钎焊基本知识概述

二、钎焊基本知识概述1.1概念钎焊：利用熔点比母材低的填充金属（称为钎料），经加热熔化后，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接的焊接方法。较之熔焊，钎焊时母材不熔化，仅钎料熔化；较之压焊，钎焊时不对焊件施加压力。钎焊形成的焊缝称为钎缝。钎焊所用的填充金属称为钎料。钎焊过程：表面清洗好的工件以搭接型式装配在一起，把钎料放在接头间隙附近或接头间隙之间。当工件与钎料被加热到稍高于钎料熔点温度后，钎料熔化（工件未熔化），并借助毛细管作用被吸入和充满固态工件间隙之间，液态钎料与工件金属相互扩散溶解，冷疑后即形成钎焊接头。1.2焊接材料1.2.1钎料：即钎焊时用做填充金属的材料。1.2.1.1对钎料的基本要求：①低于工件金属的熔点；②有足够的浸润性（钎料流入间隙的性能）；③有与工件金属适当的溶解和扩散能力；④焊接接头应具有一定的机械性能和物理、化学性能。1.2.1.2分类根据熔点不同，钎料分为软钎料和硬钎料①软钎料：即熔点低于450℃的钎料，有锡铅基、铅基（T150℃，一般用于钎焊铜及铜合金，耐热性好，但耐蚀性较差）、镉基（是软钎料中耐热性最好的一种，T=250℃）等合金。软钎料主要用于焊接受力不大和工作温度较低的工件，如各种电器导线的连接及仪器、仪表元件的钎焊（主要用于电子线路的焊接）常用的软钎料有：锡铅钎料（应用最广、具有良好的工艺性和导电性，T100℃）、镉银钎料、铅银钎料和锌银钎料等。软钎焊：指使用软钎料进行的钎焊。钎焊接头强度低（小于70Mpa）。②硬钎料：即熔点高于450℃的钎料，有铝基、铜基、银基、镍基等合金。硬钎料主要用于焊接受力较大、工作温度较高的工件，如：自行车架、硬质合金刀具、钻探钻头等（主要用于机械零、部件的焊接）常用的硬钎料有：铜基钎料、银基钎料（应用最广的一类硬钎料，具有良好的力学性能、导电导热性、耐蚀性。广泛用于钎焊低碳钢、结构钢、不锈钢、铜以及铜合金等）、铝基钎料（主要用于钎焊铝及铝合金）和镍基钎料（主要用于航空航天部门）等。硬钎焊：指使用硬钎料进行的钎焊。钎焊接头强度较高（大于200Mpa）。1.2.1.3钎料的编号国标：B（表钎料代号（Braze））+化学元素符号（表钎料的基本组元）+数字（表基本组元的质量分数（%））+元素符合（表钎料的其它组元，按含量多少排序，不标含量（最多不超过6个））----其它特性标记（表钎料的某些特性，如“V”表示真空级钎料，“R”表示即可作钎料，又可作气焊丝的铜锌含量）。如：B（钎料代号）Ag72Cu（银基钎料WAg=72%，并含有铜元素）---V（真空级钎料）部标：（1）冶金部部标：“H1（表示钎料）+元素符号（表钎料基础组元）+元素符号（表钎料主要组元）+数字（表除基础组元外的主要组元的含量）---数字（表钎料中除基本、主要组元之外的其它组元的含量）”如H1SnPb10枣表示锡铅钎料Wpb=10%H1AlCu26-4枣表铝基三元合金钎料Wcu=26%，其它合金元素为4%（2）机械部部标“HL（表钎料）+数字（表示钎料的化学组成类型→‘1’表示铜锌合金；‘2’表示铜磷合金；‘3’表银合金；‘4’表铝合金；‘5’表锌合金；‘6’表锡铅合金；‘7’表镍基合金）+数字+数字（表示同一类型钎料中的不同牌号）”如HL605——表第5号锡铅钎料。1.2.2钎焊焊剂钎剂：即钎焊时使用的熔剂。1.2.2.1钎剂的作用：（1）清除母材和钎料表面的氧化物及其它杂质（2）以液态薄膜的形式覆盖在工件金属和钎料的表面上，隔离空气起保护作用──保护钎料及焊件不被氧化。（3）改善液态钎料对工件金属的浸润性，增大钎料的填充能力。1.2.2.2分类：钎剂通常分为软钎剂、硬钎剂和铝、镁、钛用钎剂三大类。（1）软钎剂按其成分可分为无机软钎剂（具有很高的化学活性，去除氧化物的能力很强。能显著地促进液态钎料对母材的润湿。组分为无机酸和无机盐。一般的黑色金属和有色金属，包括不锈钢、耐热钢和镍铬合金等都可使用，但它残渣有腐蚀性，焊后必须清除干净）和有机软钎剂两类。按其残渣对钎焊接头的腐蚀作用可分为腐蚀性、弱腐蚀性和无腐蚀性三类，其中无机软钎剂均系腐蚀性钎剂；有机软钎剂属于后两类。常用的软钎剂有磷酸水溶液（只限于300℃以下使用，是钎焊含Cr不锈钢或锰青铜的适宜钎剂）、氯化锌水溶液和松香（只能用于300℃以下钎焊表面氧化不严重的金、银、铜等金属）等。（2）硬钎剂：常用的硬钎剂有硼砂、硼酸（活性温度高，均在800℃以上，只能配合铜基钎料使用，去氧化物能力差，不能去除Cr、Si、Al、Ti等的氧化物）、KBF4（氟硼酸钾，熔点低，去氧化能力强，是熔点低于750℃银基钎料的适宜钎剂）等。1.3接头形式钎焊接头承载能力与接合面大小有关。因此，钎焊接头一般采用搭接接头或套接接头。如图6-3-17所示：图6-3-17钎焊接头举例设计钎焊接头时，应考虑钎焊件的装配定位和钎料的安置等。装配时，装配间隙要均匀、平整和适当。间隙太小，会影响钎料的渗入与润湿，达不到全部焊合；间隙太大，则浪费钎料，且会降低钎焊接头强度。一般钎焊接头间隙取为0.05～0.2mm。1.4加热方式：钎焊的加热方式有烙铁加热、火焰加热、电阻加热、感应加热、浸渍加热和炉中加热等。烙铁加热温度较低，一般只适于软钎焊。浸渍加热类型有盐浴加热和金属浴加热，本身即提供钎剂或钎料，加热快，接头洁净。炉中加热：气氛、炉温可控，加热均匀、焊件变形小。浸渍加热和炉中加热均可用于同时焊多件或多条钎缝，特适合于焊接形状复杂且多钎缝的零件。钎焊的特点及应用特点（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，且对工件厚度差无严格限制。（3）有些钎焊方法可同时焊多焊件、多接头，生产率很高。（4）钎焊设备简单，生产投资费用少。（5）接头强度低，耐热性差，且焊前清整要求严格，钎料价格较贵。应用：钎焊不适于一般钢结构和重载、动载机件的焊接。主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及复杂薄板结构，如夹层构件、蜂窝结构等，也常用于钎焊各类异线与硬质合金刀具。钎焊时，对被钎接工件接触表面经清洗后，以搭接形式进行装配，把钎料放在接合间隙附近或直接放入接合间隙中。当工件与钎料一起加热到稍高于钎料的熔化温度后，钎料将熔化并浸润焊件表面。液态钎料借助毛细管作用，将沿接缝流动铺展。于是被钎接金属和钎料间进行相互溶解，相互渗透，形成合金层，冷凝后即形成钎接接头。钎焊的特点是接头表面光洁，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。钎焊的特点是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。钎焊采用熔点低于母材的合金作钎料，加热时钎料熔化，并靠润湿作用和毛细作用填满并保持在接头间隙内，而母材处于固态，依靠液态钎料和固态母材间的相互扩散形成钎焊接头。钎焊对母材的物理化学性能影响小，焊接应力和变形较小，可焊接性能差别较大的异种金属，能同时完成多条焊缝，接头外表美观整齐，设备简单，生产投资小。但钎焊接头的强度较低，耐热能力差。应用：硬质合金刀具、钻探钻头、自行车车架、换热器、导管及各类容器等；在微波波导、电子管和电子真空器件的制造中，钎焊甚至是唯一可能的连接方法。钎料和钎剂（一）钎料的润湿与铺展钎焊时，只有熔化的液体钎料很好地润湿母材表面才能填满钎缝。衡量钎料对母材润湿能力的大小，可用钎料（液相）与母材（固相）相接触时的接触夹角大小来表示。影响钎料润湿母材的主要因素有：1.钎料和母材的成份若钎料与母材在固态和液态下均不发生物理化学作用，则他们之间的润湿作用就很差，如铅与铁。若钎料与母材能相互溶解或形成化合物，则认为钎料能较好地润湿母材，例如银对铜。2.钎焊温度钎焊加热温度的升高，由于钎料表面张力下降等原因会改善钎料对母材的润湿性，但钎焊温度不能过高，否则会造成钎料流失，晶粒长大等缺陷。3.母材表面氧化物．如果母材金属表面存在氧化物，液态钎料往往会凝聚成球状，不与母材发生润湿，所以，钎焊前必须充分清除氧化物，才能保证良好的润湿作用。4.母材表面粗糙度当钎料与母材之间作用较弱时，母材表面粗糙的沟槽起到了特殊的毛细作用，可以改善钎料在母材上的润湿与铺展。5.钎剂钎焊时使用钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化物，改善润湿作用。（二）钎料的毛细流动钎焊时，液体钎料要沿着间隙去填满钎缝，由于间隙很小，如同毛细管，所以称之为毛细流动。毛细流动能力的大小，能决定钎料能否填满钎缝间隙。影响液体钎料毛细流动的因素很多，主要有钎料的润湿能力和接头间隙大小等，如钎料对母材润湿性好，接头有较小的间隙，都可以得到良好的钎料流动与填充性能。（三）钎料与母材的相互作用液态钎料在毛细填隙过程中与母材发生相互物理化学作用，这些相互作用对钎焊接头的性能影响很大，它们可以分为两种：1.母材向钎料的溶解钎焊时一般都发生母材向液体钎料的溶解过程，可使钎料成份合金化，有利于提高接头强度。但母材的过度溶解会使液体钎料的熔点和粘度升高，流动性变差，往往导致不能填满钎缝间隙，同时可能使母材表面因过分溶解而出现凹陷等缺陷。2.钎料组份向母材扩散钎焊时，也出现钎料组份向母材的扩散，扩散以两种方式进行：一种是钎料组元向整个母材晶粒内部扩散，在母材毗邻钎缝处的一边形成固溶体层，对接头不会产生不良影响。另一种是钎料组元扩散到母材的晶粒边界，常常使晶界发脆，尤其是在薄件钎焊时比较明显。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。它的作用是清除钎料和母材表面的氧化物，保护焊件和液态钎料在钎焊过程中免于氧化，改善液态钎料对焊件的润湿性。常用的钎料一般有两类。一类是硬钎料，熔点在450℃以上，常用的钎料有铜基、银基、铝基、镍基等合金。钎剂常用硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等。硬钎焊的加热源有焊炬火焰、电阻电热、感应加热、盐浴加热及炉内加热等。钎接接头强度较高，适于钎焊受力较大或工作温度较高的工件，如硬质合金刀具、自行车车架等，通常把这类钎焊称为硬钎焊；另一类是软钎料，熔点在450℃以下，应用最广泛的软钎料是锡基合金，多数软钎料适合的焊接温度为200-400℃，钎剂为松香、松香酒精溶液、氯化锌溶液，加热方法常用烙铁加热。钎接接头强度较低，适于钎接受力不大或工作温度较低的工件，如容器、仪表元件等，通常把这类钎焊称为软钎焊。钎料是形成钎焊接头的填充金属，钎焊接头的质量在很大程度上取决钎料。钎料应该具有合适的熔点、良好的润湿性和填缝能力，能与母材相互扩散，还应具有一定的力学性能和物理化学性能，以满足接头的使用性能要求。钎焊常用的工艺方法钎焊过程的主要工艺参数是钎焊温度和保温时间。钎焊温度通常选为高于钎料液相线温度25^-60'C，以保证钎料能填满间隙。钎焊保温时间视工件大小及钎料与母材相互作用的剧烈程度而定。大件的保温时间应长些，以保证加热均匀。钎料与母材作用强烈的，保温时间要短。一般说来，一定的保温时间是促使钎料与母材相互扩散，形成牢固结合所必需的。但过长的保温时间将导致熔蚀等缺陷的发生。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