第5章：钎焊接头设计

第5章

钎焊接头设计和焊前处理第5章钎焊接头设计和焊前处理

5.1钎焊接头的形式5.2钎焊接头搭接长度的确定5.3钎缝间隙值的确定5.4预置钎料的装配5.5钎焊接头的定位5.6钎料在各种接头钎缝中的流动性5.7钎焊前焊件的表面处理内容提要

本章阐述了钎焊接头设计的种类、设计原则；详细讨论了搭接接头长度、钎缝间隙如何选择和确定；介绍了接头固定和钎剂、钎料的放置措施；最后对焊前处理方法做了简单介绍。第5章钎焊接头设计和焊前处理钎焊的生产过程:钎焊前零件表面处理零件的装配和固定钎焊工艺确定钎焊后的处理工序焊后质量检验脱脂去膜接头设计工艺参数的确定钎料形状的确定钎料数量的确定钎料放置热处理与清除图1钎焊接头的基本形式5.1钎焊接头的形式5.1.1钎焊接头的基本形式

钎焊的接头形式对接头的承载能力起着相当重要的作用。钎焊接头的形式各种各样，经常使用的基本形式有：搭接；对接；斜接及T形接。

搭接的接头强度最高，其次是斜接，最差是对接。所以承受载荷的零件，一般设计成搭接的接头形式。对接只用在承受载荷很小的厚壁构件中。

钎料强度一般低于母材，也有高于母材的，但其塑性、韧性总是低于母材。采用对接的钎焊接头，强度比母材差，受力时主要是钎缝发生破坏。而斜接接头虽然接触面积大、强度比对接接头高，但加工工艺复杂。搭接接头可以通过改变搭接长度（连接面积），依靠增大搭接面积,可以在接头强度低于母材强度的条件下达到与母材等强度；此外由于搭接装配要求简单,所以承受载荷的零件，一般设计成搭接的形式。

当钎焊薄壁零件时，可以采用锁边接头以提高接头强度和气密性，如图2所示。图2锁边接头钎焊接头的缺点：1.钎料的强度一般远小于母材，要达到等强度必须增加接头面积；2.对接接头、T型接头、角接接头难以保证对中和间隙；3.增加了母材的消耗，增大了结构的重量；4.截面突然变化，导致应力集中。除了基本形式外，还有以下典型的接头形式。1.平板钎焊接头形式图3平板钎焊接头形式5.1.2典型的钎焊接头形式图4

T形和斜角钎焊的接头形式2.T形和斜角钎焊的接头形式图5管与板的接头形式图6棒与板的接头形式3.管或棒与板的接头形式图7管件钎焊的接头形式4.管件钎焊的接头形式

钎焊设计的基本处理方法是尽可能的使接头局部搭接化图8示出了这一原则下的具体应用。

搭接的缺点是：一方面,增加了母材的消耗,增加结构重量；二是接头截面有突然变化，易产生应力集中。

具有T型接头和角接特点的钎焊接头在蜂窝结构和各种类型的换热器中得到广泛应用。图8各种形式搭接接头钎焊接头设计时要遵循以下原则：

搭接长度L可根据接头与焊件等强度的原则计算确定:1.板件搭接钎焊时,计算公式如下:

Ｌ＝δ．σｂ／στ

式中:

δ——母材板厚，ｍｍ；

σｂ——母材抗拉强度，ＭＰａ；στ—--钎焊接头的抗剪强度，ＭＰａ。5.2钎焊接头搭接长度的确定2.管结构套接钎焊时，计算公式：

FσbL=————2∏Rστ式中:F–管件的横截面积；

R–管件的半径；σb—母材抗拉强度，ＭＰａ；στ—钎焊接头的抗剪强度，ＭＰａ。生产中通常不是经过公式计算而是根据经验公式确定的生产中，薄板搭接时，对于采用银基、铜基、镍基等强度比较高的钎焊接头，采用的搭接长度取Ｌ=（２～３）δ。对于采用锡铅等强度比较低的软钎料接头，取Ｌ=（４～５）δ。很薄件时为装配方便，也取Ｌ=（４～５）δ。但搭接长度不能大于15㎜。搭接长度太短，不能满足强度要求，若太长，不但耗费材料，增加构件的质量，而且还会产生低应力破坏。从受力角度分析，当搭接接头承受轴向负载时，钎缝中剪切应力是不均匀的，在间隙两端存在应力峰值ＴＦ

应力峰值与平均值之比成为应力集中系数，搭接长度Ｌ越大，应力集中系数越大。搭接长度过分增加，应力峰值将超过钎料强度，此时尽管平均应力值较小，钎缝两端仍会发生破裂而造成接头低应力破坏。由于受力状态的不同，在接头面积相等时，搭接接头的抗剪强度小于对接接头的抗拉强度。

图9剪切应力在搭接钎缝中的分布

上面讨论的是钎焊接头应用于结构中的承力接头，当钎焊应用于电路时，接头设计的基本要求是钎缝的电阻值与所在电路的同样长度的铜导体的电阻值相等。这时搭接长度L的计算公式与相应的承力接头具有相似的形式，板件搭接为：

ρf—钎料的电阻率；

ρc—导体的电阻率

ρf

L=─·δ

ρc5.3.钎缝间隙值的确定钎缝间隙是两待焊零件的钎焊面之间的距离。间隙对接头的性能有极大的影响，主要是间隙对钎焊的以下过程有影响：１.钎料的毛细填缝过程；２.钎料从间隙中排出钎剂残渣和气体的过程；３.母材与钎料的相互扩散过程；４.受力时母材对钎缝合金层的支承作用。接头强度与钎缝间隙值之间的关系（实例）图10Sn-Pb钎料钎焊1-焊低碳钢,2-黄铜,3-铜图11BAg45CuZn钎料钎焊套节接头间隙过小填缝难；气体、残渣难排出；未钎透、气孔、夹渣；间隙过大毛细作用弱；合金化不充分；铸造组织、枝晶偏析；受力时母材对钎缝支承作用减弱；最佳间隙值---接头获得最佳性能时的钎缝间隙值应该考虑：钎料与母材相互作用；铅料粘度和流动性；钎剂去膜过程；钎缝间隙值大小的考虑间隙偏小时强度下降原因:钎料填缝变的困难,间隙内的气体、钎剂残渣也难以排出,在钎缝内造成未钎透、气孔或夹渣。间隙偏大时强度下降的原因：毛细作用减弱，使钎料不能填满钎缝间隙；母材对填缝钎料中心区的合金化作用消失；钎缝结晶生成柱状铸造组织和枝晶偏析。

钎缝间隙值的确定原则１.钎料对母材润湿性越好，间隙越小；２.钎料与母材作用强烈必须增大间隙；３.钎料的流动性好时，间隙小；４.钎料中含有高蒸气压组元时，间隙大；５.去膜过程对间隙值的选取有很大的影响,如右图12所示,采用气体介质去膜时采用小间隙；图12不同去膜时,接头强度与钎缝间隙值之间的关系综合考虑以上因素；实际钎焊时，可查阅钎缝间隙推荐值。母材钎料系统间隙mm母材钎料系统间隙mm铝及铝合金Al基0.15～0.25钢Cu0.01～0.05Zn基0.1～0.25黄铜0.02～0.10铜及铜合金黄铜0.04～0.20Ag基0.025～0.15Cu-P0.04～0.20不锈钢CuNi30-2-0.20.03～0.20Cu-Ag-P0.02～0.15Mn基0.04～0.15Pb-Sn,Sn-Sb-Ag0.05～0.3Ni基0.04～0.10Sn-Pb,Sn-Sb0.1Cu0.01～0.10Ag-Cu-Zn-Cd0.08～0.2钛及钛合金Cu,Cu-P,Cu-Zn0.03～0.05镍合金Ni-Cr0.05～0.1Ag,Ag-Mn0.03表1常用金属间隙推荐值各种金属钎焊时的钎缝间隙推荐值钎焊时影响钎缝间隙值变化的主要因素是：母材的热膨胀系数和加热方法。在均匀加热钎焊同种材料的零件时，间隙值一般不会有明显的变化。对材料不同、截面不等的零件，在加热过程中钎缝间隙可能发生较大变化。特别是套接型式的接头，母材热膨胀系数的差异影响最大。如果套接时内部零件材料比外部零件材料的热膨胀系数大，则加热中间隙变小；反之，加热会使间隙增大。钎焊同种材料的零件，若加热速度不同或加热温度不均，也会引起钎缝间隙位的变化，这种情况在感应钎焊时最容易发生。钎焊其它设计原则：１）不应该把接头布置在焊件上有形状或截面发生急剧变化的部位，以避免应力集中；不宜安排在刚度过大的地方，防止在接头中形成很大的内应力。２）异种材料热膨胀系数相差悬殊时，考虑采用适当的补偿垫片。３）钎焊不同厚度材料的时候，有时要考虑局部加厚薄件的接头部位。４）不应把填缝钎料在钎缝外围形成的圆弧形钎角作为一种消除应力集中的办法。由于钎角大小不易控制，难免生成铸造组织，甚至出现溶蚀和缩孔。５）对于要求承压密封的钎焊接头，尽量考虑使用搭接接头。６）在一些特殊情况下，要考虑在接头上开工艺孔，如:钎料以箔状放入间隙中使用，而钎焊面积较大且长宽比不大时。图13不同厚度零件消除应力的设计方式图14闭合接头的结构5.4预置钎料的装配

钎料在接头上安放的位置是获得牢固钎焊接头的重要保证。放置原则：应将钎料安放在钎料与母材受热时温度均匀的位置，且紧贴在不易润湿或加热较慢的母材上，并尽可能使熔化的钎料依靠重力填满钎缝。

对于闭合的钎焊接头，焊前应在母材上加工出工艺孔。如图14所示。图15

环状钎料的安放位置钎料通常可做成丝状，箔片状及粉状等供选用。粉末状钎料可用树胶或聚乙烯醇溶液作粘结剂，黏附在钎缝上。

环状钎料的安放位置如图15所示。

箔片状钎料的安放位置如下图16所示。图16

箔片状钎料的安放位置图17钎焊接头的定位方法

5.5钎焊接头的定位定位主要有两个方面：Ⅰ.是工件接头的定位，Ⅱ.是钎料在工件中的定位。Ⅰ.接头的定位在钎焊的过程中，特别是钎料开始流动时，必须保持设计时的正确位置，保证其要求的间隙。为此，在钎焊装配时要用各种方法固定工件。图17为典型接头的固定方法。图18钎料的定位方法Ⅱ.钎料的定位钎料一般放置在钎缝的上方，以便使熔化的钎料能依靠自己的重力流入接头。其定位方式有3种，如下图18所示。熔态钎料做直线流动，钎缝的毛细能力起很大作用。间隙小的钎缝比间隙大的钎缝的直线流动性更好。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。断面结构比较疏松，晶界清晰；轧制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的程度明显,而熔化的钎料在表面的流动性则大于在断面的流动性。故钎焊时钎料在搭接钎缝中的流动要优于在对接钎缝中的流动。表面型(表面搭接型）接头具有较大的搭接面，它具有较大的承载能力，但因钎缝断面面积较大，毛细能力则相对较弱，也需要较多的填充钎料。这种情况常以钎料箔夹在钎缝中实行“就地卧倒”的钎焊方法而不作长距离的流动。母材和钎剂一样的情况下，不同的接头形式其熔态钎料在钎缝中的流动性不同，所获得的接头强度也不同。5.6钎料在各种接头钎缝中的流动性钎料流动的控制

钎焊过程中影响钎料流动的因素：加热方法、间隙大小、安放位置、加热温度、保温时间、阻流剂设置等；其中阻流剂是人为设置的，其材质是性能稳定的氧化物或非金属（TiO2、MgO、石墨），高温下不能被钎料润湿。钎焊前将糊状阻流剂涂在邻近接头的零件表面上。阻流剂在保护气氛炉中钎焊和真空炉中钎焊中用得很广。钎缝间隙的控制与补偿间隙大小的控制方法：加工钎焊面时留凸肩或凸点；装配固定时塞垫片或垫丝；间隙过大时补偿办法：选用填缝能力好的钎料（熔化温度区间宽的钎料）；添加合金粉末的大间隙钎焊工艺；加电镀层；用金属薄片、细丝填补；5.7钎焊前焊件的表面处理钎焊前焊件表面处理包括去油、除氧化膜及镀覆层。１.钎焊件表面去油焊件表面黏附的油脂有矿物油和动植物油。矿物油可用有机溶剂清除，动植物油可用碱液去除。（１）有机溶剂去油一般小批生产用有机溶剂（如三氯乙烯、汽油、丙酮、四氯化碳等）擦洗，常用的是汽油和丙酮。大批量生产常在有机溶剂蒸气中脱脂。用三氯乙烯去油的过程是：先用汽油擦去焊件表面大量的油污，再在三氯乙烯中浸泡5～10min后擦干。然后在无水乙醇中浸泡，再在碳酸镁水溶液中煮沸3～5min，最后用水冲洗，用酒精脱水并烘干。用丙酮去油的过程是：先用汽油浸泡除油5～10min，再用丙酮洗涤１min，然后吹干。（２）碱溶液去油铜及铜合金、低碳钢、低合金钢、不锈钢、镍及镍合金、钛及钛合金等材料，可放在80～90℃的10％NaOH

水溶液中浸洗８～10min。而铝及铝合金可放在70～80℃的Na3PO450～70g/L、肥皂3～5g/L的水溶液中浸洗10～15min

，然后用清水冲洗干净。无论是熔态钎料还是固体母材，其表面总是覆盖一层厚度不等的表面膜。用酸或碱总能有效溶去这层表面膜，问题是干净表面与周围气氛反应速度如果很大，新的表面膜又会立即生成，例如铝、镁、钛等活泼金属。铜的反应速度较低，清洗后则可以保持较长时间的赤裸表面。因此从钎焊角度来说，用酸或碱清洗金属表面主要是为了除去因长时储存留下的厚氧化皮。过度的清洗将使表面出现微观的凹坑。２.母材表面去除氧化膜

常用机械方法和化学浸蚀等方法去除氧化膜。（１）机械方法去除氧化膜

该种方法主要用于钢、铜及铜合金、镍及镍合金等焊件。单件少量生产可用锉刀、砂纸、金属刷等清理；批量较大时则用喷砂、机械刷等清理，在清理后，还要去除表面砂粒。（２）化学浸蚀去除氧化膜

化学浸蚀主要是用酸和碱来溶解金属氧化物。采用化学清理焊件表面氧化膜是生产中最常用的，适用于大批量生产，但使用时要防止焊件表面浸蚀过度，对铝及铝合金更应注意。化学浸蚀后需进行中和处理，然后在冷或热水中洗净，并加以干燥。化学浸蚀的优点是生产率高、效果好。各种常用材料去除氧化膜的化学清理方法见表2。

钎焊零件经去油及清除表面氧化膜后，严禁手或其他脏物触及表面。清洗后的零件应立即装配钎焊或放在干燥容器内保存。钎焊零件组装时，应戴棉布手套。表2为了改善钎料对某些基体材料表面的润湿性，为了防止焊件材料（如含钛、锆等活泼元素的金属材料）在钎焊过程中被严重氧化和防止钎料与焊件材料形成脆性化合物，必须对焊件表面镀覆层。焊件表面常用的镀层见表３。

表33.焊件表面镀覆层5.8钎焊热循环1.钎焊温度

确定钎焊温度的主要依据是所选用钎料的熔点。钎焊温度应适当地高于钎料熔点，以减小液态钎料的表面张力、改善润湿和填缝，并使钎料与母材能充分相互作用，有利于提高接头强度。

但钎焊温度过高却是有害的，它可能引起钎料中低沸点组元的蒸发、母材晶粒的长大以及钎料与母材过分的相互作用而导致溶蚀、脆性化合物层、晶间渗入之类的问题，使接头强度下降，因此通常将钎焊温度选为高于钎料液相线温度25—60℃。图19锡铅钎料焊接铜时接头强度与钎焊温度的关系但这个惯例不是对任何情况都适用的，如果钎料与母材相互作用很强，使填缝的液态合金与原始钎料相比成分和性能发生较大变化，这时为了保证填缝过积的顺利进行，钎焊温度应以间隙中形成的新合金的熔点为依据来确定。例如，用Ni—Cr—B—Si—Fe钎料饼焊不锈钢，合适的钎焊温度应高于钎料熔点140℃左右。也有相反的情况，例如，对于某些结晶温度间隔宽的钎料，由于在固相线温度以上已有液相存在，具有一定流动性，这时钎焊温度可以等于或低于钎料液相线温度。至于接触反应钎焊，使用的钎焊温度远低于纯金属钎料的熔点，只要求稍高于钎料—母材二元系的共晶温度。

也需要根据母材的热处理情况选择，如可以选择钎焊-热处理一体化的工艺。2.保温时间保温时间对于接头强度的影响一般具有类似的特性。一定的保温时间是钎料同母材相互扩散、形成强固的结合所必需的。确定钎焊保温时间，首先要考虑钎料与母材相互作用的特性。当钎料与母材的相互作用具有诸如强烈溶解、生成脆性相、引起晶间渗入等不利倾向时，应尽量缩短保温时间。相反如果通过二者的相互作用能消除钎缝中的脆性相或低熔组织时，则应适当延长保温时间。

保温时间也与焊件大小和钎缝间隙值有关。大件的保温时间应比小件的长，以保证加热均匀。钎缝间隙大时，为了保证针料同母材必要的相互作用，应有较长的保温时间。对钎焊温度和保温时间不应孤立的来确定，它们之间存在一定的互补关系，可以相关地在一定范围内变化。因此应根据上述的一些原则通过试验来确定。3.加热速度和冷却速度

钎焊时的加热速度和冷却速度也是应给予注意的工艺参数。过快的加热会使焊件内温度不均而产生内应力；加热过慢又会产生某些有害过程，如母材晶粒长大、钎料低沸点组元的蒸发、金属的氧化、钎剂的分解等剧烈发展。因此应在保证均匀加热的前提下尽量缩短加热时间。

3.加热速度和冷却速度

具体确定时，必须结合焊件尺寸、母材和钎料特性等因素来考虑