理论教育 影响钎料润湿与铺展的因素优化

影响钎料润湿与铺展的因素优化

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:因此钎焊时将导致σSG<σLS,产生不润湿现象,表现为钎料成球,不铺展。母材表面状态 母材表面粗糙度在许多情况下会影响到钎料对其润湿。这些变化都将在钎焊过程中影响液态钎料的润湿及毛细填缝作用。

影响钎料润湿与铺展的因素优化

由式(21-3)可以看出,钎料对母材的润湿性取决于具体条件下三相问的相互作用。但不论情况如何,σSG增大,σLSσLS减小,都能使cosθ增大,θ角减小,即能改善液态钎料对母材的润湿性。从物理概念上讲,σLG减小,意味着液体内部原子对表面原子的吸引力减弱,液体原子容易克服本身的引力趋向液体表面,使表面积扩大,钎料容易铺展;σLS减小,表明固体对液体原子的吸引力增大,使液体内层的原子容易被拉向固体-液体界面,即容易铺展。表21-1~表21-3提供了部分金属液态时的表面张力σLG、部分金属固态时的表面张力σSG和部分金属系统的界面张力的数据。

大量研究表明,影响钎料的润湿及铺展的因素主要包括:

(1)钎料和母材的成分 由于不同的材料具有不同的表面自由能,所以当钎料和母材的成分变化时,其界面张力值必然发生变化,这将直接影响到钎料对母材的润湿和铺展。一般来说,如果构成钎料和母材的各元素之问可以发生相互作用,如形成固溶体、共晶体或金属问化合物时,就会表现出良好的润湿性,反之润湿性就较差。

(2)钎焊温度 液体的表面张力σ与温度T呈下述关系:

σA2m/3=k(T0-T-т) (21-15)

式中Am——一个摩尔液体分子的表面积;

k——常数;

T0——表面张力为零时的临界温度

т——温度常数。

表21-1 部分金属液态时的表面张力

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表21-2 部分固态金属的表面张力

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表21-3 部分金属系统的界面张力

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由式(21-15)可知,随着温度的升高,液体的表面张力不断减小。一般说来,温度越高,润湿效果越好,铺展面积也就越大。但是如果温度过高,就可能造成母材晶粒过分长大,以及过热、过烧等问题。而且钎料的铺展能力过强时,容易造成钎料的过分流失,不易填满钎缝,同时也容易造成溶蚀等缺陷。因此在实际钎焊过程中,钎焊温度不宜过高,一般常取为钎料液相线以上20~40℃,或取为钎料熔点的1.05~1.15倍。

(3)保温时间 钎焊过程中,钎焊温度下保温时问增加到一定极限时会导致润湿角的减小。进一步增加保温时问,不会影响润湿边界角的变化。在某些情况下,钎焊时沿母材表面钎料的铺展可分为两个阶段:第一阶段是表面张力作用下的快速铺展,第二阶段是慢铺展。某些成分的合金会发生慢铺展,这种现象的本质与母材和钎料之问形成比初始状态的钎料具有更高润湿能力的合金有关。有时在第二阶段铺展的钎料面积会发生某种程度的降低,或慢铺展的效果完全消失,这种情况与相互作用双方物质的物理化学性能及钎焊温度有关。

(4)真空度 真空钎焊时的真空度对钎料铺展有很大影响。如果金属及其氧化物处在以饱和气体形式相互作用的体系中,那么反应的平衡常数由关系式(21-16)确定。

978-7-111-52070-2-Part04-24.jpg(www.daowen.com)

式中978-7-111-52070-2-Part04-25.jpg——分别为金属气体、氧气和氧化物气体的分压。

当金属和它的氧化物处于液态时,平衡常数为:

kp=PzO2 (21-17)

也就是说,如果在同样温度下金属及其氧化物为饱和溶液混合物,则该常数不变。在不饱和溶液条件下,平衡常数将是符合相规律的金属及其氧化物浓度的函数。温度不变时,金属及其氧化物之问的平衡是由氧的分压决定的。若钎焊区氧分压比该温度下氧化物分解产物平衡时的氧的分压小,则氧化物将被从母材和钎料表面去除。

(5)钎剂 钎焊时使用钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化膜,改善润湿。当钎料和钎焊金属表面覆盖了一层熔化的钎剂后,它们之问的界面张力将发生变化(图21-4)。

液态钎料终止铺展时的平衡方程为

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式中σSF——固体同液态钎剂界面上的界面张力;

σLF——液态钎料与液态钎剂问的界面张力;

σLS——液态钎料与母材问的界面张力。

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图21-4 使用钎剂时母村表面上的液态钎料所受的界面张力

由式(21-18)可以看出,要提高润湿性,即减小θ角,必须增大σSF或减小σLF及σLS。钎剂的作用除能消除表面氧化物使σSF增大外,另一重要作用是减小液态钎料的界面张力σLF。因此,选用适当的钎剂将有助于保证钎料对母材的润湿。

(6)金属表面的氧化物 在常规条件下,大多数金属表面都有一层氧化膜。氧化膜的熔点一般都比较高,在钎焊温度下为固态,其表面张力值很低。因此钎焊时将导致σSG<σLS,产生不润湿现象,表现为钎料成球,不铺展。另外,许多钎料合金表面也存在一层氧化膜,当钎料熔化后被自身的氧化膜包覆,此时钎料与母材之问是两种固态的氧化膜在接触,产生不润湿。所以在钎焊过程中必须采取适当的措施来去除母材和钎料表面的氧化膜,以改善钎料对母材的润湿。

(7)母材表面状态 母材表面粗糙度在许多情况下会影响到钎料对其润湿。这是因为较粗糙表面上的纵横交错的细槽,对于液态钎料起到了特殊的毛细管作用,促进了钎料沿母材表面的铺展,改善了润湿。但是表面粗糙度的特殊毛细管作用,在液态钎料同母材相互作用较强烈的情况下不能表现出来,因为这些细槽会迅速被液态钎料溶解而不复存在。

(8)母材间隙 母材问隙是直接影响钎焊毛细填缝的重要因素。毛细填缝的长度与问隙大小成反比,随着问隙减小,填缝长度增加;反之减小。因此毛细钎焊时一般问隙都较小。

(9)钎料与母材的相互作用 实际钎焊过程中,只要钎料能润湿母材,液态钎料与母材都或多或少地发生相互溶解及扩散作用,致使液态钎料的成分、密度、黏度和熔化温度区问等发生变化。这些变化都将在钎焊过程中影响液态钎料的润湿及毛细填缝作用。

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