Hàn liên kết khuếch tán: Quy trình, thông số và ứng dụng

Hàn liên kết khuếch tán, còn được gọi là hàn khuếch tán, là một quá trình hàn{0}trạng thái rắn sử dụng nhiệt, áp suất và thời gian được kiểm soát để liên kết các bề mặt vừa khít mà không làm nóng chảy vật liệu cơ bản. Chất lượng mối nối phụ thuộc vào việc chuẩn bị bề mặt, khả năng tương thích của vật liệu, nhiệt độ, áp suất tác dụng và thời gian giữ.​
Thuật ngữ này đôi khi bị nhầm lẫn với hàn khuếch tán hoặc liên kết pha lỏng thoáng qua. Các quá trình này có liên quan với nhau nhưng chúng không giống nhau. Liên kết khuếch tán thông thường giữ cho bề mặt tiếp xúc ở trạng thái rắn, trong khi hàn khuếch tán sử dụng một lớp xen kẽ tạm thời trở thành chất lỏng.​
Bài viết này giải thích cách hoạt động của quy trình liên kết khuếch tán, những biến số nào ảnh hưởng đến kết quả và cách quy trình áp dụng cho dây dẫn đồng và nhôm nhiều lớp.

Hàn liên kết khuếch tán là gì?

Hàn liên kết khuếch tán là một quá trình trong đó hai bề mặt đã được chuẩn bị sẵn được giữ với nhau dưới nhiệt độ và áp suất được kiểm soát. Tiếp xúc chặt chẽ tại giao diện cho phép liên kết phát triển trên các bề mặt giao phối theo thời gian.

Các vật liệu cơ bản vẫn ở dưới nhiệt độ nóng chảy của chúng. Nhiệt làm tăng tính linh động của vật liệu, trong khi áp suất khiến các bề mặt tiếp xúc chặt chẽ và giúp thu hẹp các khoảng trống cực nhỏ. Thời gian giữ cho phép giao diện phát triển thành mối nối liên kết.

Liên kết khuếch tán và hàn khuếch tán thường được dùng làm tên cho cùng một quy trình ở trạng thái rắn-. Phương pháp này có thể được áp dụng cho các vật liệu tương tự hoặc khác nhau, mặc dù các kết hợp khác nhau đòi hỏi phải chú ý thêm đến sự giãn nở nhiệt, hình thành oxit và các phản ứng giao diện có thể xảy ra.

Theo mô tả của TWI về liên kết khuếch tán, điều kiện bề mặt, nhiệt độ, áp suất và không khí xử lý là những yếu tố quan trọng để đạt được mối nối âm thanh.

Liên kết khuếch tán không nên được sử dụng làm tên chung cho mọi quá trình nối liên quan đến khuếch tán nguyên tử.

Hàn khuếch tán, còn được gọi là liên kết pha lỏng tạm thời, sử dụng lớp xen kẽ có độ nóng chảy thấp. Lớp xen kẽ tan chảy trong quá trình gia nhiệt và tạo thành pha lỏng tạm thời. Khi các phần tử khuếch tán giữa lớp xen kẽ và vật liệu cơ bản, thành phần của mối nối thay đổi và chất lỏng đông đặc lại trong khi nhiệt độ vẫn được giữ.

Liên kết khuếch tán trạng thái rắn{0}}thông thường không phụ thuộc vào pha lỏng tạm thời này.

Sự khác biệt rất quan trọng khi lựa chọn thiết bị. Hệ thống liên kết khuếch tán dựa trên lò nung, hệ thống liên kết TLP và máy hàn khuếch tán lá đồng được làm nóng bằng điện trở- không nhất thiết phải sử dụng cùng một dụng cụ, không khí hoặc chu trình xử lý.

Một quá trình liên kết khuếch tán thực tế có thể được chia thành năm giai đoạn chính.

1. Chuẩn bị bề mặt liên kết

Các bề mặt phải đủ sạch để có thể tiếp xúc gần và lặp lại. Dầu, oxit lỏng, cặn đánh bóng và các hạt có thể ngăn cản các phần của giao diện liên kết.

Việc chuẩn bị bề mặt phụ thuộc vào yêu cầu của vật liệu và sản phẩm. Nó có thể bao gồm gia công, mài mòn có kiểm soát, tẩy dầu mỡ hoặc quy trình làm sạch khác được phê duyệt. Các bề mặt đã được làm sạch phải được bảo vệ khỏi việc xử lý và nhiễm bẩn không cần thiết trước khi lắp ráp.

Độ phẳng và độ hoàn thiện bề mặt cũng ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc thực. Một bề mặt phẳng trực quan vẫn chứa các điểm cao và thấp cực nhỏ. Áp lực ban đầu tác động lên các điểm cao hơn, do đó độ nhám quá mức hoặc độ phẳng kém có thể để lại các khu vực không được liên kết.

Chỉ làm sạch không thể khắc phục được khớp nối kém. Việc chuẩn bị bề mặt, kích thước bộ phận và căn chỉnh vật cố định phải được xem xét cùng nhau.

2. Lắp ráp và căn chỉnh các bộ phận

Các bộ phận được định vị trong một hệ thống cố định hoặc dụng cụ để giữ cho các bề mặt liên kết thẳng hàng. Đối với chồng lá đồng hoặc nhôm, các lớp phải được xếp đều nhau sao cho các nếp gấp, các hạt bị kẹt hoặc các cạnh không đều nhau không làm xáo trộn sự phân bố áp suất.

Thiết bị cố định phải hỗ trợ phôi mà không chặn đường dẫn dòng điện, truyền nhiệt hoặc chuyển động của dụng cụ cần thiết. Nếu chỉ một phần của khu vực liên kết nhận đủ lực thì mối nối đã hoàn thiện có thể chứa các khoảng trống cục bộ ngay cả khi cài đặt máy có vẻ chính xác.

Trước khi làm nóng, hãy kiểm tra:

• Cấp vật liệu và tình trạng bề mặt
• Độ dày và số lớp
• Vùng liên kết và mặt cắt-cuối cùng
• Vị trí của khớp bên trong dụng cụ
• Tiếp xúc giữa các mặt chịu áp và phôi
• Kích thước hoàn thiện bắt buộc

Những chi tiết này phải được ghi lại như một phần của lịch trình hàn.

3. Áp dụng nhiệt và áp suất có kiểm soát

Nhiệt làm tăng tốc độ chuyển động của vật liệu tại bề mặt tiếp xúc. Áp suất cải thiện sự tiếp xúc giữa các bề mặt và giúp thu hẹp các khoảng trống cực nhỏ.

Nhiệt có thể được cung cấp bởi lò nung, hệ thống cảm ứng, điện trở hoặc nguồn được điều khiển khác. Phương pháp chính xác phụ thuộc vào phôi, vật liệu và quy trình sản xuất.

Áp lực có thể được áp dụng một cách cơ học, thủy lực, khí nén hoặc thông qua hệ thống lực kết hợp. Giá trị áp suất-không khí của máy sẽ không được tự động coi là áp suất thực tế tại mối nối. Diện tích dụng cụ, kích thước xi lanh và cơ cấu máy đều ảnh hưởng đến lực truyền tới phôi.

Nhiệt độ và áp suất phải được phát triển cho sự kết hợp vật liệu cụ thể. Việc tăng một trong hai giá trị không tự động tạo ra mối nối tốt hơn. Quá ít nhiệt hoặc lực có thể khiến liên kết không hoàn chỉnh, trong khi điều kiện quá mức có thể gây ra biến dạng không mong muốn, hư hỏng bề mặt hoặc các vấn đề về dụng cụ.

4. Giữ khớp trong điều kiện ổn định

Các bộ phận vẫn ở nhiệt độ và lực được kiểm soát trong một khoảng thời gian xác định. Trong giai đoạn này, bề mặt tiếp xúc phát triển khi tiếp xúc được cải thiện và quá trình khuếch tán diễn ra trên các bề mặt liên kết.

Thời gian giữ phụ thuộc vào:

• Loại vật liệu
• Nhiệt độ liên kết
• Áp lực ứng dụng
• Chuẩn bị bề mặt
• Khu vực chung
• Số lượng và độ dày của lớp
• Phương pháp sưởi ấm thiết bị
• Thuộc tính chung bắt buộc

Thời gian giữ lâu hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn. Nó có thể làm tăng thời gian chu trình và có thể góp phần gây ra biến dạng quá mức hoặc các phản ứng bề mặt không mong muốn trong một số kết hợp vật liệu.

Mục tiêu là thiết lập một cửa sổ quy trình tạo ra mối nối có thể lặp lại trong điều kiện sản xuất bình thường.

5. Làm nguội và kiểm tra mối liên kết

Mối nối được làm mát theo quy trình đã được xác nhận. Lực có thể cần được duy trì trong một phần của giai đoạn làm mát để bảo vệ khớp và kiểm soát chuyển động.

Không nên tháo phôi chỉ vì thời gian gia nhiệt được lập trình đã kết thúc. Điều kiện giải phóng phải xem xét nhiệt độ bộ phận, nhiệt độ dụng cụ và nguy cơ biến dạng.

Sau khi tháo ra, mối nối được kiểm tra bằng các phương pháp được yêu cầu trong đặc tính kỹ thuật của sản phẩm. Hình thức bên ngoài rất hữu ích trong việc xác định các vấn đề về bề mặt nhưng nó không thể xác nhận tình trạng hoàn chỉnh của giao diện bên trong.

Không thể chọn cài đặt liên kết khuếch tán chỉ từ độ dày vật liệu. Hồ sơ quy trình có thể sử dụng được phải xác định các yêu cầu về vật liệu, tình trạng bề mặt, diện tích mối nối, dụng cụ và kiểm tra.

Khi phát triển một quy trình, hãy điều chỉnh từng biến số chính và kiểm tra kết quả. Một mẫu duy nhất được chấp nhận là không đủ để thiết lập lịch trình sản xuất. Các cuộc thử nghiệm phải bao gồm tốc độ sản xuất dự định và các điều kiện dụng cụ đại diện.

Không. Lò chân không được sử dụng rộng rãi cho liên kết khuếch tán nhiệt độ cao-thông thường vì chúng giúp kiểm soát quá trình oxy hóa và cung cấp môi trường xử lý ổn định. Tuy nhiên, chân không không phải là yêu cầu phổ biến đối với mọi vật liệu hoặc mọi phương pháp hàn khuếch tán công nghiệp.

Bầu không khí cần thiết phụ thuộc vào:

• Độ nhạy của vật liệu với quá trình oxy hóa
• Nhiệt độ liên kết
• Chuẩn bị bề mặt
• Thiết kế chung
• Phương pháp sưởi ấm
• Sử dụng lớp xen kẽ
• Yêu cầu thực hiện chung

Một số hệ thống hoạt động trong điều kiện chân không, trong khi một số khác sử dụng khí trơ hoặc môi trường được kiểm soát khác. Thiết bị hàn lá kim loại được làm nóng bằng điện trở-có thể sử dụng cách bố trí quy trình khác với hệ thống liên kết khuếch tán dựa trên lò-.

Nhà cung cấp thiết bị không được tuyên bố rằng máy cung cấp khả năng xử lý chân không hoặc-bầu không khí bảo vệ trừ khi chức năng đó thực sự được bao gồm.

Liên kết khuếch tán có thể được xem xét cho nhiều loại kim loại và các vật liệu phi kim loại-được chọn. Tính khả thi phụ thuộc vào loại chính xác, oxit bề mặt, độ giãn nở nhiệt, nhiệt độ xử lý và các đặc tính chung cần thiết.

Các vật liệu thường được đánh giá bao gồm:

• Đồng và hợp kim đồng
• Nhôm và hợp kim nhôm
• Hợp kim titan
• Thép không gỉ
• Hợp kim dựa trên niken-
• Các kết hợp kim loại-khác nhau đã chọn
• Lá kim loại xếp lớp

Các vật liệu tương tự thường dễ đánh giá hơn vì đặc tính nhiệt và luyện kim của chúng phù hợp chặt chẽ hơn. Các vật liệu khác nhau có thể hình thành các pha giòn, bị biến dạng không đồng đều hoặc phản ứng khác nhau trong quá trình gia nhiệt và làm mát.

Để thảo luận rộng hơn về vật liệu, hãy xem vật liệu nào có thể được liên kết khuếch tán.

Chỉ tên vật liệu thôi thì không đủ để phê duyệt một quy trình. Sự kết hợp hoàn chỉnh-bao gồm cấp độ, độ dày, tình trạng bề mặt và bất kỳ lớp phủ nào-phải được đánh giá.

Việc kiểm tra phải dựa trên chức năng của thành phần đã hoàn thiện. Không có thử nghiệm đơn lẻ nào phù hợp cho mọi sản phẩm-được liên kết khuếch tán.

Tiêu chí chấp nhận phải đến từ bản vẽ, thông số kỹ thuật của khách hàng hoặc tiêu chuẩn sản xuất đã được thống nhất. Một khớp không nên được chấp thuận chỉ từ vẻ bề ngoài.

Để phê duyệt sản xuất, hãy ghi lại vật liệu đã thử, tình trạng dụng cụ, cài đặt máy và kết quả kiểm tra. Lặp lại thử nghiệm sau khi có những thay đổi đáng kể về các thông số vật liệu, dụng cụ hoặc quy trình.

Yêu cầu kiểm tra mẫu hàn khuếch tán