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钎焊的基本原理

来源:至德钢业 日期:2021-10-14 16:50:46 人气:767

  钎焊包含着两个基本过程:一是钎料填满钎缝的过程;二是钎料同母材相互作用的过程。如果钎焊时使用钎剂,则还有一个钎剂的填缝过程。要想获得优质的钎焊接头,其工艺过程就必须具备两个基本条件:一是液态钎料润湿母材,并在钎缝间隙的毛细作用下致密地填满全部间隙;二是液态钎料与母材进行必要的冶金反应,达到良好的金属结合。


1. 液态钎料对母材的润湿


  液态钎料必须很好地润湿母材表面并均匀地铺展,才能填满钎缝。从物理化学得知,将某液滴置于固体表面,若液滴和固体界面的变化能使液-固体系自由能降低,则液滴将沿固体表面自动流开铺平,呈现如图6-27所示的状态,这种现象称为铺展。


图 27.jpg


  润湿性好或差,可用润湿角来表征。当θ<90°时称为润湿(如水润湿玻璃),若一种液体越容易在固体表面铺展,θ越小,润湿性越佳;当θ>90°时称为不润湿(如汞不润湿玻璃);当θ=0°和180°时,则分别称为完全润湿和完全不润湿。钎焊时希望钎料的润湿角小于20°。


  由上式可知,润湿角的大小与各界面张力的数值有关。凡是能改变液-固、液-气、固-气界面间的界面张力的因素,都将影响钎料润湿性。影响因素有如下几个:


 ①. 钎料和母材成分的影响


  若钎料和母材在液态和固态均不相互作用,则它们之间的润湿性很差;若钎料元素和母材元素能液态互溶、固态互溶或形成化合物,则它们之间的润湿性很好。属于前一种情况的有Fe-Ag、Fe-Pb、Fe-Cd、Cu-Pb等系统。当钎料和母材是多元合金时,它们所含的元素具有互溶或形成化合物的作用,则液态钎料能较好地润湿母材。因此,可以通过改变钎料的合金成分来改善润湿性。例如纯铅对钢的润湿性很差,但铅中加入能与钢形成化合物的锡,铅-锡合金钎料在钢表面上的润湿性就很好。


 ②. 温度的影响


 温度升高,液体的界面张力减小,在液-气和液-固界面张力减小的作用下,明显地改善了润湿性。因此,选择合适的钎焊温度是很重要的。温度过高,润湿性太好,会造成钎料流失。


③. 金属表面氧化膜的影响


  钎焊金属表面有氧化膜时,液态钎料的润湿性很差,往往凝聚成球状,铺不开。氧化膜对钎料润湿性的有害作用是由于氧化膜的界面张力比金属本身要低得多所致。因此,在钎焊时必须十分注意清除钎料和母材表面的氧化膜。


④. 环境介质的影响


  在钎焊过程中,钎焊接头所处的环境一般为保护气体(如Ar、H2、N2)、真空或钎剂。保护气体和真空度都影响液-气和固-气界面张力,因而影响到钎料的润湿性。在大气中钎焊采用钎剂后,能消除表面氧化膜和改变液钎料的界面张力,从而显著改善润湿性。


⑤. 母材表面状态的影响


  母材的表面粗糙度和花纹形状对钎料的润湿性也有一定的影响。一般表面粗糙度越小、越平整、无纹路,则铺展面积越小。粗糙的表面有各种花纹的沟槽,有利于钎料、沿沟槽铺展。


⑥. 表面活性物质的影响


 凡能聚集在溶液表面使溶液表面张力显著减小的物质称为表面活性物质。因此,当液态钎料中加有表面活性物质时,它的表面张力将明显减小,因而对母材的润湿性也得到改善。


2. 液态钎料的毛细填缝


  在液态钎料润湿母材的条件下,液态钎料必须填满钎焊接头的全部间隙,才能形成良好的接头;而液态钎料只有依靠毛细作用,才能自动地向间隙内流动、填满。


  液体对固体的毛细作用表现为:把间隙很小的两平行板插入液体中时,液体在平行板的间隙内会自动上升或下降一定高度,如图6-28所示。


图 8.jpg


  ①. 当θ<90°时,h>0,即液体沿间隙上升;若θ>90°,则h<θ,即液体沿间隙下降。显然,钎焊时只有在钎料能充分润湿母材的条件下,钎料才能填满钎缝。


   图6-28表示钎料预先放置在接头间隙内的润湿情况。当钎料熔化润湿性良好时,钎料填满间隙并在钎缝四周形成圆滑的钎角;若润湿性差,钎料全部推出间隙,聚集成球珠状,间隙内没有钎料,接头也就没有焊牢。


 ②. 液体沿间隙上升的高度h与间隙大小a成反比。间隙越小,钎料缝高度越高。因此,在钎焊接头设计和装配时,保证小的间隙对填缝有利。


 ③. 液态钎料的密度对填缝能力也有影响。密度小的钎料比密度大的钎料有较高的填缝能力。


  需要指出的是,钎料填缝的上述规律是在液态钎料与固态母材间没有相互作用的条件下得到的,它们在实际钎焊过程中总存在一定程度的反应(溶解、扩散等),致使液态钎料的成分、密度、黏度和熔点等发生变化,从而使填缝现象复杂化。甚至出现这种情况:在母材表面铺展得很好的液态钎料竟不能流人间隙,这往往是由于钎料熔化后在间隙处已被溶入的母材所饱和而失去了流动能力。此外,上述规律是指间隙处于垂直位置。在水平位置,钎料的填缝能力比垂直位置的更强。


3. 液态钎料与母材的相互作用


从宏观看,钎焊过程中母材不熔化,但是从微观看,在液态钎料与母材之间会发生母材向钎料中溶解和钎料向母材扩散的相互扩微反应。这些相互扩散反应对钎焊接头的性能影响很大。


①. 母材向钎料的溶解


 母材向钎料的适量溶解,可使钎料成分合金化,有利于提高接头强度。例如,用纯锡钎焊紫铜时,纯锡纤料强度为14MPa,而钎缝强度可达到57MPa.但是,母材的过度溶解会使液态钎料的熔点和黏度提高、流动性变坏,往往导致不能填满钎缝间隙。同时也可能使母材表面出现溶蚀缺陷[见图6-29(a)],严重时出现溶穿[见图6-29(b)]。


图 29.jpg


 母材能否向钎料溶解同它们之间的状态图密切有关。若钎料和母材元素在液态和固态时均不互溶,也不形成化合物,则不发生母材的溶解现象。例如,对Ag-Fe系来说,就不发生铁向银的溶解。若在合金状态图上有液态或固态互溶的,则会发生母材的溶解现象。因此,凡是钎料对母材有好的润湿性,能顺利进行钎焊,母材在液态钎料中都发生一定程度的溶解。


 母材在液态钎料中的溶解量随着液态钎料数量的增多,钎焊温度的提高,保温时间的延长以及母材在钎料中的极限溶解度的增大而增多。为了防止母材溶解过多,必须合理选择钎焊材料和工艺参数。


②. 钎料组分向母材的扩散


 液态钎料填满钎缝间隙时,钎料组分由于与母材的组分或浓度的差别,必然发生钎料组分向母材扩散的现象。扩散量大小主要与浓度梯度、扩散系数、扩散面积、温度和保温时间等因素有关。钎料组分向母材的扩散有体积扩散(内扩散)和晶界扩散(晶间渗入)两种。体积扩散的产物为固溶体,对钎焊接头性能没有不良影响。晶间渗入的产物为低熔点共晶体,性能较脆,对接头性能有不良影响。



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