第一章钎焊接头的构成过程

液态钎料在垂直放置的平行板间 隙中的爬升高度
把两块玻璃板竖 直放置，在一端 夹一根火柴棍， 使玻璃板间形成 一楔形夹层，把 它放在水中，则 水面上升的高度 随夹层宽度的减 小而增大，形成 一条曲面
液态钎料爬升的动态过程
由上式可以看出,上升速度与1/y成线性关系。采用X-射线 摄影研究钎料爬升速度与高度的关系时发现,爬升液体的前沿 不整齐,弯曲液面的形状不规则,因而造成内部空穴,使实验验 证发生困难。这是由于上式导出过程中假定了壁面处η=0,而 且上升过程中-2σcosθ/a保持恒定。这与实验条件不符合。
钎缝不致密性缺陷的形成机理
钎缝中不致密性缺陷产生的原因： 在通常的平行间隙的情况下，液态钎料 和钎剂并不是均匀一致，整齐划一地流 入间隙的，而是以不同的速度和不规则 的路线流入间隙的，这是产生不致密性 缺陷的根本原因。
钎缝不致密性缺陷的形成机理
大包围现象：
当钎料（或钎剂）熔化后从平行间隙的一侧向间隙中填充 时，在流动前沿和间隙的侧面边缘处都将出现弯曲液面，因而 造成在钎缝边缘处的附加压力比内部大，这使得钎料（或钎剂） 沿钎缝外围的流动速度比内部的填缝速度大，因而可能造成钎 料对间隙内部的气体或钎剂的大包围现象。一旦形成大包围后, 所夹住的气体或钎剂残渣就很难从很窄的平行间隙中排除,使
钎缝中形成大块的夹气和夹渣缺陷。
钎缝不致密性缺陷的形成机理
小包围现象：
从理论上来说,如果接头间隙均匀,且间隙内部金属的表面状 态一致,则液态钎剂或钎料在间隙内部的流动速度应是基本相 同的。然而实际上由于间隙内部金属的表面不可能绝对平齐, 清洁度也有差异,加上液态钎剂和钎料与母材的物理化学作用 等因素的影响,常常造成钎料在间隙内紊乱地流动,流动前沿 形似乱云,结果造成小包围现象。如果大小包围所围住的是气 体，则形成夹气缺陷，如果围住的是钎剂，则形成夹渣缺陷。
l 致密氧化膜 呈低结晶态，能保 护基底金属免于进一步的氧化， 如γ-Al2O3、Cu2O(红色)等； l 疏松氧化膜 膜疏松多孔，不能 隔绝空气，避免氧化，如Fe2O3、CuO等。
固体金属的表面结构
固体纯金属的表面结构：
在氧化膜之下是一层厚度 约为1-2μm厚的微晶组织，其 下层是1--10μm的变形层，这 一层则是由于金属在成形加工 （如压力加工）时所形成的晶 粒变形的结构。
考古发现：
l 5500年前用锡钎焊银摆设（古埃及） l 5000年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及） l 5000年前用银钎料钎焊的管子（古埃及） l 4000年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及） l 公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝
首饰等（中国）
l 公元79年被火山爆发埋没的庞贝城中有用锡 铅钎料钎焊的家用铅制水管（古罗马）
要实现其逆过程则需要外界对系统做功Wi,即:
W i G isg sl
Wi为浸渍功,它反映液体在固体表面上取代气
体的能力。
在浸渍钎焊过程中(如盐浴钎焊、金属浴
钎焊),所发生的现象即为浸渍润湿。
浸渍润湿示意图
润湿的分类
l 铺展润湿
是液滴在固体表面上铺开的过程,即以液固相界
面和新的液气相界面来取代固气相界面和原来的液
l 保证提高连接质量
第一章 钎焊接头的形成过程
§1.1 钎料的润湿与铺展过程 §1.2 钎料的毛细填缝过程 §1.3 影响钎料润湿性的因素 §1.4 钎料润湿性的评定
钎料的润湿与铺展过程
l 固体金属的表面结构 l 润湿的分类 l Young 氏方程 l 润湿功、润湿角及表面张力间的关系 l 钎剂覆盖条件下熔融钎料与母材的界面
设固－气、液－气和固－液三相界面的比
表面自由能分别为σsg、σlg和σsl，则上述过 程的自由能变化为:
G as l (sg lg ) 其逆过程将需要外界对体系作功Wa,即:
G 'asg lg sl
Wa称为粘附功,表征固液相界面结合程度。 粘附功越大,即附着润湿越强。
气相界面的过程。
当铺展面积为单位值时,表面自由能变化为:
G ss llg sg
其中:Δσlg＝σlg(new)－σlg(old),即过程前后液气相界 面自由能的变化,实际是液气相界面面积的变化。
若假设液滴的体积很小且完全铺展,则上式可简化:
G ss l lg sg
焊接技术的历史与发展
l 固相连接技术的出现同样具有悠久的历史。但作为现 代焊接技术的重要组成部分这一意义上的固相焊接， 则还是近一个世纪以来的产物。
l 固相连接中最典型的方法当属扩散焊，扩散焊方法出 现于上个世纪中叶，这种方法在早期并未受到重视。
l 近年来随着材料科学的发展，陶瓷、金属间化合物、 非晶态材料及单晶合金等新材料不断涌现，这些新材 料用传统的熔焊方法很难实现可靠连接。
间隙中的爬升高度
当x＝a/2时,θ为接触角,此时
y h 2lgcos ga
将Young氏方程代入上式可得
h 2(sg sl) ga
由上二式可见,当σsg大于σsl时(此时 θ＜90°),有h＞0,即液态钎料可以填 缝,并且随着接触角θ减小,爬升高度h值增大。此外,由于 h∝1/a,即间隙越小,毛细作用越强,钎料填缝能力也就越强;而 当σsg小于σsl时(此时θ＞90°),有h＜0,即液态钎料不能填缝。
焊接技术的历史与发展
5000年以前美索布达米亚时代
焊接技术的历史与发展
文献记载：
l 汉 班固 撰《汉书》：胡桐泪盲似眼泪也，可 以汗金银也，今工匠皆用之。（汗即焊）
l 宋 宋应星 撰《天工开物》：中华小钎用白铜 末，大钎则竭力挥锤而强合之，历岁弥久，终 不可坚。（小钎即钎焊，大钎为锻焊）
l 明 方以智 撰《物理小识》：焊药以硼砂合铜 为之，若以胡桐汁合银，坚如石。今玉石刀柄 之类焊药，加银一分其中，则永不脱。试以圆 盆口点焊药于其一隅，其药自走，周而环之， 亦一奇也。
则有:
G s s l(s gl) g 2 l g W a W n
其中：Wn＝2σlg为液体的内聚功。
铺展润湿示意图
co s(sg sl lg
θ称为润湿角，衡量润湿程度的大 小。
0 90 能润湿 90 180 不润湿 180 完全不润湿
W a G a s g l gsl
如果钎料是预先放置在钎缝间隙中的,在钎
料熔化并润湿母材时,情况与附着润湿相近。
附着润湿示意图
润湿的分类
l 浸渍润湿
指固体浸入液体的过程。在此过程中固气相
界面为固液相界面所取代,而液相表面没有变化。
浸渍面积为单位值时,自由能变化为:
Gislsg
sgsl
液态钎料的毛细填缝过程
当把钎料放在钎缝间隙附近,钎料熔化后 有自动填充间隙的能力,即所谓的钎料填缝。 这是由于液态钎料对母材润湿而产生弯曲液面 所致。
如果将金属细管插入液态钎料中,管子的 半径足够小,则在管壁处的液面就呈现连续的 弯曲液面,因而产生附加压力,使钎料沿细管上 升。这就是通常所说的毛细现象。
研究材料连接过程中界面行为的必要性
l 分析连接接头的形成机制
作为焊接概念下的接头形成过程，都是使材料被 连接部位原有的固体表面消失或为新的固—固相界面 取代的过程。分析界面在连接过程中的行为，则是探 求连接接头形成的物理本质的有效途径。
l 阐明连接接头的形成原理
在材料连接过程中，会涉及到固—固、固—液、 固—气、液—液和液—气相界面，这些相界面的产生、 发展、转化和消失遵循着自然界的基本物理规律，因 而也反映着接头形成过程的物理本质。
l 作为固相连接方法之—的扩散连接技术，成为连接领 域新的研究热点，并广泛应用于航空、航天、仪表及 电子等工业领域，并逐步扩展到机械、化工及汽车制 造等行业。
焊接技术的历史与发展
l 电弧的发现为材料连接技术带来了革命性的发展和进 步,电弧作为一种可以使钢铁等高熔点材料熔化的能量 高度集中的热源，使得金属材料的熔化焊接成为可能。
钎焊 不熔化 有 外加 无 部分可拆卸 冶金结合
焊接技术的历史与发展
l 连接技术是伴随着材料的应用而产生的。 在人类还只能使用天然材料时，就产生 了捆绑、镶嵌、缝纫等连接技术。
l 当人类可以制造材料后，现代意义上的 连接技术就开始萌生了。
l 除机械方法以外，钎焊或许是最古老的 连接金属的技术。
焊接技术的历史与发展
张力的变化
固体金属的表面结构
固体纯金属的表面结构：
最外层表面为0.2--0.3nm的 气体吸附层。随着金属性质的不 同，吸附气体的种类和厚度有一 定差别，一般主要吸附的是水蒸 气、氧、二氧化碳和硫化氢等气 体。
固体金属的表面结构
固体纯金属的表面结构：
次表层为3--4nm厚的氧化 膜层，常由氧化物的水合物、 氢氧化物和碱式碳酸盐等成分 组成。
l 焊接技术的主体内容：
应涵盖熔化焊接、钎接和固相焊接几部分。
材料连接的方法及其基本特征
材料连接的方法及其基本特征
三类焊接技术特征的对比
方法 熔化焊
பைடு நூலகம்母材 受热 熔化
填充 材料 有或无
热源 外加
压力 接头拆卸性 结合特征 无 不可拆卸 冶金结合
固相焊 不熔化 无 内部 有 不可拆卸 冶金结合 或外加
毛细现象对于钎焊过程具有实际的意义。
液态钎料在垂直放置的平行板 间隙中的爬升高度
当将两互相平行的金属板
垂直插入液态钎料中时,假
设平行金属板无限大,钎料
量无限多,由于存在毛细作
用,如果钎料可以润湿金属
板,则会出现图(a)所示的
情形,否则,则会出现图(b)
的情形。
(a)
(b)
液态钎料在垂直放置的平行板
l 焊接方法处于绝对主导地位 过程最复杂 发展最迅速 应用最广泛
材料连接的方法及其基本特征
l 焊接技术：
将两种或两种以上的（同种或异种）材料通过原子或 分子之间的结合和扩散造成永久性连接的工艺过程。
l 焊接与机械连接（如铆接）和粘接的差异：
被连接的材料不仅在宏观上建立了永久性的联系，而 且在微观上建立了组织之间的内在联系。
l 在十九世纪末叶，熔化电极的和非熔化电极的、直接 作用电弧的和间接作用电弧的、手工的、半自动的和 自动的、无保护的电弧和保护气氛中的电弧焊都已被 提出和获得实施。
l 同一时期，气焊以及接触电焊（电阻焊）的基本形式-点焊和滚焊也获得了研究和发展。
l 随着冶金、化工、电工、电子等技术的不断发展和进 步，以电弧焊为代表的熔化焊接技术成为材料连接领 域中处于主导地位的连接方法。
l 经过酸洗的表面仍不是理想表面或清洁表面， 它在钎焊前还可能氧化，并形成一层较薄的氧 化膜。
l 钎焊过程通常就是在这样的表面上进行的。
l 附着润湿 l 浸渍润湿 l 铺展润湿
润湿的分类
润湿的分类
l 附着润湿
指固体与液体接触后，将液气相界面和固
气相界面变为固液相界面的过程。在此过程中
系统的表面自由能将发生变化：
固体金属的表面结构
合金表面结构更为复杂： 通常表面能较低的亲氧的组元在固
态情况下也会扩散并富集于表面，形成 复杂多元组成的表面膜。
随着存储期的延长，这层膜还会进 一步增厚。
固体金属的表面结构
l 在实际钎焊过程中，所涉及到的母材表面都会 有一层前述的表面的结构。
l 为使钎焊过程得以顺利进行，要根据膜的基本 性质，采用还原性酸（如HCl、HF、稀硫酸、 有机酸）、氧化性酸（如HNO3）或碱（如NaOH、 KOH）等来去除。
当y很小,a也很小时,上式的第二项可以忽略,于是简化成
Udyal cos dt 4y
由上式可以看出,当毛细间隙a较小,在爬升初期,上升速度与毛 细间隙成正比。间隙越大,初期上升速度越大。
钎缝不致密性缺陷的形成机理
钎缝不致密性缺陷： 指钎缝中的夹气、夹渣、夹气夹渣、气 孔和未钎透等。 这些缺陷一般处于钎缝的内部，但经机 加工后会暴露于钎缝表面，并因而对工 件的密封性、导电性和抗腐蚀性等带来 不利的影响。
材料连接过程中的界面行为
第一章钎焊接头的形成过程
绪论
l 材料连接的方法及其基本特征 l 焊接技术的历史与发展 l 研究材料连接过程中界面行为的必要性
材料连接的方法及其基本特征
l 连接技术已经出现了多种方法： 捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接
l 连接过程中涉及到的能量类型： 光、电、声、化学、机械
l 结合性质： 机械结合、化学结合和材质结合