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真空钎焊知识大全

作者:蔡东俊 人气:29555 日期:2020-06-06 14:33:59

真空钎焊知识大全

    真空钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料,将焊件(母材)与钎料加热到高于钎料熔点,但低于母材熔点的温度,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙,并与母材相互扩散而实现连接焊件的方法。钎焊接头形成包括三个基本过程:
    1) 液态钎料要润湿焊件金属,并能在焊件表面铺展;
    2) 通过毛细作用致密地填满接头间隙;
    3) 钎料能同焊件金属之间发生作用,从而实现良好的冶金结合。

真空钎焊机理
    漫流
    漫流也叫扩展或铺展,它是一种物理现象,服从一般的力学规律,没有金属化学的变化。通常低表面能的材料在高表面能的材料上漫流。正如前面所述,漫流过程就是整个系统的表面自由能减小的过程。一个系统两个元件自由能相同时,不会产生漫流。在电子锡焊装联中,我们所讨论的一般都是液相体在固体表面上的漫流,漫流与液体的表面能,固体的表面性质等有关。这是一种液体没固体表面的流动即流体力学问题,同时也有毛细作用。漫流是浸润的先决条件。
    浸润(Wetting)
    软钎焊的第一个条件,就是已熔化的焊料在要连接的固体金属的表面上充分漫流以后,使之熔合一体,这样的过程叫作“浸润”(或润湿)。 粗看起来,金属表面是很光滑的。但是,若用显微镜放大看,就能看到无数凹凸不平,晶粒界面和划痕等,熔化的焊料没着这种凹凸与伤痕,就产生毛细作用,引起漫流浸润。
    产生浸润的条件:为了使已熔焊料浸润固体金属表面,必须具备一定的条件。条件之一就是焊料与固体金属面必须是“清洁”的,由于清净,焊料与母材的原子间距离就能够很小,能够相互吸引,也就是使之接近到原子间力能发生作用的程度。斥力大于引力,这个原子就会被推到远离这个原子的位置,不可能产生浸润。当固体金属或熔化的金属表面附有氧化物或污垢时,这些东西就会变成障碍,这样就不会产生润湿作用,金属表面必须清洁,这是一个充分条件。
    表面张力
    表面张力是液体表面分子的凝聚力,它使表面分子被吸向液体内部,并呈收缩状(表面积最小的形状)。液体内部的每个分子都处在其它分子的包围之中,被平均的引力所吸引,呈平衡状态。但是,液体表面的分子则不然,其上面是一个异质层,该层的分子密度小,平均承受垂直于液面、方向指向液体内部的引力。其结果,出现了在液体表面形成一层薄膜的现象,表面面积收缩到最小,呈球状。这是因为体积相同、表面积最小的形状是球体。这种自行收缩的力是表面自由能,这种现象叫做表面张力现象,这种能量叫做表面张力或表面能。这个表面能是对焊料的润湿起重要作用的一个因素。
    毛细管现象
    将熔化的清洁的焊料放在清洁的固体金属表面上时,焊料就会在固体金属表面上扩散,直到把固体金属润湿。这种现象是这样产生的:焊料借助于毛细管现象产生的毛细管力,沿着固体金属表面上微小的凸凹面和结晶的间隙向四方扩散。
    液态金属不同于固体金属,其点阵排列不规则,以原子或分子的形态做布朗运动。因此,处在这种状态下的金属具有粘性和流动性,而没有强度。在这种情况下,金属在熔点附近的体积变化为3~4%左右。
    关于毛细现象,有多种图表进行解释,初中物理课本的水银和水在细玻璃管壁的平衡形态,就是一个很好的解说。毛细原理是液态金属和固体金属间润湿的基础,有一个著名的托马斯-杨公式表示,大致是液态金属原子之间的作用力,液态金属和固体金属原子之间的作用力,液态金属原子和环境(空气、助焊剂等)原子作用力之间,三者的合力与液体球面切线的夹角,指向液态金属扩展的方向,则具有润湿的倾向,夹角越大,则润湿能力越强。
    扩散(Diffusion)
    前面对软钎焊中的重要条件——浸润问题作了叙述,与这种浸润现象同时产生的,还有焊料对固体金属的扩散现象。由于这种扩散,在固体金属和焊料的边界层,往往形成金属化合物层(合金层)。
    通常,由于金属原子在晶格点阵中呈热振动状态,所以在温度升高时,它会从一个晶格点阵自由地移动到其它晶格点阵,这人现象称为扩散现象。此时的移动速度和扩散量取决于温度和时间。例如,把金放在清洁的铅面上,在常温加压状态下放几天,就会结合成一体,这类的结合也是依靠扩散而形成的。
    一般的晶内扩散,扩散的金属原子即使很少,也会成为固溶体而进入基体金属中。不能形成固溶体时,可认为只扩散到晶界处。因在常温加工时,靠近晶界处晶格紊乱,从而极易扩散。
    固体之间的扩散,一般可认为是在相邻的晶格点阵上交换位置的扩散。除此之外,也可用复杂的空穴学说来解释。当把固体金属投入到熔化金属中搅拌混合时,有时可形成两个液相。一般说来,固体金属和熔化金属之间就要产生扩散。下面,就介绍这些金属间发生的扩散。
    扩散的分类:扩散的程度因焊料的成分和母材金属的种类及不同的加热温度而异,它可分成从简单扩散到复杂扩散几类。大体上说,扩散可分为两类,即自扩散(Self-diffusion)和异种原子间的扩散——化学扩散(Chemical diffusion)。所谓自扩散,是指同种金属原子间的原子移动;而化学扩散是指异种原子间的扩散。如从扩散的现象上看,扩散可分为三类:晶内扩散(Bulk diffusion)、晶界扩散(Grain-boundary diffusion)和表面扩散(Surface diffusion)。通过扩散而形成的中间层,会使结合部分的物理特性和化学特性发生变化,尤其是机械特性和耐腐蚀性等变化更大。

分类

    按钎焊过程中加热方式和保护条件不同,钎焊可分为:盐浴钎焊、火焰钎焊、电阻钎焊、感应钎焊、炉中钎焊、烙铁钎焊和波峰钎焊等。按钎料熔点不同,钎焊方法又可分为硬钎焊和软钎焊两种
    1.硬钎焊
    硬钎焊的钎料熔点在450℃以上,常用的是铜基钎料和银基钎料。硬钎焊接头强度较高(大于200MPa),主要用于接头受力较大、工作温度较高的焊件,如各种零件的连接、刀具的焊接等。
    2.软钎焊
    软钎焊的钎料熔点在450℃以下,常用的是锡基钎料。软钎焊接头强度较低(小于70MPa),主要用于接头受力不大、工作强度较低的焊件,如电子元件和线路的连接等。

特点

   钎焊和熔焊相比,加热温度低,接头的金属组织和性能变化小,焊接变形小,焊件尺寸容易保证,接头光洁,气密性好;生产率高、易于实现机械化和自动化;可以焊接异种金属,甚至连接金属与非金属;还可以焊接某些形状复杂的接头。但是,钎焊接头强度较低,耐热能力较差,焊前准备工作要求较高。目前,钎焊主要用于焊接电子元件、精密仪表机械等

钎料

    钎料:即钎焊时用做填充金属的材料。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。

    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(T<150℃,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,T<100℃)、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。

    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棗表示锡铅钎料 Wpb=10%

  H1AlCu26-4棗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。

(3)国军标:GJB(收费资料)

钎焊焊剂

   钎剂,即钎焊时使用的熔剂。钎剂的作用为:

  (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。

    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。

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