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釬焊的基本原理

來源:至德鋼業 日期:2021-10-14 16:50:46 人氣:915

  釬焊包含著兩個基本過程:一是釬料填滿釬縫的過程;二是釬料同母材相互作用的過程。如果釬焊時使用釬劑,則還有一個釬劑的填縫過程。要想獲得優質的釬焊接頭,其工藝過程就必須具備兩個基本條件:一是液態釬料潤濕母材,并在釬縫間隙的毛細作用下致密地填滿全部間隙;二是液態釬料與母材進行必要的冶金反應,達到良好的金屬結合。


1. 液態釬料對母材的潤濕


  液態釬料必須很好地潤濕母材表面并均勻地鋪展,才能填滿釬縫。從物理化學得知,將某液滴置于固體表面,若液滴和固體界面的變化能使液-固體系自由能降低,則液滴將沿固體表面自動流開鋪平,呈現如圖6-27所示的狀態,這種現象稱為鋪展。


圖 27.jpg


  潤濕性好或差,可用潤濕角來表征。當θ<90°時稱為潤濕(如水潤濕玻璃),若一種液體越容易在固體表面鋪展,θ越小,潤濕性越佳;當θ>90°時稱為不潤濕(如汞不潤濕玻璃);當θ=0°和180°時,則分別稱為完全潤濕和完全不潤濕。釬焊時希望釬料的潤濕角小于20°。


  由上式可知,潤濕角的大小與各界面張力的數值有關。凡是能改變液-固、液-氣、固-氣界面間的界面張力的因素,都將影響釬料潤濕性。影響因素有如下幾個:


 ①. 釬料和母材成分的影響


  若釬料和母材在液態和固態均不相互作用,則它們之間的潤濕性很差;若釬料元素和母材元素能液態互溶、固態互溶或形成化合物,則它們之間的潤濕性很好。屬于前一種情況的有Fe-Ag、Fe-Pb、Fe-Cd、Cu-Pb等系統。當釬料和母材是多元合金時,它們所含的元素具有互溶或形成化合物的作用,則液態釬料能較好地潤濕母材。因此,可以通過改變釬料的合金成分來改善潤濕性。例如純鉛對鋼的潤濕性很差,但鉛中加入能與鋼形成化合物的錫,鉛-錫合金釬料在鋼表面上的潤濕性就很好。


 ②. 溫度的影響


 溫度升高,液體的界面張力減小,在液-氣和液-固界面張力減小的作用下,明顯地改善了潤濕性。因此,選擇合適的釬焊溫度是很重要的。溫度過高,潤濕性太好,會造成釬料流失。


③. 金屬表面氧化膜的影響


  釬焊金屬表面有氧化膜時,液態釬料的潤濕性很差,往往凝聚成球狀,鋪不開。氧化膜對釬料潤濕性的有害作用是由于氧化膜的界面張力比金屬本身要低得多所致。因此,在釬焊時必須十分注意清除釬料和母材表面的氧化膜。


④. 環境介質的影響


  在釬焊過程中,釬焊接頭所處的環境一般為保護氣體(如Ar、H2、N2)、真空或釬劑。保護氣體和真空度都影響液-氣和固-氣界面張力,因而影響到釬料的潤濕性。在大氣中釬焊采用釬劑后,能消除表面氧化膜和改變液釬料的界面張力,從而顯著改善潤濕性。


⑤. 母材表面狀態的影響


  母材的表面粗糙度和花紋形狀對釬料的潤濕性也有一定的影響。一般表面粗糙度越小、越平整、無紋路,則鋪展面積越小。粗糙的表面有各種花紋的溝槽,有利于釬料、沿溝槽鋪展。


⑥. 表面活性物質的影響


 凡能聚集在溶液表面使溶液表面張力顯著減小的物質稱為表面活性物質。因此,當液態釬料中加有表面活性物質時,它的表面張力將明顯減小,因而對母材的潤濕性也得到改善。


2. 液態釬料的毛細填縫


  在液態釬料潤濕母材的條件下,液態釬料必須填滿釬焊接頭的全部間隙,才能形成良好的接頭;而液態釬料只有依靠毛細作用,才能自動地向間隙內流動、填滿。


  液體對固體的毛細作用表現為:把間隙很小的兩平行板插入液體中時,液體在平行板的間隙內會自動上升或下降一定高度,如圖6-28所示。


圖 8.jpg


  ①. 當θ<90°時,h>0,即液體沿間隙上升;若θ>90°,則h<θ,即液體沿間隙下降。顯然,釬焊時只有在釬料能充分潤濕母材的條件下,釬料才能填滿釬縫。


   圖6-28表示釬料預先放置在接頭間隙內的潤濕情況。當釬料熔化潤濕性良好時,釬料填滿間隙并在釬縫四周形成圓滑的釬角;若潤濕性差,釬料全部推出間隙,聚集成球珠狀,間隙內沒有釬料,接頭也就沒有焊牢。


 ②. 液體沿間隙上升的高度h與間隙大小a成反比。間隙越小,釬料縫高度越高。因此,在釬焊接頭設計和裝配時,保證小的間隙對填縫有利。


 ③. 液態釬料的密度對填縫能力也有影響。密度小的釬料比密度大的釬料有較高的填縫能力。


  需要指出的是,釬料填縫的上述規律是在液態釬料與固態母材間沒有相互作用的條件下得到的,它們在實際釬焊過程中總存在一定程度的反應(溶解、擴散等),致使液態釬料的成分、密度、黏度和熔點等發生變化,從而使填縫現象復雜化。甚至出現這種情況:在母材表面鋪展得很好的液態釬料竟不能流人間隙,這往往是由于釬料熔化后在間隙處已被溶入的母材所飽和而失去了流動能力。此外,上述規律是指間隙處于垂直位置。在水平位置,釬料的填縫能力比垂直位置的更強。


3. 液態釬料與母材的相互作用


從宏觀看,釬焊過程中母材不熔化,但是從微觀看,在液態釬料與母材之間會發生母材向釬料中溶解和釬料向母材擴散的相互擴微反應。這些相互擴散反應對釬焊接頭的性能影響很大。


①. 母材向釬料的溶解


 母材向釬料的適量溶解,可使釬料成分合金化,有利于提高接頭強度。例如,用純錫釬焊紫銅時,純錫纖料強度為14MPa,而釬縫強度可達到57MPa.但是,母材的過度溶解會使液態釬料的熔點和黏度提高、流動性變壞,往往導致不能填滿釬縫間隙。同時也可能使母材表面出現溶蝕缺陷[見圖6-29(a)],嚴重時出現溶穿[見圖6-29(b)]。


圖 29.jpg


 母材能否向釬料溶解同它們之間的狀態圖密切有關。若釬料和母材元素在液態和固態時均不互溶,也不形成化合物,則不發生母材的溶解現象。例如,對Ag-Fe系來說,就不發生鐵向銀的溶解。若在合金狀態圖上有液態或固態互溶的,則會發生母材的溶解現象。因此,凡是釬料對母材有好的潤濕性,能順利進行釬焊,母材在液態釬料中都發生一定程度的溶解。


 母材在液態釬料中的溶解量隨著液態釬料數量的增多,釬焊溫度的提高,保溫時間的延長以及母材在釬料中的極限溶解度的增大而增多。為了防止母材溶解過多,必須合理選擇釬焊材料和工藝參數。


②. 釬料組分向母材的擴散


 液態釬料填滿釬縫間隙時,釬料組分由于與母材的組分或濃度的差別,必然發生釬料組分向母材擴散的現象。擴散量大小主要與濃度梯度、擴散系數、擴散面積、溫度和保溫時間等因素有關。釬料組分向母材的擴散有體積擴散(內擴散)和晶界擴散(晶間滲入)兩種。體積擴散的產物為固溶體,對釬焊接頭性能沒有不良影響。晶間滲入的產物為低熔點共晶體,性能較脆,對接頭性能有不良影響。



本文標簽:釬焊 

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