哈工大_钎焊_杨建国 11.第01章 钎焊接头形成(钎焊接头的金属学形态)
第1章 钎焊 绪论
1
课程安排
• 1 本课程根据教学大纲计划安排24学时，讲 授24学时；
• 2 本课程为考查课，成绩采用平时 （50%） +期末考核（50%）进行综合评定；
• 3 教材：《钎焊》，主编：朱艳， 哈尔滨 工业大学出版社，2012。
• 参考书《钎焊》，邹僖主编，第二版，机 械工业出版社，1989
主要内容
• （4）依靠液态钎料与固体母材的相互 扩散而形成冶金结合。
• 钎焊是最古老的焊接方法-几千年前 • 钎焊应用于最尖端的产品制造-微电子
器件 • 钎焊是研究最落后的焊接方法-系统性
和理论
6
• 生产活动是人类社会生存和发展必须的； • 所有生产活动都是为人类社会消费服务的； • 生产技术是提高生产质量、生产效率，减低生
34
3. 钎剂的分类 钎剂的分类方法很多，通常分为：软钎剂、硬钎
剂、铝合金钎剂及气体钎剂等。 不同的方法，要使用不同的钎剂。
35
29
（三）对钎料的要求及钎料的分类 1. 对钎料的要求
钎焊时用的填充金属称钎料。由于焊件是依靠熔 化的钎料凝固后而被连接起来的。因此，钎焊接头的 质量与性能在很大程度上取决于钎料。
30
为了满足工艺要求和获得高质量的钎焊接头，钎 料必须满足下列基本要求： 1) 应具有合适的熔点。钎料的熔点至少应比母材的熔点 低40～50℃。若两者熔点太接近，则钎焊过程不易控 制，甚至可能引起母材过热或局部熔化。 2) 应具有良好的润湿性，能充分填满接头间隙。 3)与母材的物理化学作用应保证它们之间形成牢固的结 合。 4)成分稳定，尽量减少钎焊温度下元素的损耗；少用或 不用稀贵金属。 5) 满足钎焊接头物理、化学和力学性能的要求。
位简便而又准确。 对于尺寸较大结构复杂的零件，一般采用专用夹
哈工大_钎焊_杨建国 24.第04章 钎焊接头的设计
钎焊接头的设计
• 钎焊接头的形式 由于钎焊结构的千变万 化，实际钎焊接头可能 有各种形式。但就其两 被连接工件之间的相对 位置来看，不外乎为对 接、搭接、角接和T型接 头几种基本形式。而这 几种基本形式的变化和 组合就产生了各种各样 的接头形式。
钎焊接头的几种基本形式
钎焊接头的设计
• 钎焊接头的形式
钎焊接头的设计
• 接头长度对间隙确定的影响 接头长度对确定间隙的大小也有比较大的影 响，特别是当母材与钎料之间存在有明显的 相互作用时更要注意这一点。当钎料进入间 隙中时，在长钎缝中钎料可能会有足够的时 间与母材发生相互作用，使钎料的熔点升高 和流动性下降，造成未钎透缺陷。因此，在 给定的钎焊条件下，接头越长，钎料填满间 隙所需的时间越长，母材与钎料间的相互作 用程度越大，间隙也就必须选的越大。这也 是为什么要尽可能缩短接头长度的重要理 由。这与取得接头最佳强度是一致的。
钎焊接头的设计
• 表面粗糙度对间隙确定的影响 对于毛细钎焊来说，如果母材表面非常光滑， 将会使液态钎料的铺展填缝能力减弱，钎料可 能难以在整个接头中流布，因此可能增加不致 密性缺陷的比例，并因而影响接头的承载能 力。为保证钎料流满接头间隙，特别是当间隙 为零或紧配合时，接头的结合面应预先打磨， 最好用于母材相匹配的清洁金属颗粒进行打 磨，尽量不用非金属类物质以避免污染钎焊表 面，造成接头强度下降。
钎焊接头的设计
• 钎焊接头间隙的选定
由于钎焊间隙的大小对接头有着明显的影响，并且 对于不同形式的接头和不同类型的载荷，以及不同 的母材和钎料组合，对间隙都有着不同的要求，因 此，钎焊接头间隙的确定是一个非常复杂的问题。 通常在确定接头间隙时要考虑以下几方面的因素： (1)母材与钎料的匹配及其机械性能，如：拉伸强 度、剪切强度、弹性模量、剪切弹性模量等； (2)钎焊接头的形式，如：对接、搭接、角接等； (3)钎料与母材间的相互作用，如：溶解、扩散、 偏析、晶粒长大等； (4)钎焊缺陷及钎着率等。
钎焊－第一章钎焊接头的形成过程
第一章钎焊接头的形成过程本章教学目的：1. 掌握钎料的润湿与铺展、钎料的毛细流动2. 掌握钎料润湿性的评定和影响钎料润湿性的因素3. 掌握液态钎料与母材的相互作用本章课时安排：4H本章重点难点：影响钎料润湿性的因素；液态钎料与母材的相互作用通过绪论中学习钎焊的定义，我们知道，钎焊的过程为：钎料与母材同时加热到钎焊温度，钎料熔化并通过毛细作用流入接头间隙，再通过其与母材发生相互作用形成新的合金，然后在钎缝中冷却结晶形成接头，从而把零件连接在一起。
要想获得优质的钎焊接头，液态钎料必须能够充分地流入并并致密的填满接头间隙，并且钎料能够很好地与母材相互作用。
显然，钎焊包含着两个过程：①钎料填满钎缝间隙的过程；②钎料与母材相互作用的过程。
但并非任何熔化的钎料都会产生这两个过程，也就是说并不是任何熔化的钎料都能够充分地流入并并致密的填满接头间隙，必须在具备一定条件下才能进行，所以为了保证钎焊的实施及接头的质量，就必须首先了解和研究这两个过程的规律性。
第一节钎料的润湿和铺展钎焊时，熔化的钎料是以液态状态与固体母材相接触，液态钎料能否流入接头间隙取决于其对母材的润湿性。
因此，我们首先来学习第一节内容：钎料的润湿和铺展。
一、润湿性润湿性是液态物质与固态物质接触后相互粘附的现象。
当液体处于自由状态下，为使其本身处于稳定状态，往往力图保持球形的表面，当其与固体相接触时，情况就将发生变化，变化规律取决于液体内部的内聚力和液固两相间附着力的相互关系。
如果内聚力大于附着力，则液体不能粘附在固体表面上，这时液体对固体就不润湿；当附着力大于内聚力时，液体就能粘附在固体表面上，力图扩大其与固体的接触面积，这就发生了润湿现象。
二、铺展铺展就是液体在固体表面上自动流开铺平，显然铺展以润湿为前提。
钎焊时液态钎料在固态母材上的填缝过程显然是个铺展过程，因而必然以润湿为先决条件。
只有在液态钎料能润湿固态母材的前提下，它才能填充接头的间隙。
河北工业大学钎焊复习题答案
第一章：1.用能量最小原理推导润湿角与材料表面张力、界面张力之间的关系公式太麻烦就没写，我有手写版的，大家互相问一下也行。
2.推导钎料在平板间隙中上升高度与钎料表面张力、润湿角之间的关系同一水平面上的压力相等，所以得到液面上升高度为⎪⎭⎫⎝⎛+=∆2111RRPLGσθσαασααθπθπθπθπcos2coscos)2()2()2()2(LGLGdRdPP==⋅⋅∆=⎰⎰------⊥h aθΔRagh LGθσρcos20-=gah LGρθσcos2=3. 评价钎料润湿性和铺展性能的方法1) 润湿角测量一定体积的钎料放在母材上 采用相应的去膜措施在规定的温度下保持一定的时间 冷凝后切取横截面，测量润湿角2) 铺展面积测量条件同上凝固后测量钎料的铺展面积3) 利用T 型试件评定钎料的润湿性，冷凝后测量钎料沿T 型试件的流动长度 4) 润湿力测量在试片浸入和拉出的期间测量作用在试片上的作用力，通过信号变换器在记录仪上作为时间的函数连续记录5) 润湿角测量在试片浸入和拉出的期间测量试片上钎料的接触角并记录4. 温度是如何影响钎料在母材上的润湿性的液体的表面张力与温度的关系Am ：一个摩尔液体分子的体积；K ：常数； T0：表面张力为零时的临界温度；τ：温度常数随着温度的升高，液体的表面张力减小，提高了润湿性温度升高，钎料本身的表面张力减小，液态钎料与母材间的界面张力降低，提高了钎料的润湿性温度过高，钎料的润湿性太强，造成钎料流失填缝高度计算(续)aS P P =0SSS 0设S 0’为参考点，其表面处的压力为大气压力 aS PP ='0S 1的压力：大气压力+附加压力RP P a S σ-=1S 0的压力：P S1+液柱高度产生的压力gh RP P a S ρσ+-=0S 0 和S 0’的处于同一高度，压力应该相等gh Rρσ=2)cos(aR =θ得到：ga h ρθσcos 2=再由 因此： aS P P =0)(03/2τσ--=T T K A m5. 金属表面的氧化物是如何影响钎料的润湿性的金属表面上总是存在着金属氧化物，在有氧化膜的金属表面上，液态钎料往往凝聚成球状，不与金属发生润湿，这是由于氧化物的表面张力比金属本身的表面张力要低得多所致。
哈工大_钎焊_杨建国 06.第01章 钎焊接头形成(钎料润湿性的评定 )
钎料润湿性的评定
表面张力及界面张力的测定
界面张力的测定
对于固相间的界面张力 来说,当考虑表面处的 两相邻晶粒时(见右图, 可由如下关系式计算: σ 12 σ2 σ1 = = sin θ 0 sin θ1 sin θ 2 在已知两不同晶粒的表面张力时,就可以求取其 界面张力。
钎料润湿性的评定
表面张力及界面张力的测定
假定液滴为球缺,其体积为：
1 h 2 2 2 V = πh(3r + h ) = πh ( R − ) 6 3 r 2 + h2 R−h ,R = 而 Θ cos θ = 2h R 2 + cos 3 θ ∴V = πR 3 ( − cos θ ) 3
可见,cosθ不再与h有关,而由V来表示。
钎料润湿性的评定
钎料润湿性的评定
表面张力及界面张力的测定
吊板法(Vertical plate method) 吊板法是测定液体表面张力的一种方法，此方法 的条件为接触角等于零。如果接触角大于零， 则可以利用下式计算接触角数值：
W = Pσ lg cos θ −νρg
式中W为吊片所受之力，P为吊片周长，v为吊 片伸入液面下的体积，ρ为液体的密度。式中 vρg为浮力校正项。
固体表面张力的测定
细丝荷重法是采用极细的金属丝, 在其一端挂 一重物并测定其蠕变速度,从而确定出蠕变速 度与载荷之间的关系曲线,并采用外插方式计 算出蠕变速度为零时的载荷值,在这一点处,载 荷与表面张力保持平衡,所以有:
W σs = 2πR 其中: W－蠕变速度为零时的载荷； R－金属细丝的半径。 上式只对单晶体成立。
100 111 100 111 100 111 100 111
220 250 256 298 329 380 370 427 128 35
1 钎焊接头的形成过程-2
预置钎料
润湿不好，钎缝填充不良， 不能形成钎角，甚至钎料流 出间隙，聚集成球状钎料珠
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液态钎料在毛细作用下的流动速度
σ LG a cos θ v= 4η h
润湿好，速度大； 液体粘度越大，流速越慢； v与流动距离h成反比—钎焊时要有足够 的加热保温时间。
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Ag 在 镍 基 高 温 合 金GH30上的铺展 面积比18-8不锈钢 要大的多； Ag 对 镍 基 合 金 的 润湿性比铁基合 金好的多。
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Ag钎料对不同的固体母材润湿性不同。 液态Ag不能润湿Fe，但液态Cu能够润 湿Fe。 在钎料中加入能与母材发生相互作用 的元素，可以改善钎料的润湿性。
θ
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2）测量铺展面积
试验方法同上，测量钎料铺展面积，以 面积大小作为评定尺度。 铺展面积越大，钎料的润湿性越好。
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3）测量流动距离
取一定体积的钎料置于 T型试件的一端的一侧， 采取相应的去膜措施， 将试件在规定的温度下 保持一定时间，钎料熔 化后将沿接头流动。待 钎料冷凝后，测量钎料 流动的距离。 流动距离越长，钎料的 润湿性越好。
1.2 钎料的毛细流动
钎缝间隙通常是很小的（<0.3mm），钎 料是依靠毛细作用在钎缝间隙内流动的。 毛细流动现象：当把间隙很小的两平等 板插入液体中时，液体在平等板的间隙内会 自动上升或下降的现象。
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毛细作用
a
哈工大_钎焊_杨建国 11.第01章 钎焊接头形成(钎焊接头的金属学形态)
钎焊接头的金属学形态
钎焊接头的金属学形态
化合物相一般硬而脆，对接头的机械性能有不利的影 响。当化合物分散不连续分布时，其影响较小，且可能 由于弥散强化作用而强化接头，但是，当化合物层形成 连续层而夹在母材与钎料之间，且厚度较大时，其影响 较大，会使接头明显变脆，强度显著下降。 为减缓界面处化合物相的生成,可采用如下措施:
溶解度特征
结晶状态无变化的完全 互溶系 高温下完全互溶，低温 下产生同素异形转变或 形成化合物体系 大溶解度的体系（用原 子%表示） 中等溶解度的体系 小溶解度的体系 极小溶解度的体系
二元系
Ag-Au，Ag-Pd，Au-Pd，Ni-Pd，Pt-Rh，Cr-Mo，CuNi，Ir-Pt，Mo-W Ni-Pt ， Fe-V ， Fe-Pt ， Fe-Pd ， Fe-Ni ， Cu-Pt ， Fe-Mn， Cu-Pd ， Cr-Fe ， Co-Ni ， Cu-Mn ， Co-Fe ， Cd-Fe ， CdMg，Au-Pt，Au-Cu，Ni-Mn Ag中含Cd42%，Li中含Hg75%，Ag中含Hg36%，Cu中 含Zn38%，Ag中含Pt40%，Ni中含Zn40%，Al中含 Zn66%，Cr中含Ni47%，Pd中含In67% Ni中含W16%，Fe中含Zn18%，Cu中含Be16%，Ni中含 Ta16%，Ni中含Sn10%，Ni中含Be15%，Fe中含Si25%， Fe中含Ge18%，Cu中含Sn9%，Mg中含Pb8% Cu中含Zr0.6%，α-Fe中含Cu1.2%，Cu中含Ti5.6%，Sn 中含Pb1.5% W中含Ni，Sn中含Ni，Si中含Ni，Zn中含Mn，Zn中含 Mg，Sn中含Mg，Ni中含Mg，Cu中含B
Cu-Mn系在Mn含量为35%时有最低熔点。二者 的接触面在这一最低点处溶解(接触溶解)，凝 固时如图分为各相。
哈工大_钎焊_杨建国 05.第01章 钎焊接头形成(影响钎料润湿性的因素2)
影响钎料润湿性的因素
母材表面粗糙度的影响
或
γ (σ sg − σ sl ) cos θ e = σ lg
此即威舍尔(Wenzel)方程。 将Wenzel方程与Young方程比较可得
cos θ e γ= cos θ
的接触角(表观接触角); γ≥1－粗糙因子,定义为真实平面的表面积与理想平面 的表面积之比。
影响钎料润湿性的因素
关于接触角的滞后 一般来说，Wenzel方程的平衡状态 是很难达到的。如果将粗糙表面倾 斜，则在表面上的液滴会出现如右图 所示的情况。这时液滴两边的θ虽然 相等，但表观前进角(θ’a)和表观后退 角(θ’r)却不相等，而且前进角总是大 于后退角，所谓的接触角滞后就是指 这种现象。 显然，表面粗糙不平也是造成滞后 现象的重要原因。
例如:Cu在1050℃时的100晶面和111晶面的σs分别为1509达因 和1560达因;Sn在150℃时,在100和001晶面上的σs分别为765达 因和672达因。
影响钎料润湿性的因素
母材表面能的不均匀性
理想化的不均匀表面,在局部区域上,接触角 取决于该局部的表面能, 而本征接触角为θ1＞θ2, 因此,接触角可以从θ1向 θ2变化,产生接触角滞后 现象。
影响钎料润湿性的因素
表面活性物质的影响
在钎焊过程中,当钎料为多元合金时，由于合 金组分对界面张力的影响不同，使某种成分被 有选择性地吸附（或排斥）到相界面上（或离 开相界面）。 根据最小自由焓原理，如果某成分能降低界面 张力，则该成分一定会被吸附到界面上来，从 而使该成分的表相浓度大于体相浓度，即为 “正吸附” 。反之，如果某成分使固液相界面 张力增大，则会被排斥离开相界面，从而使该 成分的表相浓度小于体相浓度，为“负吸附”。
钎焊-2019-2020-2--
01 液体钎料对固体母材的润湿与铺展
1 钎焊定义：
采用熔点比母材低的材料作钎料，将 焊件和钎料加热至高于钎料熔点，但 低于母材熔点的温度，熔化钎料润湿 母材表面，利用毛细作用使液态钎料 充满接头间隙，依靠液态钎料与固态
2 钎焊的基本原理
对被连接零件和钎料同时加热，使钎料熔 化，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展，在 母材间隙中通过毛细流动、填缝、母材相互溶 解和扩散，从而实现零件的连接。
许 多 钎 料 合 金 表 面 和 大 多
不表在 润面钎氧 湿张焊化 现力温物 象值度的 。较下熔
大为点 ，固一 钎态般 焊。都 时它比 产们较 生的高
） 金 属 表 面 氧 化 物 的 影 响
影 响 钎 料 润 湿 性 的 因 素
，
5
影
溶因较液粗性与 距原洁直 ）
解 而 不 复 存 在 。
为 这 些 细 槽 迅 速 被 液 态 钎 料
影响溶解的因素
1）溶解量同状态图的关系 母材向钎料的溶解同它们之间的状态图密切有关。 若母材A和钎料B在液态下能互溶，并形成图1-17所示状
态图，则在温度T下钎焊时，A在B中的溶解量取决于A在B中 的极限溶解度（线段L)，极限溶解度越大，溶解量也越多。 共晶点E的位置对A的溶解量有很大影响：E点越靠近A，则 液相线DE越倾斜，L1线段将越长，A的溶解量越小。但若用 共晶成分的A-B合金钎料钎焊A，则在钎焊温度T时，A在共 晶钎料中的溶解量取决于线段L-L1的长度，且共晶点E越靠 近A，L-L1线段越短，A的溶解量也越小。因此为了减少母 材的溶解，可在钎料中加入母材组分
谢谢观看
母 材 在 液 态 与 固 态 下 均 不 发 生 作
很 大 。 一 般 来 说 ， 当 液 态 钎 料 与
哈工大-钎焊复习思考题
哈工大-钎焊复习思考题1、钎焊技术原理钎焊是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，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。
2、描述全部钎焊工艺过程并简单分析各不同阶段所发生的物理或化学现象钎剂融化、钎剂填缝、钎剂去膜、钎料融化、钎料填缝钎焊工艺过程：一是钎料填满钎缝的过程，二是钎料同母材相互作用的过程。
如果钎焊时使用钎剂，则还有一个钎剂的填缝过程。
不同阶段的物理化学现象：一：钎剂在加热熔化后流入焊件间的间隙，同时熔化的钎剂与母材表面发生物化作用，从而清净母材表面，为钎料填缝创造条件。
二：随着加热温度升高，熔化的钎料与固态母材接触，润湿母材，并在其上铺展。
随后，熔化的钎料依靠毛细作用在钎缝间隙内流动进行填缝。
三：液态钎料在毛细填缝的同时，与母材发生相互扩散作用，一种是母材向液态钎料的扩散，即通常说的溶解；一种是钎料组分向母材的扩散。
3、钎焊技术特点优点：（1）加热温度较低（2）焊件变形小，尺寸精确高（3）可焊异种金属或材料（4）适合于批量生产，生产率很高缺点：（4）接头强度低（5）耐热性差总之，钎焊最明显的优点：母材不化钎料化。
钎焊较适宜连接精密、微型、复杂、多钎缝、异类材料的焊件。
4、简述钎焊工艺方法原理及特点烙铁钎焊用于细小简单或很薄零件的软钎焊。
波峰钎焊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。
火焰钎焊用可燃气体与氧气或压缩空气混合燃烧的火焰作为热源进行焊接。
火焰钎焊设备简单、操作方便，根据工件形状可用多火焰同时加热焊接。
这种方法适用于自行车架、铝水壶嘴等中、小件的焊接。
电阻钎焊利用电流流过被焊工件时,在钎料与母材界面因接触电阻,产生热量进行局部加热钎料,同时还对待焊接处施加一定的压力,加热快。
钎焊接头的构成过程
钎焊接头的构成过程
1.准备工作：在进行钎焊接头之前，需要准备好所需的工具和材料，
包括各种规格的钎焊材料、气焊设备、钢丝刷、砂纸、洗涤剂、布料等。
2.清洁表面：钎焊接头的成功与否与焊接前的表面清洁程度有很大关系。
首先，使用钢丝刷或砂纸将接头表面的氧化皮和杂质清除干净。
然后，用洗涤剂清洗接头表面，确保表面干净无尘。
3.涂覆草酸和钎剂：涂覆草酸和钎剂有助于增强钎焊接头的可靠性。
草酸能去除金属表面的氧化皮，使钎焊能够更好地连接；钎剂能降低钎焊
温度，防止氧化。
使用刷子将草酸均匀地涂在接头表面，然后再使用刷子
涂覆钎剂。
4.加热和钎焊：将气焊设备预热至适宜的温度。
将火焰置于接头附近，沿着接头的长度均匀移动，逐渐加热接头。
在开始加热之前，要先预热接
头的基材，然后再移动火焰。
一旦接头达到合适的温度，就可以开始钎焊了。
将钎焊材料放在接头上，让其融化并填充到接头之间。
确保钎焊材料
在接头周围均匀分布，并充分填充接头间隙。
5.冷却和清洁：待钎焊过程完成后，将接头冷却到室温。
冷却过程中
不可急于处理接头，以免引起热裂纹。
冷却完成后，用布料擦拭钎焊接头，清洁残留的焊渣和钎剂。
需要注意的是，在进行钎焊接头之前，需要根据具体材料的性质选择
适当的钎焊材料，并确保选用的材料与被接材料相容，并且钎焊接头所需
的温度低于被接材料的熔点，以防止材料烧损或熔化。
此外，在进行钎焊
接头时应遵循相应的安全操作规程，如佩戴防护眼镜和手套，确保自身安全。
哈工大_钎焊_杨建国 02.第01章 钎焊接头形成(钎料的润湿与铺展过程 )
钎剂覆盖条件下 熔融钎料与母材间界面张力的变化
由 Young 方 程 可 知 ， 要 促 进 润 湿 则 需 要 使 σsg 增 加，或使σlg 和σsl 下降．而在实际钎焊过程中，最 常采用的方法是用第二种液体(钎剂)覆盖在钎料与母 材的表面上，从而使界面的情况发生变化．此时有：
σ sf − σ sБайду номын сангаас = σ lf cos θ
钎剂覆盖条件下 熔融钎料与母材间界面张力的变化
据此类推，钎剂与固体母材的界面张力应有类 似的关系。例如：采用Al-Si钎料钎焊Al时，如果 用KCl-LiCl-LiF为钎剂，则润湿情况不佳；如果在 上述钎剂中加入ZnCl2，则由于存在如下反应： 在母材上：2Al+3ZnCl2=3Zn↓+2AlCl3↑ 在钎料上：2Al（Si）+3ZnCl2=3Zn↓+2AlCl3↑ 亦即在钎料－钎剂和母材－钎剂的界面上同时发生 传质反应，因而使润湿效果显著增加。
钎焊
————钎焊接头形成过程
主讲：杨建国 先进焊接与连接国家重点实验室 哈尔滨工业大学
第一章 钎焊接头的形成过程
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 钎料的润湿与铺展过程 钎料的毛细填缝过程 影响钎料润湿性的因素 钎料润湿性的评定 液态钎料与母材的相互作用
第一章 钎焊接头的形成过程
钎剂有无及作用
如果在使用钎剂后可以使 σsf＞σsg或使σlf＜σlg， 就可以促进润湿。
使用钎剂时的界面张力的情况
钎剂覆盖条件下 熔融钎料与母材间界面张力的变化
研究发现，界面有传质作用发生时，界面张 力会下降。 在测定水－油界面张力时，在水中注入乙醇， 乙醇通过水－油界面时会使界面张力下降。 Cd-Pb和Zn-Bi液态金属在有Cd蒸汽渗入时，表 面张力下降。 Cd向CdCl2中溶解时,界面张力也降低。
哈工大_钎焊_杨建国 08.第01章 钎焊接头形成(母材向液态钎料的溶解2)
熔点 (℃) 556 881 779 651 830 518 548 424 437 577 382
A Au Au Cu Ni Cu Ge Fe Mn Nb Mn
B Ge Sb Ti Si Zr Ni Ti Ti Ni Ni
பைடு நூலகம்共晶成份
WGe=12.0％ WSb=～25％ WTi=28.0％ WSi=29.0％ WZr=～46％ WNi=33.2％ WTi=68.0％ WMn=43.5％ WNb=51.6％ WNi=39.5％ 低熔固溶体
溶解现象与状态图的关系
表2-4 适用于接触反应熔化的金属对
A Ag Ag Ag Ag Ag Al Al Al Al Al Al B Al Be Cu Ge Si La Cu Ge Mg Si Zn 共晶成份
WAg=29.5% WBe=0.97％ WAg=71.9％ WGe=19.0％ WSi=4.50％ WLa=76.0％ WCu=33.0％ WGe=53.5％ WMg=67.7％ WSi=11.7％ WZn=95.0％
熔点 (℃) 961 955 370 950 889 1025 1460 640 1237 870
母材溶解过程对钎缝化学成份的影响
母材溶解过程对钎缝化学成份的影响
溶解的速度以及被溶解金属在熔融金属中的分布 特性都取决于溶解过程中速度最小的阶段。 当液态钎料填充毛细间隙之后，母材的溶解是在 液体中没有强迫对流的情况下进行的。 通常钎缝的间隙都不会超过1mm，而扩散边界层的 厚度也在10-1mm数量级，并且母材是在两个相对着 的表面向钎缝中的液态钎料内溶解的，也就是 说，在静态液相中界面处的两个边界扩散层的厚 度可能大于实际钎焊时毛细间隙内液态钎料的厚 度，因此，钎缝中母材金属的大群质量迁移基本 上不能发生。
钎焊接头的形成过程
显的提高,主要因为较粗糙表面上的纵横交错的细槽对液态 钎料起了特殊的毛细作用; 当钎料与母材相互作用较强烈时,粗糙度的影响不能表现出 来,主要是因为这些细槽很快被液态钎料溶解而不复存在.
6)表面活性物质的影响
活性物质定义:使溶液表面张力显著减小,发生 正吸附的物质,称为表面活性物质.
图3:钎焊时的流动系数
2.2钎料润湿性的影响因素
钎料润湿性理论上从公式
可以判定;
但是由于σSG、σLG、σLS数据不全,且受实际条件的影响,不 能用于指导实践.
实际判定钎料的润湿性从以下四个方面入手：
1）钎料和母材的成分 钎料和母材在液态和固态下均不相互作用，则它们之间
的润湿性很差；若钎料能和母材
4) 钎剂的影响 钎焊时使用钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化膜,改善 润湿,存在钎剂时,钎料铺展平衡方程变为:
钎剂的作用:减小σLF,增大 σSF 图7:使用钎剂时液滴在固体表面的平衡
5)母材表面状态(粗糙度)的影响
图8:表面处理对 Ag-20Pd-5Mn钎 料在不锈钢表 面铺展面积的 影响(1095℃)
Mn Ni Pd Zn
Cu
Cu Si Zn
扩散温度(℃)
950 1000 1150 1280 1000
850 900 860 880
890
497 500 507
扩散系数(cm2/Sec)
2.6×10-7 9.3×10-11 1.45×10-8 2.4×10-9 2.0×10-10
1.3×10-10 2.1×10-10 1.3×10-10 5.6×10-10
由上式可见，钎料组分的扩散量与浓度梯度、扩散系数、 扩散时间和扩散面积有关。扩散自高浓度向低浓度方向进 行，当钎料中某组元的含量比母材中高时，由于存在浓度 梯度，就会发生该组元向母材金属中的扩散。浓度梯度越 大，扩散量就越多。扩散系数可按前述公式确定。
哈工大_钎焊_杨建国 01.第00章 钎焊绪论
————绪言
主讲：杨建国 先进焊接与连接国家重点实验室 哈尔滨工业大学
主要参考文献
1、《钎焊》，邹僖主编，机械工业出版社,1988 2、《材料连接过程中的界面行为》，方洪渊，冯 吉才，哈尔滨工业大学出版社，2005 3、《无铅焊接技术》，菅沼克昭 著，丁晓山 译， 科学出版社，2004 4、《钎焊手册》，张启运 等，机械工业出版社出 版，1999 5、部分图片来自哈工大方洪渊教授、闫久春教授 及王春青教授的教学课件
绪论
材料连接的方法及其基本特征 焊接技术的历史与发展 钎焊技术的应用实例
材料连接的方法及其基本特征
连接技术已经出现了多种方法： 捆绑、镶嵌、焊接、铆接、粘接 连接过程中涉及到的能量类型： 光、电、声、化学、机械 结合性质： 机械结合、化学结合和材质结合 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
焊接技术的历史与发展
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。 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。 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。 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
考古发现：
5500年前用锡钎焊银摆设（古埃及） 5000年前用锡钎焊铜钵的银把手（古埃及） 5000年前用银钎料钎焊的管子（古埃及） 4000年前用金钎料钎焊的护符盒（古埃及） 公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝 首饰等（中国） 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）
哈工大_钎焊_杨建国 03.第01章 钎焊接头形成(钎料的填缝过程 )
Young－Laplace方程
由于弯曲表面上有附加压力PA，所以表面扩展需要克服这 种附加压力而做功，即W= PAdV，dV是由曲面移动时扫过的 体积。因为 dV = xydz , W = PAxydz 所以 σ ( xdy + ydx) = PAxydz 由相似三角形的关系：
dx / dz = x / R1, dx = xdz / R1 dy / dz = y / R 2, dy = ydz / R 2
所以 PA = σ (1 / R1 + 1 / R 2) 此式即为Young-Laplace方程。 对于球面：R1=R2=r,则σ=2σ/r； 对于平面：R1→∞,R2 →∞ ，则PA →0。
Young－Laplace方程
Young-Laplace 方 程 是 我 们 讨 论 液 态 钎料填缝时的最基本方程。对于任意形 状的弯曲液面,由于过曲面上一点的任意 两个互相垂直的正截面的曲率半径的倒 数和为常数C,C称为该点的平均曲率。因 此，计算时可以选取特殊位置的截面曲 率半径，这样将使问题得到简化。
y = h = σ lg 2 cos θ ρg (a − 2h tg α )
h(a − 2h tg α ) = 2σ lg cos θ ρg
同理,对于上大下小的间隙(右图(b)),其间隙随高度的 变化为
a" = a + 2 y tg α
当钎料爬升达到最大高度时(y＝h),可得：
h(a + 2h tg α ) = 2σ lg cos θ ρg
弯曲液面附加压力的产生
弯曲液面的附加压力
附加压力的推导：设想在液态钎料内部形成一个球形的气泡, 气泡的半径为r,当温度一定时液体所受的压力为P。当压力 P发生微小变化时,则气泡的表面积A和体积V均发生微小改 变dA和dV,则有： PAdV = ( P − P 0)dV = σdA 对于球形气泡 V=4πr3/3, dV= 4πr2dr A= 4πr2, dA= 8πrdr 所以：dA/dV=2/r 故： PA=2σ/r 可见附加压力与表面张力成正比, 与界面曲率半径成反比。 气泡法测定附加压力示意图
钎焊课本完整版
绪言钎焊是现代焊接技术的三大主要组成部分之一。
钎焊与其它二类焊接技术(熔焊和压焊)之间，虽有共同之处，但却存在本质的差别。
材料钎焊连接时，一般是以搭接形式装配，彼此间保持很小的间隙，采用熔点比母材熔点低的填充材料(钎料)，在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，借钎料熔化填满母材间的间隙，然后冷凝形成牢固的接头。
因此，钎焊与熔焊或压焊相比，主要有下列不同之处：钎焊时只有钎料熔化而母材保持固态；钎料的熔点低于母材的熔点，因而其成分也与母材有很大差别；熔化的钎料依靠润湿和毛细作用吸入并保持在母材间隙内；依靠液态钎料与固态母材间的相互扩散形成冶金结合。
由此可以了解，钎悍乃是借助于液态钎料填满固态母材之间的间隙并相互扩散形成结合的一类连接材料的方法。
在连接材料的方法中，钎只是人类最早使用的方法之一。
在人类历史上，当人类尚未开始使用铁器时，就已经发明用钎焊来连接金属。
在埃及出土的古文物中，就有用银钢钎料钎焊的管子，用金钎料连接的护符盒，据考证分别是5000年和近4000年前的物品。
公元79年被火山爆发埋没的庞贝城的废墟中，残存着由钎焊连接的家用铅制水管的遗迹，使用的钎料具有Sn：Pb＝1：2的成分比，类似现代使用的钎料成分。
我国在公元前5世纪的战国初期也已经使用锡铅合金作钎料。
1637年出版的明代科技巨著《天工开物》中已有“中华小焊用白铜末”的记载，说明当时已掌握用铜合金作钎料来钎焊金属的技术。
但是，在很长的历史时期中，钎焊技术没有得到大的发展。
进入20世纪后，它的发展也远远落后于熔焊技术。
30年代以来在冶金和化工技术发展的基础上，钎焊技术才有了较快的发展，从作坊匠人的技艺成长为工业生产技术。
尤其是二次世界大战后，由于航空、航天、核能、电子等新技术的飞速发展，新材料、新结构形式的采用，对连接技术提出了更高的要求，钎焊技术因此受到更大的重视，开始以前所未有的速度发展起来，出现了许多新的钎好方法，钎料品种日益增多，因此，钎焊的应用范围日益扩大。
哈工大_钎焊_杨建国 07.第01章 钎焊接头形成(母材向液态钎料的溶解1)
母材的溶解过程
第一阶段是母材与钎料接触的表面层的溶解，这 个反应发生在固-液两相界面上，其实质是液体金 属对固体金属的润湿和原子在相界面处的交换， 破坏固体金属晶格内的原子结合，使得液体金属 原子与固体金属表面处的原子之间形成新的键， 从而完成溶解过程的第一阶段。
母材的溶解过程
只有经历了溶解的第一阶段后，才能形成异质原 子的扩散。这种扩散导致与母材金属相接触的液 态钎料内的化学成份发生变化。 应当指出，扩散过程要经过一段时间间隔后方才 开始，这个时间间隔等于相与相之间能峰的松弛 时间(即所谓的滞后周期)，滞后周期短的金属经 过长时间的接触后，在无化学成份改变的条件 下，不同金属间原则上是可以结合在一起的。 但计算表明，熔融金属与固相相互作用时，扩散 过程所需要的时间与金属接触的时间相比是很短 的，所以在实际钎焊条件下，扩散过程总是能够 进行的。
溶解过程的数学描述
表2-2 无搅拌条件下固态金属及合金在液体中的溶解速度常数
温度 （℃） 360 410 300 溶解速度常数K （x10-3cm/sec) 0.6 0.22 0.095 金属或合金 (固－液) Cu-Pb 温度 （℃） 410 460 500 溶解速度常数K （x10-3cm/sec) 0.055 0.081 0.5 金属或合金 (固－液) Cu-Bi
溶解过程的数学描述
溶解速度常数K作为描述溶解动力学特性的基 本参数，其数值是由固体金属在液体中溶解时 的基本物理过程所决定的。 表2-2列出了不同金属组配时的溶解速度常数 值。由表中数据可见，不同固液系统中金属的 溶解速度常数都具有几乎相同的数量级。 表2-3则给出了不同温度下，一些金属在Sn-Pb 钎料中的溶解速度。
溶解过程的数学描述
假定液态钎料的密度为ρ，体积为V，固液相作用面积为S， 并假定母材组分在液态钎料中的初始浓度为C0 ，极限溶解度 为CL0，在经过一段时间t的溶解后，母材组分在钎料中的浓度 为C，则此时的溶解量为: Q＝ρV(C－C0) (2-4) 在恒温条件下，对于溶解速度可作如下计算: (2-5) dQ d ( ρCV ) L = = K (C0 − C ) S dt dt 上式的物理意义为溶解速度正比于固液相界面面积S，正比于 饱和浓度与液体实际浓度之差(CL0－C)。 当温度变化时，CL0和K都将发生相应的变化，故上式也可写 成: dQ (2-6) = K (T )[C L (T ) − C ]S
钎焊接头的基本形式
钎焊接头的基本形式钎焊接头的基本形式是指通过钎焊技术将两个或多个金属工件连接在一起形成的接头。
钎焊是一种常用的金属连接方法，广泛应用于制造业和修理领域。
钎焊接头的基本形式包括直接钎焊接头、角焊接头、T型焊接头和搭接焊接头。
直接钎焊接头是指将两个相邻金属工件的焊缝直接连在一起的接头形式。
直接钎焊接头通常适用于金属板材、金属管道等工件的连接。
钎焊时需要在接头处加热工件，使钎剂熔化并填充在接头间隙中，形成可靠的连接。
直接钎焊接头具有焊缝小、焊接强度高的特点，适用于对焊缝要求较高的场合。
角焊接头是指将两个相交方向的金属工件通过钎焊连接在一起的接头形式。
角焊接头通常用于连接两个相互垂直或不同角度的金属工件。
角焊接头可以通过角焊缝的形状来区分，常见的有直角焊接头、斜角焊接头和曲角焊接头等。
角焊接头具有连接角度灵活、焊接强度高的特点，适用于连接各种角度的工件。
T型焊接头是指将一根金属工件与另一根金属工件通过钎焊连接在一起形成的接头。
T型焊接头通常用于连接两个相互垂直的金属工件。
T型焊接头可以通过焊缝的位置来区分，常见的有纵向T型焊接头和横向T型焊接头等。
T型焊接头具有连接方便、焊接强度高的特点，适用于连接各种T型结构的工件。
搭接焊接头是指将两个金属工件通过钎焊连接在一起，其中一个工件搭接在另一个工件上形成的接头。
搭接焊接头通常用于连接金属板材、金属管道等工件。
搭接焊接头可以通过搭接的形式来区分，常见的有单面搭接焊接头和双面搭接焊接头等。
搭接焊接头具有焊接强度高、结构牢固的特点，适用于连接各种搭接结构的工件。
除了以上介绍的基本形式外，钎焊接头还有一些特殊形式，如角接钎焊接头、管接钎焊接头等。
角接钎焊接头是指将两个金属工件的角部连接在一起形成的接头，常用于连接角铁、角钢等工件。
管接钎焊接头是指将两个金属管道通过钎焊连接在一起形成的接头，常用于连接管道系统。
钎焊接头作为一种常用的金属连接方法，具有焊接强度高、连接牢固、工艺灵活等优点。
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钎缝组织示意图 1-扩散区，2-界面 区，3-钎缝中心区
– 在钎料中加入不与母材和钎料基体金属形成化合物的组元。
例如:在Sn中加入Pb钎焊Cu时,可使Cu6Sn5 层减薄,当含Pb量达 到70%时,化合物层可能会完全消失。
– 在钎料中加入只能与钎料基体金属形成化合物而不与母材形
成化合物的组元。例如:在Sn中加Ag钎焊Cu时，可在钎缝中形 成Ag3Sn金属间化合物,从而使Cu6Sn5层减薄。
钎焊接头的金属学形态
金属间化合物类型的界面区组织
许多金属之间可以形成金属间化合物。两种金属结合时， 如果在界面处形成金属间化合物相，就如同一种新的物质 (新相)在被连接金属之间起作用。Cd-Se界面就表现出这种 界面区的典型情况。由图可见，Cd与Se形成CdSe金属间化 合物，然而在Cd和Se与CdSe中间相之间并没有发生任何反 应。Cd-Te的情况也是如此，但它们之间确实是结合起来 了，这可认为是附着力在起作用。
钎焊接头的金属学形态
钎焊接头的金属学形态
化合物相一般硬而脆，对接头的机械性能有不利的影 响。当化合物分散不连续分布时，其影响较小，且可能 由于弥散强化作用而强化接头，但是，当化合物层形成 连续层而夹在母材与钎料之间，且厚度较大时，其影响 较大，会使接头明显变脆，强度显著下降。 为减缓界面处化合物相的生成,可采用如下措施:
钎焊接头的金属学形态
形成化合物的典型二元合金状态图
钎焊接头的金属学形态
金属间化合物类型的界面区组织
母材和钎料在界面处形成 化合物的过程可能如下： 在温度为T时以B钎焊A， A向B中迅速溶解,界面区 的浓度可达到C,冷却凝固 时，首先在界面处析出金 属间化合物。 例如：250℃下以Sn钎焊Cu时，在界面区就形成 Cu6Sn5化合物相(见右图)。
钎焊
————钎焊接头形成过程
主讲：杨建国 先进焊接与连接国家重点实验室 哈尔滨工业大学
第一章 钎焊接头的形成过程
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 钎料的润湿与铺展过程 钎料的毛细填缝过程 影响钎料润湿性的因素 钎料润湿性的评定 液态钎料与母材的相互作用
钎焊接头的金属学形态
钎缝组织的不均匀性
镉-硒二元合金状态图
镉硒接头中的化合物型接合区
钎料B与母材A可能形成化合物的典型状态图如 下 所 示 。 属 于 图 (a) 类 型 的 有 ： Ag-Cd ， AgGa，Ag-Ti，Ag-Sb，Ag-Zn，Ag-Sn，Ag-Al， Al-Ti，Cu-Zn，Fe-Zn等二元系；属于图(b) 类 型的有：Al-Cu，Al-Mg，Cu-P，Fe-Si，Ti-Sn 等二元系。
Cu-Mn系在Mn含量为35%时有最低熔点分为各相。
铜-锰二元合金状态图
铜钎焊锰时的组织形态
钎焊接头的金属学形态
固溶体类型的界面区组织
当钎料与母材为同基的合金时，在界面区也常常形成固溶体组织。
铝-硅二元合金状态图
铝硅钎焊铝时的组织形态
钎焊接头的金属学形态
钎焊接头的金属学形态
钎缝组织的不均匀性
扩散区是由钎料组分向母材中扩散所形成的； 界面区是母材组分向钎料中溶解并冷却后形成的，它 可能是固溶体或金属间化合物； 钎缝中心区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成分，钎 缝间隙较大时，该区的组织形态与钎料原始组织形态比 较接近，而间隙小时，则二者之间可能存在极大的差 别。 例如：用Ni-Cr-B-Si钎料钎焊不锈钢的小间隙钎缝时， 钎料本身为包晶组织，而钎缝却由固溶体组成。
钎焊接头的金属学形态
共晶体类型的界面区 如果母材和钎料构成共晶体 相图的话，那么钎缝中就可 能出现共晶体组织。接头处 啮合组织的疏密是由共晶点 的位置来决定的。
典型二元合金 共晶类型状态图
钎焊接头的金属学形态
Ag-Cu二元系在含Cu28%时形成熔点为779℃的 共 晶 (Ag 的 熔 点 为 960℃ ， Cu 的 熔 点 为 1083℃)，将Ag箔置于两Cu工件之间，稍加压 力使之良好接触，加热到800℃左右。这时Ag 虽然不能熔化，但由于Ag和Cu之间的相互扩 散，在界面处形成熔融的Ag-Cu共晶体，借助 于这层液态共晶体层，就可将两Cu工件连接起 来。 在Al-Cu二元系中，存在一温度为548℃、成份 为含Cu33%的共晶点。如果将Cu和Al紧密接触 并加热到548℃以上，在界面处就会形成Al-Cu 共晶，从而将Al和Cu连接起来。
钎焊接头的金属学形态
金属间化合物类型的界面区组织
如果A-B体系存在几种化合物，在一定条件下(如 钎焊温度过高)，母材向钎料中的溶解使得界面区生 成含母材较少的一种化合物后仍未达到该温度下的 平衡状态，则A和B之间将继续扩散，冷却凝固后就 有可能出现几种化合物。 例如在350℃下用Sn钎焊Cu时，在界面区除形成 Cu6Sn5(η相)之外，在η相与母材Cu之间又出现了 Cu3Sn(ε相)。ε相是含Cu较高的化合物。 除了上述的扩散作用之外，界面区的化合物也可能 直接由母材与钎料发生化学反应而形成。
溶解度特征
结晶状态无变化的完全 互溶系 高温下完全互溶，低温 下产生同素异形转变或 形成化合物体系 大溶解度的体系（用原 子%表示） 中等溶解度的体系 小溶解度的体系 极小溶解度的体系
二元系
Ag-Au，Ag-Pd，Au-Pd，Ni-Pd，Pt-Rh，Cr-Mo，CuNi，Ir-Pt，Mo-W Ni-Pt ， Fe-V ， Fe-Pt ， Fe-Pd ， Fe-Ni ， Cu-Pt ， Fe-Mn， Cu-Pd ， Cr-Fe ， Co-Ni ， Cu-Mn ， Co-Fe ， Cd-Fe ， CdMg，Au-Pt，Au-Cu，Ni-Mn Ag中含Cd42%，Li中含Hg75%，Ag中含Hg36%，Cu中 含Zn38%，Ag中含Pt40%，Ni中含Zn40%，Al中含 Zn66%，Cr中含Ni47%，Pd中含In67% Ni中含W16%，Fe中含Zn18%，Cu中含Be16%，Ni中含 Ta16%，Ni中含Sn10%，Ni中含Be15%，Fe中含Si25%， Fe中含Ge18%，Cu中含Sn9%，Mg中含Pb8% Cu中含Zr0.6%，α-Fe中含Cu1.2%，Cu中含Ti5.6%，Sn 中含Pb1.5% W中含Ni，Sn中含Ni，Si中含Ni，Zn中含Mn，Zn中含 Mg，Sn中含Mg，Ni中含Mg，Cu中含B
钎焊接头的金属学形态
固溶体类型的界面区组织
结晶系相同(晶格类型相同)，原子半径相近的元素 间大多可以以任意比例固溶，这类金属间的界面成 份从一侧到另一侧连续变化。 Ni-Cu系的熔化温度连续变化，浓度也连续变化， 在一个大晶粒内部的浓度也有所变化。
铜-镍二元合金状态图
钎焊接头的金属学形态
固溶体类型的界面区组织
固溶体类型的界面区组织
当用黄铜钎料钎焊铜母材时，还可看到黄铜晶粒在 铜晶粒的基础上连续生长，形成共同晶粒的现象。 一般来说，晶体结构和原子状态越类似，原子半径 和原子价越接近，固溶体的比例就越大。 正离子半径大的元素容易固溶原子半径小的元素。 在钎焊过程中，若钎料和母材在状态图上可以形成 固溶体时，钎后的界面区也极可能出现固溶体。 固溶体组织的机械性能和电气性能与母材相比没有 很大的不连续性，这对接头是有利的。
钎焊接头的金属学形态
结合区的组织形态
母材与钎料的结合可以形成多种多样的组织 形态。在构成钎缝的三个区域中，界面区的 情况是最复杂的，并且加热温度和加热时间 等因素的影响使其进一步复杂化，并且对接 头的性能也产生很大的影响。 利用二元体系分析还是基本的方法！！！！
钎焊接头的金属学形态
表2-10 二元和金系的相互溶解度
钎焊接头的金属学形态
钎焊接头的金属学形态