钎焊及扩散焊

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
第3章钎料与钎剂
钎料：能与母材金属无限固溶的合金元素可显著减小界面张力， 从而使钎料的润湿性得到明显的提高，比与母材金属形成金属间化合 物的合金元素好。 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 ³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。
钎 剂
3MeO + 2H3PO4 → Me3(PO4)2 + 3H2O 常以无机盐ZnCl2 (熔点262℃)的水溶液作钎剂 （ZnCl2 ≯ 30%）。 ZnCl2 + H20 → H[ZnCl2OH] FeO + 2H[ZnCl2OH] → H2O + Fe[ZnCl2OH]2
当缺少氯化锌时，可以把锌放入盐酸中直接使 用。
钎 剂
钎剂的作用与性能要求： 1）去除氧化膜，为 润湿、铺展创造条件； 2）液态钎剂覆盖母 材与钎料表面起保护作用； 3）起界面活性作用 ，改善润湿与铺展。
钎 剂
钎剂的组成及分类 组成： 基体组分： 保证物理性能； 去膜剂： 起溶解或置换表面氧化膜的作用； 活性剂： 加速氧化膜的去除。 分类： 软钎剂、硬钎剂、铝、镁、钛专用钎剂、气 体钎剂四大类。
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。
2.2钎料与母材的相互作用
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： 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
硬钎料
（6）自钎剂钎料 既能填充钎缝金属，又能起钎剂作用的钎料称之。即自 身含有起到钎剂作用的微量或一定量元素的钎料。 要求： 1）钎料内含有较强的还原剂，钎焊时能还原母材表面氧 化物； 2）还原产物的熔点应低于钎焊温度，或还原产物能与表 面氧化物形成低熔点的复合化合物； 3）还原产物或形成的复合化合物的粘度要小，能被液体 钎料排开，不妨碍钎料的铺展。 此外，还原剂应溶于钎料中，能降低钎料的表面张力。 如：钎焊铜的铜磷、铜磷银钎料；含有锂的银基、铜基 钎料；钎焊不锈钢的锰基钎料等。
为提高活性，常配加NH4Cl。 无机软钎剂去氧化物的能力强，热稳定性好，保证 钎焊质量。其残渣有强的腐蚀性，钎后应清除。
钎 剂
钎 剂
2.有机软钎剂 用于电子行业，其组成有： ①有机酸 乳酸、硬脂酸、水杨酸、油酸等； ②有机胺盐 盐酸苯胺、磷酸苯胺、盐酸肼、盐酸二乙胺等； ③胺和酰胺类 尿素、乙二胺、乙酰胺、三乙醇胺等； ④天然树脂 松香等。 松香在127℃熔化，150℃可以表现出能溶解 Cu、Ag、Sn 等氧 化物的能力， 但松香酸系弱有机酸，去膜能力不强。 为提高活性，可加入各类无机、有机钎剂组分，成活性松香， 提高去膜性。 松香在冷凝后成固态，具有绝缘、耐湿和无腐蚀的特点。
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HL1³³ （焊料1³³ ）（表9-1）
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
钎料选择的影响因素 经济性：根据结构的重要性，选择成本最低 的钎料合金； 接头性能：工作温度，强度，可靠性； 密封性：电真空器件，真空室； 导电性：锡基钎料，银基钎料； 工艺性：焊接温度对母材的影响； 与钎焊方法的匹配。
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。
钎 剂
钎 剂
3 铝用软钎剂 ①铝用有机软钎剂 QJ204由胺类（三乙醇胺） 、氟硼酸铵、重金属氟硼酸盐组成。因高于275℃钎 剂炭化失效，且放出大量气体，造成不致密性缺陷 ，故此类钎剂只能在275℃以下快速钎焊。 ②反应钎剂 以Zn、Sn等重金属氯化物及提高 活性的K、Na、Li的卤化物组成。 铝用软钎剂在钎焊时均放出有害气体，应注意 通风。
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。
特点
1. 钎料熔点低于母材，钎焊时母材不熔化； 2. 钎料与母材的成分有很大差别； 3. 熔化的钎料靠润湿和毛细作用吸入并保持在母材 间隙内； 4. 依靠液态钎料与固体母材的相互扩散而形成冶金 结合； 5. 钎焊技术具有很高的生产效率，一次可完成多缝 多零件的连接； 6. 钎焊技术可用于结构复杂、精密、开敞性和接头 可达性差的焊件 7. 钎焊技术特别适用于多种材料组合连接。
钎 剂
钎 剂
钎剂的型号与牌号
硬钎剂型号
钎剂型号
钎 剂
3.1.3 软钎剂 分为无机、有机两类： 按其残渣对接头的腐蚀作用分为腐蚀性、弱 腐蚀性、无腐蚀性三类。无机软钎剂属腐蚀性， 有机软钎剂属后两类钎剂。 1.无机软钎剂 无机酸HCl、HF、H3PO4 的水溶液或酒精溶液 使用，均可去氧化膜，但前两种有强烈腐蚀性， 且加热中析出有害气体，故很少单独用。 MeO + 2HCl → MeCl2 + H2O MeO + 2HF →MeF2 + H2O
加入Cr、 Co可使钎料 提高高温抗 氧化性和热 强性，接头 工作温度可 达600～ 700℃。
硬钎料
（5）镍基钎料 Ni-B共晶点1140℃（4%B）。B显著提 高高温强度，改善润湿性，但使溶蚀增加， 形成化合物变脆。 Ni-Si共晶点1152℃（11%Si）。Si可 溶于Ni中形成固溶体，超过6%Si，会产生脆 的化合物。 Ni-P共晶点880℃（11%P）。 P不溶于 Ni，易形成一系列化合物变脆。
铝硅铜2号
铝硅铜锌
余量来自百度文库
余量
9.3~10.7
10±1
3.3~4.7
4±0.7
~
10±1
520~585
516~560
245~294
245~294
硬钎料
（2）银基钎料
1.真空钎焊用钎料
2.银铜锌钎料 3.银铜锌镉钎料
4.银铜锌锡钎料
用途广泛的硬钎料： 低碳钢、结构钢、不锈钢、高温合金、铜及铜合金 ； 难熔金 属、陶瓷等；导电、导热性能良好、耐介质腐蚀； 问题： 价格高，低银钎料的研制，如何降低熔点，如何避免脆性相。
硬钎料
2.4 硬钎料 （1）铝基钎料 用途：仅用于钎焊铝及铝合金； 组成：铝及可和铝形成共晶的金属 铝硅共晶、铝硅铜共晶
合金成分 wt% 牌号 名称 Al BAl88Si BAl67Cu Si BAl86SiC u HL403 铝硅钎料 铝硅铜1号 余量 余量 Si 12±1 5.5~6.5 Cu ~ 27~29 Zn ~ ~ 577~582 525~535 147~157 脆性大 Tm °C σbf MPa
软钎料
常见的有Cd-Zn、Cd-Ag、Cd-Zn-Ag系钎料。 Ag的加入可提高强度，但超过5%Ag使液相线迅速上升， 结晶区间变得很宽，故Ag不宜过高。 Zn的加入可减少液态钎料的氧化，并使熔点下降，钎 缝可电镀。 镉基钎料钎焊铜时，温度过高，时间过长，钎缝界面 将生成脆性的化合物，使性能下降。
毛细作用
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。
液态钎料在毛细作用下的流动速度： V =σlg a cosθ／4ηh= a(σsg - σsl)／4ηh cosθ↑,η↓，则V↑; V ∝ 1/h ，刚开始V大，随着 h 的增加，而逐渐变慢，所以，为填满间隙，必 须有足够的保温时间。
不足
1. 接头强度较低，耐热性差； 2. 多用搭接接头，浪费金属，增加结构重量， 易产生应力集中； 3. 焊前准备要求高，特别是表面质量及装配接 头间隙； 4. 个别钎焊工艺方法设备投资大，费用高。
2.1钎料的润湿铺展
1. 钎料的润湿与铺展过程。 润湿是指由固-液相界面来取代固-气相界面， 从而使体系的自由能降低的过程。即将液滴置 于固体表面，若液滴和固体界面的变化能使液 -固体系自由能降低，则液滴能很好润湿固相 表面并铺展开。固、液、气之间的界面张力决 定了液态钎料在母材上的润湿与铺展行为
硬钎料
（3）铜基钎料 1.纯铜钎料 2.铜磷及铜银磷钎料 3.铜锌钎料 4.铜锗钎料 5.铜基高温钎料 Cu-Zn钎料：通过Zn含量降低熔点，
• • • • • Cu62/Zn38(黄铜) 熔点902°C α 固熔体组织 良好的强度和塑性 加入Si抑制Zn的挥发 加入Sn提高铺展性
硬钎料
（4）锰基 钎料
钎焊及扩散焊
1.绪论
我国早在青铜器时代已经出现了采用钎焊进 行连接的物件；1637年明代宋应星所著《天工 开物》中有“中华小钎用白铜末，大钎则竭力 挥锤而强合之”的记载； （小钎即钎焊，大 钎为锻焊）。
1.1 钎焊及其特点
定义：钎焊是采用（或过程中自动生成）比 母材熔化温度低的钎料，采取低于母材固相线 而高于钎料液相线的焊接温度，通过熔化的钎 料将母材连接在一起的焊接技术。
软钎料
锡铅钎料：共晶成分的机械性能最好；表面张力小， 则润湿性好；铺展、填缝性好。加入Sb（＜3%） 可减少液态钎料的氧化；加入Ag、Sb可提高高温性能。Sn 有冷脆性。钎焊接头工作温度一般不高于100℃。 铅基钎料：纯铅不能润湿Cu、Fe、Al、Ni等金属，常加 入Ag、Sn、Cd、Zn钎焊铜。加入Ag可润湿铜，且使钎料熔 点下降；加入Sn可提高润湿性。焊后接头耐热性提高，可 在150℃以下工作。在潮湿环境下耐湿性差。 镉基钎料：镉基钎料是耐热性最好的一种软钎料，工作 温度可达250℃。
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。
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。
钎 剂
3.2.4 硬钎剂 1 银基、铜基钎料用硬钎剂 现有硬钎剂主要是以硼砂、硼酸及 它们的混合物作为基 体，及某些碱金属或 碱土金属的氟化物、氟硼酸盐组成的。 硼酸可溶于水和酒精，硼酸加热分解：
2H3BO3 → B2O3 + 3H2O ↑
硼酐熔点580℃，有很强的酸性，能与铜、锌、镍和铁的 氧化物形成易熔的硼酸盐。
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°。