《钎焊》课件 第6、7章 钎焊性及可靠性、铝及其合金的钎焊

钎焊SolderingandBrazing第6章钎焊性及可靠性制作者：制作：第6章

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荷下的疲劳损伤，定量预测接头寿命考核机械冲击下的焊点完整性，评估抗冲击能力评估高温高压下的长期变形与裂纹扩展冷热循环试验过程中器件变形示意图冷热循环试验可靠性测试温度曲线钎焊接头单轴蠕变试样几何尺寸示意图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3.接头可靠性试验本章学习内容要点1.材料钎焊性分析2.钎料的物化分析及润湿性分析3.钎焊接头的性能测试及可靠性分析钎焊SolderingandBrazing第7章

铝及其合金钎焊制作者：制作：第7章铝及其合金钎焊本章主要内容：7.1铝及铝合金的种类及性能7.2钎焊性分析7.3钎焊工艺特点7.4典型钎焊工艺7.5本章小结7.6本章思考题第7章铝及其合金钎焊1.前言01铝及其合金的优势02钎焊的重要性钎焊技术因其能够适应复杂结构、成本低且效率高，已经成为铝合金的重要加工成形技术之一。03课程主线本课程将围绕‘材料—工艺—性能’这一主线展开，帮助同学们深入理解铝钎焊在现代制造中的作用，并激发大家解决铝合金钎焊难题的兴趣。铝具有密度小、比强度高、导电导热性能优异以及耐腐蚀性好等特点，这些特性使其在航空航天、轨道交通和电力电子等领域成为关键的结构材料。7.1铝及铝合金的种类及性能1根据合金成分分类铝合金根据成分和强化机制分为1系纯铝、2系Al-Cu、3系Al-Mn、4系Al-Si、5系Al-Mg、6系Al-Mg-Si和7系Al-Zn-Mg-Cu等七大系。2根据热处理与变形分类根据是否进行过热处理，铝合金可以分为热处理铝合金和非热处理铝合金；根据是否经历过变形加工，铝合金可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金可以分为热处理不可强化铝合金和热处理强化铝合金。3典型牌号对比通过对比1060、2024、3003、5052、6061、7075等典型牌号的化学组成与力学性能，建立‘成分—组织—性能’的关系。7.1铝及铝合金的种类及性能铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺1.概念铝合金根据成分和强化机制分为1系纯铝、2系Al-Cu、3系Al-Mn、4系Al-Si、5系Al-Mg、6系Al-Mg-Si和7系Al-Zn-Mg-Cu等七大系。01根据是否进行过热处理，铝合金可以分为热处理铝合金和非热处理铝合金；根据是否经历过变形加工，铝合金可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金可以分为热处理不可强化铝合金和热处理强化铝合金。02通过对比1060、2024、3003、5052、6061、7075等典型牌号的化学组成与力学性能，建立‘成分—组织—性能’的关系。031根据合金成分分类2根据热处理与变形分类3典型牌号对比7.1铝及铝合金的种类及性能铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺2.典型铝合金化学成分（质量分数%）7.1铝及铝合金的种类及性能合金成分对铝合金钎焊性的影响Mg和Si的影响当铝合金中Mg含量超过1.5%或Si含量超过5%时，表面会生成难以去除的MgO、MgAl₂O₄或富Si氧化膜，导致钎剂难以溶蚀，去膜困难。Cu和Zn的影响Cu和Zn元素会降低铝合金的固相线温度，使得硬钎焊的温度区间变窄，容易导致母材过烧软化，增加钎焊难度。Mn和Fe的影响Mn和Fe元素对氧化膜的影响较小，因此含有这些元素的铝合金通常具有较好的钎焊性，适合采用常规钎焊工艺。7.1铝及铝合金的种类及性能铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺3.合金成分对铝合金钎焊性的影响Mn和Fe元素对氧化膜的影响较小，因此含有这些元素的铝合金通常具有较好的钎焊性，适合采用常规钎焊工艺。Mn和Fe的影响Cu和Zn元素会降低铝合金的固相线温度，使得硬钎焊的温度区间变窄，容易导致母材过烧软化，增加钎焊难度。Cu和Zn的影响当铝合金中Mg含量超过1.5%或Si含量超过5%时，表面会生成难以去除的MgO、MgAl₂O₄或富Si氧化膜，导致钎剂难以溶蚀，去膜困难。Mg和Si的影响7.2钎焊性分析铝对氧的亲和力极高，室温下迅速生成致密的Al₂O₃膜，这层氧化膜会阻碍钎料对母材的润湿和结合，给钎焊带来极大挑战；采用硬钎焊方法钎焊时，钎料的熔点过高，会导致铝合金母材发生过烧现象导致软化，甚至造成铝合金的损伤；采用软钎焊方法钎焊时，低温钎料与铝的结合较弱，而且由于钎料和母材的腐蚀电位相差很大，接头的耐腐蚀性能很差。铝及其合金的钎焊的难点解决铝钎焊难题需要从材料选择、温度控制、气氛优化以及钎剂研发等多个维度协同努力。7.2钎焊性分析铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺铝及其合金的钎焊的难点铝对氧的亲和力极高，室温下迅速生成致密的Al₂O₃膜，这层氧化膜会阻碍钎料对母材的润湿和结合，给钎焊带来极大挑战；1采用硬钎焊方法钎焊时，钎料的熔点过高，会导致铝合金母材发生过烧现象导致软化，甚至造成铝合金的损伤；2采用软钎焊方法钎焊时，低温钎料与铝的结合较弱，而且由于钎料和母材的腐蚀电位相差很大，接头的耐腐蚀性能很差。3解决铝钎焊难题需要从材料选择、温度控制、气氛优化以及钎剂研发等多个维度协同努力。7.2钎焊性分析铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺铝及其合金的钎焊性铝及铝合金的钎焊性与合金成分、熔化温度及热处理状态都有密切的关系，如右表所示。例如，纯Al和Al-Mn合金的硬钎焊性优良，容易进行钎焊。可以使用Al-Si钎料，采用钎剂钎焊或真空钎焊工艺都能取得较好的焊接质量。对于合金元素含量增多且经热处理强化的铝合金，焊后母材软化严重，钎焊性变差。7.2钎焊性分析铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺1.表面氧化膜的去除在室温下，铝表面的氧化膜厚度仅为几纳米，内层为非晶态的Al₂O₃，外层为γ-Al₂O₃，这种结构阻碍了钎料对母材的润湿。01当温度升高至300℃时，氧化膜厚度急剧增加，500℃时转变为γ-Al₂O₃晶体，厚度进一步增加，对钎焊的影响更为显著。02理解温度、时间与氧化膜厚度之间的关系，对于选择合适的钎剂、真空度和超声能量等工艺参数具有重要的指导意义。03纯铝在1.33×10-4Pa氧分压环境中加热后表面氧化膜形貌a）300℃b）500℃7.2钎焊性分析铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺1.表面氧化膜的去除Mg对氧化膜的影响Mg含量高于1.5%的铝合金，供货态氧化膜是纯Al2O3。经历钎焊加热后，Mg元素向表面氧化膜中发生显著偏聚，是原来的氧化膜转变为主要由连续的MgO和MgAl2O4颗粒构成的，厚度也会明显增加Si对氧化膜的影响铝合金的含Si量对其钎焊性影响很大，不论是使用低温软钎料和有机软钎剂、还是高温软钎料和反应钎剂，随着铝合金中Si含量的提高，钎料的铺展性能均下降。不同成分铝合金去膜方式对于1系和3系铝合金，可以使用氟化物、氯化物等钎剂去膜，也可以使用真空和气氛等方式去膜。但是，对于5系等含Mg量高的铝合金，使用钎剂去膜比较困难，建议采用刮擦或超声等物理方式去除表面的氧化膜。7.2钎焊性分析铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺2.母材的软化经变形强化、热处理强化或细晶强化的铝合金，在经历钎焊热循环后，母材失去强化效果而发生强度下降，这一现象称为母材的软化。对于变形强化或细晶强化的铝合金，在经历钎焊热循环后，母材会发生由于回复和再结晶现象导致的软化；对于热处理强化的铝合金，在钎焊加热过程后母材会发生过时效和退火等现象。例如2A12铝合金，在250~540℃温度范围加热，保温5、10和20min，再经过一段时间的时效，其强度和塑性会发生不同程度的下降，如图所示。2A12铝合金试样的强度和塑性随加热温度和保温时间的变化

a）th=5minb）th=10minc）th=20min，1-σb2-δ需要考虑钎焊热循环对母材性能的影响！7.2钎焊性分析铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺3.接头的腐蚀钎料与母材电极电位不同，在腐蚀环境中发生电化学腐蚀；采用Sn基钎料焊铝时，电位差大，腐蚀问题尤为突出；采用Zn基钎料钎焊铝时，钎料将会作为微电池的阳极而被腐蚀；在Sn基钎料中添加Zn可以提高其钎焊铝接头的抗电化学腐蚀性能；焊前先在铝表面镀Ni或者Cu，再采用Sn基钎料钎焊铝时，接头耐腐蚀性能提高一些金属的电极电位

Sn-Pb钎料钎焊铝时接头的电极电位分布图接头的电极电位分布图

（a）Zn基钎料钎焊铝（b）Sn-Pb钎料钎焊表面镀Cu的铝

7.3钎焊工艺特点铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺1.软钎焊——Sn基和Zn基钎料软钎焊特点7.3钎焊工艺特点铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺1.软钎焊——Sn基钎料钎焊特点纯Sn或Sn基钎料钎焊1060Al接头形貌a）纯Snb）Sn-9Zn铝合金表面镀Cu后Sn基钎料钎焊接头组织形貌a）铺展试验后界面组织b）接头组织Sn-Zn、Sn-Ag-Cu等Sn基钎料的熔点在180℃至230℃之间，钎焊过程中对铝合金母材的热影响小，不会导致母材过烧；通过在Sn基钎料中加入Zn元素，可以在钎焊界面形成Al-Zn-Sn固溶层，显著提升界面结合强度，使接头强度达到60MPa以上；尽管Sn基钎料的润湿性和结合强度有所提升，但由于其与铝的电位差较大，接头的耐蚀性仍然较差，需要进一步改进；可使用有机钎剂、氯化物腐蚀性钎剂或者超声钎焊；可以先镀Ni/Cu，再使用Sn基钎料钎焊，有效解决了Sn基钎料接头耐蚀性差的问题。7.3钎焊工艺特点铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺1.软钎焊——Zn基钎料钎焊特点Zn-Al钎料的共晶温度为381℃，钎料与铝的互溶性强，接头强度可达120MPa，耐蚀性优于Sn基钎料；随着钎料中Al含量的增加，铺展面积先增大后减小，当Al含量为15%时达到峰值，接头强度也呈现类似的变化趋势；在Zn-Al钎料中添加微量的Ag、Cu元素可以细化组织，降低溶蚀倾向，进一步提高接头的强度和耐蚀性能；CsF-AlF3钎剂可以配合Zn-Al钎料使用，可以去除低Mg含量铝合金表面氧化膜，如1系、3系、4系和部分6系铝合金；钎焊方法主要是钎剂钎焊、超声辅助钎焊和刮擦钎焊。Al元素含量对Zn-Al钎料的铺展和接头性能的影响a）铺展面积b）接头抗拉强度熔点和成分Al-Si钎料是目前应用最广泛的铝合金钎焊钎料，共晶成分为Al-12Si，钎料熔点为577℃，相当接近母材的熔点。硬钎焊时应更严格地控制加热温度。在Al-Si钎料中添加Cu元素可以降低熔点，Al-Si-Cu三元共晶点为Al-28Cu-5.5Si，熔点525℃。钎剂主要有氯化物和氟化物钎剂，氟化物钎剂（Nocolok钎剂）是常用的无腐蚀钎剂。氟铝酸钾钎剂熔点为558℃左右，可以配合各种不同成分的Al-Si基钎料钎焊铝合金。钎焊方法有火焰钎焊、感应钎焊、真空钎焊、电阻钎焊和炉中钎焊等。钎剂钎焊方法7.3钎焊工艺特点铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺1.软钎焊——Zn基钎料钎焊特点7.4典型钎焊工艺铝及铝合金的种类及性能钎焊性分析钎焊工艺特点典型钎焊工艺1.真空钎焊3003Al真空钎焊接头的微观组织真空钎焊具有不使用钎剂、润湿填缝能力好、氧化少、缺陷少等优点。随着钎料中Al含量的增加，铺展面积先增大后减小，当Al含量为15%时达到峰值，接头强度也呈现类似的变化趋势；单纯依靠真空条件不能达到去膜的目的，钎焊去膜有两种方式：

（1）第一种工艺是在铝合金母材表面预先复合Al-Si钎料，然后进行真空钎焊，组织如右图所示。

（2）借助于某些金属元素的活化作用来去除氧化膜，其中Mg作为活