钎焊第1章 概 述（润湿基本原理.pptx

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,钎焊,BrazingSoldering,主讲林巧力兰州理工大学材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScience&EngineeringofLUT,本课程主要内容,第1章概述（润湿基本原理）第2章钎焊用钎料,第3章钎剂和控制气氛第4章接头设计及焊前处理第5章火焰钎焊第6章感应钎焊第7章炉中钎焊,第8章碳钢、低合金钢及不锈钢的钎焊第9章有色金属的钎焊第10章工具钢、硬质合金及铸铁的钎焊第11章钎焊接头质量检验第12章钎焊过程的安全与防护,钎焊基础内容,常见的钎焊方法,常见的金属材料的钎焊,第1章概述,钎焊是一门古老而且富有生命力的学科！

图1.1钎焊的历史,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，并相互扩散形成冶金结合的一类连接材料的方法。

钎焊特征：

钎料熔点低于母材，钎焊时母材不熔化；钎料与母材的成分有很大差别；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。

第1章概述,1.1钎焊加工原理及应用,润湿与铺展润湿是指由固-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。

第1章概述,图1.1钎焊接头示意图,图1.2Cu钎焊Ni的分子动力学模拟E.B.WebbIIIandJ.J.Hoyt,ActaMaterialia,56,1802-1812（2008）.,第1章概述,1.2表面张力、表面能及界面能,图1.3表面能与表面张力产生的机理,图1.4表面化学键断裂分数示意图,界面能=界面的化学键结合？

RightorWrong,表面能为矢量，化学键打开规定为负值，形成规定为正值,第1章概述,图1.5界面能的形成机理,第1章概述,杨氏平衡方程：

图1.6杨氏平衡方程示意图,图1.7液滴在固体表面上形成的接触角,第1章概述,1.3杨氏平衡方程,图1.8Yangs方程的推导（基于理想表面）机械平衡：

热力学平衡：

第1章概述,Young-Dupreequation:

Wa=ssv+slv-ssl=slv（cosq+1）,图1.9润湿在钎焊连接中的重要性,1.4润湿过程中的两个效应,马兰戈尼效应（MarangoniEffect）,图1.10酒泪（tearsofwine）和马兰戈尼效应形成机理莱顿弗罗斯特现象（LeidenfrostPhenomenon）,图1.11莱顿弗罗斯特现象,传说中“水往高处流”的现象,第1章概述,1.5焊点尺寸与润湿性关系,图1.12（a）熔滴在基板上的俯视图,（b）Pb在玻璃碳上的接触角随熔滴尺寸的变化,（a）,（b）,第1章概述,图1.13两种金属液滴在固态基板上的润湿Chatain,D.andW.C.Carter（2004）.Wettingdynamics:

Spreadingofmetallicdrops.NatureMaterials3（12）:

843-845.,第1章概述,1.6熔体表面张力的表征,图1.14Young-Laplace计算表面张力示意图Young-Laplace法：

Bashforth-Adams方程原型,第1章概述,Bashforth-Adams无因次表达式:

式中X=x/b，Z=z/b，b=Drgb2/slv，b称为形状因子Bashforth-Adams表,第1章概述,图1.15外形比较法及Bashforth-Adams数值表实测液滴轮廓vs.标准外形曲线b；查Bashforth-Adams数值表得x/b。

Dorsey法（又称等腰三角形法）：

式中f=（x45z45）/x900.41421，x45和x90分别为等腰直角三角形与液滴轮廓相切处液滴的直径和液滴的赤道直径，z45为液滴顶点距x45线的距离,图1.16Dorsey法测表面张力示意图,第1章概述,图1.17（a）座滴法实测纯金属的表面张力;（b）汽化热与表面张力的关系,第1章概述,（a）,（b）,1.7粗糙度对钎焊的影响,对于钎焊，基材表面越粗糙越好or越光滑越好？

粗糙度的表征（Dektak台阶仪，AFM原子力显微镜，ImageJ）,图1.18台阶仪及典型表面形貌数据,第1章概述,图1.19原子力显微镜对表面的三维重构及二维形貌表征Saiz,E.andA.P.Tomsia（2004）.AtomicdynamicsandMarangonifilmsduringliquid-metalspreading.NatureMaterials3（12）:

903-909.,图1.20ImageJ-二维和三维形貌表征,ImageJ对表面形貌的表征,第1章概述,粗糙度的影响：

1.接触面积增加,2.三相线被滞后,第1章概述,sr真实表面与理想平面的面积之比图1.21接触面积对接触角的影响,Wenzel公式,图1.22粗糙表面对三相线的滞后Hg在Al2O3表面上的润湿,第1章概述,1.8表面化学异种对钎焊的影响,图1.23与三相线垂直方向的化学异质,第1章概述,图1.24与三相线平行方向的化学异质及实验验证（Sn/glassandMo）,qbqqa,qa（maxqaqr（minqb,第1章概述,1.9毛细管效应,图1.25毛细管效应的形成rgv（h/2）,开尔文方程,第1章概述,1.10钎料润湿性的测量方法,（b）,图1.26传统钎料润湿性测量方法（GB/T11364-2008）缺点：

1.要求被测原始钎料形状尽可能对称；钎料与基板的相互预作用不可避免；无法实时检测润湿的动态变化。

a）传统钎料润湿性测量方法及缺点（a）,第1章概述,b）改良后的钎料润湿性测量方法,图1.27改良后的钎料润湿性测量方法Saiz,E.,A.P.Tomsia,etal.（2007）.Nonreactivespreadingathightemperature:

Moltenmetalsandoxidesonmolybdenum.PhysicalReviewE（Statistical,Nonlinear,andSoftMatterPhysics）76（4）:

041602-041615.,第1章概述,（a）,（c）,（d）,（b）,图1.29（a）Al在Al2O3上的动态润湿;（b）润湿在CMT焊接熔滴过渡监控上的应用;（c）普通高温摄像所采集的图片;（d）配备激光成像及滤波片后的图像,第1章概述,图1.30液滴形状分析软件：

（a）ADSA,（b）ImageJ,（c）Surften43,（d）Fta32,第1章概述,1.11金属钎料在金属基板上的润湿（tinmsscale）,第1章概述,特点：

总体上，金属如果没有氧化膜（固体和液体金属表面）相互之间就能润湿（q90o）。

金属-金属的界面能，ssl=0.05-0.5J/m2；熵对界面能的影响非常弱几乎可以忽略不计。

a.纯液体金属与自身固体金属的润湿：

Wa=ssv+slv-ssl=slv（cosq+1）,第1章概述,b.金属-金属不互溶的体系：

错误的传统观点若钎料与母材在液态和固态均不相互作用，则润湿性极差，如Fe-Ag、Fe-Bi、Fe-Cd、Fe-Pb、Cu-W等；若钎料与母材相互溶解或形成化合物，则液态钎料能较好地润湿母材。

图1.311273K下Pb在Fe表面的润湿（高真空条件下）,表1.1不互溶体系金属与金属的润湿,Aparadox（悖论）:

错误的传统观点：

不相容的金属-金属体系，即热力学上表现为相互排斥*，润湿性应表现为差。

*两种金属热力学上表现为相互排斥，用相互作用系数l表示,l为负值表现为相互吸引，l为正值表现为相互排斥。

图1.32Cu-W二元相图,第1章概述,Cu/W体系为例1.相图上表现为溶解度极低;l=90kJ/mol-1,汽化热，Cu和W分别为：

316kJ/mol和821kJ/mol316kJ/mol821kJ/mol定义单位摩尔的键能为：

Cu-W的界面键结合为：

l,数值越负，亲和力越强，说明界面结合比Cu自身亲和力还要强，因此表现为极好的润湿性！

图1.33Cu-W键能图,第1章概述,第1章概述,不互溶体系金属-金属润湿性的预估：

A:

固相B:

液相l:

相互作用系数Le:

液相金属的汽化热B理论上，都能实现完美润湿（perfectwettingq=0），例如：

forCu-W=1.9,=0.3;forPb/Fe=4and0.7;cosq1;q=0实验中，却并不如此，理论脱离实际why?

图1.34B在A上的润湿,c.金属-金属互溶的体系：

如果忽略偏析的影响，固液界面能可以由下式表示：

第1章概述,如果液相B在固相A中的溶解度可以忽略不计表1.2典型互溶金属-金属体系的润湿性,d.合金元素的影响：

第1章概述,需要考虑合金元素的影响：

表面活性元素or界面活性元素钎焊金属与金属建议添加界面活性元素而不添加表面活性元素Why?

降低表面张力的溶质元素，往往熔点比溶剂低，蒸汽压更大，更容易吸附（往往是物理吸附）在固体表面；表面张力的降低往往被表面能的降低而补偿。

马兰戈尼效应（MarangoniEffect）在钎料润湿中的应用,图1.35CuonSisurfaceYinL,etal.J.Phys.:

Condens.Matter2009;21:

464130.,第1章概述,马兰戈尼效应（MarangoniEffect）-界面活性元素,图1.36固液界面的强烈吸附形成的MarangoniEffect如何判断所加溶质是否会成为界面活性元素，用吸附能的表征：

l相互作用系数，M为溶质，B为溶剂液相，A为固相，其中l查表可得吸附能越负说明吸附越强,表1.3无限稀释金属溶液的混合焓,例如，在AgonFesurface中加入Cu：

A=Fe,B=Ag,M=Cu,如果M=Ni,-70kJ.mol-1-180kJ.mol-1,Ni的效果更明显,however,合金的熔点,吸附润湿的研究实例，“PrecursorfilminthewettingofZr-basedalloysonmetalsubstrateat1253K”,eZr-Zr=-1146kJmol-1,图1.37Zr55Cu30Al10Ni5alloyonNb,宏观形貌（left）,纵截面微观结构（right）表1.4吸附膜、润湿性及热力学参数,e.金属-金属反应的体系（界面上形成金属间化合物）：

反应促进润湿，实际上是反应破除金属表面氧化膜促进润湿,图1.38典型的固体金属表面,（金属键）（离子键）（共价键）,金属氧化物陶瓷（Al2O3，MgO）,石墨碳化物陶瓷（B4C,SiC）,表面能总体规律：

由上式知，sv，不利于润湿，因此氧化膜的存在会阻碍润湿,图1.39520K下Sn在Cu表面上的润湿,例如，SnonCusurface,图1.40金属-金属润湿依靠界面反应润湿的机制示意图,本征上金属与金属的润湿性较好，因为氧化膜的存在（固体表面和液体金属表面）阻碍润湿过程改善润湿的措施：

1）使用钎剂；2）严格控制气氛；3）升高温度增加反应性,例如，SnonBNi-2surface,图1.41BNi-2DSC曲线及XRD谱,图1.42Sn在BNi-2非晶表面上的润湿,图1.43Sn/BNi-2的界面结构,图1.45（a）550K、（b）700K和（c）900K的实验样品三相线区域界面的FESEM形貌分析（其中（a1）、（b1）、（c1）分别是（a）、（b）、（c）的局部放大图）,图1.44（a）550K和（b）800K退火的实验样品经过腐蚀处理后暴露出来的界面反应产物层的SEM形貌（其中（a1）、（a2）和（b1）分别是（a）和（b）的局部放大图）,1.12金属钎料在陶瓷基板上的润湿（tinminorhourscale）,a.金属与氧化物陶瓷的润湿反应润湿：

取决于反应产物的润湿性两种类型：

非反应润湿：

q90o如何判断反应润湿还是非反应润湿：

即计算反应A+BxOy=AxOy+B的反应吉布斯自由能是否小于0错误的观点：

反应越剧烈，即DG越负，润湿性越好,图1.41传统学说的错误观点AKSAYIA,HOGECE,PASKJA.WettingunderchemicalequilibriumandnonequilibriumconditionsJ.TheJournalofPhysicalChemistry,1974,78（12）:

1178-1183.,LAURENTV,CHATAIND,EUSTATHOPOULOSN.WettabilityofSiO2andoxidizedSiCbyaluminiumJ.MaterialsScienceandEngineeringA,1991,135:

89-94,图1.42Cu-1at.%CralloyonC,界面结构及润湿曲线,图1.43AgonSiC,润湿性变化,b.金属与碳化物陶瓷的润湿与共价键主导的陶瓷表1.5各种陶瓷的共价键程度,反应润湿：

以AlonB4C；CuonSiC为例。

WettingofpolycrystallineB4CbymoltenAlat11731473KReportedcontactanglesformoltenAlontheB4Csurfaces,图1.44AlonB4C,图1.45Al/B4C界面结构及XRD结果,Lin,Q.,P.Shen,etal.（2009）.WettingofpolycrystallineB4CbymoltenAlat1173-1473K.scriptaMaterialia60（11）:

960-963.,图1.46Cu-Si-C三元相图,WettingofSiCbymoltenCuStep1:

SiC=SiCu+CCuStep2:

CCu=CGrapiteStep3:

Cu+SiC=SiCu+CGraphite平衡时，即三元相图中J点的计算,RTlnaSiDGr（SiC）=0,查热力学手册，得到T温度下的DGr（SiC）,及,图1.47通过加活性元素改善Cu与B4C的润湿,Lin,Q.,P.Shen,etal.（2011）.WarpingoftriplelineinthewettingofB4CbyaCu-1at.%Cralloy.SurfaceandInterfaceAnalysis43（10）:

1360-1364.,非反应润湿：

以Ag-SiorNi-SionSiC为例。

图1.48Ag-SionSiCsurfaceqo,与金属性的陶瓷一般为过渡族金属的碳化物，例如ZrC,TiC,WC,Cr3C2,HfC等；特点：

含有部分金属键，因此润湿性一般较好；金属性越强，润湿性越好。

表1.6Cu在金属性陶瓷上的接触角,图1.49DOS曲线及TiCx计量比与润湿性的关系,1.13钎焊方法的分类常见的有：

1）按钎料熔点分,按钎焊温度分高温钎焊、中温钎焊、低温钎焊。

（相对于母材熔点）如钢、铜的熔点较高，它们钎焊时温度较高，高于800为高温钎焊；550800为中温钎焊；低于500为低温钎焊。

而钎焊铝时，高于450为高温钎焊；300450为中温钎焊；低于300为低温钎焊。

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1章概述,1.4钎焊的优缺点及其应用,钎焊的优缺点优点：

钎焊的温度低于母材,对母材的性能影响小；高精度、复杂零部件的连接；生产率高，诸多连接缝可一次完成；广泛的适用性，可焊金属、非金属及异种金属。

缺点：

接头强度较低，耐热性差；多用搭接接头，浪费金属。

2.应用适用于精密、尺寸微小、结构复杂、接缝曲折可达性差以及涉及异种材料连接的场合。

在机械、电工电子、汽车、家电、轻工、原子能、航天航空等领域得到广泛的应用。

第1章概述,第1章概述,FurtherReading,随堂作业No.1：

对于钎焊，基材表面越粗糙越好or越光滑越好？

粗糙度怎么影响钎料的润湿过程？

在毛细管效应中，润湿的体系毛细管内的液面应该高于or低于槽内液面，毛细管的半径怎么影响毛细管内液面的高度？

随堂作业No.2：

1.Cu-Bi合金和Cu-Ag合金钎焊Fe时，其中Bi和Ag分别为溶质元素，请判断Bi和Ag能否成为界面活性元素，并计算界面吸附能并比较之？

2.Cu-Ti钎料钎焊Al2O3时，已知钎焊温度为1300K,Ti在Cu中的活度系数为1.2，反应产物为Ti2O3（DG=-1163.771kJ.mol-1）和Al,若忽略产物Al对反应自由能的影响，试计算钎料与Al2O3（DG=-1262.044kJ.mol-1在此温度下发生反应润湿时Ti的临界浓度是多少？

3.当Cu作为中间金属在1300K钎焊SiC时，达到平衡时Cu中Si含量是多少？

请写出反应路径，其中已知DGr（SiC）=-62.993kJ.mol-1,Si在Cu中的混合焓请查阅下表,