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(guò)程依賴(lài)于即時(shí)機(jī)械摩擦處理的輔助來(lái)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(guò)程中，焊接界面處的微觀(guān)混合也會(huì)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(guò)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(chēng)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(guò)程高度依賴(lài)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(lái)克服接頭界面處的氧化物屏障，防止接頭處的擴(kuò)散、潤(rùn)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(dòng)或線(xiàn)性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這兩種技術(shù)都依賴(lài)于摩擦作用來(lái)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(xiàn)性摩擦焊接需要施加非常高的壓縮壓力。每種技術(shù)都會(huì)在接頭界面處產(chǎn)生大量的塑性變形。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(kāi)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(guò)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(guān)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(guò)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(guò)在接觸面之間引入小規(guī)模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在接頭處進(jìn)行即時(shí)原位機(jī)械摩擦處理。摩擦運(yùn)動(dòng)可以是旋轉(zhuǎn)式或線(xiàn)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(huì)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(huì)對(duì)元件產(chǎn)生任何明顯的宏觀(guān)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(dòng)。軸 13 穿過(guò)曲面 S2 的質(zhì)心，而軸 14 穿過(guò)曲面 S1 的質(zhì)心。鉗口或塊4通過(guò)離合器12連接到機(jī)械裝置8（也表示傳動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)或機(jī)械振動(dòng)器）和液壓泵9。

液壓泵 9 沿軸 13 來(lái)回移動(dòng)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(xiàn)13相對(duì)于靜止元件13的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或線(xiàn)性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

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(guò)接合和分離離合器12進(jìn)行。根據(jù)特定應(yīng)用，通過(guò)在接合表面 S1 和 S2 處進(jìn)行局部加熱或爐加熱來(lái)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(xiàn)圈5或任選的由電源單元10直接電加熱。感應(yīng)線(xiàn)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(guò)程中，傳感器6測(cè)量接頭處的溫度并向控制單元11發(fā)送信號(hào)。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(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)具有預(yù)裝的數(shù)據(jù)庫(kù)，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(guò)程變量和協(xié)調(diào)所涉及的每個(gè)單獨(dú)設(shè)備的動(dòng)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(guò)大氣控制、助焊劑應(yīng)用和其他粘合表面處理方法來(lái)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(guò)程對(duì)傳統(tǒng)的氧化物去除方法的依賴(lài)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(kāi)始該過(guò)程，元件 2 通過(guò)液壓泵 9 通過(guò)鉗口或塊 4 向元件 1 移動(dòng)，使得表面 S1 和 S2 相互接觸。通過(guò)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(guò)在 S1 和 S2 的接觸區(qū)域或熔爐進(jìn)行局部加熱來(lái)加熱粘合組件。如果需要局部加熱，則使用感應(yīng)加熱線(xiàn)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(cè)并將信號(hào)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(guò)程的預(yù)定保持溫度時(shí)，控制單元11隨后在該過(guò)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(guò)程的某些階段，元件2圍繞軸線(xiàn)13的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)（如果裝置8是傳動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)）或線(xiàn)性往復(fù)運(yùn)動(dòng)（如果裝置8是機(jī)械振動(dòng)器）在軸向力F的作用下對(duì)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(guò)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(lái)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(duì) 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(kāi)始之前開(kāi)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(guān)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(shì)。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(lái)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(lái)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(guān)混合是通過(guò)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(guò)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€(xiàn)性往復(fù)運(yùn)動(dòng)分別定義為幾輪旋轉(zhuǎn)或幾個(gè)振動(dòng)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(méi)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(duì)齊的。

此外，在工藝保持溫度下，與線(xiàn)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(duì)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(guò)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(duì)于形成堅(jiān)固的接頭至關(guān)重要?？梢?xún)?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(lèi)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(duì)大氣控制、助焊劑應(yīng)用和其他焊接表面處理方法的依賴(lài)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(kāi)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(zhǎng)，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(cè)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(lèi)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(guò)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(duì)于利用可變軸向壓力的過(guò)程，在加熱期間，傳感器6連續(xù)監(jiān)測(cè)接頭處的溫度升高，并向控制單元11發(fā)送信號(hào)，在那里將它們與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較。然后控制單元通過(guò)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(guò)電源單元7和/或10和液壓泵9來(lái)維持溫度和軸向力F。在整個(gè)粘接操作過(guò)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(guò)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(zhuān)用涂層。利用該實(shí)施例的粘接程序類(lèi)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(huì)滯留在接頭處，而且還能夠消除許多固態(tài)擴(kuò)散焊接過(guò)程中在接頭處形成的微空隙。通過(guò)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(guò)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(wèn)題。