Transcript 第九章钎焊
第九章 钎焊 定义：采用比母材熔点低的金属材料作钎料， 将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、但低于母材熔 点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙， 并与母材相互扩散而实现连接焊件的方法。 钎焊是一种古老的焊接方法。 第一节 钎焊原理及特点 一、钎焊原理 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。 钎焊过程 1、液态金属的填隙原理 液体金属能填充接头间隙，必须具备一定的条 件，此条件就是润湿作用和毛细作用。 • (1)润湿作用 润湿——液态物体与固态物体接触后相互沾附的 现象。 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θ的大小来表示。 当cosθ为正值时，即0°＜θ＜90°，这时液体能 润湿固体； 当cosθ为负值时，即90°＜θ＜180°，这时可认 为液体不能润湿固体。 θ=0表示液体完全润湿固体；θ=180°表示完全不 润湿。 钎焊时，钎料的润湿角应小于20°。 上述液体与固体相互润湿的前提是他们之间无化学 反应发生。液体钎料对固态金属的润湿程度可由润湿 角θ 、铺展面积S及润湿系数W来表示：W=Scosθ。 • (2)毛细作用 液体在两平行板间隙中，其液面高度会相对于 板外液面自动上升或下降的现象。 θ——润湿角 h ——液面上升的高度 当θ＜90°、 h＞0，液体沿间 隙上升——润湿（酒精温度计）。 当θ＞90°、 h＜0，液体沿间 隙下降——不润湿（水银温度计）。 钎焊时，只有在液态钎料能充 分润湿母材的条件下（液面“上 升”），钎料才能填满钎缝。 液体沿间隙“上升”的高度ｈ与间隙大小2r成反 比——钎焊接头设计、装配时应使间隙小！ 液体沿间隙“上升”的速度与ｈ成反比——应保证 足够的钎焊温度和保温时间。 (3)影响钎料润湿作用的因素： ①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。 ②钎焊温度——利于润湿。太高，易使钎料流散、 溶蚀或晶粒粗大。 取钎料液相线20~40℃，或者钎料熔点1.05~1.15倍 ③表面氧化物——妨碍润湿。 ④母材表面状态——粗些好。 ⑤钎剂——适当的钎剂有良好作用。 2、钎料与母材的相互作 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： ⑴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 ⑵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 二、钎焊方法的分类 1、按温度分： （1）钎料熔点 软钎焊（soldering）——450℃ ——硬钎焊（brazing） （2）钎焊温度——低、中、高 钢： —— 550 ℃ ——800 ℃ —— 铝： ——300 ℃——450 ℃—— 2、按热源分： 钎焊方法通常是以所应用的热源来命名的 。按热源 分类的钎焊方法见P211表9-3或GB/T5185-1985。 三、钎焊的特点 同熔焊方法相比，钎焊具有以下优点： • 钎焊加热温度较低，对母材组织和性能的影响较小； • 钎焊接头平整光滑，外形美观； • 焊件变形较小，尤其是采用均匀加热（如炉中钎焊） 的钎焊方法，焊件的变形可减小到最低程度，容易保 证焊件的尺寸精度； • 某些钎焊方法一次可焊成几十条或成百条钎缝，生 产率高； • 可以实现异种金属或合金、金属与非金属的连接。 但是，钎焊也有它本身的缺点： 钎焊接头强度比较低、耐热能力比较差，由于 母材与钎料成分相差较大而引起的电化学腐蚀致使 耐蚀力较差及对装配要求比较高等。 第二节 钎焊材料 钎焊材料是钎料和钎剂的总称。 一、钎料 1、对钎料的基本要求 ①合适的熔点（比母材的低几十度）； ②具有良好的润湿性； ③与母材充分发生溶解、扩散； ④成分稳定均匀； ⑤所得接头满足技术要求； ⑥具有经济性（少用稀有金属）； ⑦具有安全性（少用有毒及重金属）。 2、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。 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： ①In（铟）基钎料 ②Bi（铋）基钎料 ③Ga（镓）基钎料 无铅软钎料 • 2、硬钎料 硬钎料由于强度相对较高，可用于钎焊受力 构件。硬钎料包括： • • Ag钎料 Cu基钎料 • • • AI基钎料 Mn基钎料 Ni基钎料 • • • Au基钎料 含Pd钎料 真空级钎料 • 其他钎料。包括： ①Ti基钎料 ②Fe基钎料 ③Co基钎料 ④Pt基钎料 ⑤膏状钎料 四川省有色冶金研究院 之无铅钎料 AI基钎料：用于钎焊铝及铝合金 Ag基钎料：综合性能优良，可以钎焊各种金属，是应用最 广的一类硬钎料。 Cu基钎料： 铜钎料：钎焊碳钢、低合金钢。 铜锌钎料：多种钎焊方法焊多种金属。 铜磷钎料：主要用于钎焊铜和铜合金，在电机制造和制冷 设备上应用广泛。 Ni基钎料：性能优良，可焊多种金属。 钎焊带 扬中市金星焊料有限公司之铜磷钎料 三、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 ①足够之溶解或破坏表面氧化膜能力； ②钎焊温度范围内表面张力小、粘度低、流动性好、密 度低； ③熔点低于钎料合适温度； ④成分及作用稳定（稳定温度≥100℃）； ⑤产物密度低、易排除； ⑥ 无强烈腐蚀作用、无毒性。 2、钎剂的分类 钎剂分为软钎剂与硬钎剂两大类、按特殊用途 又可再分为铝用钎剂、粉末状钎剂、液体钎剂、气 体钎剂、膏状钎剂、免清洗钎剂等。 3、软钎剂 主要分为非腐蚀性钎剂和腐蚀性钎剂两大类。 • 有机软钎剂（非腐蚀性软钎剂） 水溶性类 松香（天然树脂）类 非(弱)腐蚀性软钎剂的化学活性比较弱、热稳定性 尚好，对母材几乎没有腐蚀性作用，但只有纯松香或 加入少量的机脂类的软钎剂属于非腐蚀性，而加入胺 类、有机卤化物类的软钎剂，称其为弱腐蚀性软钎更 为准确。 焊后一般不清洗。 松香是最常用的非腐蚀性软钎剂。 见P215表9-3。 • 无机软钎剂 （腐蚀性软钎剂） 腐蚀性软钎剂由无机酸或（和）无机盐组成。这 类钎剂化学活性强、热稳定性好，能有效地去除母 材表面的氧化物，促进钎料对母材的润湿，可用于 黑色金属和有色金属的钎焊。但残留钎剂对钎焊接 头具有强烈的腐蚀性，钎焊后的残留物必须彻底洗 净。 氯化锌水溶液是最常用 的腐蚀性软钎剂。 见P215表9-2。 4、硬钎剂 硬钎剂指的是在450℃以上进行钎焊用的钎剂。 黑色金属常用的硬钎剂的主要组分是硼砂、硼酸 及其混合物为基体，以某些碱（土）金属的氟化物、 氟硼酸盐等为添加剂。具有合适的活性温度范围和 去除氧化物能力。可钎焊多种金属，焊后残渣应去 除。 硼砂、硼酸及其混合物的粘度大、活性温度相当 高。必须在800℃以上使用，并且不能去除Cr、Si、 Al、Ti等氧化物；残渣难于去除。故只能适用于熔 化温度较高的一些钎料，如铜锌钎料来钎焊铜和铜 合金、碳钢。 铝及铝合金用钎剂 近年来，国内外对铝钎焊用钎剂的研究，成果较 多，并在生产中得到越来越多的应用。 免清洗软钎剂 免清洗钎剂的最大特点是省去了清洗工序，因而 减少了与清洗工序相关联的设备、材料、能源和废物 处理等方面的费用，有利于降低成本。 各种软硬钎料钎 焊熔剂焊材 郑州机械研究所钎焊技术材料公司： Http://www.zrime.com.cn/ 陕西汇融科技有限公司之F系列铜、银钎料用钎剂 深圳威特仕：http://www.weldas.com.cn/ 第三节 钎焊方法及工艺 一、钎焊方法 １、烙铁钎焊(iron 特点：温度低 应用范围 ： 1、适用于钎焊 温度低于300℃的 软钎焊（用锡铅 或铅基钎料） 2、钎焊薄件、 小件需钎剂 soldering) ２、火焰钎焊(torch brazing ; torch soldering) 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 3、浸渍钎焊(dip brazing ; dip soldering) （盐浴及金属浴，适合于大批量生产） 4、波峰钎焊(flow soldering ; wave soldering ; spray soldering)（金属浴钎焊的一种变种，主要用 于钎焊印刷电路板） 单面波峰钎焊 5、电阻钎焊(resistance brazing) （加热极快，生产率高） 6、感应钎焊(induction brazing)（加热迅速，氧化 少，主要钎焊比较小的工件） 7、炉中钎焊(furnace brazing ; furnace soldering) （整体加热，变形小，适合于批量生产） 真空钎焊系统 铝钎焊炉 8、其它钎焊形式： 气相钎焊、接触反应钎焊（contact-reaction brazing）、超声波钎焊（ultrasonic soldering）、扩散 钎焊（diffusion brazing）、光学钎焊（light soldering；light brazing）、（infra-red brazing； infra-red soldering）、电弧钎焊等。 各种钎焊方法的优缺点及适用范围可参见P219表9-5。 光 学 钎 焊 电弧钎焊焊缝 管道高温感应钎焊 二、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。搭接长度可按下式计 算：L=αδσb/στ。 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、22、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 27、28、29—常用 31、32、33—多用 26、30—较少用 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 设计钎焊接头时应考虑应力集中问题。 接头的工艺性设计包括接头的装配定位、安置钎 料、限制钎料流动等。工艺孔是为满足工艺上的要 求而在接头上开的孔，这对于密闭窗口尤为重要。 密闭窗口必须开工艺孔（20—24a）。对于其他接头， 为使受热膨胀的空气逸出，也应开设类似的工艺孔。 接头间隙 间隙的大小在很大的程度上影响钎缝的致密性和 接头强度。钎焊温度下常用的接头间隙范围见P220 表9-6。 用钎剂钎焊时，接头的间隙应选得大一些。 钎焊接头的定位方法 a)重力定位 e)扩口 b)紧配合 f)旋压 c)滚花 g)模锻 d)翻边 h)收口 i)咬边 m)螺钉 j)开槽和弯边 k)夹紧 n)铆接 l)定位销 o)点焊 2、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。 3、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。 钎料的放置方法 a)环状钎料的放置 1、2—环状钎料的合理放置 5、6—钎料紧贴接头的放置 3、4—防止沿法兰平面流失的放置 7、8—接头上开出钎料放置槽 b)箔状钎料的放置 P—代表施加压力 4、涂阻流剂 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。 5、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 冷却速度 6、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。 三、常用金属材料的钎焊 1、碳钢和低合金钢的钎焊 ⑴钎焊特点：氧化物易去除，钎焊性好； ⑵钎焊材料：软钎焊多用锡铅钎料，硬钎焊用铜基或 银基钎料； ⑶ 钎焊技术：①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； ②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。 ③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 ⑴钎焊特点：钎焊性不好，主要表现为①氧化物难去 除②钎料、母材熔点接近③热处理强化铝合金接头容易软 化④颜色无变化。 ⑵钎焊材料：用铝基钎料、氯化物钎剂、中性或惰性 气氛； ⑶ 钎焊技术：①直接软钎焊应用很少，多用硬钎焊； ②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； ③火焰钎焊时，用汽油压缩空气为宜。 3、铜及铜合金的钎焊 ⑴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。 ⑵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。 ⑶ 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 ⑴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。 ⑵钎焊材料：铜基钎料和银基钎料 ⑶ 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 ⑴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。 ⑵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。 ⑶ 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。 四、钎焊缺陷及防止 1、钎缝的不致密性缺陷 气孔 夹渣 为钎透 间隙未填满 产生原因（P225表9-7） 应对措施：适当增大钎缝间隙 采用不等间隙（3～6°不平行间隙）（钎 料会定向流动，排除缺陷） ２、母材的自裂及钎焊接头的裂纹 除了钎缝金属会产生裂纹外，许多高强度材料，如不 锈钢、镍基合金、铜钨合金等自身也容易产生裂纹。 产生原因（P225表9-8） 应对措施：用退火材料代替淬火材料 会冷作硬化的材料预先退火 减小接头刚性，自由膨胀收缩 用平缓的热循环或均匀、整体加热 尽量选用低熔点钎料 先消除应力，冷却后再钎焊 3、外观缺陷 外观缺陷主要有母材溶蚀和钎缝表面成形不好。 溶蚀是母材向钎料过度溶解造成，钎缝表面成形不好 主要是指钎料流失，钎缝表面不光滑或没形成圆角。其主 要产生原因（见P226表9-9）。 应对措施：正确选用钎焊材料 正确选用钎焊工艺：控制加热温度、保温时间 严格控制钎料用量 • 钎焊接头缺陷的检验方法 钎焊接头缺陷的检验方法可分为无损检测和破坏性 试验。日常生产中广泛采用无损检测。破坏性检测只用 于重要结构的钎焊接头的抽样检验。 1、外观检查 肉眼或低倍放大镜进行表面检查，检查项目通常包 括：钎料是否填满间隙，钎缝外露一端是否形成圆角， 圆角是否均匀，表面是否光滑；是否有裂纹、气孔及其 它外部缺陷。 外观检查只是一种初步的检查。 2、表面缺陷检验 包括荧光检验、着色检验和磁粉检验。它们用于检 查外观检查发现不了的钎缝表面微小缺陷，如裂纹、气 孔等。 荧光检验一般用于小型工件。 着色检验一般用于大型工件。 磁粉检验仅对磁性金属有效。 3、内部缺陷检验 采用X射线和Y射线、超声波检验和致密性检验。 对于钎焊接头，由于钎缝通常很薄， X射线和Y射线 检验在工件较厚的情况下，常因设备的灵敏度不够而不 能发现缺陷，使其应用受到一定的限制。 超声波检验所能发现的缺陷范围与射线检验的相同。 钎焊结构的致密性检验常用方法有一般的水压试验、 气密试验、气渗透试验、煤油渗透试验和质谱试验等方 法。 水压试验用于高压容器。 气密试验、气渗透试验用于低 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。 其原理可参看： http://www.chinesevacuum.com/ ZQJ-291型 全自动氦质谱检漏仪 有关钎焊，可参看 http://www.jwharris.com/home/ 或参看：简明钎焊手册。 返回 回