钎焊及扩散焊.ppt

钎焊及扩散焊 1 绪论 我国早在青铜器时代已经出现了采用钎焊进行连接的物件 1637年明代宋应星所著 天工开物 中有 中华小钎用白铜末 大钎则竭力挥锤而强合之 的记载 小钎即钎焊 大钎为锻焊 1 1钎焊及其特点 定义 钎焊是采用 或过程中自动生成 比母材熔化温度低的钎料 采取低于母材固相线而高于钎料液相线的焊接温度 通过熔化的钎料将母材连接在一起的焊接技术 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 特点 钎料熔点低于母材 钎焊时母材不熔化 钎料与母材的成分有很大差别 熔化的钎料靠润湿和毛细作用吸入并保持在母材间隙内 依靠液态钎料与固体母材的相互扩散而形成冶金结合 钎焊技术具有很高的生产效率 一次可完成多缝多零件的连接 钎焊技术可用于结构复杂 精密 开敞性和接头可达性差的焊件钎焊技术特别适用于多种材料组合连接 不足 接头强度较低 耐热性差 多用搭接接头 浪费金属 增加结构重量 易产生应力集中 焊前准备要求高 特别是表面质量及装配接头间隙 个别钎焊工艺方法设备投资大 费用高 2 1钎料的润湿铺展 钎料的润湿与铺展过程 润湿是指由固 液相界面来取代固 气相界面 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 固体系自由能降低 则液滴能很好润湿固相表面并铺展开 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 的大小来表示 当cos 为正值时 即0 90 这时液体能润湿固体 当cos 为负值时 即90 180 这时可认为液体不能润湿固体 0表示液体完全润湿固体 180 表示完全不润湿 钎焊时 钎料的润湿角应小于20 毛细作用 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 液态钎料在毛细作用下的流动速度 V lgacos 4 h a sg sl 4 hcos 则V V 1 h 刚开始V大 随着h的增加 而逐渐变慢 所以 为填满间隙 必须有足够的保温时间 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 影响钎料润湿作用的因素 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 钎焊温度 利于润湿 太高 易使钎料流散 溶蚀或晶粒粗大 表面氧化物 妨碍润湿 母材表面状态 粗些好 钎剂 适当的钎剂有良好作用 2 2钎料与母材的相互作用 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 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 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 固溶体化合物共晶体 钎焊过程的分解 第3章钎料与钎剂 钎料 能与母材金属无限固溶的合金元素可显著减小界面张力 从而使钎料的润湿性得到明显的提高 比与母材金属形成金属间化合物的合金元素好 钎料的分类与编号钎料可按下列三种方法进行分类 按熔点 熔点在450 以下的称为软钎料 高于450 的称为硬钎料 难熔钎料 高于950 的称高温钎料 按化学成 不论软硬 根据组成钎料的主要金属元素 相应称为 基钎料 如Ni基钎料等 按钎焊工艺性能 自钎性钎料 真空钎料 复合钎料 钎料按供货要求可制成带 丝 铸条 非晶态箔材 普通箔材 粉末 环状 膏状 含钎剂芯管材 丝材 药皮钎料 胶带状钎料等 钎料型号表示方法 由于历史原因 钎料的编号方法很多 主要有 国家标准GB T6028 1995用型号表示 S表示软钎料 B表示硬钎料如 S Sn60Pb40Sb BAg72Cu 原机械工业部 焊接材料产品样本 1997 用牌号表示如HL1 焊料1 表9 1 软钎料 Sn基及Pb基软钎料 对铜等多种金属均具有良好的润湿和铺展能力 在电子工业中应用最广泛 Cd基钎料 主要为镉银合金 耐热性 抗腐蚀性能好 Zn基钎料Au基软钎料其他低熔点软钎料 包括 In 铟 基钎料 Bi 铋 基钎料 Ga 镓 基钎料无铅软钎料 软钎料 锡铅钎料 共晶成分的机械性能最好 表面张力小 则润湿性好 铺展 填缝性好 加入Sb 3 可减少液态钎料的氧化 加入Ag Sb可提高高温性能 Sn有冷脆性 钎焊接头工作温度一般不高于100 铅基钎料 纯铅不能润湿Cu Fe Al Ni等金属 常加入Ag Sn Cd Zn钎焊铜 加入Ag可润湿铜 且使钎料熔点下降 加入Sn可提高润湿性 焊后接头耐热性提高 可在150 以下工作 在潮湿环境下耐湿性差 镉基钎料 镉基钎料是耐热性最好的一种软钎料 工作温度可达250 软钎料 常见的有Cd Zn Cd Ag Cd Zn Ag系钎料 Ag的加入可提高强度 但超过5 Ag使液相线迅速上升 结晶区间变得很宽 故Ag不宜过高 Zn的加入可减少液态钎料的氧化 并使熔点下降 钎缝可电镀 镉基钎料钎焊铜时 温度过高 时间过长 钎缝界面将生成脆性的化合物 使性能下降 硬钎料 2 4硬钎料 1 铝基钎料用途 仅用于钎焊铝及铝合金 组成 铝及可和铝形成共晶的金属铝硅共晶 铝硅铜共晶 硬钎料 2 银基钎料1 真空钎焊用钎料2 银铜锌钎料3 银铜锌镉钎料4 银铜锌锡钎料用途广泛的硬钎料 低碳钢 结构钢 不锈钢 高温合金 铜及铜合金 难熔金属 陶瓷等 导电 导热性能良好 耐介质腐蚀 问题 价格高 低银钎料的研制 如何降低熔点 如何避免脆性相 硬钎料 3 铜基钎料1 纯铜钎料2 铜磷及铜银磷钎料3 铜锌钎料4 铜锗钎料5 铜基高温钎料Cu Zn钎料 通过Zn含量降低熔点 Cu62 Zn38 黄铜 熔点902 C 固熔体组织良好的强度和塑性加入Si抑制Zn的挥发加入Sn提高铺展性 硬钎料 4 锰基钎料加入Cr Co可使钎料提高高温抗氧化性和热强性 接头工作温度可达600 700 硬钎料 5 镍基钎料Ni B共晶点1140 4 B B显著提高高温强度 改善润湿性 但使溶蚀增加 形成化合物变脆 Ni Si共晶点1152 11 Si Si可溶于Ni中形成固溶体 超过6 Si 会产生脆的化合物 Ni P共晶点880 11 P P不溶于Ni 易形成一系列化合物变脆 硬钎料 6 自钎剂钎料既能填充钎缝金属 又能起钎剂作用的钎料称之 即自身含有起到钎剂作用的微量或一定量元素的钎料 要求 1 钎料内含有较强的还原剂 钎焊时能还原母材表面氧化物 2 还原产物的熔点应低于钎焊温度 或还原产物能与表面氧化物形成低熔点的复合化合物 3 还原产物或形成的复合化合物的粘度要小 能被液体钎料排开 不妨碍钎料的铺展 此外 还原剂应溶于钎料中 能降低钎料的表面张力 如 钎焊铜的铜磷 铜磷银钎料 含有锂的银基 铜基钎料 钎焊不锈钢的锰基钎料等 钎料选择的影响因素经济性 根据结构的重要性 选择成本最低的钎料合金 接头性能 工作温度 强度 可靠性 密封性 电真空器件 真空室 导电性 锡基钎料 银基钎料 工艺性 焊接温度对母材的影响 与钎焊方法的匹配 钎剂 钎剂的作用是去除母材和液态钎料表面上的氧化物 保护母材和钎料在加热过程中不被进一步氧化以及改善钎料在母材表面的润湿性能 1 对钎剂的基本要求 足够之溶解或破坏表面氧化膜能力 钎焊温度范围内表面张力小 粘度低 流动性好 密度低 熔点低于钎料合适温度 成分及作用稳定 稳定温度 100 产物密度低 易排除 无强烈腐蚀作用 无毒性 钎剂的作用与性能要求 1 去除氧化膜 为润湿 铺展创造条件 2 液态钎剂覆盖母材与钎料表面起保护作用 3 起界面活性作用 改善润湿与铺展 钎剂 钎剂 钎剂的组成及分类组成 基体组分 保证物理性能 去膜剂 起溶解或置换表面氧化膜的作用 活性剂 加速氧化膜的去除 分类 软钎剂 硬钎剂 铝 镁 钛专用钎剂 气体钎剂四大类 钎剂 钎剂 钎剂的型号与牌号硬钎剂型号 钎剂型号 钎剂 3 1 3软钎剂分为无机 有机两类 按其残渣对接头的腐蚀作用分为腐蚀性 弱腐蚀性 无腐蚀性三类 无机软钎剂属腐蚀性 有机软钎剂属后两类钎剂 1 无机软钎剂无机酸HCl HF H3PO4的水溶液或酒精溶液使用 均可去氧化膜 但前两种有强烈腐蚀性 且加热中析出有害气体 故很少单独用 MeO 2HCl MeCl2 H2OMeO 2HF MeF2 H2O 钎剂 3MeO 2H3PO4 Me3 PO4 2 3H2O常以无机盐ZnCl2 熔点262 的水溶液作钎剂 ZnCl2 30 ZnCl2 H20 H ZnCl2OH FeO 2H ZnCl2OH H2O Fe ZnCl2OH 2当缺少氯化锌时 可以把锌放入盐酸中直接使用 为提高活性 常配加NH4Cl 无机软钎剂去氧化物的能力强 热稳定性好 保证钎焊质量 其残渣有强的腐蚀性 钎后应清除 钎剂 钎剂 2 有机软钎剂用于电子行业 其组成有 有机酸乳酸 硬脂酸 水杨酸 油酸等 有机胺盐盐酸苯胺 磷酸苯胺 盐酸肼 盐酸二乙胺等 胺和酰胺类尿素 乙二胺 乙酰胺 三乙醇胺等 天然树脂松香等 松香在127 熔化 150 可以表现出能溶解Cu Ag Sn等氧化物的能力 但松香酸系弱有机酸 去膜能力不强 为提高活性 可加入各类无机 有机钎剂组分 成活性松香 提高去膜性 松香在冷凝后成固态 具有绝缘 耐湿和无腐蚀的特点 钎剂 钎剂 3铝用软钎剂 铝用有机软钎剂QJ204由胺类 三乙醇胺 氟硼酸铵 重金属氟硼酸盐组成 因高于275 钎剂炭化失效 且放出大量气体 造成不致密性缺陷 故此类钎剂只能在275 以下快速钎焊 反应钎剂以Zn Sn等重金属氯化物及提高活性的K Na Li的卤化物组成 铝用软钎剂在钎焊时均放出有害气体 应注意通风 钎剂 3 2 4硬钎剂1银基 铜基钎料用硬钎剂现有硬钎剂主要是以硼砂 硼酸及它们的混合物作为基体 及某些碱金属或碱土金属的氟化物 氟硼酸盐组成的 硼酸可溶于水和酒精 硼酸加热分解 2H3BO3 B2O3 3H2O 硼酐熔点580 有很强的酸性 能与铜 锌 镍和铁的氧化物形成易熔的硼酸盐 MeO B2O3 MeO B2O3生成的硼酸盐在900 以下不大溶于硼酐 且在900 以下硼酐粘度大 故只有在高于900 才具有较大的活性 钎剂 硼砂Na2B4O7 10H2O能溶于水 200 以上 结晶水全部蒸发 故必须脱水后才能使用 硼砂在741 熔化 液态下分解 Na2B4O7 B2O3 2NaBO2硼砂的去膜作用仍是硼酐与金属氧化物形成易熔硼酸盐 且生成的偏硼酸钠能进一步与硼酸盐形成熔点更低的混合物 故它的去膜能力比硼酸强 但硼砂熔点较高 800 以下粘度较大 单独使用时 应在800 以上 仅适用于铜基钎料钎焊 硼砂和硼酸的混合物是应用很广的钎剂 因硼酸的加入可降低熔点和减小钎剂的表面张力 促进硼砂钎剂的铺展 钎剂 硼砂和硼酸作钎剂具有下列缺点 1 活性温度很高 均在800 以上 只能配合铜基钎料使用 2 去氧化物能力不强 不适合钎焊含有铬 硅 铝 钛较多的合金钢 不锈钢和高温合金 3 它们的残渣对金属的腐蚀虽然不大 但在接头表面可形成玻璃渣壳 难用机械方法清除干净 在硼砂 硼酸系钎剂中加入氟化钙可提高去膜能力 但因熔点高 只适合铜基 镍基钎料钎焊 在硼砂 硼酸系钎剂中加入氟化钾不仅提高了去膜能力 且能降低熔点及表面张力 使活性温度降至650 850 适合银基钎料钎焊 氟硼酸钾在530 熔化 然后分解 KBF4 KF BF3活性更强 活性温度继续降低 右表中钎焊温度在800 以上的适合铜基 镍基钎料钎焊 钎焊温度在800 以下的适合银基钎料钎焊 QJ105适合锌基或低温银基钎料钎焊 钎剂 钎剂 2铝用硬钎剂分为以氯化物为主的钎剂和氟化物为主的钎剂两大类 氯化物基钎剂 基体组分 碱金属或碱土金属的氯化物 如LiCl NaCl kCl等 的低熔点混合物 去膜剂 氟化物 如NaF KF等 活性剂 易熔重金属氯化物 如ZnCl2 SnCl2 CdCl2等 2Al 3ZnCl2 SnCl2 2AlCl3 3Zn Sn 钎剂 氟化物基钎剂此种钎剂由氟化物组成 各自的质量分数为 KF 2H2O 42 AlF3 3 5H2O 58 接近KF AlF3状态图上的K3AlF6 KAlF4的共晶成分 它的熔化温度为562 575 因此粘度小 流动性好 钎剂具有较强的去膜能力 较好地保证钎料铺展和填缝 钎剂的最大特点是 不论在固态还是在熔化状态它同铝都不相互作用 钎剂及残渣均不溶于水 不吸潮 不水解 因此对铝没有腐蚀作用 称为无腐蚀性钎剂 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钎焊 固态化合物热分解NH4F NH3 HF 600 800 完全分解 NH4BF4 NH3 HF BF3 850 950 完全分解 KBF4 KF BF3 800 900 完全分解 气态2NH3 N2 3H2 钎剂 HF BF3 KF H2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 不锈钢的硬钎焊 直接使用卤化物气体分两类 卤化氢有HCl HF 它们对母材有腐蚀性 三卤化硼有较好的性能 钎剂 第4章钎焊方法及工艺 第4章钎焊方法及工艺 1火焰钎焊 torchbrazing torchsoldering 特点 简单灵活 应用广泛应用范围 一般应用中性焰或轻微炭化焰 通用气焊炬或专用钎焊炬 软钎焊也可用喷灯 先加热工件 1 适用于钎焊某些受焊件形状 尺寸及设备等限制而不能用其它方法钎焊的焊件2 可采用火焰自动钎焊3 可焊接钢 不锈钢 硬质合金 铸铁 铜 银 铝等及其合金4 常用钎料有铜锌 铜磷 银基 铝基及锌铝钎料 5 1烙铁钎焊依靠烙铁头的头部积蓄的热量熔化钎料 并将它送进给到焊件钎焊处 同时加热钎焊处的金属而完成钎焊接头 主要用于软钎焊 烙铁钎焊 烙铁钎焊 加热元件镍铬合金丝 陶瓷加热器烙铁头保持和传送热量到被焊件铜 表面镀铁等改进烙铁头表面镀层 提高寿命温度控制用途小 薄件的软钎焊 在电子产品焊接中广泛使用Sn基 Zn基等钎料的软钎焊 烙铁钎焊 4 3电阻钎焊电阻钎焊是依靠电流通过焊件处所产生的电阻热加热焊件和熔化钎料而实现钎焊的方法 平行间隙电极钎焊 流经引线和焊盘的瞬时大电流产生的电阻热使钎料熔化 形成焊点 通过控制电流强度和加热时间可以控制焊点的质量 5 4感应钎焊焊件依靠它在交变磁场中产生的感应电流的电阻热来实现钎焊的方法 交变磁场在工件中产生感应电流 利用电阻热钎焊感应电流B 最大磁感应强度 T S 零件受磁场作用的断面积 cm2 f 交流电的频率 Hz W 线圈的匝数Z 焊件的全部阻抗 适合于焊接钢 铜及其合金 不锈钢 高温合金等 适合于焊接对称性的零件如管类 轴等 感应加热时的集肤效应 交流电频率增加 感应电流随之增大 焊接加热速度变快但频率增加 集肤效应也增强 加热深度减小电流渗透深度85 的电流强度所分布的导体表面层厚度 导体中的电流渗透深度 mm 导体的电阻系数 mm 导体的磁导率 H m 4 5浸沾钎焊 在液体介质中钎焊 焊件局部或整体浸入熔化的盐混合物或钎料中实现钎焊的一种钎焊方法 1 盐浴浸沾钎焊2 熔化钎料中浸沾钎焊 原理焊件浸入混合无机盐熔液或熔融钎料中 依靠熔液的热量加热钎焊特点焊接加热迅速 加热均匀保护焊件不被氧化熔液温度可精确控制可同时完成热处理 渗碳等过程容易实现机械化 盐浴钎焊的适用性 可钎焊材料铜基和银基钎料钎焊钢 合金钢 铜合金 高温合金铝的硬钎焊 此时可以用铝硬钎剂作熔盐 钎料以箔的形式预置在钎缝中 或采用敷钎料板钎剂铜基钎料钎焊结构钢时可不用钎剂注意钎剂涂敷在焊件上 焊前必须干燥 为什么 工件由于熔液的浮力和冲刷作用 工件应进行可靠的定位工件及工装全部一定要预热除水不适合钎焊有深孔 盲孔和封闭型的部件 熔融钎料浸沾钎焊 原理涂敷钎剂的焊件浸入熔化的钎料中 被加热至钎焊温度 熔化钎料进入钎缝间隙内 取出后冷却 钎料凝固形成接头特点工艺简单 生产效率高焊件全部被涂敷上钎料 造成浪费应用钢 铜及合金的软钎焊蜂窝式换热器 汽车水箱 电机电枢等电子印制电路板的波峰焊 空气炉中钎焊 保护气氛炉中钎焊 真空炉中钎焊 炉中钎焊 空气炉中钎焊将装配好并加有钎剂和钎料的工件放入工业电炉中加热至钎焊温度 钎料进入钎缝 取出冷却或降低炉温冷却 钎料凝固形成接头整体加热 焊件变形小成本低 设备简单 一炉多件 有较高的生产效率焊件表面氧化严重铝合金钎焊的炉温控制要求较高气体保护炉中钎焊中性气体保护活性气体保护脱水装置和脱氧装置安全 再流钎焊 再流钎焊是将预先涂以钎料 常用膏状钎料 的焊件置于加热的环境中 待钎料熔化流入间隙 形成钎焊接头的一种钎焊方法 这种方法主要用于电子元器件的表面组装 SMT 还可用于印刷线路板或集成电路的元器件与铜箔电路的连接 气相钎焊气相钎焊又称蒸气浴钎焊 它的原理是利用液体的饱和蒸气凝结时释放出来的蒸气潜热加热焊件并熔化钎料来实现钎焊的 氟化五聚氧丙烯 高氟三戊胺 沸点分别是224 215 目前 只适用于锡铅钎料的软钎焊 气相再流钎焊 红外再流钎焊 红外线的波长介于红光和微波之间 是肉眼不能见到的一种电磁波 它有显著的热效应 红外钎焊就是利用红外线辐射能来加热和熔化钎料的钎焊方法 红外线很容易被物体吸收 在通过悬浮粒子的物质时不容易发生散射 具有较强的穿透能力 因此 在工业上被广泛用作热源 红外线隧道加热炉广泛应用于印刷线路板和微电子器件的再流钎焊 激光再流钎焊 激光束是用激光器发射的高相干性的 几乎是单色的 高强度的细电磁辐射波束 它能聚集在直径仅为1 10 m的小面积中 从而得到很高的能量密度 最小加热面积为10 7cm2 最大热流密度为1 109W cm2 激光钎焊是利用激光束优良的方向性和高功率密度的特点 通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域和很短的时间内使钎焊处形成一个能量高度集中的局部加热区 实现钎焊的一种方法 激光再流钎焊 激光束可用来实现对微小面积的高速加热 并保证毗邻的母材性能不产生明显的影响 它的这种加热特性适宜于钎焊连接对加热敏感的微电子器件 钎焊工艺 钎焊生产工艺包括钎焊前工件表面准备 装配 安置钎料 钎焊 钎后处理等各工序 1 钎焊接头设计设计钎焊接头时 首先应考虑接头的强度 其次还要考虑如何保证组合件的尺寸精度 零件的装配定位 钎料的安置 钎焊接头的间隙等工艺问题 钎焊接头大多采用搭接形式 在生产实践中 对采用银基 铜基 镍基等强度较高的钎料钎焊接头 搭接长度通常取为薄件厚度的2 3倍 对用锡铅等软钎料钎焊接头 可取为薄件厚度的4 5倍 但不希望搭接长度大于15mm 钎焊的各种接头形式 a 平板钎焊的接头形式 1 2 3 对接形式4 盖板形式5 6 搭接形式7 双盖板形式8 搭接加盖板形式9 10 弯边和锁边形式 b T形和斜角钎焊的接头形式 11 12 13 14 T形接头15 16 17 18 19 20 21 斜角形式 c 管或棒与板的接头形式 26 30 较少用27 28 29 常用31 32 33 多用34 35 36 板厚接头 d 线接触钎焊的接头形式 37 一些典型接头38 管状散热器接头39 夹层结构接头40 蜂窝结构接头 e 管件钎焊的接头形式 22 内孔径相同23 外径相同24 外径允许有差别25 不能有差别的外径 钎缝间隙值的确定间隙对接头性能的影响受下列因素的综合结果 1 钎料的毛细填缝 2 钎料从间隙中排除钎剂残渣及气体 3 母材与填缝钎料的相互作用 4 母材对钎缝合金层受力对塑性流动的机械约束作用 间隙偏小 钎料填缝困难 气体 残渣难以排出 造成未钎透 气孔及夹渣等缺陷 致使接头强度下降 间隙偏大 毛细作用减弱 使钎料不能填满间隙 母材对填缝钎料中心区合金化作用消失 钎缝结晶生成柱状组织和枝晶偏析 受力时母材对钎缝合金层的支承作用减弱 接头强度下降 不同钎料与母材组合时的间隙值 注意 表中所列的是指钎焊温度下的间隙推荐值 考虑到装配间隙与钎焊时的不一致 应给以补偿 间隙与强度关系 钎焊间隙的选择应遵循的原则 1 按钎料对母材润湿性好坏好的应选小间隙 如铜钎焊钢 反之 选大间隙 2 按钎料与母材相互作用的强弱强的应选大间隙 如铝钎焊 弱的选小间隙 如铜基 银基钎料钎焊钢 3 按钎料的粘度和流动性流动性好的选小间隙 如钎料为纯金属 共晶成分 自钎剂钎料 含有高蒸气压元素组元应选大间隙 设计钎焊接头时应考虑应力集中问题 焊件表面准备钎焊前必须仔细地清除工件表面的氧化物 油脂 脏物及油漆等 有时 钎焊前还必须将零件预先镀覆某种金属层 1 清除油污油污可用机溶剂去除 常用的有机溶剂有酒精 四氯化碳 汽油 三氯乙烯 二氯乙烷及三氯乙烷等 2 清除氧化物钎焊前 零件表面的氧化物可用机械方法 化学浸蚀法和电化学浸蚀方法进行 装配和固定钎料的放置在各种钎焊方法中 除火焰钎焊和烙铁钎焊外 大多数是将钎料预先安置在接头上的 安置钎料时应尽可能利用钎料的重力作用和间隙的毛细作用来促进钎料填满间隙 膏状钎料应直接涂在钎焊处 粉末状钎料可用粘结剂调合后粘附在接头上 为了防止钎料流失 有时需要涂阻流剂 阻流剂主要是由氧化物与适当的粘接剂组成 钎焊前将糊状阻流剂涂在邻近接头的零件表面上 阻流剂在保护气氛炉中钎焊和真空炉中钎焊中用得很广 钎焊工艺参数及确定 钎焊过程的主要工艺是钎焊温度和保温时间 钎焊温度通常选为高于钎料液相线温度25 60 钎焊保温时间视工件大小 钎料与母材相互作用的剧烈程度而定 过长的保温时间将导致溶蚀等缺陷的发生 加热速度过快导致产生内应力 过慢母材晶粒长大 低沸点组元蒸发 金属氧化 钎剂分解冷却速度过快 细化组织 减小枝晶偏析 热应力 裂纹 气孔 过慢 母材晶粒长大 焊后清洗 钎剂残渣大多数对钎焊接头起腐蚀作用 也妨碍对钎缝的检查 常需清除干净 软钎剂松香不会起腐蚀作用 不必清洗 由有机酸及盐组成的钎剂 一般都溶于水 可采用热水洗涤 由无机酸组成的软钎剂溶于水 因此可用热水洗涤 硬钎焊用的硼砂钎剂残渣基本上不溶于水 很难清除 一般用喷砂去除 含氟硼酸钾或氟化镓的硬钎剂 如剂102 残渣可用水煮或在柠檬酸热水中清除 铝用软钎剂残渣可用有机溶剂 例如甲醇 清除 铝用硬钎剂残渣对铝具有很大的腐蚀性 钎焊后必须清除干净 对于有氟化物组成的无腐蚀性铝钎剂 常用金属材料的钎焊 1 碳钢和低合金钢的钎焊 钎焊特点 氧化物易去除 钎焊性好 钎焊材料 软钎焊多用锡铅钎料 硬钎焊用铜基或银基钎料 钎焊技术 可用火焰钎焊 浸渍钎焊 炉中钎焊 电阻钎焊 保护气氛钎焊和真空钎焊等方法 火焰钎焊时 通常用中性焰或轻度还原性火焰 同时注意避免母材过热 如不要直接加热母材 对于调质钢等 为避免退火 钎焊温度不能过高且应采用加热快的钎焊方法 如感应钎焊 浸渍钎焊等 2 铝及铝合金的钎焊 钎焊特点 钎焊性不好 主要表现为 氧化物难去除 钎料 母材熔点接近 热处理强化铝合金接头容易软化 颜色无变化 钎焊材料 用铝基钎料 氯化物钎剂 中性或惰性气氛 钎焊技术 直接软钎焊应用很少 多用硬钎焊 可用火焰钎焊 浸渍钎焊 炉中钎焊 保护气氛钎焊和真空钎焊等方法 火焰钎焊时 用汽油压缩空气为宜 3 铜及铜合金的钎焊 钎焊特点 铜合金种类很多 钎焊性取决于表面形成的氧化物和加热 冷却过程中材料性能的变化 钎焊材料 软钎焊多用锡铅钎料 硬钎焊按材料不同 选用不同的钎焊材料 钎焊技术 可用火焰钎焊 浸渍钎焊 炉中钎焊 电阻钎焊 感应钎焊等方法 4 工具钢和硬质合金的钎焊 钎焊特点 要求接头强度高 质量可靠 接头母材性能不受影响 同时要注意降低焊接应力 防止裂纹 钎焊材料 铜基钎料和银基钎料 钎焊技术 可用火焰钎焊 浸渍钎焊 炉中钎焊 电阻钎焊 感应钎焊等方法 可采取如下工艺措施 在钎缝中加入补偿片 加大钎缝间隙等 5 不锈钢的钎焊 钎焊特点 表面氧化膜难去除 晶粒容易长大和耐蚀性降低 且所有铬镍不锈钢与液态钎料接触均有应力腐蚀倾向 钎焊材料 软钎焊主要用锡铅钎料 氯化锌盐酸溶液或磷酸溶液 硬钎焊主要用铜基 银基 锰基和镍基钎料 钎焊技术 软钎焊时加热要快 加热温度不能过高 硬钎焊时 用不同的钎料 焊接工艺各不相同 钎焊缺陷 钎缝不致密性钎缝不致密性缺陷是指钎缝中的气孔 夹渣 夹气夹渣和未钎透缺陷 缺陷的存在 降低了气密性 水密性降低了导电能力及接头强度 引起接头的腐蚀 工件镀后翻浆 长毛等 产生不致密性缺陷的原因与熔化钎剂钎料的填缝过程有很大关系 平行间隙中金属表面不可能绝对平整 清洁度也有差异 加之熔化的钎剂钎料与母材的理化作用等的影响 钎剂钎料填缝常以不整齐的前沿向前推进 造成 小包围 产生缺陷 钎料沿外围的流动速度常常大于在间隙内部的填缝速度 造成气体与钎剂的 大包围 造成内部大缺陷 造成大包围的原因是 1外围受钎剂或气体介质去膜更充分 2钎料在平行间隙中填缝比在L槽流动时受阻小 3外围温度比间隙内高 提高钎缝致密性的措施1适当增大钎缝间隙 使缝隙差值减小 2采用不等间隙 夹角以3 6 为宜 不等间隙时 钎料无论从哪端进入 都能使填缝前沿比较整齐 减小缺陷的产生 此外 已产生的夹气夹渣 在钎焊过程中 在一定程度上从大端排出 3滑移钎焊使夹气 夹渣等缺陷排出 钎焊金属的自裂多发生于高强度材料 如不锈钢 镍基合金 铜镍合金等与熔化钎料接触处 常出现在焊件受到锤击或划痕的地方以及在冷作硬化的焊件上 焊件被刚性固定 或加热不均匀时容易产生 即 常出现在应力作用下 在被液态钎料润湿过的地方 产生自裂的原因吸附假设认为 受应力的金属同能降低固态金属表面能的表面活性液态钎料金属接触时 液态金属能向固态金属表面显微裂纹渗入 使其扩大 并且使固态金属的强度降低 在拉应力作用下 从而形成脆性破坏 因为晶界的强度低 则自裂均沿晶界分布 可见 钎焊时产生的应力是导致自裂的重要因素 因而 在钎焊操作时 应尽力避免较大应力的出现 采取措施防止自裂的产生 1采用退火材料代替淬火材料 2有冷作硬化的焊件预先进行退火 3减少接头的刚性 使接头在加热时尽量能自由膨胀和收缩 4降低加热速度 尽量减少产生热应力的可能性 采取均匀加热的钎焊方法可减少热应力 且可消除因冷作硬化造成的内应力 5尽量选用熔点低的钎料 钎焊温度低则热应力小 6火焰钎焊时 用火焰先将装配好的焊件加热到足够高的温度以消除内应力 然后将焊件冷却到钎焊温度再进行钎焊 溶蚀溶蚀是母材向钎料溶解造成的 溶蚀首先取决于母材和钎料相互作用的能力 母材确定之后 则主要是钎料的选择 之后是工艺参数的影响 选择钎料时应遵循的原则是 钎焊时 不应因母材向钎料的溶解而使钎料的熔点进一步下降 否则母材就会过量的溶解 造成溶蚀 以Al Si钎料钎焊Al为例 过共晶 成分钎料比亚共晶 共晶 钎料的母材溶解量大得多 因此不应选过共晶钎料 影响溶蚀的工艺因素 1钎焊温度高 溶解量和溶速均加大 2钎焊时间增长 溶解量增加 3钎料量增加 溶解量增加 扩散连接技术 近年来 新材料在生产中应用 经常遇到这些材料本身或与其他材料的连接问题 一些新材料如陶瓷 金属间化合物 非晶态材料及单晶合金等等可焊性差 用传统熔焊方法 很难实现可靠的连接 随着技术的发展 一些特殊的高性能构件的制造 往往要求把性能差别较大的异种材料 如金属与陶瓷 铝与钢 钛与钢 金属与玻璃等连接在一起 这也是传统熔焊方法难以实现的 现在不但要连接金属 而且要连接非金属 或金属与非金属 因此 连接所涉及的范围远远超出传统熔焊的概念 为了适应这种要求 近年来作为固相连接的方法之一扩散连接技术引起人们的重视 成为连接领域新的研究热点 正在飞速发展 这种技术已广泛用于航天 航空 仪表及电子等国防部门 并逐步扩展到机械 化工及汽车制造等领域 扩散连接方法特点 1 接合区域无凝固 铸造 组织 不生成气孔 宏观裂纹等熔焊时的缺陷 2 同种材料接合时 可获得与母材性能相同的接头 几乎不存在残余应力 3 可以实现难焊材料的连接 对于塑性差或熔点高的同种材料 互相不溶解或在熔焊时会产生脆性金属间化合物的异种材料 包括金属与陶瓷 扩散连接是可靠的连接方法之一 4 精度高 变形小 精密接合 5 可以进行大面积板及圆柱的连接 6 采用中间层可减少残余应力 扩散连接的缺点 1 无法进行连续式批量生产 2 时间长 成本高 3 接合表面要求严格 4 设备一次性投资较大 且连接工件的尺寸受到设备的限制 扩散连接原理 扩散连接是压力焊一种变形 与常用压力焊方法 冷压焊 摩擦焊 爆炸焊 超声波焊 相同的是在连接过程中要施加一定的压力 不同 温度 压力强度及过程持续时间 扩散连接是零件整体连接的方法 这种连接接头是在原子水平上形成的 它是相互接触的表面 在高温和压力的作用下 被连接表面相互靠近 局部发生塑性变形 经一定时间后保证结合层原子间相互扩散 形成整体水平上的可靠连接 扩散连接分类 固相扩散连接过程 第一阶段为物理接触阶段 这是保证整个表面都可靠接触 只有接触面达到一定的距离 原子间才能相互作用形成原子间的结合 才能形成可靠的连接 在高温下微观不平的表面 在外加压力的作用下 总有一些点首先达到塑性变形 在持续压力的作用下 接触面逐渐增大 而达到整个面的可靠接触 第二阶段则是接触的表面原子间的相互扩散 形成牢固的结合层 第三阶段是在接触的部分形成的结合层 逐渐向体积方向发展 形成可靠的连接接头 扩散连接的三阶段模型示意图 a 凹凸不平的初始接触b 变形和形成部分界面阶段c 元素相互扩散和反应阶段d 体积扩散及微孔消除阶段 a b c d 上述过程相互交叉进行 最终在连接界面处由于扩散 再结晶等生成固溶体及共晶体 有时生成金属间化合物 形成可靠的连接接头 该过程不但应考虑扩散过程 同时应考虑界面生成物的性质 如性能差别较大的两种金属 在高温长时间扩散时 界面极易生成脆性金属间化合物 而使接头性能变差 液相扩散连接基本原理 液相扩散连接方法自20世纪50年代以来 在弥散强化高温合金 纤维增强复合材料 异种金属材料以及新型材料的连接中得到了大量应用 该方法也称瞬时液相扩散连接 TransientLiquitPhase 通常采用比母材熔点低的材料作中间夹层 在加热到连接温度时 中间层熔化 在结合面上形成瞬间液膜 在保温过程中 随着低熔点组元向母材的扩散 液膜厚度随之减小直至消失 再经一定时间的保温而使成分均匀化 如图8下所示 瞬时液相扩散连接过程示意图 a 形成液相b 低熔点元素向母材扩散c 等温凝固d 等温凝固结束e 成分均匀化 液相扩散连接 液相的生成将中间扩散夹层材料夹在被连接表面之间 施加一定的压力 或依靠工件自重使相互接触 然后在无氧化或无污染的条件下加热 当加热到连接温度TB时 形成共晶液相 上图a 等温凝固过程液相形成并充满整个焊缝缝隙后 应立即开始保温 使液 固相之间进行充分的扩散 由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材内 图b 母材中某些元素向液相中溶解 使液相的熔点逐渐升高而凝固 凝固界面从两侧向中间推进 图c 随着保温时间的延长 接头中的液相逐渐减少 最后形成接头 图d 成分均匀化等温凝固形成的接头 成分很不均匀 为了获得成分和组织均匀的接头 需要继续保温扩散 图e 超塑成形扩散连接基本原理 超塑性是指在一定的温度下 对于等轴细晶粒组织 当晶粒尺寸 材料的变形速率小于某一数值时 拉伸变形可以超过100 甚至达到数千倍 这种行为叫做材料的超塑性行为 材料的超塑性成形和扩散连接的温度在同一温度区间 因此可以把成形与连接放在一起进行 而构成超塑成形扩散连接工艺 用这种方法可以制造钛合金薄壁复杂结构件 飞机大型壁板 翼梁 舱门 发动机叶片 并已经在航天 航空领域得到应用 如波音747飞机上有70多个钛合金结构件就是应用这种方法制造的 用这种方法制成的结构件 质量小 刚度大 可减轻质量30 降低成本50 提高加工效率20倍 扩散连接参数选择 扩散连接参数主要有温度 压力 时间 气氛环境和试件的表面状态 这些因素之间相互影响 相互制约 在选择焊接参数时应统筹考虑 此外 扩散连接时还应考虑中间层材料的选用 连接温度 连接温度T越高 扩散系数愈大 金属的塑性变形能力愈好 连接表面达到紧密接触所需的压力愈小 但是 加热温度受到再结晶 低熔共晶和金属间化合物生成等因素的影响 因此 不同材料组合的连接温度 应根据具体情况 通过实验来选定 从大量实验结果看 连接温度大都在0 5 0 8Tm 母材熔化温度 范围内 最适合的温度一般为T 0 7Tm 对瞬时液相扩散连接温度的选择 常在可生成液相的最低温度附近 温度过高将引起母材的过量溶解 保温时间 扩散连接时间t 也称保温时间 主要决定原子扩散和界面反应的程度 同时也对所连接金属的蠕变产生影响 连接时间不同 所形成的界面产物和界面结构不同 扩散连接时 要求接头成分均匀化的程度越高 保温时间就将以平方的速度增长 实际扩散连接工艺中保温时间从几分钟到几小时 甚至达到几十小时 但从提高生产率考虑 保温时间越短越好 缩短保温时间 必须相应提高温度与压力 接头强度一般是随时间的增加而上升 而后逐渐趋于稳定 接头的塑性 延伸率和冲击韧性与保温扩散时间的关系也与此相似 连接压力 扩散连接时的压力主要促使连接表面产生塑性变形及达到紧密接触状态 使界面区原子激活 加速扩散与界面孔洞的弥合及消失 防止扩散孔洞的产生 压力愈大 温度愈高 紧密接触的面积也愈多 但不管压力多大 在扩散连接的初期不可能使连接表面达到100 的紧密接触状态 总有一小部分演变成界面孔洞 目前 扩散连接规范中应用的压力范围很宽 最小只有0 04MPa 瞬时液相扩散连接 最大可达350MPa 热等静压扩散连接 而一般压力约为10 30MPa 与连接温度和时间的影响一样 压力也存在最佳值 在其他规范参数不变的条件下 最佳压力时接头可以获得最佳强度 环境气氛 扩散连接一般在真空 不活性气体 Ar N2 或大气气氛环境下进行 一般来说 真空扩散连接的接头强度高于在不活性气体和空气中连接的接头强度 真空中的材料在温度升高时 气体会从零件和真空室内壁中析出 计算和实验结果表明 真空室内的真空度在常用的规范范围内 1 33 1 33 10 3Pa 就足以保证连接表面达到一定的清洁度 从而确保实现可靠连接 表面状态 表面粗糙度的影响几乎所有的焊接件都需要由机械加工制成 不同的机械加工方法 获得的粗糙等级不同 扩散连接的试件一般要求表面粗糙度应达到Ra 2 5mm 6 以上 表面清理待连接零件在扩散连接前的加工和存放过程中 被连接表面不可避免地形成氧化物 覆盖着油脂和灰尘等 在连接前需经过脱脂 去除氧化物及气体处理等工艺过程 中间层选择 两种材料结晶化学性能差别较大 这两种材料连接时 极易在接触界面生成脆性金属间化合物 两种材料的热膨胀系数差别大 在接头区域极易产生很大的内应力 针对这些问题为了获得高质量的接头 则要选择中间层 使中间层金属与两侧材料都能较好的结合 生成固溶体 则实现良好的连接 对热物理性能差别较大的材料 可以用软的中间层或用几个中间层过渡 缓和接头的内应力 以保证获得性能良好的接头 中间层选择 扩散连接时 中间层材料非常主要 除了能够无限互溶的材料以外 异种材料 陶瓷 金属间化合物等材料多采用中间夹层进行扩散连接 中间层材料不仅在固相扩散连接时使用 在液相扩散连接中应用的也比较广泛 中间层可采用多种方式添加 如薄金属垫片 非晶态箔片 粉末 对难以制成薄片的脆性材料 和表面镀膜 如蒸镀 PVD 电镀 离子镀 化学镀 喷镀 离子注入等 中间层的作用 改善表面接触 减小扩散连接时的压力 对于难变形材料 扩散连接时采用软质金属或合金作中间层 利用中间层的塑性变形和塑性流动 使结合界面达到紧密接触 提高物理接触效果和减少达到紧密接触所需的时间 同时 中间层材料的加入 使界面的浓度梯度变大 促进元素的扩散 加速扩散空洞的消失 中间层的作用 可以抑制夹杂物的形成 促进其破碎或分解 例如 Al合金表面易形成一层稳定的Al2O3氧化物层 扩散连接时该层不向母材中溶解 可以采用Si作中间层 利用Al Si共晶反应形成液膜 促进Al2O3层破碎 Ni基合金表面也容易形成氧化膜 扩散连接时 由于微量氧的存在 可在连接界面促进碳化物和氮化物的形成 影响接头性能 采用Ni箔作中间层进行扩散连接 可以对这些化合物的生成起抑制作用 中间层的作用 改善冶金反应 避免