化，并填充接頭間隙（如圖1-3a）。液體和鄰近母材的反應(yīng)使母材配合處的硼濃度提高到高于Cs，界面處的母材開(kāi)始部分熔化。由于硼的擴(kuò)散和母材向液相的溶解，母材配合面的熔化一直延續(xù)到液相中間層的成分降低到C1（如圖1-3b）。此時(shí)，硼從接頭處向母材的繼續(xù)擴(kuò)散和母材的溶解，使正在進(jìn)行的熔化進(jìn)程發(fā)生中止，等溫凝固過(guò)程開(kāi)始。在TB溫度下等溫凝固時(shí)，液體成分保持C1濃度，并與鄰近的固相表面的濃度成平衡狀態(tài)。然而，由于擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行，處于C1成分濃度的液相的容積逐漸縮減，凝固過(guò)程不斷地從兩配合面繼續(xù)向中間進(jìn)行（如圖1-3c）。由于在不平衡狀態(tài)下的凝固過(guò)程進(jìn)行緩慢，形成的固相只能是成分為Cs的富鎳固溶體（由于硼不向固-液界面的液體反彈，等溫凝固時(shí)不會(huì)形成脆性的富硼相）。只要擴(kuò)散過(guò)程使接頭區(qū)域硼的最高濃度降低到Cs，等溫凝固結(jié)束，基本結(jié)合已經(jīng)形成（如圖1-3d）。繼續(xù)保溫是促使接頭區(qū)均勻化，使接頭成分（CP.M.）盡量接近母材（如圖1-3e）[5]。

瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）自身優(yōu)點(diǎn)

TLP連接方法能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的、無(wú)界面的、無(wú)中間層殘留的接頭。TLP連接技術(shù)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)率高，無(wú)需開(kāi)坡口，連接時(shí)間與壁厚無(wú)關(guān)，主要取決于降熔元素的擴(kuò)散性能，數(shù)十秒到數(shù)分鐘便可完成一個(gè)接頭的焊接；②無(wú)需真空系統(tǒng)；③接頭無(wú)余高，過(guò)渡圓滑，焊后無(wú)需切削再加工；④接頭成分與組織不連續(xù)程度較輕，接頭力學(xué)性能可不低于母材；⑤自動(dòng)化程度高，對(duì)操作者技能要求低；⑥無(wú)焊接煙塵與飛濺，適于在易燃易爆環(huán)境下的焊接作業(yè)；⑦利于環(huán)保，生產(chǎn)條件好；⑧有錯(cuò)邊時(shí)可圓滑過(guò)渡，減小了應(yīng)力集中，對(duì)錯(cuò)邊影響不敏感。另外，對(duì)端面準(zhǔn)備要求低，允許表面有一定氧化物。概言之，對(duì)于鋼管的對(duì)焊（現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)），TLP連接工藝是一種高性能、高效率、高自動(dòng)化程度、低變形、無(wú)焊接煙塵污染的先進(jìn)焊接工藝。

（2）和傳統(tǒng)固相擴(kuò)散連接相比瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①在連接過(guò)程中形成很薄的液相中間層，可大幅度降低焊接壓力，從而減小焊接變形；②連接過(guò)程中由于液態(tài)金屬的填充作用，可降低對(duì)表面粗糙度的準(zhǔn)備要求；③由于液態(tài)金屬與基體的相互作用可剝離氧化膜，所以允許表面有一定氧化膜存在。

（3）和釬焊方法相比相同之處在于都使用中間層材料作為連接介質(zhì)，不同之處在于TLP連接方法中中間層的熔化和凝固過(guò)程都是和母材相互擴(kuò)散的結(jié)果，并且都是在等溫過(guò)程中完成的，連接后接頭區(qū)域組織成分和母材成分基本相似。液相擴(kuò)散連接的操作非常簡(jiǎn)單，與釬焊相同，即焊接前在被焊材料之間加入中間層，然后加壓、加熱、保溫即可。但與釬焊接頭性能相比，TLP連接具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①TLP接頭在等溫凝固完成后具有明顯不同于母材與填充金屬的成分，并在一定情況下最終的顯微組織中分辨不出填充金屬；②TLP接頭比一般硬釬焊接頭的強(qiáng)度高；③TLP接頭的重熔溫度高于釬焊接頭而且耐高溫性能好；④TLP連接容許母材表面存在一定的氧化膜，有一定的“自清凈”能力。

TLP連接工藝的上述優(yōu)點(diǎn)決定了它可應(yīng)用于一般釬焊難以勝任的場(chǎng)合：對(duì)力學(xué)性能要求高（不低于母材）；服役溫度高的耐熱合金的焊接；TLP焊接接頭的力學(xué)性能、耐高溫性能均優(yōu)于一般釬焊接頭，接頭形式只許采用對(duì)接形式（釬焊采用搭接）；特別是在先進(jìn)材料的連接[6，7]（如單晶材料、先進(jìn)陶瓷、金屬基復(fù)合材料）等場(chǎng)合，其應(yīng)用前景更為廣闊。但TLP連接也存在對(duì)中間層要求嚴(yán)、端面粗糙度要求高、焊接時(shí)間長(zhǎng)等美中不足。

TLP連接方法存在諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在以下缺點(diǎn)：（1）對(duì)零件待焊接表面的制備和裝配的要求高；（2）焊接熱循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)率低；（3）設(shè)備一次性投資較大，而且焊接工件的尺寸受到設(shè)備的限制；（4）TLP連接質(zhì)量檢測(cè)還沒(méi)有具體標(biāo)準(zhǔn)等。瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊技術(shù)不需要傳統(tǒng)的焊條、焊絲等焊接材料，焊接速度更快、耗能更少。目前，TLP連接已成為各種先進(jìn)材料[6，8]，如先進(jìn)陶瓷、復(fù)合材料、各種耐熱/耐蝕超合金、單晶合金的首選焊接方法，由于它可以替代手工電弧熔化焊，并可獲得優(yōu)良的接頭組織和力學(xué)性能，近年來(lái)被國(guó)內(nèi)外工程界、制造業(yè)和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。TLP連接工藝也在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（普通鋼材和耐熱鋼管）等方面有廣泛的應(yīng)用前景，在電力、石油、化工、城建等建設(shè)工程中，管道焊接的工作量非常大。

應(yīng)用前景

在國(guó)外，擴(kuò)散焊接技術(shù)作為一種比較成熟的技術(shù)，以其特有的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能以及其他技術(shù)領(lǐng)域。發(fā)展中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，將依賴它作為重要連接手段，未來(lái)的空間站或太空試驗(yàn)室的真空環(huán)境，是發(fā)展和應(yīng)用擴(kuò)散焊接的重要場(chǎng)所[9-11]。

King和Owczarski用欽研究了擴(kuò)散焊接的不同參數(shù)，并提出了兩個(gè)固體表而聚結(jié)的推理，該項(xiàng)研究已經(jīng)用在與美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局的馬歇爾空間飛行中心制備不同宇航構(gòu)件有關(guān)的探索性工作中。俄羅斯在其液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上大量零組件之間的連接采用了擴(kuò)散焊接技術(shù)，在其成熟型號(hào)PII-120液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃?xì)獍l(fā)生器、推力室等復(fù)合組件中均采用了擴(kuò)散焊接技術(shù)，其焊縫強(qiáng)度均能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

在我國(guó)，擴(kuò)散焊接技術(shù)在航天產(chǎn)品上也有一定的應(yīng)用，如：燃燒室頭部噴注器的擴(kuò)散焊接和電磁活門扼鐵端而與黃銅片的擴(kuò)散焊接。經(jīng)擴(kuò)散焊接后的焊接接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)到與母材相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度或達(dá)到母材強(qiáng)度的90%；耐壓氣密性優(yōu)良，焊接前后產(chǎn)品變形量在千分之一以內(nèi)，磁性能沒(méi)有變化。我國(guó)新研制的液氧/煤油液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上也應(yīng)用了擴(kuò)散焊接技術(shù)。西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠曾對(duì)液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上富氧燃?xì)獍l(fā)生器S-03不銹鋼（該鋼是為滿足液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要研制的一種新型馬氏體不銹鋼種）與QCr0.8鉻青銅焊接工藝進(jìn)行了深入的研究，獲得了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

TLP除了在航天航空上具有廣泛的發(fā)展前景以外，在管道焊接方而也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α９艿酪合鄶U(kuò)散焊技術(shù)綜合了固相擴(kuò)散焊和高溫釬焊的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，具有快速、高效和節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，由于它可以替代手工電弧熔化焊，并可獲得優(yōu)良的接頭組織和機(jī)械性能，近年來(lái)被國(guó)內(nèi)外工程界、制造業(yè)和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。山東電力研究院經(jīng)過(guò)兩年的艱苦攻關(guān)，設(shè)計(jì)并制造了我國(guó)第一臺(tái)管道液相擴(kuò)散焊機(jī)，并在核心工藝和中間層非晶合金方而取得了重要突破，具有生產(chǎn)實(shí)用性。它可廣泛用于鋼鐵、石油、電力等行業(yè)，具有良好的市場(chǎng)前景。另外，被的擴(kuò)散焊己經(jīng)成功地應(yīng)用于核反應(yīng)堆的建造中。在大氣條件下惰性氣體保護(hù)的TLP擴(kuò)散焊，不使用真空爐，節(jié)約了設(shè)備投資，也適合在野外施工的場(chǎng)合，具有很高的工程價(jià)值。同時(shí)，擴(kuò)散焊與超塑性加工的結(jié)合工藝使擴(kuò)散焊的應(yīng)用得到了擴(kuò)展[5]。