钎焊机理

钎焊机理

钎焊利用熔点比母材（被钎焊材料）熔点低的填充金属（称为钎料或焊料），在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间连接的焊接方法。

一、钎焊的原理

由于钎焊是利用液态钎料填满钎焊金属结合面的间隙面形成牢固接头的焊接方法，其工艺过程必须具备两个基本条件：

a）液态钎料能润湿钎焊金属并能致密的填满全部间隙；

b）液态钎料与钎焊金属进行必要的物理、化学反应达到良好的金属间结合。

1、液态钎料的填缝原理

钎焊时，液态钎料是靠毛细作用在焊缝间流动的，这种液态钎料对母材金属的浸润和附着的能力称之为润湿性。液态钎料对钎焊金属的润湿性越好，则毛细作用越强，因此填缝会更充分。影响钎料润湿性的因素有以下方面：1）钎料和焊件金属成分影响

若钎料和钎焊金属在液态不互溶和固态不互溶，也不形成化合物，则它们之间的润湿性很差；若能液态互溶、固态互溶或形成化合物，则它们之间的润湿性很好。

2）钎焊温度的影响

温度的升高，可明显地改善润湿性。但温度过高，润湿性太好，会造成钎料流失，还会因过火而产生熔蚀现象。因此，在钎焊过程中，选择合适的钎焊温度是很重要的。

3）焊件金属表面清洁度

金属表面的氧化物及油污等杂质会阻碍钎料与焊件金属的接触，使液态钎料聚成球状而很难铺展，因此，钎焊时必须保证焊件金属接头处表面清洁。

4）焊件金属表面粗糙度

通常钎料在粗糙表面的润湿性比光滑面好。这是由于纵横交错的纹路对液态钎料起到特殊的毛细作用。

2、钎料与焊件金属的相互作用

1）钎焊金属向钎料的溶解

从宏观上看，钎焊过程中钎焊金属不熔化，但是从微观上看，在液态钎料和固态钎焊金属之间发生钎焊金属向钎料中溶解和钎料向钎焊金属扩散的相互扩散反应。钎焊金属在钎焊过程中向钎料的溶解，实为钎焊金属表面的微区熔化。

钎焊金属向钎料的溶解将导致如下后果：

●改变钎料原来的成分，使钎料合金化，一般来说，可以提高钎缝的强度；

●钎焊金属溶解过多会使钎料熔点的粘度升高，使填缝能力下降；

●过度的溶解使表面出现溶蚀的缺陷，严重时出现溶穿。

影响钎焊金属向钎料溶解的因素有：

a）钎料的钎焊金属成分的影响

凡是钎料在钎焊金属上有好的润湿性，能顺利进行钎焊的情况下，钎焊金属在液态钎料中都会发生一定程度的溶解。

b）温度的影响

钎焊温度愈高，则溶解量愈大，溶解速度也愈快。为了防止钎焊金属溶解过多，钎焊温度不宜过高。

c）保温时间的影响

钎焊金属在液态钎料中的扩散速度较快，保温时间长，溶解量大，达到饱和状态后，保温时间增长，溶解量不再增多。但钎缝圆角处聚集钎料较多，保温时间增长，就使溶解量明显增多，所以钎缝圆角是最容易产生溶蚀的部位。

2）钎料组分向钎焊金属的扩散

液态钎料填满钎焊金属间隙时，钎焊组分由于与钎焊金属组分的差别或浓度的差别。必然发生钎料组分向钎焊金属扩散的过程。扩散量大小主要与浓度梯度、扩散系数、温度和保温时间等因素有关。

3）钎焊接头成分和组织

由于钎料和钎焊金属之间的冶金反应，使钎焊接头（钎缝）具有化学成分和组织不均匀的特点。钎焊接头可粗略地划分为扩散区、界面区和中心区三个部分。

a）纤缝中心区主要由钎料组成，也有钎焊金属的溶解。

b）界面区由钎焊金属向钎料溶解而形成的，成分的组织比较复杂。

c）扩散区主要由钎焊金属组成，也有从钎料扩散来的元素。

二、钎焊的特点：

（1）接头表面光洁，气密性好，形状和尺寸稳定，焊件的组织和性能变化不大，可连接相同的或不相同的金属及部分非金属。钎焊时，还可采用对工件整体加热，一次焊完很多条焊缝，提高了生产率。但钎焊接头的强度较低，多采用搭接接头，靠通过增加搭接长度来提高接头强度；另外，钎焊前的准备工作要求较高。目前，钎焊在机械、电机、仪表、无线电等部门都得到了广泛的应用。

（2）钎料熔化而焊件不熔化。为了使钎接部分连接牢固，增强钎料的附着作用，钎焊时要用钎剂，以便清除钎料和焊件表面的氧化物。硬钎料（如铜基、银基、铝基、镍基等），具有较高的强度，可以连接承受载荷的零件，应用比较广泛，如硬质合金刀具、自行车车架。较钎料（如锡、铅、铋等），焊接强度低，主要用于焊接不承受载荷但要求密封性好的焊件，如容器、仪表元件等。钎焊主要在机械、电机、仪表、无线电等制造业中得到广泛应用。

三、钎焊的优点

（1）钎焊加热温度较低，接头光滑平整，组织和机械性能变化小，变形小，工件尺寸精确。

（2）可焊异种金属，也可焊异种材料，且对工件的厚度差没有严格限制。

（3）有些钎焊方法可同时焊接多焊件、多接头，生产率很高。

（4）钎焊设备简单，生产投资费用少。

四、钎焊的分类

根据焊接温度的不同，钎焊可以分为两大类。焊接加热温度低于450℃称为软钎焊，高于450℃称为硬钎焊。

软钎焊多用于电子和食品工业中导电、气密和水密器件的焊接。以锡铅合金作为钎料的锡焊最为常用。软钎料一般需要用钎剂,以清除氧化膜,改善钎料的润湿性能。钎剂种类很多，电子工业中多用松香酒精溶液软钎焊。这种钎剂焊后的残渣对工件无腐蚀作用，称为无腐蚀性钎剂。焊接铜、铁等材料时用的钎剂，由氯化锌、氯化铵和凡士林等组成。焊铝时需要用氟化物和氟硼酸盐作为钎剂，还有用盐酸加氯化锌等作为钎剂的。这些钎剂焊后的残渣有腐蚀作用，称为腐蚀性钎剂，焊后必须清洗干净。

硬钎焊接头强度高，有的可在高温下工作。硬钎焊的钎料种类繁多，以铝、

银、铜、锰和镍为基的钎料应用最广。铝基钎料常用于铝制品钎焊。银基、铜基钎料常用于铜、铁零件的钎焊。锰基和镍基钎料多用来焊接在高温下工作的不锈钢、耐热钢和高温合金等零件。焊接铍、钛、锆等难熔金属，石墨和陶瓷等材料则常用钯基、锆基和钛基等钎料。选用钎料时要考虑母材的特点和对接头性能的要求。硬钎焊钎剂通常由碱金属和重金属的氯化物和氟化物，或硼砂、硼酸、氟硼酸盐等组成，可制成粉状、糊状和液状。在有些钎料中还加入锂、硼和磷，以增强其去除氧化膜和润湿的能力。焊后钎剂残渣用温水、柠檬酸或草酸清洗干净。

母材的接触面应很干净，因此要用钎剂。钎剂的作用是去除母材和钎料表面的氧化物和油污杂质，保护钎料和母材接触面不被氧化，增加钎料的润湿性和毛细流动性。钎剂的熔点应低于钎料，钎剂残渣对母材和接头的腐蚀性应较小。软钎焊常用的钎剂是松香或氯化锌溶液，硬钎焊常用的钎剂是硼砂、硼酸和碱性氟化物的混合物。

五、钎焊方法

钎焊常用的工艺方法较多，主要是按使用的设备和工作原理区分的。如按热源区分则有红外、电子束、激光、等离子、辉光放电钎焊等；按工作过程分有接触反应钎焊和扩散钎焊等。接触反应钎焊是利用钎料与母材反应生成液相填充接头间隙。扩散钎焊是增加保温扩散时间，使焊缝与母材充分均匀化，从而获得与母材性能相同的接头。钎焊前对工件必须进行细致加工和严格清洗，除去油污和过厚的氧化膜，保证接口装配间隙。间隙一般要求在0.01～0.1毫米之间。

（1）烙铁钎焊用于细小简单或很薄零件的软钎焊。

（2）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。

（3）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。

（4）浸沾钎焊将工件部分或整体浸入覆盖有钎剂的钎料浴槽或只有熔盐的盐浴槽中加热焊接。这种方法加热均匀、迅速、温度控制较为准确，适合于大批量生产和大型构件的焊接。盐浴槽中的盐多由钎剂组成。焊后工件上常残存大