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
由前式可以看出：当θ<90° 时，θe<θ，即表面粗糙化后较 易为液体所润湿，因而在粗糙金 属表面上的表观接触角更小。当 θ>90°时,θe>θ，即表面粗糙 化后的金属表面上的表观接触角 更大。右图说明了满足Young方程的接触角θ及满 足了Wenzel方程的接触角θe与粗糙因子γ的关系。
影响钎料润湿性的因素
关于接触角的滞后
“表面粗糙说”则认为,Wenzel方程只适用于热力学 稳定平衡状态，但由于表面不均匀，液体在表面上 展开时要克服一系列由于起伏不平而造成的势垒。 当液滴振动能小于这种势垒时，液滴不能达到 Wenzel方程所要求的平衡 状态而处于一种亚稳定状 态。右图描述了两种不同 的亚稳平衡状态的情形。 液滴在粗糙表面上的亚稳状态
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接触角与时间的关系 对于一次过程,日本的安田、和田分别进行了研究： 安田认为在一次润湿过程中，钎料的反应元素被母 材吸附，并且服从兰格谬尔 Langmuir吸附动力学 吸附量关系，他把吸附量换成润湿面积进行考察。 和田继承了安田的观点，进一步将吸附量换成固液界面能的变化，并转化成cosθ的变化，导出了
影响钎料润湿性的因素
压力对表面张力的影响 随着压力的变大，表面张力变化不大， 由于表面张力与压力关系的实验研究不 易进行，因此，压力对表面张力的影响 问题要复杂得多。一般情况下，增加体 系的压力，气体在液体表面上的吸附和 在液体中溶解度增大，因此，表面张力 有下降趋势。
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接触角与时间的关系
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。
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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
Wenzel公式仅考虑了真实表面与理想 表面面积的差异,而没有考虑真实表面 具体的特征。实际上,对于同心沟槽和 放射形沟槽来说,在表面粗糙度相同的 情况下,其θ’e 却可能不同。所以可对 Wenzel公式做如下修正: cos θ e' = cos θ [γ − (r − 1)ψ ] 其中:ψ－表面结构因子; r－液滴半径。 不同状态表面上的这种差异,在微观局 部并不违反热力学定律。由右图可 见:θ＝θe －α，从局部上来看,其接 触角仍为θ。
⎛ cos θ e − cos θ lg⎜ ⎜ cos θ e ⎝ ⎞ ⎟ = − K "t ⎟ ⎠
式中,K"为润湿速度常数,θ为任意时刻的接触角。
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接触角与时间的关系 和田将前页图中的实验数据代入上式得到下图。 由图可见,计算结果与实验结果吻合良好,尤其是在 前50秒。
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“吸附说”认为,固体表面吸附着空气或油脂之类的污 染物而形成一吸附层。吸附层阻碍液体前进端的前 进,故使θa 较大。但吸附层一旦与液体接触,便被液 体置换或溶解,使固－液间润湿更完全,所以θr 较 小。 “吸附说”实质是认为固体表面的清洁程度是接触角 滞后的原因。 在空气中Hg在αFe上润湿不良,而在真空中润湿良好 这一事实支持了"吸附说"。
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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”。
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母材表面能的不均匀性
1. 2. 3. 4.
母材表面污染，导致化学成分不均匀； 原子或离子排列紧密程度的不同；导致不同晶面具有 不同的表面自由能； 同一晶面，也会因表面的扭曲和缺陷造成表面自由能 的差异； 实际工程材料多为多元多相合金材料，成份和相组成 的差异造成表面各部分的自由能的不同。
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关于润湿角的滞后
在润湿的过程中经常可以发现,液体的前进端的接触 角较大,而后退端的接触角较小。这种前进端接触角 θa与后退端接触角θr的差值(θa－θr)称为接触角 的滞后。 对于接触角的滞后有 “表面粗糙说”和“吸附说”等不 同的理论解释。
影响钎料润湿性的因素
关于润湿角的滞后
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
影响钎料润湿性的因素
影响钎料润湿性的因素
影响钎料润湿性的因素
在钎焊过程中，所用的母材、钎料和钎 剂等常为多元的，因此，第三类物质， 即表面活性物质具有重要意义。由于表 面活性物质用量虽少，但其可以发生强 烈的正吸附作用，使其富集于相界面， 从而大大降低了界面张力。而界面张力 的降低可以大大改善液态钎料对母材的 润湿过程，因而具有重要的意义。
由Young氏方程可知,任何使σsl、σlg、σgs发生变 化,从而使接触角θ发生变化的因素都将影响到钎料 对母材的润湿性。 从热力学观点来看,界面张力即比表面自由焓,它与 各相的物性、成份、温度有关,所以润湿角必然受这 些因素的影响。 从动力学观点来看,接触角必然受时间的影响。 在实际钎焊过程中, 常常不可避免地发生母材向钎 料中的溶解及钎料与母材之间的扩散。而溶解过程 及扩散过程都与物性、成份、温度和时间有关。 本节重点从热力学和动力学角度来讨论影响钎料对 母材润湿性的因素。
倾斜粗糙表面上 液滴的接触角
影响钎料润湿性的因素
在实际钎焊过程中,不同钎料在不同状态的表 面上的润湿情况也不同。
将Cu圆片分成四分,各部分分别采用刚刷刷、砂纸打 磨、化学清洗和抛光的方法来处理。在Cu片中心位置 放Sn-40Pb钎料进行铺展实验。
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影响钎料润湿性的因素
将LF21铝合金的圆片分成四分,各部分分别采 用抛光、刚刷刷、砂纸打磨和化学清洗的方法 来处理。在LF21铝合金片中心放Sn-20Zn钎料 进行铺展实验。
影响钎料润湿性的因素
实验结果分析： 对于Cu片，由于钢刷刷过的表面粗糙度γ最大, 所以其表观接触角减小,表现为铺展面积增大; 而抛光表面的表面粗糙度最小,使其表观接触 角增大,故表现为铺展面积小。而对LF21铝合 金来说,由于Sn-20Zn钎料与母材之间的相互作 用十分强烈,母材的显微不平处迅速溶解进入 钎料,从而降低了表面粗糙度的影响,使得各部 分的铺展面积基本相同。
应当区分润湿角与接触角的概念差异。所谓润湿角是指润 湿达到平衡时的接触角。习惯上,在未经特别指明时,所说的 接触角也经常指润湿角。 实际上,以动力学的观点来 看，接触角是随时间变化的,当 t→∞时的接触角θ→θe,即平 衡时的接触角。右图为1600℃ 下，真空中6%Ni-Fe合金上， 0.2%Cu-Ag钎料润湿动态过程的 cosθ与时间t的关系。由图可见， 随着时间的增加,cosθ不断增加。在初始阶段(50秒以前)cosθ 随t增长较快,称为一次过程。其后，cosθ增长较慢,并趋于常数, 称为二次过程。
母材表面状态的影响 由于母材的实际表面并不是可以满足 Young方程的理想表面，因而，母材的表 面状态必然影响钎料的润湿行为。
影响钎料润湿性的因素
母材表面粗糙度的影响 母材的表面粗糙度在许多情况下会影响到 钎料对它的润湿。将一液滴置于一粗糙表面， 液体在固体表面上的真实接触角几乎是无法测 量的，实验测得的只是其表观接触角。而表观 接触角与界面张力的关系是不符合Young方程 的。但应用热力学可以导出与Young方程类似 的关系式。
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。
影响钎料润湿性的因素
母材表面能的不均匀性
根据Young方程， cos θ e = f1 cos θ1 + f 2 cos θ 2 此即Cassie方程。θe为液体在组合表面上的接 触角，θ1 和θ2 位液体在纯1和纯2表面上的接 触角。 对于多相组合的表面，表观接触角可以表示为: cos θ e = Σf i cos θ i 其中:fi为本征接触角为θi时的表面积分数。
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
其中：θ－具有原子(分子)水平平整表面上的接触角； θe－在粗糙度为γ的表面上的接触角(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。