硬焊
焊接方式
硬焊(brazing)是一种焊接方式,将熔点低于欲连接工件之熔填料(钎料)加热至高于熔点,使之具有足够的流动性,利用毛细作用充分填充于两工件间(称为浸润),并待其凝固后将二者接合起来的一种接合法,传统上在美国温度高于427 ° C者称为硬焊(硬钎焊),反之称为软焊(软钎焊)。
简介
基本原理
为了获得高品质的焊接接头,零件必须安装紧密且母材必须格外干净并除去氧化物。在大多数情况下,推荐的最佳焊缝间隙为 0.03 〜 0.08 毫米(0.0012 to 0.0031 英吋)以充分发挥毛细作用的接合力 。但是,在某些情况下焊缝间隙大到0.6毫米(0.024in)并不少见。焊接表面的整洁至关重要,因为任何污染都将导致熔填金属的浸润性变差。焊前有两种主要清洗零件的方法:化学清洗和研磨或其它方式的机械清洁。使用机械清洁,除了表面清洁外也保持适当的表面粗糙度,在粗糙表面上比在光滑表面更容易充分浸润.。
另一个要考虑的,不能仅止于考量温度和时间对焊接接头品质的影响。随着焊接合金温度的增加,熔填物的合金化和浸润性将增加。 一般情况下,焊焊温度选择必须高于熔点的填充金属。然而,有几个因素共同影响焊接设计的温度选择。最佳好的焊接温度须顾及:(1)尽可能低的焊接温度、(2)尽量减少热效应对组装的影响、(3)保持熔填物/母材的相互作用到最低限度、(4)最大限度地使用治具或夹具使用。在某些情况下,选择较高的焊接温度,以迁就设计中的其他因素(如允许使用不同的填充金属,或控制的冶金效果,或充分除去表面的污染)。时间对焊接接头是重要因素,但大多数生产过程中一般都选择减少焊接时间和费用。虽然并非总是如此,因为在一些非生产因素,时间和成本是受限于其他属性(如强度,外观)。
助焊剂
硬焊作业如非在充满惰性气体或在还原反应的环境下(即一炉),助焊剂在金属被加热的情形下必须防止氧化物的形成。助焊剂也可以清洗焊接表面的污染物。助焊剂的应用可以是下列形式,包括浆液、液体、粉末或结合助焊剂与焊料金属粉末预制的焊膏。助焊剂也可包覆于焊条外层会包埋于焊线核心中。在这两种情况下,加热接合时游离的助焊剂会随熔融填充金属进入焊道。过量的助焊剂应焊接结束时除去,因为助焊剂残留在焊道可导致腐蚀,妨碍表面处理及焊道检查。含磷合金焊料在铜对铜焊接时具自熔性。助焊剂一般选择是基于对他们对母材的表现。为了有效,助焊剂的化学性质必须兼顾母材及熔填料两种性质。自熔性合金磷填料将产生脆性磷化物,自熔性合金磷填料如用于焊接铁或镍将产生脆性磷化物。作为一般规则,焊接周期较长的应比焊接操作短的使用更少的助焊剂。
焊接气体
由于焊接作业在高温下进行,金属表面在含氧的环境下将发生氧化。因此可能需要使用其他遮护气体以取代空气,焊接工作常用的气体环境(遮护气体)是:
空气 :简单,经济。许多金属材料容易氧化,但其组建的规模适用酸洗或机械清洗,可于焊接后轻易去除氧化层。助焊剂往往被用来抵消氧化作用,但它可能削弱结合强度。
燃料燃烧释放的气体:87%N2,11%-12%CO2,1-5%CO,1-25%H2用于银,铜磷、铜锌焊料用于铜和黄铜焊接。
氨 :游离氨(75%的氢,氮25%)可用于多种类型的焊接和退火。便宜。用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌焊料。 用于焊接铜,黄铜,镍合金,蒙乃尔合金Monel,中、高碳钢和铬合金。
氢 :强力脱氧剂,高导热性。可用于铜焊接和退火钢。对一些合金可能导致氢脆。用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌焊料。用于焊接铜,铜,镍合金,蒙乃尔,中,高碳钢 ,铬合金,钴合金,钨合金,碳化物。
无机蒸气 :特殊的目的。可以混合 AWS 1-5气体使用以更换助焊剂。用于银焊黄铜。
稀有气体 :非氧化性,比氮气更昂贵的。惰性。零件必须非常干净,气体要纯净。 用于铜,银,镍,铜-磷,铜-锌焊料。用于焊接铜,黄铜,镍合金,蒙乃尔,中,高碳钢铬合金,钛,锆,铪。
真空 :需要净空工作区。昂贵。不合适其他情形(或有特殊要求)对金属的高蒸汽压,如银,锌,磷,镉和锰。用于高品质的接头,如为应用于航太工业。
硬焊料族系
硬焊填料合金形成几个不同的族群;同一族系合金具有相似的性能和用途。
纯金属 :非合金。通常为贵金属,例如 - 银,金,钯。
银-铜 :熔化性良好。银可增强流动性。共晶合金可用于炉中焊焊。铜含量高的合金容易产生应力裂缝。
银-锌 :类似铜-锌,用于珠宝首饰,由于高含银量故通常标示纯度标记。颜色匹与银符合。
铜-锌 (黄铜):常用的材料,通常用于接合钢和铸铁。耐腐蚀,通常不及于铜,硅青铜,铜,镍,不銹钢。具适度的韧性。由于锌的高挥发性,不适合炉焊。铜含量高的铜合金容易产生应力开裂。
银 - 铜 - 锌 :对同样含银量的合金,银-铜-锌较银-铜熔点更低。结合银-铜和铜-锌的优势。锌含量在40%以上时延展性和强度下降,因此这种类型只有较低的锌含量的合金被使用。锌含量高于25%时韧性较低的铜-锌、银-锌象显现。铜含量在60%以上强度减少,及900°C液态以上银含量超过 85%强度降低。铜含量高合金容易产生应力开裂。银含量高(银67.5%以上)是用于首饰并予以标示,银含量较低的合金用于工程目的。铜锌合金之比约为 60:40包含相同的颜色与黄铜匹配,它们是用于连接黄铜。加入少量的镍提高强度和耐腐蚀性和促进浸润碳化物。此外镍锰增加断裂韧性。此外,加入镉 银-铜-锌-镉 合金改进流动性和浸润性并具有较低的熔点,但镉是有毒的。此外锡大多可以发挥同样的作用。
铜-P :广泛用于铜及铜合金。不需要焊剂。也可用于银,钨,钼。富铜合金容易产生应力开裂。
银-铜-P :像铜-磷,更好地改进流动性。具更多的韧性,更好的导电性。富铜合金容易产生应力开裂。
金-银 :贵金属。用于首饰。
焊材
焊材,又称为熔填料采用何种合金作为熔填料取决于预期用途。一般情况下,熔填料所需的属性是由3或更多种金属形成的合金。熔填料的选择基于下列能力:对母材的浸润性,所需要承受的工作条件,及比母材熔点更低或其他更特定的温度。
焊材,一般可作成棒、带、粉、膏、霜、线和预成型(preforms)形(状)式。 根据不同的应用情形,熔充料可以预先放置在所需位置或在加热过中投入。对于手工焊,线状或棒状(焊条)焊材是最常用的因为他们是最容易使用及加热。在采用熔炉硬焊时,合金通常已经事先投放,这个过程通常是高度自动化的。一些常见的熔填料种类如下:
铝 - 硅;
铜;
铜磷;
铜-锌( 黄铜 );
金 - 银;
镍合金;
银;
非晶态箔片镍,铁,铜,硅,硼,磷等。
优点
硬焊比起其他金属连接技术如焊接具有许多优点。由于焊焊不熔化接合的母材,它可以允许更严格的公差和产生干净的接头,而无须进行二次加工。此外,它可焊不同的金属和非金属材料(如金属化陶瓷)。一般情况下,硬焊比起焊接由于受热均匀也产生较少的热变形。可焊复杂和多组件的工件。另一个优点是,硬焊可涂布或包裹母材以达到防护性目的。最后,硬焊很容易适应大规模生产,实现自动化,因为各个工艺参数对变化不敏感的缘故。
缺点
主要缺点是:接头强度较低,由于使用软熔填料,焊接接头的强度很可能是低于于母材金属的强度(与一般电焊接头强度较母材大不同),但大于填充金属。另一个缺点是焊接接头在高温下可能会损坏。在工业化生产环境硬焊接头母材需要高度清洁。一些硬焊需要使用适当的助焊剂清洁剂来控制。接头颜色往往与母材金属不同,造成美观上的缺点。
相关资料
工艺要素
手工焊接的主要工具是电烙铁,要通过焊接人员熟练掌握锡焊技术,合理选用烙铁、焊料、焊剂以及焊接的温度和时间等要素,才能保证焊接的质量。
1、工作金属材料应具有良好的可焊性。
常用元器件引线(需成型)、导线及接点等基本都采用铜材料制成。金、银的可焊性较好,但价格贵。铁、镍的可焊性较差,一般在其表面先镀上一层锡、铜、金或银金属,以提高其可焊性。
2、工件金属表面应洁净。
工件金属表面若存在氧化物或污垢,会严重影响与焊料在界面上形成合金层,造成虚焊、假焊。
3、正确选用助焊剂及焊料
电子装联中常用的是树脂类助焊剂。松香基焊剂、水深焊剂(一般用于波峰焊),助焊剂是一种略带酸性的易熔物质。Sn60或Sn63,形状任选(直径有0.5、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5mm等);
4、控制焊接温度和时间。
温度过低,会造成虚焊。温度过高,会损坏元器件和印制电路板。合适的温度是保证焊点质量的重要因素。在手工焊接时,控制温度的关键是选用具有适当功率的电烙铁和掌握焊接时间。电烙铁功率较大时应适当缩短焊接时间,电烙铁功率较小时可适当延长焊接时间。根据焊接面积的大小,经过反复多次实践才能把握好焊接工艺的两个要素。焊接时间短,会使温度太低,焊接时间过长,会使温度太高。一般情况下,焊接时间不超过3秒。
焊接工具
电烙铁是手工焊接的基本工具。常用的分外热式、内热式、恒温式、吸锡式等几种。下面简单几种常用的电烙铁。
外热式电烙铁:结构简单,价格较低,使用寿命长,但其体积大,升温较慢,热效率低。
内热式电烙铁:具体体积小、重量轻、升温快和热效率高等优点,因而在电子装配工艺中得到广泛的应用。20W内热式电烙铁的实用功率相当于25~40W的外热式电烙铁,烙铁点部温度可达350℃左右。
恒温电烙铁:无论是外热还是内热式电烙铁的温度一般都超过300℃,这对焊接晶体管、集成电路等是不利的。在质量要求较高的场合,通常需要恒温电烙铁。分电控和磁控两种。
其它:感应(电阻)式烙铁、储能式烙铁。
烙铁头的选择和尺寸的选择:烙铁头太小则热容量小,焊接时会使温度下降大,恢复温度时间长。扁平的、钝的烙铁头要比细的、尖的烙铁头传递更多的热量,以能够方便焊接的同时,要心可能地选择大的烙铁头,这样即可以以更低的温度得到更多的热量,同时也可以延长烙铁头的使用寿命。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 15:13
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