Transcript 第六章钎焊连接原理 - 焊接成型原理精品课

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焊接成型原理
长春工业大学材料科学与工程学院
课件制作：徐世伟
指导教师：刘耀东
第六章
钎焊连接原理
6.1
钎焊连接的基本特征
6.2
液态钎料与固态母材的润湿、铺展及填缝
6.3
金属表面氧化膜的去除机制及钎剂的作用
6.4
液体钎料与固体母材的相互作用
6.5
钎缝的金相组织
6.6
钎料、钎剂及其选用
6.7
钎焊方法与工艺及接头质量控制
§6.1 钎焊连接的原理及基本特征
6.1.1 钎焊（Braze Welding）
利用熔点比母材（被钎焊材料）熔点低的填充金属（称为
钎料或焊料），在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下
，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填
缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间的连接的焊接
方法。
钎焊是一种古老的焊接方法。
6.1.2钎焊原理
6.1.2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。
6.1.3 钎焊的分类
工程中通常将钎焊按温度分为两类：
（1）硬钎焊
液相温度在4500C以上的钎焊材料用于钎焊
时称为硬钎焊；
（2）软钎焊
4500C以下的钎焊材料用于钎焊时称为软钎
焊。
某些国家将钎焊温度超过900℃而又不使用钎
剂的钎焊方法（如真空钎焊、气体保护钎焊）
称作高温钎焊。
6.1.4 钎焊的特点
（1）钎焊的温度是比较低的（一般远低于母材的
熔点）；
（2）与熔焊相比，钎焊时只有钎料熔化而母材保
持固态；
（3）对母材的物理化学性能没有明显的不利影响
；
（4）可对钎件整体均匀加热，引起的应力和变形
小，容易保证焊件的尺寸精度；
（5）由于存在焊件整体加热的可能性，这对微型
机密、形状复杂、开敞性差的焊件结构特别适宜
，甚至可以一次性完成多缝多零件的连接；
（6）钎焊可以容易解决不少异种金属、金属
于非金属材料的连接，如铝-不锈钢、钛-不锈钢
、金属-陶瓷、金属-复合材料等连接；
（7）鉴于钎焊对热源要求较低，工艺过程较
为简单，故极易实现生产过程的自动化，保证了
焊件有更高的可靠性；
（8）钎焊设备简单，生产投资费用少；
为此，钎焊工艺技术在材料连接的工程实际中
得到了越来越广泛的应用。
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。
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§6.2 液态钎料与固态母材的润湿、铺展及填
缝
6.2.1 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（液态钎料的润湿性）
润湿——液态物体与固态物体接触后相互沾附的现
象。
可分为浸渍润湿、附着润湿和铺展润湿。
 当液体处于自由状态，其将力图保持球形！
 当液体与固体接触，如果内聚力＞附着力，液体
就不能沾附在固体表面——不润湿！
 当液体的附着力大于其内聚力时，液体就能粘附
在固体表面——发生润湿作用。
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（钎料的毛细填隙）
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。
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。
以上结果也是指在液体与固体没有互相作用条件下得
到的。
6.2.2 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。
（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。
在实际填缝过程中，液态钎料与固态金属母材间存
在着溶解、扩散作用，致使液态钎料的成分、密度、粘度
和熔点都发生变化。
液态钎料填缝速度是不均匀的，钎料填缝前沿不整
齐、流动路线紊乱将会直接影响钎焊接头质量，形成钎缝
不致密，产生夹气、夹渣等缺陷。这些变化都将影响钎料
的润湿和填缝作用。
6.2.3
影响钎料毛细填缝的因素:
钎料和母材成分、钎焊温度、母材表面氧化物、母材
表面粗糙度、钎剂、间隙、钎料与母材的相互作用。
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§6.3 金属表面氧化膜的去除机制及钎剂的作用
6.3.1 金属表面氧化膜的去除机制
在有氧化膜的金属表面上，液态钎料难与金属发生润湿。因此，分析金
属表面氧化膜的形成并予以去除是钎焊必不可少的工艺过程。
（1）对于纯金属而言
该金属与周围气氛所产的结合产物（膜）的稳定性取决于膜的结构和
存在条件。例如亲氧的金属铝、铍、镁等，它们的表面膜主要是氧化
物。
另一些金属如铜、铁等他们除与氧结合外还与CO2有相当的亲和力，
表面层中常发现有碱式碳酸盐存在。
两性金属如锡。锌等表面通常存在Sn(OH)2或Zn(OH)2等。
表面膜的结构决定了膜的致密程度，通常，结晶度低
或者无定形结构的表面摸具有较大的致密度，例如铝表面
的γ-Al2O3，铁表面的Fe3O4都具有低的结晶度和高的致
密度，他们能够保护金属被进一步氧化。
在一定条件下加热促进表面膜增厚。清洁表面的金属
与周围气氛反应很快，因此，表面膜去除后的新表面膜又
会立即生成，例如铝、镁和钛等。
（2）对于合金而言
由于合金中有利于降低表面能的组元以及亲表面气氛
的组元即使在固体态下，也不停向表面扩散，则会形成复
杂的表面膜。
由于这些扩散，是的合金的某些组元和表面膜形成纵
深的结合，合金表面膜与基底金属的结合往往要牢固得多
。由于合金成分是多元的，表面膜也可能还是多元的，他
们表面的氧化膜也可能是由几种氧化物组成，这些都将增
加了去除难度。
（3）表面膜的去除
通常采用机械方法（图锉、磨、喷丸）、物理方法
（如超声波清洗）以及化学侵蚀。然而，在钎焊加热的条
件下，新的表面氧化膜又形成。因此，十分有必要采取措
施清除表面氧化膜且防止他们进一步被氧化。
目前钎焊技术中普遍采用钎剂来去除膜，在有的场
合，则采用气体介质来去膜。
研究表明，在钎剂的作用下金属表面膜的清除有溶
解、反应、剥落、松动或被流动的钎料推开等多种过程。
（4）钎剂去除表面膜的机制
在较高温度下钎焊铜合金或铁合金时，选用钎剂的
主要成分是B2O3，又称硼酸酐。熔融态的硼酸酐对过渡
金属的氧化物有很大的溶解度。例如在钎焊铜及其合金时
，表面膜与硼酸配或硼砂产生下列反应：
CuO + 2H2BO3 = Cu(BO2)2 + 3H2O
CuO + B2O3 = Cu(BO2)2
CuO + Na2B4O7 = Cu(BO2)2 +Na2B2O4
并溶于过量的硼酸配之中。这是个典型的以溶解作用
去除氧化膜的机制。黄铜表面膜中的ZnO,铁合金表面的
Fe2O3均以类似的方式生成Zn(BO2)2和2Fe2O3·3 B2O3并溶
于过量的B2O3而除去。
多数合金表面膜的清除不是一个简单溶解机制，在
一些含铬、钛、钨、钼的合金钢或耐热钢钎焊时，尽
管在B2O3中加人增强钎剂活性的氟化物也不足以清除
表面膜。如在钎焊高铬合金时，只有需通过在钎剂中
加人Al-Cu-Mg合金以进一步增强活性，使在高温
850~1150℃下借取代反应，将铬氧化膜破除：
Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr
Cr2O3 + 3Mg = 3Mg O + 2Cr
铝及铝合金表面膜在氯化物为主的钎剂中去除基本上
是一个松动、破碎，为流布的钎料所推开的过程。高
温下γ-Al2O3在氟化物熔盐中虽有一定的溶解度，
但在氧化物为主的铝钎剂中氟化物含量很低，因此铝氧
化膜在氧化物钎剂中的溶解作用决非主要的。这类钎剂
的去膜作用是促使氧化膜从铝表面机械地脱落下来，破
碎成细片，作为悬浮物进人熔化的钎剂中，最后与钎剂
残渣一起被除去。
也有观点认为，是利用钎剂对铝的电化学腐蚀来剥
脱附着在铝上的氧化膜。但在熔融的全氟化物钎剂（
K3AlF5-KAlF4）中，一项研究表明铝氧化膜是主要被
溶解去掉的。
钎焊过程在钎剂的作用下一旦开始往往在几秒至几
十秒钟内便完成，实际钎焊中钎剂去膜作用宁可认为是
一综合的过程。
 对于一些不用钎剂而在空气进行钎焊，往往借钎
料中的挥发组元在加热时与表面膜反应将其还原破坏
或趁母材表面膜的破隙渗人膜下，再由它和母材的互
溶与润湿以及钎料的流动来推开氧化膜。例如，用
Cu一P钎料钎焊铜，锌基钎料钎焊铝合金等等。
 在真空条件下的钎焊，其金属表面膜的破坏对不
同的金属合金其机制是不同的。有些金属氧化膜在真
空下加热到一定温度可能挥发除去，如CrO3和
Fe2O3钢的氧化物在温度高于1000℃、1.33MPa
时会挥发而去除;但在真空下，钛的氧化膜在温度高于
700℃时强烈地溶入钛中，这又是氧化膜溶解去除的
一个典型例子。
在另一些情况是金属表面膜在真空中加热时发
生破裂,熔态钎料由裂缝渗入而润湿母材,这也是一种
去膜的方式;真空钎焊不锈钢时,超过900℃其本身所
含的碳即足以使氧化膜被还原而破坏;而真空钎焊铝
时则是微量Mg的蒸气直接对铝氧化膜的还原置换,并
渗人膜下母材表层达到破坏表面氧化膜与母材的结合
。
由上可见，无论哪一种钎焊方法和对象，其表
面膜的脱除机制都不是完全相同的，有些去膜机制尚
在深人研究之中，不可能用一个统一的模式来理解去
膜过程。
应该看到，钎焊实际上是一个：破膜一润湿一
铺展一扩散一凝固的过程，这个过程是相当复杂
交错的，并不一定能明确地划分出各个阶段来。
尤其不应将“去膜”看成是一个独立的阶段，或产
生“只有母材表面膜先去光了才会开始下一个过程
”的观点。
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§6.4 液体钎料与固体母材的相互作用
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：
（1）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
母材在液态钎料中的溶解量G可表示为：
式中 ,
G — 单位面积母材的质量；
ρy — 液态钎料的密度；
Cy — 母材在液态钎料中的极限溶解度；
Vy — 液态钎料体积；
S — 液、固相的接触面积；
α— 母材的原子在液态钎料中的溶解系数；
t — 接触时间。
由此式子可见：母材向钎料的溶解量与母材在钎料中的极限溶解度有
关；与液态钎料的数量有关；亦与钎焊的工艺参数（温度、保温时间等）有
关。
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、化合物和共晶体；
 钎焊时，钎料的组份会向固态母材进行扩散。其
扩散量不仅与温度有关还与扩散组分的浓度梯度
、扩散系数、扩散面积和扩散时间有关。扩散规
律由下式确定，即
式中： Dm — 钎料组份的扩散系数； D — 扩散系数；
S — 扩散面积； dt — 扩散时间
Dc / Dx — 在扩散方向上扩散组分的浓度梯度。
（3）钎焊过程的分解
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§6.5 钎缝的金相组织
钎焊接头基本上由三个区域组成，从母材向钎缝中心依次
是扩散区、界面区和中心区(图6-5)。
 在扩散区其组织是钎料组分向
母材扩散形成的。
 界面区组织是母材向钎料溶解
、冷却后形成的。
 钎缝的中心区的组织则由于母
材的溶解和钎料组分的扩散以及结
晶时的偏析，其组织也不同于钎料
的原始组织。
根据一般的结品原理，凝固过程取决两个素:
即液相单位容积内晶核的形成速度以及它的生长速
度。
如果在液相内有合金固态质点或合金的某个相
存在，则会使晶核形成的自由能减小。显然，在钎
焊时，与液态钎料接触的母材界面便是钎缝现成的
结晶晶核。
但是,由于钎料同母材的成分、熔点有着很大的
差别。因此,钎缝的结晶和组织有其明显的特征。
6.5.1 固溶体钎缝组织
当钎焊纯金属和单相合金时，如果选用的钎料与母材基体相同，
本身也是单相合金，只是含一些合金元素。那么随着凝固过程的进
行，液态钎料就从母材晶粒表面向液态金属继续生长。这种结晶叫
作交互结晶。例如用黄铜来钎焊铜时就可以看到黄铜晶粒在铜晶粒
的基础上连续生长，形成共同晶粒(图6-6).
 如果母材是纯金属和单相合金，而钎料与母材的基体相同,但本
身是双相和多相组织的,则并不总是出现交互结晶。在一定的条件
下可以出现局部的交互结晶。Al-12Si共晶钎料钎焊铝时就是这样
。在界面区可发现一层参差不齐地向钎缝中心生成的硅在铝中的固
溶体(图6-7)
图6-6 用黄铜钎焊铜时的接头金相组织
图6-7 铝硅钎料钎铝合
金时的钎缝金相组织
(600℃，10 min,150×)
一般说来，在状态图上钎料与母材能形成固溶体，钎
焊后在界面区即可能出现固溶体。固溶体组织是具有良
好的强度和塑性，对接头性能是有利的。
6.5.2 共晶体钎缝组织
钎缝中可能出现共晶组织，一方面是钎料本身含有大量的
共晶体组织，如铜磷、银铜、铝硅、锡铅等钎料;另一方
面是母材与钎料能形成共晶体。利用钎料和母材作用形成
共晶体的这一可能性，可用来进行接触反应钎焊。典型的
生产应用实例是用纯银来接触反应钎焊铜。图6-8所示了
这种共晶体接头的形貌。
在钎焊过程中，钎料熔化进人钎缝 时，母材即向熔态钎料
中溶解，随着钎料向前方流动，和母材同组元的成分增多，
即逐渐呈亚共晶组织。钎流动距离愈长，
图6一8 1000℃时纯银钎焊铜
的钎缝组织
母材向钎料中的溶解作用愈来愈减缓。在冷凝时，熔态
钎料中的过剩相(与母材同种组元)即沿着母材的某些晶粒
为晶核结晶长大。在冷却速度较快时，过剩相不能完全沿
着以母材晶粒为晶核析出，而会在尚未凝固的钎料中间以
云朵状初晶的形式析出，形成典型的亚共晶钎缝组织(图6
一9)。
图6-9 用AI-Si 共晶钎料钎焊铝时的钎缝结构
1~6 为钎缝上依次截取的部分结构 钎焊温度600℃ 钎缝流长200mm
6.5.3金属间化合物钎缝组织
钎料中一个组元如果含量较大又能与母材生成金属间化
合物，则在钎缝中会出现这些化合物的特征。母材和钎
料在界面上形成金属间化合物的过程可能如下:在温度T
时，以B钎料钎焊A(图6一10)则A迅速向B中溶解，界
面区的浓度可达C，冷凝时，首先在界面上析出金属间
化合物。如果A-B系存在几种化合物，在一定条件下(如
钎焊温度过高)，母材向钎料的溶解在界面区先生成含母
材少的一种化合物，当仍未达到该温度卞的平衡状态时
，A、B之间还将继续扩散，钎缝冷凝后就有可能形成另
外一种或几种化合物。
例如，用锡钎焊铜的温度达到350℃,则界面除形成
Cn6Sn5(η相)外,还有含铜量较高的化合物Cn3Sn（ε相)。
除了溶解、扩散形成化合物外，界面区的化合物也可能由母材
和钎料直接化学反应形成。
在实际的钎焊中，钎料往往是
某种合金系。如果某组分能与母材
形成化合物，并且它对母材的亲和
力又显著大于对钎料基体金属的亲
和力，则在该组分浓度很低的情况
下就会出现化合物层，例如，以AgSi钎料钎焊低碳钢(含Si仅低达1%)
就是这样。反过来，以Ag—Zn钎料
图6—10形成化合物的状态图
由于Zn对钎料基体Ag的亲和力比对母材Fe的亲和力
钎焊低碳钢，大得多，即使该组分浓度很高(含w（
Zn）可高达50%)也不易产生化合物层。如该组分对
二者的亲和力大小相近，则它在钎料中的浓度达到一
定值后才形化合物层，例如，同样Ag一Sn钎料钎焊
低碳钢，含w（Sn）小于14.5%}，不出现化合物相，
含w（Sn） <26%，则出现了脆性的化合物。
鉴于以上的规律，若在钎料中加人能同钎料形成
化合物但不同母材形成化合物的组分，或者控制同母
材形成化合物的组分浓度，均可避免或减少钎缝界面
上出现化合物层。另外，从钎焊工艺上来看，温度高
、保温时间长，化合物层便会增厚。
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§6.6 钎料、钎剂及其选用
钎焊材料包括钎料和钎剂。钎料和钎剂的合理选择对
钎焊接头的质量有着举足轻重的作用。
6.6.1 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
（1）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。
6.6.2 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：
⑴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
⑵ 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×× ）
第一位数字表示钎料的化学组成类型，二、三位数字表示
同一类型的不同牌号。如：HLAgCu26-4
此外，还有电子工业部、化学工业部的老标准，选用时应注意。
（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
（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
6.6.3 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（只能用于300℃以下钎焊表面氧化不严重的金、银
、铜等金属）是最常用的非腐蚀性软钎剂。
 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。
（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
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§6.7
钎焊方法与工艺及接头质量控制
6.7.1 钎焊的方法
（１）烙铁钎焊(iron
soldering)
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
（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)
将工件部分或整体浸入覆盖有钎剂的钎料浴槽或只有熔盐的盐浴槽
中加热焊接。这种方法加热均匀、迅速、温度控制较为准确，适合于
大批量生产和大型构件的焊接。盐浴槽中的盐多由钎剂组成。焊后工
件上常残存大量的钎剂，清洗工作量大。
4、波峰钎焊(flow soldering ; wave soldering ; spray soldering)
用于大批量印刷电路板和电子元件的组装焊接。施焊时
,250℃左右的熔融焊锡在泵的压力下通过窄缝形成波峰，工件
经过波峰实现焊接。这种方法生产率高，可在流水线上实现自
动化生产。
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)
用高频、中频或工频感应电流作为热源的焊接方法。高频加热适合于
焊接薄壁管件。采用同轴电缆和分合式感应圈可在远离电源的现场进
行钎焊，特别适用于某些大型构件，如火箭上需要拆卸的管道接头的
焊接。 特点：加热迅速，氧化少。
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。
光
学
钎
焊
电弧钎焊焊缝
管道高温感应钎焊
6.7.2 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：
式中 L ：板件搭接长度；H：焊件厚度；σb：焊件
材料的抗拉强度；τj钎焊接头的抗剪强度。
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。
（2）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
5、6—搭接形式
8—搭接加盖板形式
4—盖板形式
7—双盖板形式
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
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
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。
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
6.7.2.1 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。
6.7.2.2 装配和固定
6.7.2.2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。
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
6.7.2.3 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。
6.7.2.4 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。
①加热速度
②冷却速度
6.7.2.5 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。
6 .7 .3 钎焊接头缺陷成因及质量控制
钎焊生产过程中，接头常常会出现一些缺陷，如气孔
、夹渣、未焊透、裂缝和溶蚀、溶析等。这些缺陷的
存在，难以保证接头的质量。因此，分析钎焊接头缺
陷的成因，制定防止措施，是钎焊质量控制的经常性
工作。
1. 接头不致密性缺陷
钎缝中各种气孔、夹渣、未钎透、裂缝等缺陷的存在不
仅降低接头的强度也使接头的气密性大受影响。这类不致密
性缺陷的产生除与钎焊工艺参数(温度、保温时间、冷却速度
)不当、焊前清理不干净、钎料，钎剂不合适外，还与钎焊过
程中熔化钎料及钎剂的填缝过程有很大的关系。
大量试验证明，在常用的平行间隙情况下，液态钎剂或
钎料在填缝时不是均匀、整齐地流人间隙，而是以不同的
速度、不规则的路线流人间隙的，这是产生不致密性缺陷
的根本原因之一。
从理论上说，如果接头间隙均匀，且问隙内部金属表
面粗糙度和清洁度是均一的，则液态钎剂或液态钎料在
间隙内部的填缝过程中速度和走向应该比较均匀整齐的
。而实际情况常常不是这样。
 一方面，由于间隙内部的金属表面不可能绝对平齐，
清洁度也有所差异，加之液态钎剂和钎料同金属表面的
物理化学作用等因素的影响，使钎剂和钎料在填缝时常
常以不整齐的前沿向前推进。通常总是钎剂先熔化，熔
化的钎剂在平行间隙中不整齐的填缝，将一部分气体包
住，被包围的区域无法去膜且气体很难被排出。当熔化
的钎料填缝时，由于包围处的金属缺乏钎剂的去膜作用,
钎料也无法填充,结果形成小包围的现象(图6一22)。
残留在包围圈内的气体便形成了气孔。同样的道理，在
钎料填缝时也会造成对钎剂的小包围现象，结果形成小块
的夹渣。这种不致密性缺陷就这样形成了。
另一方面，在平行间
隙条件下钎焊时，钎
缝外围受钎剂或气体
图6一22实际的填缝过程和
小包围缺陷形成过程示意图
介质去氧化膜的
作用比间隙内部更为充分，同时钎缝外围的温度往往
比间隙内部高，其结果将使钎料在外围流动比在间隙
内部填缝要快，这就可能造成钎料对间隙内部的气体
或钎剂的大包围现象，如图6-23所示。一旦形成了大
图6一23 钎缝中大包围缺陷形成示意图
包围后，所夹的气体或残渣就很难从很窄的平行间隙中排
出，使钎缝中形成大块的气孔和夹渣缺陷。此外，钎剂在
加热过程中可能分解出气体，母材或钎料中某些高蒸气压
元素的蒸发以及溶解在液态钎料中的气体在钎料凝固时会
析出。这些气体在钎料凝固前如来不及全部排出钎缝，也
会形成气孔。
从以上分析来看，在一般钎焊过程中，尤其对较大钎
接面的接头，要完全消除这类缺陷是很困难的。但仍应采
用相应的措施，尽量减少产生的可能性。下面的措施有利
于提高钎缝致密性:
(1)适当增大钎缝间隙。适当增大间隙，可使缝隙表
面高低不平而造成的缝隙差值较小，因而毛细作用力比较
均匀，这样有助于钎料比较均匀的填缝，可以减少由于小
包围现象而形成的缺陷。
(2)采用不等间隙。不等间隙也就是不平行间隙。然
而完全采用不等间隙，焊件的装配精度难以保证。但可以
采用部分不等间隙，不等间隙接头的示意图如图6一24所
示。其夹角a以30～60为宜。
图6-24不等间隙接头 示意图
图6-25不等间隙对钎刘或钎料填缝的影响
对不等间隙来说，小间隙端的毛细作用最强，无论
从小间隙端添加钎料如图6-25(a)还是从大间隙端或侧
端填缝如图6=25(b),(c)，总是先填满小间隙，逐渐再
向大间隙发展。这样就大大减少了小包围的倾向，较易获
得致密的钎缝。基于间样原因，不等间隙也有利于减少
大包围现象。因为熔化的钎料总先在小间隙外围形成钎角
，再向大间隙外围推进。最后，不等间隙对间隙内已形成
的气孔或夹渣也有一定的排除可能性，因为被包围的气体
或夹渣都有向大间隙端移动的倾向。
采用不等间隙可以提高钎缝的致密性，但是，由于
影响钎缝致密性的因素(如前所述)很多，因此并不能解决
全部问题，在这方面还有待于进一步的研究，以确保钎焊
质量。
2.熔析和溶蚀
钎焊时钎缝往往并不光滑，有的钎焊在钎料的流人端留
下一个剩余的钎料瘤，有时又会留下一个凹坑，前者称熔
析后者称为熔蚀。二者产生的根本原因在于钎料的组成和
钎焊温度搭配不当。
 熔析的现象主要在应用亚共晶钎料时容易发生。图6一26
示出共晶型料的相图。主成分B和母材具有相同的组元，
如果钎料的成分为a，工作温度为T1钎焊时存在的是组成
为s的固相和组成为c`的液相。钎焊进行时，液相c`顺
着钎缝流走，剩下的是组成为s固相，而s只有
相当于s’的温度时才有可能熔化，但它已接近母材B的熔
点BT , 因此注定它将成为一个赘瘤留下，只能用随后的
机加工将其除掉。如果一开始工件的温度是T2或高于T2
的温度，钎料熔化后其中便不存在固相，钎料流走后则不
会有任何高熔点的残余留下。
钎料成于分愈靠近B，上述
熔析现象就会愈严重。通常
，钎焊温度总是高于钎料的
液相，也即成分为a的亚共
晶钎料其钎焊至少要高出T2
许多, 产生熔析的原因似乎
根本不存在。
图6一26熔析的解释
但问题在于工件的升温速度如一果较缓慢，当升到 Te～
T2间而钎料低熔部分很快流走的话，这种熔析就会发生
。
 溶蚀是钎焊的一种特殊缺陷，它是母材向钎料过度溶
解所造成的。溶蚀一般发生在钎料安置处、其形式见图
6-27溶蚀缺陷的存在将降低钎焊接头性能，对薄板结构
或表面质量要求高的零件，是不允许出现溶蚀缺陷的。
图6一27 溶蚀缺陷
(a)溶蚀 ; (b) 溶穿
研究表明，正确地选择钎料是避免产生溶蚀现象的主
要途径。选择钎料时应遵循这样的原则:
 钎焊时，不应因母材向钎料的溶解而使钎料熔点进一步下
降，否则母材就可能发生过量的溶解，其溶蚀倾向就较大
;反之，溶蚀的倾向就小。
 其次，钎焊工艺参数(加热温度、保温时间和加热速度)、
钎料用量等均将对能否发生溶蚀现象有较大的影响。
图6一28所示的是铝一硅合金状态图，如用共晶钎料，即w
(Si)=11.7% 的钎料钎焊。这种钎料的特点是在固定温度下全
部熔化，然后铺展和填缝，整个过程很短，母材来不及向钎料
堆集处溶解。此外，母材向铝钎料的溶解，将导致钎料熔点的
升离，从而使溶解过程停止，所以用共晶成分钎料钎焊时，母
材发生溶蚀的可能性较小。
若用亚共晶成分钎料，即w
(Si)<11.7%的钎料钎焊时，当钎料中
的低熔点部分熔化后即开始填缝，遗
留在钎缝外边的部分钎料的熔点较高
，含铝量也比较高，母材同该部分钎
料的铝的浓度差缩小，加之母材铝的
溶解将使堆集处钎料的熔点升高，这
图6-28 Al一Si状态图
于母材的溶解。所以用亚共晶成分钎料钎焊时，母材发生
溶蚀的倾向也不大。若钎料为过共晶成分,即w (Si)>11.7%
时，当低熔点部分熔化并开始填缝后，间隙外留下的高熔
点部分的钎料Si，同母材铝的浓度差增大，尤其是母材铝
的溶解将使高熔点部分的钎料熔点下降，从而形成新的共
晶成分液相，直到全部形成共晶成分。
显然，这将使母材的溶人量增多。而且，即使钎料
全部形成共晶成分后，母材铝还要向液相继续溶解以形成
亚共晶，直到在钎焊温度下所能达到的溶解度为止。所以
，母材的溶解量要比共晶、亚共晶成分钎料多得多，母材
发生溶蚀的倾向也就大得多。因此，钎料成分对溶蚀缺陷
有着根本性的影响。
正如前述，亚共晶钎料的熔蚀较小而过共晶钎料则有
较大的熔蚀。因此除在特殊的情况下，一般较少使用过共
晶钎料。图6一29显示用Al-Si钎料焊纯铝“T”接头的情况
。由于第二相Si的含量不同，在同一温度下(600℃)钎时，
钎缝产生了从熔析到熔蚀的不同结果。
图6一29 600℃钎焊铝时钎料(Al-Si)的组成对钎缝的影响
由左至右钎料含1量(w%)依次为4，6，9, 11 , 12.5 , 14 , 15
另外，钎焊温度越高，母材溶解到液相钎料中的数量
越多，加之温度升高，溶解速度也增大，促使母材更快的
溶解。保温时间过长，也将为母材与钎料相互作用创造更
多的机会，也容易产生溶蚀。同样，钎料量越多，母材的
溶解也越大，这对于薄件的钎焊影响更为致命。
3.母材的自裂
许多高强度材料，如不锈钢、镍基合金、铜镍合金等
，钎焊时在与熔化钎料接触过的地方容易产生自裂现象。
例如，用H62黄铜钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢和钎焊某些
铜合金时，这种自裂现象相当普遍。
经研究发现，这种自裂现象常出现在焊件受到锤击或
有划痕的地方以及存在冷作硬化的焊件上。当焊件被刚性
固定或者钎焊加热不均匀时，也容易产生自裂。
可见，钎焊过程中的自裂是在应力作用下，在被液态
钎料湿润过的地方发生的。
关于自裂破坏发生的机理存在着不同的观点，较多
的人倾向认为:受应力的金属在与能降低固态金属表面能
的表面活性液态金属接触时，液态金属可向固态金属表面
的显微裂缝处渗人扩大，并且使固态金属的强度降低，从
而形成脆性破坏。例如，液态黄铜H62可使1Cr18Ni9Ti钢
的强度下降35%。在这种情况下，如果又有较大的拉应力
作用，当应力值超过它的强度极限时，就会产生自裂。
由于晶界的强度低，液态黄铜就沿着开裂的晶界渗人。所以裂缝都
是沿晶界分布的。
为了消除自裂，从减小内应力出发可以采用以下措施:
(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处理;
(3)减小接头的刚性，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;或采用均匀
加热的钎焊方法，如炉中钎焊等。这不但可减小热应力，而且由冷
作硬化等造成的内应力也可以在加热过程中消除;
(5)在满足钎焊接头性能要求的前提下，尽
量选用熔点低的钎料。如用银基钎料代替黄铜钎
料，因为这样可降低钎焊温度，使热应力减小。
并且银基钎料对不锈钢的强度和延性降低的影响
比黄铜钎料要小。
本章小结

钎焊作为现代材料连接技术是依靠低于母材熔
点的钎料熔化而润湿并填满母材间
隙，进而，液态钎料与固态母材相互间产生溶解和
扩散作用，达到牢固的冶金结合。这一基本连接原
理表明:钎焊连接包括两个过程，一是钎料对母材
的铺展填缝过程；二是钎料与母材的相互作用过程
。

钎料对母材的铺展填缝是建立在液态钎料对母
材固态表面良好的润湿性能之上的。影响钎料润湿
性的诸多因素，如钎料与母材成分的相关系、钎
焊温度、金属表面氧化物、母材表面状态、表而
活性物质、环境气氛等，其本质上都是影响液态
钎料与固态母材这一体系的自由能的变化。当固
态母材表面张力增大，液态钎料表面张力减小，
尤其是钎料与母材界而张力的减小，都将提高钎
料的润湿性。

就钎焊接头的性能而言，钎料与母材的相互
作用(溶解和扩散)有着致关重要的意义。这种相
互作用与钎料和母材之间的状态图密切有关。并
与许多钎焊工艺因素如钎焊方法、温度、去膜
方式、保温时间、冷却速度、接头型式及间隙大小
，甚至不忽略对母材表面的必要处理，一起对钎缝
的组织形态和接头性能及缺陷形成起着重要的影响
。成为获得一个优良钎焊连接接头的重要保证。