第6章 钎焊性及可靠性

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钎焊性及可靠性本章主要内容：6.1钎焊性分析6.2钎料性能试验方法6.3接头性能试验方法6.4接头可靠性分析6.5本章小结钎焊性是材料在特定钎焊条件下获得优质接头的难易程度，涉及母材、钎料、钎剂的适应性，以及钎焊工艺和服役要求1钎焊性定义2优质接头标准3钎焊性影响因素若材料在简单工艺下即可实现良好润湿与冶金结合，钎焊性好；反之，若需复杂工艺仍存在缺陷，则钎焊性差钎焊性的影响因素主要包括钎焊所用材料、工艺和接头的服役性能材料因素：母材、钎料、钎剂工艺因素：热源、温度、时间服役因素：力学、物理、环境6.1钎焊性分析钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结1.概念6.1钎焊性分析钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结2.影响因素——材料因素：本征可焊性的决定者润湿性与界面反应是评估材料钎焊性的两大核心钎焊性优良材料能与钎料发生良好相互作用；材料表面氧化物易于去除铜/钢:氧化物稳定性低，钎剂易除，润湿角小。钎焊性较差键合特性不同，难发生相互作用；表面存在稳定氧化膜，阻碍润湿；易生成脆性相；异种材料物化性质差异较大铝/钛:氧化物致密难除，或易生成脆性化合物。陶瓷:与金属键合特性不同，难发生相互作用。钎焊过程所用的主要材料有母材、钎料、钎剂，是影响钎焊性的重要因素。能否选择或设计合适的钎料并实现对母材的润湿，这决定了该母材材料是否具有可钎焊性影响钎焊性的工艺因素主要有热源类型、钎焊温度、保温时间等，其中钎焊加热热源决定了钎焊过程的热循环特征(A)电阻/感应钎焊快速升降温，热区集中，抑制脆性相但残余应力高。(B)火焰钎焊升温缓和，热区扩展至母材，应力与组织相对均衡。(C)炉中钎焊整体加热，温度均匀，冷却缓慢，利于应力松弛。不同热源作用下的钎焊接头热行为a）热循环曲线b）接头内温度分布A-电阻或感应钎焊B-火焰钎焊C-炉中钎焊（a）（b）本章小结6.1钎焊性分析钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析2.影响因素——工艺因素：热源与热循环的决定性作用6.1钎焊性分析钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结2.影响因素——服役因素：分析钎焊性的最终要求

航空热端部件要求耐高温、抗热疲劳，需严控界面化合物厚度，避免钎料循环硬化/软化。汽车换热器要求良好耐腐蚀性，需选用耐蚀钎料并确保钎剂无残留，防止接头腐蚀。电子元器件要求优良导电性、抗蠕变及耐温度循环，需承受服役中的热机械载荷。02接头服役要求主要包括一定服役环境下接头的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和抗疲劳性能等01分析钎焊性除了需要考虑接头的力学及物理化学性能以外，还应考虑在使用过程中可能存在的问题，从而综合分析并制定合理的钎焊工艺规范6.2钎料试验方法钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结1.化学成分测试原理：用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来，然后测量这些电子的强度对其能量的分布，从而实现样品表面浅层组成元素的精确分析特点：聚焦表面浅层成分，揭示氧化膜或偏析，但对轻元素不敏感方法：X射线光电子能谱(XPS)化学分析法光谱分析法能谱分析法原理：根据化学反应来确定材料的组成成分特点：高精度定量，适用于单一体系主成分测定，如银钎料中Ag含量方法:重量法、容量滴定法原理：根据元素被激发后所产生的特征光谱来确定金属的化学成分及大致含量特点：快速多元素同时测定，满足复杂合金筛查，如SAC无铅钎料方法:电弧/火花激发光谱钎料的熔化特性主要包括固相线温度（开始熔化温度）、液相线温度（终了熔化温度）及固相线和液相线温度之间的间隔（熔化温度范围）。差热分析法（DTA）差示扫描量热法（DSC）原理：在钎料凝固及熔化过程中，一般均伴随着吸热或放热行为，而此时钎料的质量一般不变化，从而产生温度效应特点：只能进行定性及半定量分析，难以获得变化过程中的试件温度和反应动力学数据原理：其以焓为主要参考量，通过对试样因发生热效应而发生的能量变化进行及时应有的补偿，保持试样和参比物之间的温度始终保持相同特点：无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大。提高了灵敏度及精确度，可以进行热量的定量分析金属材料熔化过程中典型的热分析示意图6.2钎料试验方法钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结2.熔化特性分析

GB/T11364-2008《钎料润湿性试验方法》钎料铺展试验中试件的形状及尺寸示意图6.2钎料试验方法钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结3.润湿性实验——铺展试验法：适用于硬钎料的静态方法在对比试验情况下钎料形状、钎料用量保持一致。试验结束后以铺展面积或者铺展系数来表达润湿性，其中铺展面积推荐使用求积仪，且以cm2为单位；铺展系数则先通过仪器测定钎料铺展后的高度，依据以下公式计算3.润湿性实验——润湿平衡法：适用于软钎料的动态方法采用规定的试件及标准钎剂，使得试件（片状或丝状）与熔融钎料表面接触，采用片状试件时，采用4mm/s的速度浸入钎料；而采用丝状试件时，采用2mm/s的速度浸入钎料。浸入规定的深度（一般为2mm），保持10s后使试件与熔融钎料脱离。利用润湿平衡法来测定试件与熔融钎料间的作用力，从而测定软钎料的润湿性能GB/T28770-2012《软钎料试验方法》润湿性测试装置示意图钎料润湿过程记录曲线（不考虑浮力的情况）6.2钎料试验方法钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结1.力学性能测试030201

拉伸试验

剪切试验

借鉴T剥离强度试验，模拟板壳结构撕裂应力，更贴近服役工况剥离试验1-连接段2-有效拉伸段

3-夹持端4-销钉孔拉伸撕裂试验示意图6.3接头性能试验方法钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结2.物理性能测试导电性测试接头电阻率，评估界面化合物或微孔对导电通道的阻碍导热性

对于非稳态传热可采用激光热导仪测定

稳态热导仪测试原理示意图耐蚀性通过盐雾试验等人工加速环境，检验钎剂残留与电位差诱发的电化学腐蚀盐雾试验是人工模拟盐雾环境条件来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验，标准有如温度、湿度、氯化钠溶液浓度和PH值等6.3接头性能试验方法钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结6.4接头可靠性分析钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结1.钎缝缺陷分析外观检查表面缺陷检验内部缺陷检验采用肉眼或低倍放大镜检查接头的表面质量，如钎料是否填满间隙、钎缝外露的一端是否形成圆角、钎角是否均匀、表面是否光滑、是否存在裂纹、气孔及其他外部缺陷。外观检查是一种初步的检查，根据技术条件规定再进行其他的无损检测。包括荧光检验、着色检验和磁粉检验。荧光检验一般适用于小型工件，大型工件则用着色探伤法。表面缺陷检验法检查不了钎缝表面缺陷，如裂纹、气孔等。常用检验方法有水压试验、气密试验、气体渗透试验、煤油渗透试验和质谱试验等方法。其中水压试验用于高压容器；煤油渗透试验用于不受压容器；质谱试验用于真空密封接头。采用X射线、γ射线和超声波检验重要工件的内部缺陷，采用此法可以显示钎缝中的气孔、夹渣、未钎透以及裂纹等缺陷。在工件较厚的情况下因设备灵敏度不够而检测受限。结构致密性检验目前，一些新的试验方法也可用于研究钎焊接头的质量，如可采用电位法，以电阻为信号反应钎焊接头的连接质量，这种方法已用于航空发动机压气机整流叶片钎焊质量的分析；另外，超声相控阵等技术也已经用于钎焊接头内部缺陷的定量测量。钎缝缺陷除气孔、夹渣、未钎透及缩松等，检验方法可分为无损检测和破坏性试验，破坏性检测一般适用于重要结构钎焊接头的抽样检验。根据不同情况所采用的无损检测方法也存在差异：影响残余应力的原因很多，其中材料的匹配是关键因素，以Si3N4与不同金属钎焊接头中残余应力与界面尺寸的关系为例，与Si3N4匹配的材料不同，残余应力差异很大：材料间热膨胀系数差异越大越容易导致高的残余应力；材料的尺寸越大，热膨胀系数差异所导致的应变越大，从而导致残余应力比较大另外等面积的四方体接头的残余应力明显大于圆柱体，说明界面形状也对残余应力有明显的影响由于母材与钎料的热物理性能（热膨胀系数等）差异导致焊后接头出现残余应力，应力的大小及方向等将影响钎焊接头的强度和可靠性Si3N4与Invar合金接头中界面残余应力与尺寸及材料之间的关系残余应力的测试可采用试验方法和数值模拟方法来进行。现有残余应力测试方法及手段在测试接头表面残余应力方面比较成熟接头内部残余应力的测量需要借助中子衍射法及表面截面法等目前已有的残余应力测试方法包括：X射线衍射法、中子衍射法、X射线能量扩散衍射法、超声波法、激光法、应变片法、压痕法等。残余应力测试方法6.4接头可靠性分析钎焊性分析钎料性能试验方法接头性能试验方法接头可靠性分析本章小结2.接头残余应力测试可靠性是指产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的能力。为了提高和保障产品的可靠性，评价和验证产品的可靠性所进行的各种试验统称为可靠性试验。温度循环跌落响应随机振动蠕变失效温度循环模拟CTE差异引起的热机械疲劳，评估焊点寿命评估随机载