钎焊 钎焊接头的形成过程.ppt

钎焊 第一章 钎焊接头的形成过程 第一次课程 2H 课程安排1本课程根据教学大纲计划安排32学时 讲授32学时 2本课程为考查课 成绩采用平时 20 期末考核 80 进行综合评定 3教材 钎焊 崔琦 闫红彦编写 本校印制 参考书 钎焊 邹僖主编 第二版 机械工业出版社 1989 个人简介张立峰 男 50岁 机电工程系焊接教研室教师 教授级高级工程师 13721660363邮箱 yulu540 一 课程开设的意义 生产活动是人类社会生存和发展必须的 所有生产活动都是为人类社会消费服务的 生产技术是提高生产质量 生产效率 减低生产成本的重要工具 焊接是重要的连接生产制造技术 钎焊是三大焊接技术之一 也是最古老的焊接技术 历经几千年足见其生命力之旺盛 由于其应用的广泛性 机械制造业必须掌握 绪论 我国早在青铜器时代已经出现了采用钎焊进行连接的物件 1637年明代宋应星所著 天工开物 中有 中华小钎用白铜末 大钎则竭力挥锤而强合之 的记载 小钎即钎焊 大钎为锻焊 焊接技术的历史与发展 连接技术是伴随着材料的应用而产生的 在人类还只能使用天然材料时 就产生了捆绑 镶嵌 缝纫等连接技术 当人类可以制造材料后 现代意义上的连接技术就开始萌生了 除机械方法以外 钎焊或许是最古老的连接金属的技术 5500年前用锡钎焊银摆设 古埃及 焊接技术的历史与发展 5000年前用锡钎焊铜钵的银把手 古埃及 5000年前用银钎料钎焊的管子 古埃及 4000年前用金钎料钎焊的护符盒 古埃及 公元前5世纪用锡铅钎料镶嵌皇冠上的珠宝首饰等 中国 公元79年被火山爆发埋没的庞贝城中有用锡铅钎料钎焊的家用铅制水管 古罗马 焊接技术的历史与发展 焊接技术的历史与发展 钎焊技术在复杂结构制造中的应用 微波波导组件 焊接技术的历史与发展 钎焊技术在空间系统制造中的应用 固态陀螺 焊接技术的历史与发展 钎焊技术在空间系统制造中的应用 微型气象站 钎焊技术在电子产品制造中的应用 印制电路板 温度传感器 湿度传感器 钎焊的基本概念 特征 钎焊定义 借助于比母材熔点低的液态钎料填满固态母材间的间隙 并相互扩散形成结合的一类连接材料的方法 钎焊特征 1 钎料熔点低于母材 钎焊时母材不熔化 2 钎料与母材的成分有很大差别 钎焊的基本概念 特征和应用 3 熔化的钎料靠润湿和毛细作用吸入并保持在母材间隙内 4 依靠液态钎料与固体母材的相互扩散而形成冶金结合 钎焊是最古老的焊接方法 几千年前钎焊应用于最尖端的产品制造 微电子器件钎焊是研究最落后的焊接方法 系统性和理论 钎焊具有的特点 优点 1 钎焊的温度低于母材 对母材的组织性能影响小 2 应力与变形小 适合于高精度 复杂零部件或结构的连接 3 生产率高 诸多连接缝可一次完成 4 广泛的适用性 可焊金属 非金属及异种金属 5 接头表面质量好 钎焊具有的特点及选择 缺点 1 接头强度较低 耐热性差 2 多用搭接接头 浪费金属 增加结构重量 易产生应力集中 3 焊前准备要求高 特别是表面质量及装配接头间隙 4 个别钎焊工艺方法设备投资大 费用高 综合零件材料 使用性能 生产成本及效率进行选择 钎焊接头的形成过程 1 1钎料的润湿与铺展过程润湿是指由固 液相界面来取代固 气相界面 从而使体系的自由能降低的过程 即将液滴置于固体表面 若液滴和固体界面的变化能使液 固体系自由能降低 则液滴能很好润湿固相表面并铺展开 固 液 气之间的界面张力决定了液态钎料在母材上的润湿与铺展行为 1 1 1界面润湿性 钎焊接头的形成过程 接触角 润湿角 其大小表征了体系润湿铺展的强弱 钎焊时一般希望 20 钎焊接头的形成过程 1 1 2毛细流动 当将两互相平行的金属板垂直插入液态钎料中时 假设平行金属板无限大 钎料量无限多 由于存在毛细作用 如果钎料可以润湿金属板 则会出现图 a 所示的情形 否则 则会出现图 b 的情形 钎焊接头的形成过程 液态钎料在毛细作用下的流动速度 V lgacos 4 h a sg sl 4 hcos 则V V 1 h 刚开始V大 随着h的增加 而逐渐变慢 所以 为填满间隙 必须有足够的保温时间 钎焊接头的形成过程 1 2影响钎焊过程的因素 1 2 1接头设计间隙越小 接头强度越高 1 2 2钎料能与母材金属无限固溶的合金元素可显著减小界面张力 从而使钎料的润湿性得到明显的提高 比与母材金属形成金属间化合物的合金元素好 钎焊接头的形成过程 1 3钎焊方法的分类1 按钎料熔点分低于450 软钎焊Soldering高于450 硬钎焊Brazing2 按钎焊温度分高温钎焊 中温钎焊 低温钎焊 相对 高于800 为高温钎焊 550 800 为中温钎焊 低于500 为低温钎焊 3 按热源种类分火焰钎焊 烙铁钎焊 炉中钎焊 感应钎焊 电阻钎焊 第二次课程 2H 第二章钎料 2 1对钎料的基本要求1 合适的熔点 比母材至少低几十度 2 有良好的润湿性及填缝能力 3 能与母材充分作用并形成牢固的冶金结合 4 具有稳定和均匀的成分 钎焊时避免偏析及易挥发元素的烧损 5 钎焊接头应满足产品的技术要求 6 成本低 易制造 第二章钎料 2 2钎料的分类1 钎料的分类以熔点区分 低于450 易熔钎料 软钎料 高于450 难熔钎料 硬钎料 以组成钎料的主要元素分 软钎料 锡基 铅基 镉基 锌基等 硬钎料 铝基 银基 铜基 锰基 镍基等 第二章钎料 2 钎料的牌号国标硬钎料软钎料S Sn60Pb39Sb1 第二章钎料 尚在使用的部颁标准 冶金部HLSnPb10HLAlCu26 4其它合金元素的含量组元外主要合金组元的含量主要组元 两个代号 钎料 第二章钎料 机械部 第二章钎料 2 3钎料选择的影响因素经济性 根据结构的重要性 选择成本最低的钎料合金 接头性能 工作温度 强度 可靠性 密封性 电真空器件 真空室 导电性 锡基钎料 银基钎料 工艺性 焊接温度对母材的影响 与钎焊方法的匹配 第二章钎料 钎焊母材相互作用加热方式加热速度与液 固相线范围使用要求环境 力学性能 精度等钎焊温度尽量选择钎焊温度低的钎料接头形式与流动性有关钎料形状预置钎料施工安全 第二章钎料 2 3软钎料 1 锡铅钎料共晶成分的机械性能最好 表面张力小 则润湿性好 铺展 填缝性好 加入Sb 3 可减少液态钎料的氧化 加入Ag Sb可提高高温性能 Sn有冷脆性 钎焊接头工作温度一般不高于100 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 2 铋基钎料 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 Sn Ag Cu合金 第二章钎料 3 铅基钎料纯铅不能润湿Cu Fe Al Ni等金属 常加入Ag Sn Cd Zn钎焊铜 加入Ag可润湿铜 且使钎料熔点下降 加入Sn可提高润湿性 焊后接头耐热性提高 可在150 以下工作 在潮湿环境下耐湿性差 4 镉基钎料镉基钎料是耐热性最好的一种软钎料 工作温度可达250 第二章钎料 常见的有Cd Zn Cd Ag Cd Zn Ag系钎料 Ag的加入可提高强度 但超过5 Ag使液相线迅速上升 结晶区间变得很宽 故Ag不宜过高 Zn的加入可减少液态钎料的氧化 并使熔点下降 钎缝可电镀 镉基钎料钎焊铜时 温度过高 时间过长 钎缝界面将生成脆性的化合物 使性能下降 第二章钎料 第二章钎料 2 4硬钎料 1 铝基钎料用途 仅用于钎焊铝及铝合金 组成 铝及可和铝形成共晶的金属铝硅共晶 铝硅铜共晶 第二章钎料 第二章钎料 共晶成分 12 2 Si 熔点 577 C 缺点 熔点接近于铝合金的熔点 第二章钎料 2 银基钎料1 真空钎焊用钎料2 银铜锌钎料3 银铜锌镉钎料4 银铜锌锡钎料 用途广泛的硬钎料 低碳钢 结构钢 不锈钢 高温合金 铜及铜合金 难熔金属 陶瓷等 导电 导热性能良好 耐介质腐蚀 问题 价格高 低银钎料的研制 如何降低熔点 如何避免脆性相 第二章钎料 Ag Cu Zn钎料合金Ag Cu共晶点780 C加入Zn降低熔点 720 C会产生脆性 和 相 和 相塑性极差Zn含量控制在35 以下Ag Cu Zn Sn钎料合金进一步降低熔点加入量0 5 5 熔660 C过多产生脆性加入微量Ni 提高强度和耐热性 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 3 铜基钎料1 纯铜钎料2 铜磷及铜银磷钎料3 铜锌钎料4 铜锗钎料5 铜基高温钎料Cu Zn钎料 通过Zn含量降低熔点 Cu62 Zn38 黄铜 熔点902 C 固熔体组织良好的强度和塑性加入Si抑制Zn的挥发加入Sn提高铺展性 第二章钎料 第二章钎料 Si氧化后与钎剂中的硼酸盐形成低熔点的硅酸盐 浮在液态钎料表面 阻止Zn的挥发 第二章钎料 Cu P钎料 共晶成分 8 38wt 磷 熔点 714 CP2O5与氧化铜生成复合化合物 以液态覆盖母材表面 起保护作用 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 铜基高温钎料 BCuNiSiB H1CuNi30 2 0 2 27 30 Ni 提高高温强度 但熔点也增加1 5 2 Si 0 2 B 降低熔点 改善润湿性工作温度可以达到600 C可以达到与1Cr18Ni9Ti等强度 第二章钎料 4 锰基钎料加入Cr Co可使钎料提高高温抗氧化性和热强性 接头工作温度可达600 700 第二章钎料 第二章钎料 5 镍基钎料Ni B共晶点1140 4 B B显著提高高温强度 改善润湿性 但使溶蚀增加 形成化合物变脆 Ni Si共晶点1152 11 Si Si可溶于Ni中形成固溶体 超过6 Si 会产生脆的化合物 Ni P共晶点880 11 P P不溶于Ni 易形成一系列化合物变脆 第二章钎料 第二章钎料 C的加入可降低熔点 但碳对钎料的高温强度及溶蚀性都有不良影响 故不宜多加 Cr是镍基钎料中的主要添加元素 铬使镍固溶体强化并提高其抗氧化性 BNi 1 2 3 4均含有Si B C 含B钎料对不锈钢和高温合金有晶间渗入现象 使晶界变脆 不适合焊薄件 因B能吸收中子 故不适用于核领域 BNi 5不含B 可焊薄件及应用于核领域 但熔点偏高 BNi 6 7为Ni P和Ni Cr P共晶成分 熔点低 流动性好 不含B 可焊薄件 工作温度低 镍基钎料很脆 一般制成粉末或非晶态使用 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 第二章钎料 6 自钎剂钎料既能填充钎缝金属 又能起钎剂作用的钎料称之 即自身含有起到钎剂作用的微量或一定量元素的钎料 要求 1 钎料内含有较强的还原剂 钎焊时能还原母材表面氧化物 2 还原产物的熔点应低于钎焊温度 或还原产物能与表面氧化物形成低熔点的复合化合物 3 还原产物或形成的复合化合物的粘度要小 能被液体钎料排开 不妨碍钎料的铺展 此外 还原剂应溶于钎料中 能降低钎料的表面张力 如 钎焊铜的铜磷 铜磷银钎料 含有锂的银基 铜基钎料 钎焊不锈钢的锰基钎料等 第二章钎料 1 铜磷钎料和铜银磷钎料P的加入 自钎剂作用5CuO 2P P2O5 5CuP2O5与CuO形成复合盐 覆盖表面防止氧化 降低熔点钎料使用时应注意 因钎料较脆 用于振动载荷较小的工件 钎焊黄铜仍需加钎剂 不能钎焊钢 镍及其合金 因P化物极脆 第二章钎料 2 银基和铜基自钎剂钎料表中Cr以下的元素都可还原Cr2O3 但还原产物的氧化物大多熔点高 有的粘度大 起不到自钎剂作用 锂的氧化物Li2O的熔点虽高 但有如下特点 1 它能与许多氧化物形成低熔复合化合物 2 氧化锂对水的亲和力极大 它和周围气氛中的水分作用 形成熔点为450 的LiOH 它几乎能溶解所有的氧化物 同时呈薄膜状覆盖金属表面 起保护作用 3 锂是表面活性物质 第三章钎焊去膜过程 钎焊时去膜的必要性金属表面的氧化膜严重影响润湿与铺展 必须去除 氧化膜越致密 它与金属基体的结合越牢固 它的热稳定性和化学稳定性越高 则难以去除 通常可采用钎剂 气体介质 机械方法和物理方法清除 钎剂既可以防止工件及钎料氧化 又可以去除其氧化膜 还可以减小表面张力促进钎料流动 配合钎焊接头的形成 3 1钎焊用钎剂3 1 1钎剂的。