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1、 第2章 钎焊原理2021/8/251 第2章 钎焊原理2.1 钎料的润湿与铺展过程 润湿是指由固润湿是指由固- -液相界面来取代固液相界面来取代固- -气相界面，气相界面，从而使体系的自由能降低的过程。即将液滴置于从而使体系的自由能降低的过程。即将液滴置于固体表面，若液滴和固体界面的变化能使液固体表面，若液滴和固体界面的变化能使液- -固体固体系自由能降低，则液滴能很好润湿固相表面并铺系自由能降低，则液滴能很好润湿固相表面并铺展开。展开。 固、液、气之间的界面张力决定了液态钎料在固、液、气之间的界面张力决定了液态钎料在母材上的润湿与铺展行为。母材上的润湿与铺展行为。2021/8/252 2.
2、1.1 固体金属的表面结构0.2-0.3nm的气体吸附层，的气体吸附层，3-4nm厚的氧化膜层，厚的氧化膜层， 1-10um变形层变形层采用还原性酸（如采用还原性酸（如HCl、HF、稀硫酸、有机酸）、稀硫酸、有机酸）氧化性酸（如氧化性酸（如HNO3）或碱（如）或碱（如NaOH、KOH）2021/8/253 2.1.2 界面润湿性- - 接触角（润湿角），其大小表征了体系润湿接触角（润湿角），其大小表征了体系润湿铺展的强弱。钎焊时一般希望铺展的强弱。钎焊时一般希望 2020。2021/8/254 2.1.3 影响钎料润湿铺展性的因素1 1、钎料和母材成分钎料和母材成分的影响的影响如果钎料与母材在
3、液态和固态下均无相互作用，则它们之如果钎料与母材在液态和固态下均无相互作用，则它们之间的润湿性就很差；如钎料和母材之间能相互溶解或形成间的润湿性就很差；如钎料和母材之间能相互溶解或形成金属间化合物，则液态钎料就能较好地润湿母材。金属间化合物，则液态钎料就能较好地润湿母材。钎料中添加表面活性物质时，可明显减少液态钎料的表面钎料中添加表面活性物质时，可明显减少液态钎料的表面张力，改善钎料对母材的润湿性。张力，改善钎料对母材的润湿性。2 2、金属表面氧化物金属表面氧化物的影响（表面张力值很低）的影响（表面张力值很低）3 3、钎剂钎剂的影响的影响4 4、母材表面粗糙度母材表面粗糙度的影响（当钎料与母材
4、的相互作用弱的影响（当钎料与母材的相互作用弱时，影响大，作用大时，影响小）时，影响大，作用大时，影响小）5 5、温度温度的影响（液体的表面张力随着温度升高而降低）的影响（液体的表面张力随着温度升高而降低）2021/8/255 2.2 液态钎料的填缝2.2.1 液态钎料在垂直放置的平行间隙中的填缝 当将两互相平行的金属板垂直插入液态钎料中时,假设平行金属板无限大,钎料量无限多,由于存在毛细作用,如果钎料可以润湿金属板,则会出现图(a)所示的情形,否则,则会出现图(b)的情形。 2021/8/256液态钎料在水平位置的平行间隙中的填缝长度为：液态钎料在水平位置的平行间隙中的填缝长度为：L= a l
5、glg cos* cos*t t 2 2a-平板间隙平板间隙, t-钎焊时间钎焊时间,- -液态钎料的粘度液态钎料的粘度液态钎料在毛细作用下的流动速度：液态钎料在毛细作用下的流动速度： V =V =lglg a cos cos4h4h = = a(sgsg - - slsl) )4h4hcos,cos,，则，则VV; ; V 1/h V 1/h ，刚开始，刚开始V V大，随着大，随着h h 的增加，而逐的增加，而逐渐变慢，所以，为填满间隙，必须有足够的保渐变慢，所以，为填满间隙，必须有足够的保温时间。温时间。2021/8/257 2.3 液态钎料与固态母材的相互作用2.3.1 母材向钎料的溶解
6、 液态下相互溶解钎焊时母材溶于液态钎料。有利于最终形成的钎缝组织，接头强度延性形成脆性化合物物相，接头强度延性母材向钎料溶解作用的四因素(1)母材与钎料成分(2)钎焊温度（固溶体或简单共晶，温升溶多；金属间化合物，总体同上，局部下降）(3)钎焊保温时间（抛物线规律，时间的平方根）(4)钎料量（正比，过量发生溶蚀） 2021/8/258 2.3 液态钎料与固态母材的相互作用2.3.2 钎料组分向固态母材的扩散 其中 dm-钎料组分的扩散量 D-扩散系数 S- 扩散面积 dC/dx-在扩散方向上扩散组分的浓度梯度 dt-扩散时间 2021/8/259 2.3 液态钎料与固态母材的相互作用2.3.3
7、 钎焊接头的显微组织钎料与母材的相互作用可以形成下列组织(1)固溶体（铜钎焊镍，铜铝基体钎料焊铜铝） (2)化合物(3) 共晶体采用含共晶体组织的钎料（铜磷银铜铝硅锡铅）母材与钎料形成共晶体（银钎料钎焊铜）2021/8/25102.4.2 钎剂去膜机制有：溶解、剥落、松动、被流动的钎料机制有：溶解、剥落、松动、被流动的钎料推开等。推开等。在较高温度下钎焊铜合金或铁合金时，其钎在较高温度下钎焊铜合金或铁合金时，其钎剂的主要成分是硼酸酐剂的主要成分是硼酸酐 溶解溶解铝及铝合金氧化膜在以氯化物为主的钎剂中铝及铝合金氧化膜在以氯化物为主的钎剂中的去除基本上是一个松动、破碎、被流动的的去除基本上是一个松
8、动、破碎、被流动的钎料推开的过程钎料推开的过程 2.4 钎焊时的去膜过程2021/8/25112 2. .4.34.3 无钎剂钎焊过程中母材表面氧化膜的去除无钎剂钎焊过程中母材表面氧化膜的去除 （1 1） 中性气体中性气体 钎焊中使用的中性气体主要是氩，个别情钎焊中使用的中性气体主要是氩，个别情况下也用氮。况下也用氮。 氩是惰性气体，主要是起保护作用，没有氩是惰性气体，主要是起保护作用，没有直接去除氧化膜的能力。有的氧化膜的清除是直接去除氧化膜的能力。有的氧化膜的清除是借助于氧化物的分解以及在液态钎料的吸附作借助于氧化物的分解以及在液态钎料的吸附作用下氧化膜强度的降低、弥散并溶解于钎料中。用下
9、氧化膜强度的降低、弥散并溶解于钎料中。 由表可见，大部分金属氧化物的分解温度由表可见，大部分金属氧化物的分解温度高于金属熔点甚至沸点。可知，在钎焊过程中高于金属熔点甚至沸点。可知，在钎焊过程中不可能单纯依靠加热来求得氧化物的分解。不可能单纯依靠加热来求得氧化物的分解。 2021/8/25122021/8/2513氧化物的分解压越高，说明氧化物越易分解。氧化物的分解压越高，说明氧化物越易分解。 现场氧分压与该氧化物的分解压的关系决定了金现场氧分压与该氧化物的分解压的关系决定了金属是氧化还是还原：属是氧化还是还原： 现场氧分压现场氧分压 该氧化物的分解压该氧化物的分解压 金属氧化金属氧化 现场氧分
10、压现场氧分压 该氧化物的分解压该氧化物的分解压 氧氧化物分解化物分解 现场氧分压现场氧分压 该氧化物的分解压该氧化物的分解压 平平衡衡 中性气氛中钎焊去膜效果并不好，常需添加少量中性气氛中钎焊去膜效果并不好，常需添加少量活性气氛或配用自钎剂钎料。活性气氛或配用自钎剂钎料。2021/8/25142 2 真空真空 粗真空粗真空 101kPa 101kPa1.33kPa 1.33kPa (760 (76010Torr)10Torr) 低真空低真空 1.33kPa 1.33kPa133mPa 133mPa （10101010-3-3Torr)Torr) 高真空高真空 133mPa 133mPa1331
11、013310-5-5mPa mPa (10 (10-3-31010-8-8Torr)Torr) 超高真空超高真空 13310 13310-5-5mPamPa以下以下 （低于（低于1010-8-8TorrTorr） 1Torr=133Pa 1Torr=133Pa2021/8/2515去膜机理：去膜机理： 1. 1. 降低氧分压，导致氧化物分解；但真空度需降低氧分压，导致氧化物分解；但真空度需极高，很难达到。极高，很难达到。2021/8/2516 2. 2. 加热过程中金属氧化物挥发而去除；如在加热过程中金属氧化物挥发而去除；如在1010- -5 5TorrTorr的真空度下，的真空度下，MoOM
12、oO3 3在在600600，W W2 2O O在在800800，NiONiO在在10701070，V V2 2O O5 5和和MoOMoO2 2在在1000100012001200蒸发。蒸发。 3. 3. 母材或组分发生挥发，破坏并排除了氧化膜；母材或组分发生挥发，破坏并排除了氧化膜；2021/8/2517 4. 4. 氧化膜为母材所溶解；如氧化膜为母材所溶解；如TiOTiO2 2在高于在高于700700溶溶入入TiTi中。中。 5. 5. 被母材合金元素还原去除；如被母材合金元素还原去除；如MgMg还原还原AlAl2 2O O3 3。 6. 6. 液态钎料的吸附作用使氧化膜强度下降，破液态钎
13、料的吸附作用使氧化膜强度下降，破碎弥散并溶入钎料中。可能是上述作用的相互补充碎弥散并溶入钎料中。可能是上述作用的相互补充。氧化物的挥发可能性较大。真空比中性气氛有较。氧化物的挥发可能性较大。真空比中性气氛有较好的去膜作用。好的去膜作用。3 3 活性气体活性气体 活性气体介质除能防止母材和钎料氧化及保证活性气体介质除能防止母材和钎料氧化及保证钎焊区的低氧分压外，还与氧化膜直接发生作用予钎焊区的低氧分压外，还与氧化膜直接发生作用予以消除氧化膜。以消除氧化膜。2021/8/2518氧化膜直接发生作用予以消除氧化膜。氧化膜直接发生作用予以消除氧化膜。 通常采用氢，也可以使用通常采用氢，也可以使用COC
14、O。两者相比。两者相比，氢活泼得多。，氢活泼得多。MeMem mO On n + + nHnH2 2 = = mMemMe + + nHnH2 2O O Kp Kp与氢中水蒸气含量有关。与氢中水蒸气含量有关。露点露点气体所含水蒸气开始凝聚成水的温度。气体所含水蒸气开始凝聚成水的温度。气体中水蒸气含量越少，则它的露点温度越低。气体中水蒸气含量越少，则它的露点温度越低。 2021/8/2519气体钎剂气体钎剂 特殊活性气体（气体钎剂）加至中性或活性气体炉中特殊活性气体（气体钎剂）加至中性或活性气体炉中钎焊。钎焊。固态化合物热分解固态化合物热分解 NHNH4 4F NHF NH3 3 + + HF
15、HF (600(600800800完全分解完全分解) ) NHNH4 4BFBF4 4 NH NH3 3 + HF + BF + HF + BF3 3 (850(850950950完全分解完全分解) ) KBFKBF4 4 KF + BF KF + BF3 3 （800800900900完全分解）完全分解） 气态气态 2 2NHNH3 3 N N2 2 + + 3 3H H2 22021/8/2520HFHF、 BF BF3 3 、 KF KF、H H2 2 能很好地去除氧化膜，能很好地去除氧化膜，但它们的分解温度很高，主要用于合金钢、但它们的分解温度很高，主要用于合金钢、不锈钢的硬钎焊。不锈
16、钢的硬钎焊。直接使用卤化物气体直接使用卤化物气体 分两类：分两类： 卤化氢卤化氢 有有HClHCl、HFHF，它们对母材有，它们对母材有腐蚀性。腐蚀性。 三卤化硼三卤化硼 有较好的性能。有较好的性能。2021/8/25212021/8/25223.3 3.3 机械及物理去膜机械及物理去膜 一、机械去膜一、机械去膜 刮擦钎焊刮擦钎焊 借助于坚硬物体，如刮刀、锉、钢丝刷、烙借助于坚硬物体，如刮刀、锉、钢丝刷、烙铁等。铁等。 借助于钎料棒端头借助于钎料棒端头 二、物理去膜二、物理去膜 超声波去膜超声波去膜 当超声波作用于液体金属时，液体内部将产生空化作用，使当超声波作用于液体金属时，液体内部将产生空化作用，使液体交替地受到压力和张力作用。这种作用发生在固体表面，空液体交替地受到压力和张力作用。这种作用发生在固体表面，空穴闭合所产生的高压以及固态表面处液体的相当大的局部位移，穴闭合所产生的高压以及固态表面处液体的相当大的局部位移，对固态表面产生强大的机械冲击作用，以致去膜。这种机械去膜对固态表面产生强大的机械冲击作用，以致去膜。这种机械去膜难以直接用于钎焊接头，大多用于钎前对钎焊面的涂敷钎料层。难以直接用于钎焊接头，大多用于钎前对钎焊面的涂敷钎料层。目前主要用于硅、玻璃、陶瓷等难钎焊材料。目前主要用于硅、玻璃、陶瓷等难钎焊材料。2021/8/2523
