1.6 钎焊工艺 Technology of Bra-zing and Soldering

钎焊工艺程序包括如下步骤：

1）工件的表面处理，包括除油污，清除过量的氧化皮，有时还需要进行表面镀覆各种有利于钎焊的金属。

2）装配和固定，以保证工件零件间的相互位置不变。

3）钎料和钎剂位置的最佳配置，使得液态钎料能够在纵横复杂的钎缝中获得最理想的走向。

4）当钎料在工件表面漫流不入钎缝时，有时需在母材上涂以阻流剂，以规范钎料的流向。

5）正确选择钎焊的工艺参数，包括钎焊温度、升温速度、钎缝完成后的保温时间、冷却速度等。

6）钎焊后的清洗，以除去可能引起腐蚀的钎剂残留物或者影响钎缝外形的堆积物。

7）必要时钎缝连同整个工件还要进行焊后镀覆，如镀其他惰性金属保护层、氧化或钝化处理、喷漆等。

以上工序对不同钎焊母材对象是不同的。

1.6.1 接头的形式与钎料在钎缝中的流动性 Joint Types and Flowability of Molten Filler Metal in the Clearance

钎焊接头的形式各种各样，一般有关钎焊的手册和书籍都有详尽的设计和绘制。归结起来对板材或管材来说只有三种基本钎缝：断面-断面钎缝（如对接）、表面-表面钎缝（如搭接）及断面-表面钎缝（如T接）。实际上具体的钎缝往往并不是单一的。

熔态钎料在钎缝中作直线流动，如果不考虑钎料与母材的本性和相互关系，也不考虑钎剂的功能，钎缝的毛细能力起着很大的作用。毛细能力又与钎缝的类型和钎缝间隙的大小有关。一般来说，间隙小的钎缝比间隙大的钎缝的直线流动性更好。但也不是越小越好，钎缝间隙的最佳值在0.01～0.2mm之间，具体数值视母材的种类而定。较大的钎缝面（搭接面积大）会有更好的承载力。

轧制的板材和拉拔的管材、棒材其断面组织和表面组织有相当的不同。轧制板材的断面结构比较疏松，晶界清晰；轧制或拉拔材料的表面结构则致密光滑，晶粒受应力变形而晶界紧密。钎焊时钎料对断面溶解和渗入程度明显大于对表面溶解和渗入的程度。钎料在表面-表面钎缝中的流动要优于在断面-断面钎缝中的流动。后者有时会看到过量的钎料往钎缝周围母材表面铺展而不流入钎缝。平面对接就是这种情况，常不能形成带圆角的接头。

图1-27所示为钎焊接头的几种基本类型。图1-27a为对接接头，也就是断面-断面的接头。这种接头的钎焊工艺不佳，接头强度也是最差的，优点是可以获得比较平滑的钎焊面。除了钎料和母材结合性能优异以及有特殊的需要以外，一般很少采用这种连接方式。

通常意义上的搭接（见图1-27b），并不只是简单的表面-表面型结构的钎缝，在钎焊接头形成后可以明显看出兼有断面-表面的结构；而T接（见图1-27c）除断面-表面型钎缝外，也还兼有表面-表面型的结构；纯粹表面-表面型的接头只有图1-27中的e和f；而图1-27d在钎缝的后侧还有形成断面-表面型结构的可能。

表面-表面型接头具有较大的搭接面，它具有较大的承载力；但因钎缝断面面积较大，熔态钎料的不规则流动常会使钎缝中夹渣或有空洞，这种情况常以钎料箔夹在钎缝中实行“就地卧倒”的钎焊方法。图1-27c的接头具有相对最小的钎缝断面积，又有断面-表面和表面-表面的混合结构，是钎缝中毛细作用最强者，钎料在钎缝中的流动能力最强。钎料在钎缝中做长距离流动时有自动排渣作用，接头具有最佳的气密性。

图1-27中基本类型的组合或变形组合可以演变出种种的接头，例如，管与板的法兰接头是图1-27c的变形组合；夹层结构或蜂窝结构则是图1-27e的变形组合等。

图1-27 钎焊接头的几种基本类型
Fig.1-27 Some basic types of brazing joints

1.6.2 加热方法 Methods for Heating

一切能够使工件按照一定条件升温的热源均可用作钎焊时的加热。例如火焰加热、盐浴加热、金属浴加热、电阻加热、感应加热、电炉加热、气相加热、红外加热、激光加热等。

1）火焰加热是利用可燃气体（包括液体燃料的蒸气）吹以空气或纯氧点燃后的火焰进行加热。它的加热温度范围十分宽阔，从酒精喷灯的数百度到氧乙炔火焰的超过3000℃。火焰有两层结构，外层淡蓝色的冠状焰是氧化焰，燃烧完全、温度最高、富氧，过度加热容易使工件金属表面氧化；内层深蓝色的焰芯是还原焰，温度较低、缺氧、富一氧化碳，能保护金属免于氧化。过度缺氧的火焰呈黄色，富含游离的微粒碳，容易渗碳的金属合金忌用这种火焰加热。可燃气体燃烧产物都是CO2和高温水蒸气（氢氧焰只有水蒸气），无论是钎剂还是钎料忌讳高温水蒸气者都应充分考虑这一因素。

2）盐浴加热常称为盐浴钎焊[32]1286，[34]。实际上它是将熔化的钎剂作为加热介质。恒温控制，将装配好钎料的工件浸入装满熔态钎剂的槽中，待钎料熔化而完成钎焊。这种方法最大的优点是由于盐槽的热容量很大，工件升温速度极快并且加热十分均匀，特别是钎焊温度可作精密控制，有时甚至可在比母材固相线只低2～3℃的条件下钎焊。此外，除了特殊情况，不需另加钎剂。缺点是焊后清洗工件上残余钎剂十分费事，盐浴蒸气和废水容易引起污染，耗电也十分厉害。

3）金属浴加热实际上是将熔化的钎料当作加热介质。恒温控制，将装配好的工件涂覆钎剂后，浸入熔化钎料的液槽完成钎焊。这种方法最大的优点是能够一次完成大量多种和复杂钎缝的钎焊。缺点是工件表面除非做阻焊处理，否则将全部搪满钎料。工业上某些散热器，如家用热水器中的换热器的钎焊，以及电子工业中的波峰焊均属此类。

4）电阻加热[28]1268是利用电流通过钎焊接头产生热量熔化钎料。这种接头需要装配紧密并施加压力，以便电流通过。优点是升温极快；缺点是难以适用于复杂形状的接头。

5）感应加热[28]1254是利用高频或中频感应电流加热，由高频或中频发生器输出的电能，经良好匹配的感应线圈输给工件进行加热。这种加热方式和所有加热方式都不同，不是由环境或介质将热量传给工件，而是由感应线圈将高频或工频电能输给金属工件，在工件中感应产生的涡流发热，因而可以说是用一种工件自身发热的方法来熔化钎料并使之铺展。感应钎焊的主要难度在感应线圈（内通冷却水的铜管线圈）的设计和工件间能量传输的匹配。感应钎焊的优点是能量传输集中，升温极快，可以在一个大型的系统上进行局部接头的钎焊。

6）电炉加热，即通常称为炉中钎焊。这是应用最为广泛的一种钎焊方法，用电阻丝或其他加热元件加热炉膛，使在其中的工件得以钎焊加热。炉膛可以设计成各种形式[35]，可以实施通入惰性气体或其他活性气体而成为气体保护钎焊或气体钎剂钎焊。可以做成气密的炉膛在真空条件下进行钎焊，还可以做成隧道窑加气氛保护连续钎焊设备[32]1214，[36]。

7）其他加热方法，如气相加热（蒸馒头方式）[37]、红外加热（红外线热源用反射聚光镜集中于焊点）[38]和激光加热等，这些方法多用于电子工业的软钎焊。

1.6.3 工件的升温速度和冷却速度 Heating and Cooling Rate of Workpieces in Brazing Process

为了防止钎焊过程中产生接头和工件的应力变形，控制工件的升温和冷却速度十分重要。在钎焊之前，应当采用退火材料，不用淬火材料。冷加工过的材料也应先行退火。

升温速度除了1.5.3节所述有调节钎剂和钎料熔化温度区间的作用以外，还与材料的热导率、工件尺寸有关。对那些性质较脆、热导率较低和尺寸较厚的工件不宜升温过快，否则将导致材料的开裂，产生表面与内部的应力差并导致变形等。这是因为除了高频加热以外，工件的加热都是靠环境热源的辐射和对流来进行的。提高升温速度往往靠提高热源的温度来达到，这容易引起工件内外的温度梯度差，从而产生上述的弊病。不过分提高工件环境温度，而加强气氛的对流和循环来加强热传导，以提高升温速度是一种可取的方法，它还可以因此提高加热的均匀性，这是隧道窑加热炉中常采用的一种方法。类似可取的是盐浴钎焊和金属浴钎焊。

冷却速度对钎缝的结构有很大的影响。一般钎焊过程完成以后，快速冷却有利于钎缝中钎料合金结构的细化，从而加强钎缝的各种力学性能。这对于薄壁、传热系数高、韧性强的材料是不成问题的。相反，对那些厚壁、热导率低、性脆的材料，则有和加热速度快时产生的同样弊病。

较慢的冷却速度有利于钎缝结构的匀化，这对一些钎料与母材能生成固溶体的情况时比较突出。例如Cu-P钎料钎焊铜时，较慢的冷却速度使得钎缝中含更多的Cu-P固溶体而较少一些Cu3P化合物共晶。

总之，要选择合适的加热或冷却速度，应该综合考虑母材的性质、工件的形状与尺寸、钎料的特点及其与母材的相互作用等条件。

1.6.4 钎焊接头的保温处理和结构的弥散 Annealing for Brazed Joints and Structure Dispersion in the Fillet

钎焊过程完成以后，在适当的温度下进行保温处理，有时会使钎焊接头组织均匀化而增加接头的强度；但有时处理不当却又会破坏接头的组织，使接头的强度大大降低，甚至自行断裂。

当钎料的主组元和母材相同，而其他组元在母材中有不大的固溶度时，这种钎缝最适宜保温处理。例如，用Al-Si12钎焊铝合金3A21，钎料的熔化温度为577℃，钎焊温度为600℃，焊后在原温度下经历不同保温时间后，钎缝的金相如图1-28所示[39]。图1-28a所示为未经保温处理钎缝的金相；图1-28b、c、d分别所示为经过1min、3min和7min保温后的钎缝。可以看出，随着时间的延长，熔态共晶钎料沿晶界的渗入而深化，钎缝弥散变宽，共晶硅有集聚成较大晶粒的倾向。保温7min以后，共晶硅几乎全消失，钎缝组织中只剩下不连续的硅晶粒，金相意义上的钎缝实际已不复存在。这种现象的产生是因为Si在Al中600℃时的固溶度<1%（质量分数），钎料中的Si不可能全部固溶入Al内形成固溶体。此时小的晶粒因表面能大而固溶，较大的晶粒因表面能较小而进一步沉积长大。很明显，具有图1-28d结构的接头其各种性能要优于图1-28a的。

和用Al-Si共晶钎料钎焊铝的情况类似，用Cu-P钎料在800℃钎焊纯铜，保温延长也会观察到类似的现象，不过分散相是Cu3P。

母材和钎料之间如果有金属间化合物生成，这个金属间化合物的第一主成分和母材相同，其他的主成分和母材又有一定的固溶度，经过保温处理也会使这个金属间化合物减少乃至消失。

钎料的第一主成分和母材相同，而其他的成分和母材有很大的固溶度时，经保温处理后，随着保温时间的增加，钎缝将会被固溶体不同程度地充满。例如，用H62（Cu62Zn）钎料钎焊铜，并在950℃保温后，即可看到这种情况，钎缝被Cu-Zn富铜固溶体的α相所充满；另外，用Ni75CrSiB钎料钎焊1Cr18Ni9Ti[1]不锈钢，并在1120℃保温10min后，也看到了类似的现象，此时钎缝中被Ni-Cr-Fe的三元固溶体所充满。

在钎料的主成分和母材的液、固相互溶度都很大的情况下，如果钎焊温度和保温温度较高而时间又较长，常会使钎焊接头和母材受到破坏。用纯金属作钎料而母材又较薄时现象特别突出。例如用Zn钎焊铝，在大于500℃保温；用In钎焊铜，在大于700℃保温；用Cu钎焊镍，在1300℃以上保温；用Ga钎焊铝，大于30℃保温等。在遇到这种情况时，应该尽量降低温度和缩短操作的时间。

以上所述的保温效果，不管是正面的还是负面的，都在于钎料的主成分与母材有必要的固溶度。在钎料和母材间完全没有固溶度的情况下，即使再长时间的保温处理，也不会有结构弥散的现象产生。

图1-28 3A21（LF21）合金中Al-Si共晶钎缝600℃保温时间对显微结构的影响（浸蚀剂：HF+HNO3） a）未保温 b）保温1min c）保温3min d）保温7min
Fig.1-28 The effect of duration at 600℃on the microstructure of a 3A21 alloy fillet brazed with Al-Si eutectic filler metal（etched by HF+HNO3）