本文涉及一種新的擴(kuò)散焊接
工藝及其實(shí)施該工藝的裝置。該過程依賴于即時(shí)機(jī)械摩擦處理的輔助來減少氧化并克服存在于接頭界面處的任何氧化物屏障，從而有助于擴(kuò)散和聚結(jié)。在工藝保溫溫度下的摩擦處理過程中，焊接界面處的微觀混合也會發(fā)生。

傳統(tǒng)的擴(kuò)散焊接技術(shù)包括兩種形式的工藝 - 固態(tài)和液相。在前者中，所有反應(yīng)都在固態(tài)下進(jìn)行，而在后者中，通過在接頭界面處使用插入材料形成液相。液相中涉及的擴(kuò)散鍵也稱為瞬態(tài)液相鍵。擴(kuò)散焊接工藝在鎳基或鈷基高溫合金、鋁合金以及鈦合金等航空航天材料的連接中通常很成功。然而，這些過程高度依賴于應(yīng)用受控氣氛、復(fù)雜的接頭表面處理和助焊劑應(yīng)用來克服接頭界面處的氧化物屏障，防止接頭處的擴(kuò)散、潤濕和聚結(jié)。

而已知的摩擦焊接技術(shù)包括要連接的兩個(gè)元件界面處的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或線性往復(fù)運(yùn)動。這兩種技術(shù)都依賴于摩擦作用來產(chǎn)生形成冶金結(jié)合所需的熱量。旋轉(zhuǎn)式摩擦焊接受到待連接元件的環(huán)形配置要求的限制，而線性摩擦焊接需要施加非常高的壓縮壓力。每種技術(shù)都會在接頭界面處產(chǎn)生大量的塑性變形。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動型摩擦焊接方法與感應(yīng)加熱的組合，應(yīng)用了額外的感應(yīng)加熱，旨在對摩擦焊接操作之前和/或之后要連接的元件進(jìn)行熱處理。該工藝基本上具有與任何傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式摩擦焊接技術(shù)相同的局限性，這些技術(shù)需要對要連接的元件進(jìn)行環(huán)形配置，并在接頭處產(chǎn)生明顯的塑性變形。 
概述公開了一種在要焊接的兩個(gè)元件的關(guān)節(jié)界面處借助瞬時(shí)機(jī)械摩擦將兩個(gè)元件擴(kuò)散粘合在一起的工藝和裝置， 其中，要粘合的區(qū)域或整個(gè)焊接組件通過局部加熱方法或熔爐加熱。在該工藝的加熱和保溫操作階段，施加并保持軸向壓縮力以使構(gòu)件接觸并在接觸界面處僅產(chǎn)生局部微觀塑性變形。軸向力可以是常數(shù)，也可以是變量。如果力是恒定的，則只需將其保持在接頭處產(chǎn)生壓粘合應(yīng)力的水平，該應(yīng)力略低于整個(gè)加熱和保溫操作期間元件在保溫溫度下的壓縮屈服強(qiáng)度。如果力是一個(gè)變量，那么壓縮結(jié)合應(yīng)力積必須調(diào)整單元的屈服強(qiáng)度變化，因?yàn)榍?qiáng)度在加熱過程中隨溫度變化。在加熱和保溫操作期間，可變的壓粘應(yīng)力始終保持在略高于元件的壓縮屈服強(qiáng)度的水平。在工藝的某些階段，通過在接觸面之間引入小規(guī)模的相對運(yùn)動，在接頭處進(jìn)行即時(shí)原位機(jī)械摩擦處理。摩擦運(yùn)動可以是旋轉(zhuǎn)式或線性往復(fù)式，具體取決于個(gè)別應(yīng)用。該工藝中的即時(shí)原位摩擦處理絕不是為了在接觸界面處產(chǎn)生摩擦熱以鍛造粘接。摩擦作用僅用于破壞要粘合的界面處的氧化層，并有助于使新鮮的散裝材料直接接觸。瞬時(shí)摩擦作用還會在元件的接合界面處產(chǎn)生局部材料混合。溫度、壓力、瞬時(shí)摩擦和在連接界面處施加的時(shí)間的組合不會對元件產(chǎn)生任何明顯的宏觀塑性變形。

優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述
如圖1所示，用于將元件1和2相互粘合的摩擦輔助擴(kuò)散焊接裝置的第一實(shí)施例分別涉及將元件放置在鉗口或塊3和4中。其中一個(gè)元素（在本例中為元素 1）由鉗口或塊 3 保持靜止，而另一個(gè)元素（元素 2）可由鉗口或塊 4 繞軸 13 移動。軸 13 穿過曲面 S2 的質(zhì)心，而軸 14 穿過曲面 S1 的質(zhì)心。鉗口或塊4通過離合器12連接到機(jī)械裝置8（也表示傳動電機(jī)系統(tǒng)或機(jī)械振動器）和液壓泵9。

液壓泵 9 沿軸 13 來回移動元件 2，并在粘接操作期間在表面 S1 和 S2 之間施加并保持可控的軸向力 F。機(jī)械裝置8能夠在軸向力F的作用下提供元件2繞軸線13相對于靜止元件13的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或線性往復(fù)運(yùn)動。

元件1和元件2之間接觸區(qū)域的瞬時(shí)機(jī)械摩擦處理可以通過接合和分離離合器12進(jìn)行。根據(jù)特定應(yīng)用，通過在接合表面 S1 和 S2 處進(jìn)行局部加熱或爐加熱來加熱粘合組件。如果需要局部加熱，則可以使用感應(yīng)加熱線圈5或任選的由電源單元10直接電加熱。感應(yīng)線圈5（或爐5）與電源單元7連接。具有脈沖能力的電源單元10提供更好的加熱控制。

如果采用爐子加熱，則表面 S1 和 S2 的加熱不再非常局部。在加熱過程中，傳感器6測量接頭處的溫度并向控制單元11發(fā)送信號。傳感器6可以是遠(yuǎn)程型或熱電偶。與傳感器6一起，電源單元7和10、液壓泵9、離合器12和機(jī)械裝置8都連接到控制單元11。

控制單元11的核心元件是一臺臺式計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)具有預(yù)裝的數(shù)據(jù)庫，其中包含待連接元件的溫度壓縮屈服強(qiáng)度關(guān)系的信息，以及用于控制所有過程變量和協(xié)調(diào)所涉及的每個(gè)單獨(dú)設(shè)備的動作的適當(dāng)軟件。

傳統(tǒng)的擴(kuò)散焊接工藝有四個(gè)主要工藝變量，包括溫度、時(shí)間、軸向壓力（通常是恒定的）和氧化物去除。氧化物去除可以通過大氣控制、助焊劑應(yīng)用和其他粘合表面處理方法來完成。本文的工藝還包括四個(gè)變量，包括軸向壓力、溫度、瞬時(shí)摩擦處理和時(shí)間。在本文中，在要焊接的接觸表面上引入瞬時(shí)摩擦能夠使該過程對傳統(tǒng)的氧化物去除方法的依賴性大大降低。

這些變量的控制以及本文的工藝順序描述如下：
粘接軸向壓力選擇 - 為了開始該過程，元件 2 通過液壓泵 9 通過鉗口或塊 4 向元件 1 移動，使得表面 S1 和 S2 相互接觸。通過軸 13 的軸向力 F 保持接觸。軸向力F應(yīng)在表面S1和S2之間產(chǎn)生壓結(jié)應(yīng)力a，該應(yīng)力略低于元素o的峰值溫度壓縮屈服強(qiáng)度。如果涉及不同的材料，則在工藝的保溫溫度下，從具有較低o的元素中選擇o。軸向壓力在工藝的整個(gè)加熱和保溫期間保持不變。

焊接溫度控制 - 在接觸面 S1 和 S2 施加軸向壓力后，可以通過在 S1 和 S2 的接觸區(qū)域或熔爐進(jìn)行局部加熱來加熱粘合組件。如果需要局部加熱，則使用感應(yīng)加熱線圈5或直接電阻加熱電源10或這兩種方法的組合。接頭處的溫度由傳感器6監(jiān)測并將信號發(fā)送到控制單元11。當(dāng)接頭界面S1和S1處的溫度達(dá)到擴(kuò)散鍵合過程的預(yù)定保持溫度時(shí)，控制單元11隨后在該過程的剩余時(shí)間內(nèi)保持該溫度。

即時(shí)摩擦輔助和控制 - 除了粘合軸向壓力選擇和溫度控制外，本文還集成了瞬時(shí)機(jī)械摩擦處理功能，旨在產(chǎn)生緊密的間隙并打破接觸面S1和S2之間的任何氧化物屏障。在擴(kuò)散鍵合過程的某些階段，元件2圍繞軸線13的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)（如果裝置8是傳動電機(jī)系統(tǒng)）或線性往復(fù)運(yùn)動（如果裝置8是機(jī)械振動器）在軸向力F的作用下對固定元件1引入，在元件1的表面S1和元件2的表面S2之間的接觸區(qū)域產(chǎn)生瞬時(shí)摩擦作用。上述瞬時(shí)摩擦處理是通過鉗口或塊4與機(jī)械裝置8之間的離合器12嚙合和分離來進(jìn)行的。

一步摩擦方法是在接頭界面達(dá)到保持溫度時(shí)對 S1 和 S2 之間的接觸區(qū)域進(jìn)行即時(shí)摩擦處理。兩步摩擦方法包括在加熱操作開始之前開始第一次瞬時(shí)摩擦處理，然后在接頭處達(dá)到工藝保持溫度后立即進(jìn)行第二次瞬時(shí)摩擦處理。第一個(gè)摩擦作用旨在增加接合面S1和S2處的微觀塑性變形，以便在加熱前增加接觸面積。這將減少在隨后的加熱操作中S1和S2處接頭界面氧化的趨勢。第二種摩擦處理旨在打破接頭界面S1和S2處的任何氧化物屏障，并使來自元件1和元件2的新鮮散裝材料直接接觸，以便元件之間的相互擴(kuò)散可以進(jìn)行。來自元件 1 和元件 2 的散裝材料在接頭界面 S1/S2 處的有限微觀混合是通過瞬時(shí)摩擦處理以及在保壓溫度下實(shí)現(xiàn)的。與已知的摩擦焊接技術(shù)不同，本發(fā)明中的摩擦處理始終保持在非常有限的規(guī)模內(nèi)，并且僅瞬時(shí)應(yīng)用。在此過程中，摩擦作用不是為了產(chǎn)生焊接熱量而設(shè)計(jì)的。有限旋轉(zhuǎn)規(guī)?；蚓€性往復(fù)運(yùn)動分別定義為幾輪旋轉(zhuǎn)或幾個(gè)振動周期。

由于本文中描述的瞬時(shí)摩擦處理的性質(zhì)，與已知的摩擦焊接技術(shù)不同，沒有要求元件1和元件2在配置上是環(huán)形的，軸14和軸13是對齊的。

此外，在工藝保持溫度下，與線性摩擦焊接工藝所需的軸向壓力相比，所需的軸向壓力大大降低。

保溫時(shí)間 - 在保壓溫度下對表面 S1 和 S2 的接觸面積進(jìn)行摩擦處理后，保壓時(shí)間成為過程中唯一剩余的變量。本文中的保溫時(shí)間取決于保壓溫度、所選的軸向壓力以及所涉元素的冶金/物理/化學(xué)性質(zhì)。在保持溫度下，元件1和元件2之間的充分?jǐn)U散對于形成堅(jiān)固的接頭至關(guān)重要?？梢詢?yōu)化保持時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)接頭的理想機(jī)械性能。同時(shí)，接頭界面S1/S2與元素1和元素2中的散裝材料之間的擴(kuò)散也溶解了界面區(qū)域中殘留的某些類型的殘留氧化物。

由于其獨(dú)特的氧化物屏障破壞能力，本文使擴(kuò)散焊接工藝對大氣控制、助焊劑應(yīng)用和其他焊接表面處理方法的依賴性大大降低。鋁合金6061和鉻鎳鐵合金X750的結(jié)合面積為3-4 cm2，利用本文在開放氣氛中成功粘合。鋁合金的添加采用保溫溫度為450°C的爐子加熱和保溫溫度為1000-1060°C的感應(yīng)加熱。瞬時(shí)摩擦處理不僅有效地打破了兩種合金在接頭界面處的氧化物阻擋層，而且還促進(jìn)了緊鄰元件鍵界面的區(qū)域的局部晶粒生長，使得S1和S2兩側(cè)的晶粒容易相互推進(jìn)。這是一項(xiàng)即使是真空擴(kuò)散焊接也不容易實(shí)現(xiàn)的成就。真空擴(kuò)散焊接鋁合金6061的拉伸測試樣品在母體材料中經(jīng)常失效。在顯微鏡的檢查下，真空擴(kuò)散焊接鉻鎳鐵合金X-750的連接界面在短短20分鐘的粘接時(shí)間內(nèi)幾乎消失。本文的應(yīng)用特別適合于擴(kuò)展以加入某些種類的金屬基復(fù)合材料和氧化物分散強(qiáng)化高溫合金。

根據(jù)具體的應(yīng)用，本文可以假定另外兩種變化。

如圖1所示，第一實(shí)施方案的一種變化包括施加在軸13上的軸向力F的變化的可能性，使得在表面S1和S2的接觸面積處產(chǎn)生的結(jié)合壓應(yīng)力6G總是調(diào)整壓縮屈服強(qiáng)度的變化，元素1和2的Cr并產(chǎn)生恒定的rr， 比略小于O，比單位。在整個(gè)過程中保持恒定的ab~比。在連接不同材料的情況下，o是從峰值溫度下具有較低o的元素中選擇的。對于利用可變軸向壓力的過程，在加熱期間，傳感器6連續(xù)監(jiān)測接頭處的溫度升高，并向控制單元11發(fā)送信號，在那里將它們與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較。然后控制單元通過液壓泵9進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以減小接頭面S1和S2處的軸向力F，使得ab~o，比值保持恒定。在接合面S1和S1的溫度達(dá)到預(yù)定的擴(kuò)散焊接保持溫度后，控制單元11在剩余的保持時(shí)間內(nèi)分別通過電源單元7和/或10和液壓泵9來維持溫度和軸向力F。在整個(gè)粘接操作過程中，保持恒定的Qb o，比率可以在表面S1和
S2之間建立緊密的間隙，從而降低接頭處高溫界面氧化的可能性。

利用本文的第二實(shí)施例的本文的其它變體如圖2所示。在該圖中，與圖1中
具有相同或相似功能的元件由這些相同的附圖標(biāo)記表示。可以看出，元件1和2要連接在一起，并且如在前面描述的實(shí)施例中，分別夾在鉗口或塊3和4中。由元件 15 表示的刀片材料放置在 S1 和 S2 的表面之間。元素 15 可以是用于瞬態(tài)液相 （TLP） 鍵合工藝的填充材料，也可以是箔或過去形式的任何傳統(tǒng)釬焊填充材料。元素 15 也可以是應(yīng)用于 S1 和/或 S2 表面的專用涂層。利用該實(shí)施例的粘接程序類似于應(yīng)用于圖1所示的第一實(shí)施例的粘接程序。

與傳統(tǒng)的釬焊和瞬態(tài)液相焊接技術(shù)相比，利用第二實(shí)施例在本文描述的表面S1和S2的接觸區(qū)域傳遞的軸向壓力和瞬時(shí)摩擦處理，不僅可以擠出任何多余的液體插入材料，否則這些材料可能會滯留在接頭處，而且還能夠消除許多固態(tài)擴(kuò)散焊接過程中在接頭處形成的微空隙。通過引入插入材料參與液相也有助于克服在某些固體擴(kuò)散焊接過程中與接頭界面 S1 和 S2 邊緣附近缺乏粘合相關(guān)的任何潛在問題。