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。
钎料的润湿与铺展过程
固体金属的表面结构 润湿的分类 Young氏方程 钎剂覆盖条件下熔融钎料与母材的界面 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
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。 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。 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。 钎焊过程通常就是在这样的表面上进行的。
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。
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。
润湿的分类 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 和原来的液气相界面的 过程。
Young氏方程
基本假设：
过程发生在理想表面上 系统达到平衡状态 体系的温度、压力和组成均不发生变化则体系的总 自由能变化仅取决于表面自由能的变化。
Young氏方程
钎剂覆盖条件下 熔融钎料与母材间界面张力的变化
界面张力的下降与传质速度有关，但只有在一定的 时间内保持线性下降的关系。随着传质速度的减缓， 界面张力将上升。这也是钎剂的活性有一定时效的原 因之一。 在实际运用中，传质速度是根据母材的主要金属成 分与钎剂中析出（传质）的物质之间的电极电位差而 确定的。 要注意传质速度应与传质物质与钎料或母材的合金 化速度相匹配。如果传质速度过快，传质物质来不及 与母材或钎料合金化，则会使析出的金属呈微粒状态 悬浮于钎剂中，宏观表现为钎剂发黑。
润湿的分类
附着润湿 浸渍润湿 铺展润湿
润湿的分类
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 如果钎料是预先放置在钎缝间 隙中的,在钎附着润湿示意图 料熔化并润湿母材时,情况与 附着润湿相近。
润湿的分类
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。 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。
σsg − σsl − σlg cos θ = 0
由此即得Young氏方程:
cos θ = (σsg − σsl )/σlg
衡量润湿程度的大小。
cosθ 又称为“润湿系数”。 显然，θ和cosθ均可用来
Young氏方程
Young氏方程
Young氏方程的推导是假定在恒温、恒压和 组成不变的平衡条件下得到的,但在实际钎焊 过程中,温度和组成都可能发生变化,并且在钎 料铺展的过程中,铺展面积不断扩大,当然没有 达到平衡状态,因此,严格地说,Young氏方程是 不适合用来描述钎料铺展过程的,但在用来进 行一般的定性判断时,则可借助于Young氏方 程。
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。
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； 疏松氧化膜 膜疏松多孔，不能 隔绝空气，避免氧化，如Fe2O3、CuO等。