钎焊原理

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第407页（2465字）

用液相线温度低于母材固相线温度的钎料，将零件与钎料装配合理后，加热到钎料熔化温度以上，利用液态钎料润湿母材及毛吸现象，填充接头间隙，并与母材相互溶解扩散形成钎焊接头，实现母材不熔化连接。

1．液态钎料对固体母材的润湿作用

液体置于固体表面的状态如图8－1所示。

图8－1 液态钎料在固体母材上的状态

g－气体 l－液体 s－固体 σ－介面张力 θ－接触角

气相g与固相s间界面张力为σ_gs，液相l与固相s间界面张力为σ_ls，液相与气相间界面张力为σ_lg。稳定平衡状态时，液固相交点切线夹角θ的余弦cosθ=(σ_gs－σ_ls)／σ_lg，表示液相对固体的粘附能力，即润湿能力。当σ_gs＞σ_ls时，cosθ为正值，即0°＜θ＜90°，钎料能润湿母材。当σ_gs＜σ_ls时，cosθ为负值，即90°＜θ＜180°，钎料不能润湿母材。钎料能否润湿母材，是决定能否进行钎焊的关键因素。为使钎料很好地填充焊缝间隙，得到良好的钎焊接头，希望润湿角θ＜20°。为减小润湿角、提高润湿能力应采取如下措施：

(1)选用与母材能发生理化作用的材料做钎料，其润湿性能较好。如银、锡做钎料焊铜。在不与母材发生理化作用的钎料中加入与母材发生理化作用的元素，同样可以提高润湿能力，如银对钢的润湿能力很差，但在银钎料中加入锌、铜，其润湿能力显着提高。

(2)适当提高钎焊温度，可使液态钎料与气相界面张力σ_lg及与固相母材的界面张力σ_ls减小。使润湿角θ减小，润湿性增强。

(3)清除钎料及母材表面氧化物，可使气相与固体母材界面张力σ_gs增大，使θ下降，润湿性增强。

(4)加钎剂：钎剂可以去除钎料和母材表面的氧化物，使σ_gs增加，σ_ls减小，润湿角θ显着下降。

(5)焊件表面粗糙化：母材表面粗糙有利于提高润湿性。粗糙表面上的划痕有引导液体钎料铺展的作用。若母材大量溶解于钎料时，这种引导作用将丧失。

2．毛吸现象对填缝的影响

如图8－2所示，当钎料对母材润湿时，则毛吸作用有利于钎料在接头缝隙中的流动，毛吸现象增强了钎料的填缝能力。在－定范围内，接头间隙减小，毛吸作用加强。因此必须设计较小的合理间隙，才能获得良好的钎焊接头。若钎料不润湿母材，毛吸现象将阻止液态钎料在接头缝隙的流动。不能形成钎焊接头。

图8－2毛吸现象对填充能力的影响

Ⅰ－工件 Ⅱ－钎焊料 δ－间隙宽度

(a)液态钎料对工件润湿θ角在0°～90°，cosθ＞0

(b)液态钎料对工件不润湿θ角在90°～180°，cosθ＜0

3．母材在液态钎料里的溶解

某些母材在钎焊时溶解于液态钎料中。如用铜焊钢，用锡铅钎料焊铜时，均有母材溶解现象。溶解的结果改变了接头成分、组织和性能，有可能提高接头强度、延伸率等。但若溶解的结果形成了脆性化合物相则机械性能会严重降低。

溶解量过大：溶解量过大会造成钎料熔化温度、粘度增高，流动性变坏，钎料填充能力下降，母材溶蚀。严重时出现钎料未填满间隙和母材溶穿等缺陷。

影响母材溶解的因素，除钎料和母材固有的成分、特性之外，还有钎焊的温度、保温时间、钎料数量等。钎焊温度提高，保温时间延长，钎料用量增多，均能使母材溶解量增多。

4．钎料向母材扩散

钎料熔化后，与母材润湿接触过程中出现扩散现象，若某些元素向母材晶粒内部扩散，称为体积扩散，体积扩散在钎料与母材交界处，形成固溶体，对钎焊接头无不良影响。若某些元素沿母材晶粒边界扩散，称晶间扩散。晶间扩散使晶界变脆，影响钎焊接头的机械性能。使强度、延伸性降低。降低钎焊温度，缩短保温时间可以减少扩散。

5．钎焊接头的组织

在钎焊过程中，由于钎料与母材之间互相作用，可能形成固溶体、化合物、共晶体等组织。当钎料与母材有相同的基体，或具有同一类型的晶格点阵和相近的原子半径时，有可能形成固溶体组织。固溶体具有良好的强度和韧性，有利于接头机械性能的提高。当母材与钎料具有形成化合物状态特性时，在钎焊过程中，可能形成金属间化合物。如用锡钎料焊铜时。250℃时在界面区出现Cu₆Sn₅化合物相。350℃时除形成Cu₆Sn₅外，还形成Cu₆Sr₅与Cu之间的ε相。这些金属间化合物相将降低接头强度。当采用含共晶组织的钎料，或母材与钎料能形成共晶体时，在接头中出现共晶组织。共晶组织熔点较低，可以降低钎焊温度。如将银箔置于铜件之间，并使达到物理接触，加热到800℃左右，这时虽然没有达到银、铜的熔点，但由于互扩散作用形成了共晶组织，能够获得银铜共晶组织的钎焊缝。接触反应钎焊就是利用这种原理实现的。它可以获得精度极高的钎焊接头。