《材料连接设备及工艺 教学课件 ppt 作者 杨立军_ 第12章前焊工艺基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料连接设备及工艺 教学课件 ppt 作者 杨立军_ 第12章前焊工艺基础（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第12章 钎焊工艺基础,钎焊是利用熔点比母材低的钎焊材料和母材一同加热，在母材不熔化的情况下，通过钎料的熔化及对母材的润湿，液态钎料在毛细作用下填充被连接母材之间的间隙，形成钎缝。,12.1 钎焊的润湿、填缝过程 12.1.1 钎料的润湿 1.基本原理 润湿是液态物质与固态物质接触后相互粘附的现象。我们把熔化的钎料在母材上形成均匀、平滑、连续并且附着牢固的合金的过程，称为钎料在母材表面的润湿。 从物理化学得知，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，如图12-1所示，这种现象称为铺展。图中称为润湿角；SG、LG、LS分别表示固一气、液一气、液一固界面间的
2、界面张力。,润湿角的大小在客观上取决于上述不同相界面之间的表面张力的相互作用，SG使液面铺展，LS和LG则力图使液滴收缩。铺展终了时，在O点处这几个力平衡，满足T.Yang提出的杨氏方程，即： （12-1） 式中，SG：固气界面间的界面张力(N/m)；LS：液固界面间的界面张力(N/m)；LG：液气界面间的界面张力(N/m)；：润湿角()。,由式(12-1)可见，润湿角的大小与各界面张力的数值有关。角大于还是小于90o，须视SG与LS的大小而定。若SGLS，则0o90 o，这种情况称为液体不润湿固体，如水银在玻璃上就是如此。这两种状态的极限情况是= 0o，称为完全润湿，液态钎料完全铺展在被连接
3、母材上；= 180o，称为完全不润湿，液态钎料在被连接母材上呈球状。因此，润湿角是液体对固体润湿程度的量度，也是作为评定钎料润湿性优劣的指标，润湿角越大，液态钎料对被连接母材的润湿性越差，就越难以在被连接母材上良好的铺展。具体的润湿能力评定标准见表12-1，工程上一般希望20。,(1)钎料与母材的成分 若钎料与母材相互溶解或形成化合物，则液态钎料就能润湿母材。对于互不发生作用的钎料和母材，可在钎料中加入一些能与母材形成固溶体或化合物以及能够有效的降低钎料表面张力的第三相元素，就能改善钎料的润湿性能。,2.影响钎料润湿性的因素 实际钎焊过程中，影响钎料润湿性的因素较多。从图12-2可分析影响钎料
4、润湿性的各种主要因素。,(2)母材表面状态 母材表面常常覆盖着油膜、油脂、很厚的氧化膜或大气尘埃，这些物质的存在就会导致钎料不能润湿母材，所以钎焊前必须去除母材表面的这些物质；此外，母材表面的粗糙度也会对钎料的润湿能力有不同程度的影响，当钎料与母材作用较弱时，钎料在粗糙表面上的铺展要比在光滑表面上的铺展要好，因为粗糙表面上的细槽对于液态钎料起了特殊的毛细作用，促进了钎料沿母材表面的铺展。而且，对于与母材作用比较强烈的钎料，由于这些细槽会迅速被液态钎料溶解而失去作用，对钎料润湿性的影响就比较小。 (3)钎剂 实际钎焊过程中金属母材表面上往往存在明显的氧化膜，并且在钎焊过程中金属母材还可能继续发生
5、氧化现象，因此很多钎焊过程都使用钎剂。钎剂的作用机制是，在钎焊加热过程中，首先钎剂发生熔化，液态钎剂和母材表面的氧化膜相互作用，使氧化膜脱离母材，被连接母材暴露出新鲜的表面；然后熔融钎剂形成保护层覆盖在裸露金属的表面上，防止再生成新的氧化膜；随着温度的继续升高，钎料开始发生熔化，熔化的液态钎料在新鲜的金属表面上发生润湿并形成结合，钎料层增厚。在停止加热后，钎料凝固，形成焊缝。 （4）钎焊温度 温度对钎料润湿性影响很大。通常温度越高，钎料的润湿性越好，这是因为随温度的升高除了钎料表面张力的减小外，液态钎料与母材间的界面张力也会降低。 （5）钎焊时间 钎焊时间对钎料润湿性的影响也比较复杂，钎焊时间
6、过短，钎料来不及铺展，因为润湿具有一个产生和发展的过程；但是随时间延长，有的钎料与母材之间可能还会产生润湿消退现象（形成金属间化合物）。,（6）钎焊气氛 金属母材表面氧化膜对钎料的润湿性存在严重的障碍，为了防止金属在钎焊过程中继续氧化，阻碍钎料的润湿性，对于一些氧化性较强的金属，一般要采用惰性气体、还原性气体甚至真空来保护，以保证好的钎料润湿性。此外对于一些钎料钎焊母材时，在使用钎剂得到的润湿性仍然不够的情况下，可以采用氮气等非氧化性气氛，可进一步提高钎料的润湿性，并且降低高温下钎料和母材的氧化，保证焊接过程的稳定性。,12.1.2 钎料的填缝过程 钎料能够良好地润湿母材，就能够良好地填充钎缝
7、，形成钎焊接头。但是实际生产中绝大部分的钎焊填缝过程是一个毛细填缝过程，即钎焊时液态钎料并不是单纯地沿固态母材表面铺展，而是流入并填充接头的间隙。钎料就是毛细作用而在间隙内流动的。将间隙很小的两平行板插入液体时，液体会在平行板的间隙内自动上升或下降。当液体能够润湿平行板时，间隙内液体上升，否则就下降，如图12-3所示。显然只有当熔化的液态钎料具有对母材有良好的润湿性时，才能实现填缝过程。 在毛细作用下，液体上升或下降的高度h可由下式确定： （12-2） 式中： 液气界面间的界面张力(N/m)； 液体的密度(Kg/m3)；a平行板的间隙，钎焊时为钎缝间隙（mm）；g重力加速度；润湿角()。 由上
8、式可知，当90o，cos0，h0，液体沿间隙上升；当90o，cos0，h0，液体沿间隙下降。因此钎料填充间隙的能力取决于钎料对母材的润湿性，当 90o，越小，则液体上升的高度h越大，当=0o，称为完全润湿，此时液体上升的高度达到最大值。此外，液体沿间隙上升的高度与间隙的大小成反比。随着间隙的减小，上升高度增大。,液态钎料在毛细作用下的流动速度v可用下式表示： （12-3） 式中 ：液体的粘度。 由上式可以看出，钎料润湿性越好，润湿角越小，液态钎料流动速度就越快，也就能够迅速填满钎缝的间隙。其次，液体的粘度越大，流动速度越慢；最后流动速度v与h成反比，即液体在间隙内刚上升时，流动速度快，随着h的
9、增大，流动速度逐渐减慢。因此，为了使钎料能够填满全部间隙，应当有足够的钎焊加热保温时间。 在实际钎焊过程中，若钎料是预先安放在钎缝间隙内，润湿性和毛细作用仍有重要意义。当润湿性良好时，钎料能够填满间隙并在钎缝四周形成圆滑的钎角。在不润湿的情况下，液态钎料甚至会流出间隙，聚集形成球状钎料。此外，熔化的液态钎料与母材之间或多或少地发生相互扩散，导致液态钎料的成分、密度、粘度和熔化温度区间等发生变化，这些变化都将影响液态钎料的润湿作用和填缝作用。 如果钎焊时使用钎剂，则还有一个钎剂的填缝过程。在不用钎剂的场合，如真空钎焊和保护气氛钎焊，没有钎剂填缝过程。,12.2 钎焊的去膜过程 母材存在表面氧化膜
10、，液态钎料也可能被氧化膜包裹，钎焊时的加热过程还会加速焊件表面的氧化。要实现钎焊过程并得到质量好的接头，清除母材和钎料表面氧化膜是十分重要的。目前，钎焊技术中采用了钎剂、气体介质、机械方法和物理方法清除金属表面氧化膜。,12.2.1 钎剂去膜 1.钎剂作用及性能 钎剂在钎焊过程中起着如下作用：清除母材和钎料表面的氧化物；以液体薄层覆盖母材和钎料表面，隔绝空气而起保护作用；起界面活性作用，改善液态钎料对母材的润湿。 钎剂的熔点和最低活性作用温度应低于钎料熔点，具有良好的热稳定性，钎焊时流动性好，钎剂及其残渣不应对母材和钎缝有强烈的腐蚀作用，钎焊后钎剂的残渣应当容易清除。但是，实用的钎剂并不总能全
11、面满足上述的性能要求，特别是在去膜能力和腐蚀作用二种性能之间往往出现矛盾，通常只能在满足去膜能力要求的前提下依靠工艺措施来防止其腐蚀作用。,2.钎剂的组成 通常，复杂成分的钎剂由下列三类组分组成： 1）钎剂基体组分 主要作用是使钎剂具有需要的熔点，作为钎剂其它组分以及钎剂作用产物的溶剂，铺展形成致密的液膜、覆盖母材和钎料表面，防止空气的有害作用。现有硬钎剂和软钎剂之分。 2）去膜剂 溶解母材和钎料表面氧化膜。 3）活性剂 由于钎剂中去膜剂的添加量受到限制，有时氧化膜的溶解相当缓慢，以致不能完全去除。在这种情况下，必须添加活性剂，以加速氧化膜的清除并改善钎料的铺展。,12.2.2 气体介质去膜
12、钎焊时使用钎剂去膜，不仅增加了对零件进行钎剂处理和焊后清洗残渣的工作，而且在不少情况下，由于各种原因，残渣不能完全清除干,净，这往往导致接头的腐蚀破坏。气体介质去膜的无钎剂钎焊方法得到很大发展。钎焊时使用的气体介质主要分三类：中性气体、活性气体及真空。,1.中性气体 钎焊中使用的中性气体主要是氩，个别情况下也使用氮（但更多是与活性气体混合使用）。氩是惰性气体，在钎焊过程中与母材及其表面的氧化膜均不发生相互作用。氮虽与有些金属能相互作用，但与金属氧化物却不相互作用。 对中性气体介质中钎焊时的氧化膜去除机理，目前尚缺乏深入的研究。有种观点认为是依靠中性气氛钎焊提供的低氧分压高温条件导致氧化物发生分
13、解而去除的。 在一定的氧分压条件下，加热至一定温度后氧化物即可发生分解，但大多数金属氧化物在空气中完全分解的温度高于其金属的熔点甚至沸点（如表12-2所示）。但若在钎焊加热提高温度的同时，使系统内的氧分压减小，则氧化物分解的可能性会相应地增大。钎焊时采用中性气体保护，大大降低了钎焊区中的氧分压。对于某些金属氧化物来说，在钎焊温度下此时的氧分压已足以使其分解。但是，在通常的钎焊温度下，即使采用纯度很高的中性气体，对于大多数金属氧化物，仍不能满足其自行分解所要求的低氧分压条件。因此，不能指望靠氧化物分解而实现去膜。但是，这时的温度和氧分压条件毕竟会使母材表面氧化膜处于不稳定状态，或发生不完全分解，
14、有利于其它去膜过程的进行。 比较一致的看法是：在上述条件下变得不稳定的氧化膜，因受液态钎料的吸附作用而本身强度降低，再加之金属氧化膜界面上的热应力作用而破碎，伴随着母材或其组元向液态钎料中的溶解，最终从母材表面脱落而被去除。,2.真空 真空是压力低于正常大气压力的气体空间。通常，按其气压的高低把真空划分为四个等级：粗真空、低真空、高真空及超高真空：它们所对应的压力范围分别为：101KPa1.33KPa、1.33KPa133mPa、133mPa13310-5mPa、13310-5mPa以下。 钎焊时使用的真空是借助于真空机组抽除钎焊室内的空气得到的。 对于真空条件下氧化膜的去除机理，已提出了多种
15、观点。早期的观点认为，去膜是基于真空降低了钎焊区的氧分压，导致了氧化物的分解。但由表12-3可以看到，按理论计算，一般金属氧化物分解所需的真空度是极高的，在技术上很难达到。钎焊时实际采用的真空度要低得多，不能指望氧化物自行分解。目前，存在着以下几种观点：在钎焊加热中金属氧化物发生挥发而去除（如表12-4所示）；母材或其组元发生挥发，破坏并排除了表面氧化膜；氧化膜为母材所溶解；表面氧化膜为母材中的合金元素还原去除；液态钎料的吸附作用使氧化膜强度下降，破碎弥散并溶入钎料中。但近数年来一些新的研究成果已初步表明，真空钎焊不存在一个统一的去膜机理。上述的各种过程不是互相排斥，而是互相补充的。对于不同母
16、材，可以具有不同的去膜过程，即使同一母材，在不同钎焊温度下，去膜过程也可能不同。 由于真空能促成上述一些中性气体中所没有的去膜过程的进行，因此能得到较中性气体更好的去膜效果。此外，真空还有其独特的优点，即不但能避免钎剂带来的夹渣以及焊后清洗残渣或产品腐蚀等问题，而且能消除其它气体介质钎焊时钎缝中形成气孔的可能性。因此，真空钎焊往往能较其它钎焊方法获得更好的接头质量。,3.活性气体 钎焊时主要使用的一类活性气体介质是各种还原性气体和气体混合物。这些还原性气体和气体混合物，除能防止母材和钎料氧化及保证钎焊区的低氧分压外，还直接与氧化膜进行还原反应。其还原性气体主要是氢和一氧化碳。 氢对金属氧化物的还原反应如下： Mem+nH2=mMe+nH2O （12-4） 此可逆反应的平衡常数有如下形式： （12-5） 式中： 系统中氢和水蒸气的分压。 因此，在氢气中钎焊时，氢对金属氧化物的还原反应的平衡常数，在等温条件下是氢中水蒸气
