钎焊连接原理

LOGO焊接成型原理长春工业大学材料科学与工程学院课件制作：徐世伟指导教师：刘耀东第六章钎焊连接原理钎焊连接的基本特征液态钎料与固态母材的润湿、铺展及填缝金属表面氧化膜的去除机制及钎剂的作用液体钎料与固体母材的相互作用6.16.26.36.4钎缝的金相组织钎料、钎剂及其选用钎焊方法与工艺及接头质量控制6.56.66.7§6.1钎焊连接的原理及基本特征6.1.1钎焊（BrazeWelding）利用熔点比母材（被钎焊材料）熔点低的填充金属（称为钎料或焊料），在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间的连接的焊接方法。钎焊是一种古老的焊接方法。6.1.2钎焊原理6.1.2钎焊原理钎焊是利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相互溶解和扩散以及在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接的。6.1.3钎焊的分类工程中通常将钎焊按温度分为两类：（1）硬钎焊液相温度在4500C以上的钎焊材料用于钎焊时称为硬钎焊；（2）软钎焊4500C以下的钎焊材料用于钎焊时称为软钎焊。某些国家将钎焊温度超过900℃而又不使用钎剂的钎焊方法（如真空钎焊、气体保护钎焊）称作高温钎焊。6.1.4钎焊的特点（1）钎焊的温度是比较低的（一般远低于母材的熔点）；（2）与熔焊相比，钎焊时只有钎料熔化而母材保持固态；（3）对母材的物理化学性能没有明显的不利影响；（4）可对钎件整体均匀加热，引起的应力和变形小，容易保证焊件的尺寸精度；（5）由于存在焊件整体加热的可能性，这对微型机密、形状复杂、开敞性差的焊件结构特别适宜，甚至可以一次性完成多缝多零件的连接；（6）钎焊可以容易解决不少异种金属、金属于非金属材料的连接，如铝-不锈钢、钛-不锈钢、金属-陶瓷、金属-复合材料等连接；（7）鉴于钎焊对热源要求较低，工艺过程较为简单，故极易实现生产过程的自动化，保证了焊件有更高的可靠性；（8）钎焊设备简单，生产投资费用少；为此，钎焊工艺技术在材料连接的工程实际中得到了越来越广泛的应用。但是，钎焊也有它本身的缺点：钎焊接头强度比较低、耐热能力比较差，由于母材与钎料成分相差较大而引起的电化学腐蚀致使耐蚀力较差及对装配要求比较高等。Contents§6.2液态钎料与固态母材的润湿、铺展及填缝6.2.1液态金属的填隙原理液体金属能填充接头间隙，必须具备一定的条件，此条件就是润湿作用和毛细作用。（1）润湿作用（液态钎料的润湿性）润湿——液态物体与固态物体接触后相互沾附的现象。可分为浸渍润湿、附着润湿和铺展润湿。当液体处于自由状态，其将力图保持球形！当液体与固体接触，如果内聚力＞附着力，液体就不能沾附在固体表面——不润湿！当液体的附着力大于其内聚力时，液体就能粘附在固体表面——发生润湿作用。衡量液体对母材润湿能力的大小，可用液相与固相接触时的接触夹角θ的大小来表示。当cosθ为正值时，即0°＜θ＜90°，这时液体能润湿固体；当cosθ为负值时，即90°＜θ＜180°，这时可认为液体不能润湿固体。θ=0表示液体完全润湿固体；θ=180°表示完全不润湿。钎焊时，钎料的润湿角应小于20°。上述液体与固体相互润湿的前提是他们之间无化学反应发生。液体钎料对固态金属的润湿程度可由润湿角θ、铺展面积S及润湿系数W来表示：W=Scosθ。（2）毛细作用（钎料的毛细填隙）液体在两平行板间隙中，其液面高度会相对于板外液面自动上升或下降的现象。θ——润湿角h——液面上升的高度当θ＜90°、h＞0，液体沿间隙上升——润湿（酒精温度计）。当θ＞90°、h＜0，液体沿间隙下降——不润湿（水银温度计）。钎焊时，只有在液态钎料能充分润湿母材的条件下（液面“上升”），钎料才能填满钎缝。液体沿间隙“上升”的高度ｈ与间隙大小2r成反比——钎焊接头设计、装配时应使间隙小！液体沿间隙“上升”的速度与ｈ成反比——应保证足够的钎焊温度和保温时间。在实际生产中，绝大部分钎焊过程是毛细钎焊过程，即钎焊时液态钎料不是单纯地沿固态母材表面铺展，而是流入并填充接头间隙。间隙通常很小，类似毛细管。钎料就是依靠毛细作用而在间隙内流动的。以上结果也是指在液体与固体没有互相作用条件下得到的。6.2.2影响钎料润湿作用的因素：（1）钎料和母材成分——如二者在液态和固态下均无物理化学作用，则润湿作用差。如液态钎料与母材相互溶解或形成化合物，则润湿较好。可通过第三者的作用来改善润湿作用。（2）钎焊温度——利于润湿。太高，易使钎料流散、溶蚀或晶粒粗大。（3）表面氧化物——妨碍润湿。（4）母材表面状态——粗些好。（5）钎剂——适当的钎剂有良好作用。在实际填缝过程中，液态钎料与固态金属母材间存在着溶解、扩散作用，致使液态钎料的成分、密度、粘度和熔点都发生变化。液态钎料填缝速度是不均匀的，钎料填缝前沿不整齐、流动路线紊乱将会直接影响钎焊接头质量，形成钎缝不致密，产生夹气、夹渣等缺陷。这些变化都将影响钎料的润湿和填缝作用。6.2.3影响钎料毛细填缝的因素:钎料和母材成分、钎焊温度、母材表面氧化物、母材表面粗糙度、钎剂、间隙、钎料与母材的相互作用。Contents§6.3金属表面氧化膜的去除机制及钎剂的作用6.3.1金属表面氧化膜的去除机制在有氧化膜的金属表面上，液态钎料难与金属发生润湿。因此，分析金属表面氧化膜的形成并予以去除是钎焊必不可少的工艺过程。（1）对于纯金属而言该金属与周围气氛所产的结合产物（膜）的稳定性取决于膜的结构和存在条件。例如亲氧的金属铝、铍、镁等，它们的表面膜主要是氧化物。另一些金属如铜、铁等他们除与氧结合外还与CO2有相当的亲和力，表面层中常发现有碱式碳酸盐存在。两性金属如锡。锌等表面通常存在Sn(OH)2或Zn(OH)2等。表面膜的结构决定了膜的致密程度，通常，结晶度低或者无定形结构的表面摸具有较大的致密度，例如铝表面的γ-Al2O3，铁表面的Fe3O4都具有低的结晶度和高的致密度，他们能够保护金属被进一步氧化。在一定条件下加热促进表面膜增厚。清洁表面的金属与周围气氛反应很快，因此，表面膜去除后的新表面膜又会立即生成，例如铝、镁和钛等。（2）对于合金而言由于合金中有利于降低表面能的组元以及亲表面气氛的组元即使在固体态下，也不停向表面扩散，则会形成复杂的表面膜。由于这些扩散，是的合金的某些组元和表面膜形成纵深的结合，合金表面膜与基底金属的结合往往要牢固得多。由于合金成分是多元的，表面膜也可能还是多元的，他们表面的氧化膜也可能是由几种氧化物组成，这些都将增加了去除难度。（3）表面膜的去除通常采用机械方法（图锉、磨、喷丸）、物理方法（如超声波清洗）以及化学侵蚀。然而，在钎焊加热的条件下，新的表面氧化膜又形成。因此，十分有必要采取措施清除表面氧化膜且防止他们进一步被氧化。目前钎焊技术中普遍采用钎剂来去除膜，在有的场合，则采用气体介质来去膜。研究表明，在钎剂的作用下金属表面膜的清除有溶解、反应、剥落、松动或被流动的钎料推开等多种过程。（4）钎剂去除表面膜的机制在较高温度下钎焊铜合金或铁合金时，选用钎剂的主要成分是B2O3，又称硼酸酐。熔融态的硼酸酐对过渡金属的氧化物有很大的溶解度。例如在钎焊铜及其合金时，表面膜与硼酸配或硼砂产生下列反应：并溶于过量的硼酸配之中。这是个典型的以溶解作用去除氧化膜的机制。黄铜表面膜中的ZnO,铁合金表面的Fe2O3均以类似的方式生成Zn(BO2)2和2Fe2O3·3B2O3并溶于过量的B2O3而除去。CuO+2H2BO3=Cu(BO2)2+3H2OCuO+B2O3=Cu(BO2)2CuO+Na2B4O7=Cu(BO2)2+Na2B2O4多数合金表面膜的清除不是一个简单溶解机制，在一些含铬、钛、钨、钼的合金钢或耐热钢钎焊时，尽管在B2O3中加人增强钎剂活性的氟化物也不足以清除表面膜。如在钎焊高铬合金时，只有需通过在钎剂中加人Al-Cu-Mg合金以进一步增强活性，使在高温850~1150℃下借取代反应，将铬氧化膜破除：铝及铝合金表面膜在氯化物为主的钎剂中去除基本上是一个松动、破碎，为流布的钎料所推开的过程。高温下γ-Al2O3在氟化物熔盐中虽有一定的溶解度，Cr2O3+2Al=Al2O3+2CrCr2O3+3Mg=3MgO+2Cr但在氧化物为主的铝钎剂中氟化物含量很低，因此铝氧化膜在氧化物钎剂中的溶解作用决非主要的。这类钎剂的去膜作用是促使氧化膜从铝表面机械地脱落下来，破碎成细片，作为悬浮物进人熔化的钎剂中，最后与钎剂残渣一起被除去。也有观点认为，是利用钎剂对铝的电化学腐蚀来剥脱附着在铝上的氧化膜。但在熔融的全氟化物钎剂（K3AlF5-KAlF4）中，一项研究表明铝氧化膜是主要被溶解去掉的。钎焊过程在钎剂的作用下一旦开始往往在几秒至几十秒钟内便完成，实际钎焊中钎剂去膜作用宁可认为是一综合的过程。对于一些不用钎剂而在空气进行钎焊，往往借钎料中的挥发组元在加热时与表面膜反应将其还原破坏或趁母材表面膜的破隙渗人膜下，再由它和母材的互溶与润湿以及钎料的流动来推开氧化膜。例如，用Cu一P钎料钎焊铜，锌基钎料钎焊铝合金等等。在真空条件下的钎焊，其金属表面膜的破坏对不同的金属合金其机制是不同的。有些金属氧化膜在真空下加热到一定温度可能挥发除去，如CrO3和Fe2O3钢的氧化物在温度高于1000℃、1.33MPa时会挥发而去除;但在真空下，钛的氧化膜在温度高于700℃时强烈地溶入钛中，这又是氧化膜溶解去除的一个典型例子。在另一些情况是金属表面膜在真空中加热时发生破裂,熔态钎料由裂缝渗入而润湿母材,这也是一种去膜的方式;真空钎焊不锈钢时,超过900℃其本身所含的碳即足以使氧化膜被还原而破坏;而真空钎焊铝时则是微量Mg的蒸气直接对铝氧化膜的还原置换,并渗人膜下母材表层达到破坏表面氧化膜与母材的结合。由上可见，无论哪一种钎焊方法和对象，其表面膜的脱除机制都不是完全相同的，有些去膜机制尚在深人研究之中，不可能用一个统一的模式来理解去膜过程。应该看到，钎焊实际上是一个：破膜一润湿一铺展一扩散一凝固的过程，这个过程是相当复杂交错的，并不一定能明确地划分出各个阶段来。尤其不应将“去膜”看成是一个独立的阶段，或产生“只有母材表面膜先去光了才会开始下一个过程”的观点。Contents§6.4液体钎料与固体母材的相互作用钎焊时，熔化的钎料在毛细填缝过程中往往还会与母材发生相互物理化学作用。这些作用可以归结为两个方面：（1）母材向钎料的溶解溶解作用对钎焊的影响：利——“清理”作用、合金化弊——化合物（脆）、填缝性变差、熔蚀母材在液态钎料中的溶解量G可表示为：式中,G—单位面积母材的质量；ρy—液态钎料的密度；Cy—母材在液态钎料中的极限溶解度；Vy—液态钎料体积；S—液、固相的接触面积；α—母材的原子在液态钎料中的溶解系数；t—接触时间。由此式子可见：母材向钎料的溶解量与母材在钎料中的极限溶解度有关；与液态钎料的数量有关；亦与钎焊的工艺参数（温度、保温时间等）有关。⑵钎料组分向母材的扩散钎料与母材的相互作用可以形成下列组织：固溶体、化合物和共晶体；钎焊时，钎料的组份会向固态母材进行扩散。其扩散量不仅与温度有关还与扩散组分的浓度梯度、扩散系数、扩散面积和扩散时间有关。扩散规律由下式确定，即式中：Dm—钎料组份的扩散系数；D—扩散系数；S—扩散面积；dt—扩散时间Dc/Dx—在扩散方向上扩散组分的浓度梯度。（3）钎焊过程的分解Contents§6.5钎缝的金相组织钎焊接头基本上由三个区域组成，从母材向钎缝中心依次是扩散区、界面区和中心区(图6-5)。在扩散区其组织是钎料组分向母材扩散形成的。界面区组织是母材向钎料溶解、冷却后形成的。钎缝的中心区的组织则由于母材的溶解和钎料组分的扩散以及结晶时的偏析，其组织也不同于钎料的原始组织。根据一般的结品原理，凝固过程取决两个素:即液相单位容积内晶核的形成速度以及它的生长速度。如果在液相内有合金固态质点或合金的某个相存在，则会使晶核形成的自由能减小。显然，在钎焊时，与液态钎料接触的母材界