第1章　钎焊的基础理论

1.1　钎焊的基本原理

1-1　什么叫钎焊？钎焊分为哪几类？

钎焊是三种焊接方法（熔焊、压焊、钎焊）中的一种，如图1-1所示。它是指采用熔点比母材（被钎焊材料）熔点低的填充材料（称为钎料），在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下使填充材料熔化，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散而实现零件间的连接的焊接方法。

钎焊方法常常根据热源和加热方法来分类，近年来出现了不少新的钎焊方法。按加热方式区分的钎焊方法如图1-2所示。

1-2　焊接方法按照焊缝金属结合的性质如何分类？

按照焊缝金属结合的性质，通常将焊接方法分为三大类，即熔焊、压焊和钎焊。而每一大类又可按照焊接热源及其特性分为若干小类。焊接方法分类详见表1-1。

注：△—不易实现自动焊；○—易实现自动焊。

1-3　同熔焊相比，钎焊有哪些优缺点？

熔焊是利用外加热源使母材界面附近区域局部加热熔化，之后冷却形成接头，其特点在于母材熔化。而钎焊是通过熔化钎料来实现被钎焊件的连接，钎焊过程中母材不熔化，钎料熔化，这是钎焊的特点之一。钎焊方法的优点具体表现如下。

①钎焊加热温度一般远低于母材的熔点，因而对母材金属的组织和性能通常没有明显的不利影响。

②钎焊加热温度低，可以对焊件整体均匀加热，焊后变形小，容易保证结构尺寸，钎焊接头可以实现精密装配。

③钎焊技术对于形状特殊、粗细差异极大的零件也能实现钎焊连接。

④钎焊可以实现异种金属和合金、非金属和非金属以及金属和非金属的连接。

⑤壁厚不等、直径相差较大的零件也能实现钎焊连接。

⑥钎焊生产效率高，一次可以完成多个零件几十条、几百条焊缝的连接，易于实现生产自动化。

钎焊技术有很多优点，同时该方法也存在不足，主要表现如下。

①钎焊接头的强度一般较低，特别是没有通过特殊工艺处理的接头强度更低。

②钎焊接头耐热性能差。

③由于较多地采用搭接接头，因此增加了母材的消耗量和结构的重量。

④容易在接头与母材之间产生不同程度的电化学腐蚀。

⑤镍基、铜基等高温钎料通常含有Si、B等降熔元素，致使钎焊接头脆性大。

1-4　根据被连接母材种类的不同，钎焊又是如何分类的？

按照被连接母材种类的差异，钎焊方法又可分为铝及铝合金钎焊、铜及铜合金钎焊、不锈钢钎焊、钛及钛合金钎焊、高温合金钎焊、陶瓷材料钎焊、复合材料钎焊等。必须指出，当人们说银钎焊时，并不是银母材的钎焊，而是指用银基钎料进行钎焊。对于铜钎焊的说法，也同样存在类似的情况。

1-5　按照钎焊温度的高低，钎焊又是如何分类的？

根据钎焊温度的高低，可以将钎焊方法分为高温钎焊、中温钎焊和低温钎焊。但是这种高、中、低温度的划分是相对于母材熔点而言的。例如对于钢等熔点较高的母材金属来说，加热温度高于800℃时称为高温钎焊，加热温度在550～800℃之间时称为中温钎焊，而加热温度低于550℃时称为低温钎焊；但对于铝合金来说，当加热温度高于450℃时称为高温钎焊，加热温度在300～450℃之间时称为中温钎焊，而加热温度低于300℃时称为低温钎焊。

1-6　若根据热源的种类和加热方式，钎焊的分类又是如何？

按照热源的种类和加热方式的不同，可以将钎焊方法分为烙铁钎焊、火焰钎焊、炉中钎焊、感应钎焊、电阻钎焊、电弧钎焊、浸渍钎焊、红外钎焊、激光钎焊、气相钎焊、烙铁钎焊及超声波钎焊。

1-7　钎焊与电焊有哪些异同点？

钎焊属于固相连接，它与电焊方法不同。以手工气体火焰钎焊为例，采用比母材熔化温度低的钎料作为焊接材料，以火焰作为加热热源，加热温度采用低于母材固相线而高于钎料液相线的温度。在钎焊时，母材不熔化，也不形成熔池，焊缝金属由钎料合金构成，但由于钎料合金元素的扩散与母材元素的溶解，钎缝金属化学成分已经不同于钎料合金成分。

电焊通常采用焊条，这种焊接方法也称作焊条电弧焊。采用焊条作为焊接材料时，以焊接电弧作为加热，在电弧热的作用下，母材与焊条都熔化。在电焊时，母材熔化形成熔池，焊缝金属由焊条与母材共同形成。

1-8　焊接与钎焊有什么区别？

焊接是通过加热或加压或两者并用，用或不用填充材料，使工件达到结合的一种连接方法，因此钎焊是焊接方法中的一种，焊接方法分类如图1-3所示。

钎焊作为焊接三大工艺方法之一，与熔焊和压焊有所不同。三类焊接技术特征的对比见表1-2。

熔焊是利用外加热源（如电弧），使被连接构件（即母材）界面附近区域局部加热熔化，之后冷却形成接头。焊接过程中母材和填充金属都熔化，两者是化学结合。如：手工电弧焊、CO2焊、TIG焊、MIG焊、埋弧焊、MAG焊、等离子焊、激光焊、电子束焊等。

压焊是施加压力，使被焊接表面的原子间距近到晶格距离。焊接时不用焊料，被连接金属间是化学或物理结合，焊缝窄，热影响区域小，包括电阻焊（点焊、缝焊）、闪光焊、摩擦焊、冷压焊等。

钎焊是通过熔化金属（钎料）实现被钎焊件的连接，钎料温度低于母材温度，焊接时钎料熔化母材不熔化，两者之间是物理结合。习惯以焊接温度450℃划分为硬钎焊和软钎焊。硬钎焊主要有火焰钎焊、感应钎焊、炉中钎焊、电阻钎焊等。

1-9　钎焊的基本原理是什么？

钎焊过程与在固相、液相、气相进行的还原和分解，以及润湿和毛细流动、扩散和溶解、固化和吸附、蒸发和升华等物理、化学现象的综合作用有关。钎焊可分为三个基本过程：一是钎剂的熔化及填缝过程，即预置钎剂在加热熔化后流入母材间隙，并与母材表面氧化物发生物理化学作用，以去除氧化膜，清洁母材表面，为钎料填缝创造条件；二是钎料的熔化及填满钎缝的过程，即随着加热温度的继续升高，钎料开始熔化并润湿、铺展，同时排除钎剂残渣；三是钎料同母材的相互作用过程，即在熔化的钎料作用下，小部分母材溶解于钎料（即母材向液态钎料的扩散），同时钎料扩散进入到母材当中，在固液界面还会发生一些复杂的化学反应。当钎料填满间隙并保温一定时间后，开始冷却凝固形成钎焊接头。

1-10　什么是润湿？液态钎料填充钎缝的最基本前提条件是什么？

润湿是指液体在固态表面上的铺展。若从化学热力学角度来看，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。换句话说，也就是液态钎料在与固态母材接触时，钎料将母材表面处的气体排开，沿着母材表面铺展，形成新的固体与液体界面的过程。

要使液态钎料填充到钎缝的毛细间隙中去，其前提条件是液态钎料必须能够良好地润湿母材。

1-11　何种钎料能润湿母材？

如果钎料与母材能互溶或生成化合物，则液态钎料能较好地润湿母材，反之润湿性就差。如果钎料和母材都不是纯金属，若其中含有的元素之间能够互溶或生成化合物，则钎料也能较好地润湿金属表面。例如铅在铜金属表面，加热到400℃时，铅（Pb）熔化，在母材铜表面没有润湿现象发生，不润湿的原因是由于加热熔化的铅Pb和Cu不能够互溶。但当在铅Pb中加入锡（Sn）后，润湿作用发生且随着在Pb中所加入Sn含量的增加，其润湿性也随之增强。在熔化的Pb加入Sn后，会在铜金属表面发生润湿是因为锡（Sn）和铜（Cu）能够互溶。

1-12　液态钎料如何对母材进行润湿和铺展？

当液体处于自由状态时，为使其本身处于稳定状态，它力求保持球形的表面。而当液体与固体接触时，这种情况将发生改变，其变化取决于液体内部的内聚力和液体对固体附着力的大小。当内聚力大于附着力时，液体不能黏附在固体表面上，呈球状，不发生润湿作用，即不润湿。当附着力大于内聚力时，液体就能黏附在固体表面，呈平面铺开，发生润湿作用，即润湿。

在自然界中有很多这方面的例子，举例来说，在清洁的玻璃板上滴一滴水，水滴可在玻璃板上完全铺开，这时可以说水对玻璃板完全润湿；如果滴的是油，则油滴会形成一球体，发生有限铺开，此时可以说油滴在玻璃板上能润湿；若滴一滴水银，则水银将形成一个球体在玻璃板上滚动，这时说明水银对玻璃不润湿。

钎料对母材的润湿与铺展也是一样的道理，当钎料不加钎剂在纯铜板上熔化时，钎料呈球状在钢板上滚动，也就是钎料的内聚力大于钎料对钢板的附着力，此时钎料不润湿铜板；当加钎剂时，钎料将在铜板上铺开，也就是说此时钎料的内聚力小于钎料对铜板的附着力，所以钎料才得以在铜板上润湿和铺展。熔融钎料沿母材表面铺展润湿如图1-4所示。

1-13　影响钎料润湿性的因素有哪些？

影响钎料润湿性的因素主要有以下几个方面。

①钎料和母材成分的影响。

②钎焊温度的影响。

③保温时间的影响。

④真空钎焊时的真空度对钎料的铺展有很大的影响。

⑤母材金属表面氧化物的影响。

⑥钎剂的影响。

⑦母材表面状态的影响。

⑧母材间隙的影响。

⑨钎料与母材相互作用的影响。

1-14　钎料与母材相互作用如何影响液态钎料的润湿性？

在实际钎焊过程中，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、黏度和熔化温度区间等发生变化。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。

1-15　钎料与母材的作用程度对润湿性有何影响？

图1-5给出了真空条件下Sn-Pb在Cu母材上的润湿情况。由此图可见，当钎料成分发生变化时，其润湿角也发生变化。低Pb含量时的润湿角比高Pb含量时的大，并且以Sn-Pb共晶成分附近为最小。如果钎料与母材间的相互作用太强，则由于钎料在充分铺展之前就已经与母材发生了过分的相互作用，使液态钎料的熔点升高及黏度增大，造成液态钎料的流动性降低，因而也会造成润湿性下降。

Ⅰ，Ⅱ—真空中（熔融）；Ⅲ，Ⅳ—ZnCl2+NH3Cl共晶钎剂；Ⅲ—液相+50℃；Ⅲ-Ⅳ—凝固后

1-16　当加热温度过高或过低时，钎料的润湿性有变化吗？

加热温度的高低对润湿性是有影响的。一般来说，加热温度越高，润湿角越小，使润湿性得到改善，润湿效果就越好。但是，并非加热温度越高越好。如果温度过高，就可能造成母材晶粒过分长大，出现过热、过烧等问题。并且钎料的铺展能力过强时，钎料的润湿性太好，往往容易造成钎料的过分流失，不易填满钎缝，即钎料流散到不需要钎焊的地方去。同时温度过高还会引起熔蚀等钎焊缺陷。

钎焊温度过低，钎料的黏度增大，流动性变差，润湿性太弱，导致钎料的流布和渗入不足，使接头的间隙不易被填满，从而形成不良接头。

因此在实际钎焊过程中，钎焊温度不宜过高，也不宜过低。一般常取钎料液相线以上20～40℃，或取钎料熔点的1.05～1.15倍。

1-17　母材金属表面的氧化物对润湿有何影响？

母材金属表面氧化物的存在会严重影响液态钎料对基体金属表面的润湿性，这是因为氧化膜的熔点一般都比较高，在钎焊温度下为固态，会阻碍液态钎料与基体金属表面的直接接触，使液态钎料凝聚成球状，即形成不润湿状态。

金属表面上总是存在着金属氧化物，在有氧化膜的金属表面上，液态钎料往往凝聚成球状，不与金属发生润湿，这是由于表面氧化膜具有比金属表面更低的表面张力。

因为母材金属表面氧化膜的存在，所以在钎焊前，一定要去除母材表面的纯金属在空气中很快又会被氧化，形成很薄的一层氧化膜，在钎焊时，这一层氧化膜也必须被去除。

1-18　什么是润湿角和润湿系数？接触角的大小如何表示润湿的强弱？

润湿角是衡量液态物质对母材润湿能力的大小，可用液体与固体接触时的接触夹角来表示。如图1-6所示是固体表面上液滴的表面张力平衡图，由杨氏方程可以推导出接触角与各界面张力的关系：

σSG=σLS+σLGcosθ

式中　σSG——固体和气体介质间沿边界作用于液滴上的表面张力；

σLS——在液态和固体介质间沿边界上的界面张力；

σLG——液态钎料的界面张力。

将cosθ作为描述液体润湿能力的润湿系数。θ是指平衡状态下的润湿角，其大小表征了体系润湿于铺展能力的强弱。

当θ=0°时，称为完全润湿；当0°＜θ＜90°时，称为润湿；当90°＜θ＜180°时，称为不润湿；当θ=180°时，称为完全不润湿。钎焊时，液态钎料对固态母材的润湿是最基本的过程。要获得优质的钎焊接头，就必须保证液态钎料能良好地润湿母材，只有这样，钎料才能顺利填充钎缝间隙。所以，一般情况下希望液态钎料在母材上的接触角要小于20°。

1-19　母材的间隙是如何影响钎焊毛细填缝的？

母材间隙是直接影响钎焊毛细填缝的重要因素。毛细填缝的长度与间隙大小成反比，随着间隙的减小，填缝长度增加，反之减小，因此毛细钎焊时一般间隙都较小。

1-20　简述液态钎料的实际填缝过程？

按理想状态，液体在平行板毛细间隙中的填缝是自动进行的过程，即填缝过程中扩大固-液界面面积，减少固-气界面面积是释放能量的自发过程，而且液体填缝速度应该是均匀的，液体流动前沿形状是规则的。但是，实际钎焊填缝过程与其完全不同，在实际填缝过程中，液态钎料与固态金属母材间存在溶解、扩散作用，致使液态钎料的成分、密度、黏度和熔点都发生变化。平行板间隙钎焊时，液态钎料填缝速度是不均匀的，有时还受钎料沿工件侧向流动的影响，因此，钎料填缝前沿不整齐，流动路线紊乱。实际上这种毛细填缝特点将会直接影响钎焊接头质量，常会形成不致密、带有夹渣的钎缝。实际钎料填缝过程如图1-7所示。

1-21　描述钎焊整个工艺过程各个不同阶段所发生的物理和化学现象？

钎焊工艺过程主要包括钎料填满钎缝的过程和钎料同母材相互作用的过程。如果钎焊时使用钎剂，则还有一个钎剂的填缝过程。

钎剂在加热熔化后流入焊件间的间隙，同时熔化的钎剂与母材表面发生物化作用，从而清净母材表面，为钎料填缝创造条件。

随着加热温度升高，熔化的钎料与固态母材接触，润湿母材，并在其上铺展。随后，熔化的钎料依靠毛细作用在钎缝间隙内流动进行填缝。

液态钎料在毛细填缝的同时，与母材发生相互扩散作用，一种是母材向液态钎料的扩散，即通常说的溶解；另一种是钎料组分向母材的扩散。

1-22　钎剂如何影响钎料的润湿性？

钎剂对液态钎料的润湿性的影响主要表现在两个方面：一方面钎焊时使用钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化膜，从而改善润湿；另一方面当钎料和母材金属表面覆盖了一层熔化的液态钎剂后，它们之间的界面张力将发生变化，如图1-8所示。

由图1-8中可以看出，使用了钎剂后，润湿角θ减小，σSF增大，液态钎料的界面张力σLF减小，改善了钎料的润湿铺展功能。因此，选用适当的钎剂有助于保证钎料对母材的润湿。

1-23　母材的表面状态如何影响钎料的润湿性？

母材表面的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。

1-24　钎焊过程中，哪些因素将影响填缝速度？

在钎焊时，钎料黏度的增加将使液态钎料的流动速度降低；润湿角增大，意味着钎料对母材的润湿性变差，这也将降低液态钎料的流动速度；此外钎料的爬升高度将与钎料的流动速度成反比，在液态钎料填缝初期，填缝速度较快，而随着填缝过程的逐渐进行，速度会逐渐减慢。因此，要保证钎料填满钎缝间隙，就需要足够长的保温时间。

1-25　钎焊的过程是怎样进行的？

具体来说，钎焊时，由于钎剂的熔点比钎料的熔点低，钎剂在加热熔化后流入母材的间隙，同时熔化的钎剂与母材表面氧化物发生物理化学作用，从而清洁母材表面（去除氧化膜过程），为钎料填缝创造条件。随着加热温度的继续升高，钎料开始熔化并润湿、铺展，钎料在排除钎剂残渣并填入母材间隙的同时，熔化的钎料与固态母材间发生物理化学作用。当钎料填满间隙经过一定时间保温后开始冷却、凝固，形成钎焊接头，从而完成整个钎焊过程。

1-26　要保证得到优良的接头，实际钎焊时须考虑几个要点？

在实际钎焊操作过程中，要保证得到优良的接头，必须严格考虑以下几个要点。

①钎料对母材金属的润湿和铺展。

②液态钎料在零件间隙中的毛细填缝过程。

③接头间隙大小的影响。

④焊件的加热与冷却。

⑤钎料与母材的相互作用。

1-27　钎焊过程中，钎料与母材间有哪几种相互作用？

钎焊过程中，液态钎料在毛细填缝的同时就与母材发生相互作用，这种相互作用的推动力来源于钎料与母材间的浓度梯度所造成的扩散。可以将这种作用分为两类：母材向液态钎料中的溶解；钎料组分向母材中的扩散。这些相互作用的结果会对钎焊接头的性能产生很大的影响。

1-28　母材金属表面是否都有氧化膜？

母材金属表面总是存在氧化物的。如黄铜的质量分数低于15％时，表面的氧化物主要由Cu2O组成，其中含有ZnO的微粒。当锌的质量分数大于20％时，其氧化物主要由ZnO组成。纯铜的表面可能有CuO和Cu2O两种氧化物，室温下铜表面为Cu2O所覆盖，高温下的氧化皮分为两层，外层为CuO，内层为Cu2O。

1-29　常用的钎焊工艺方法有哪些？各有什么特点？应用范围有哪些？

常用的钎焊工艺方法及其特点和应用范围见表1-3。

1-30　钎焊时，母材对钎焊接头形成有何影响？

①如果母材金属表面无氧化膜，则母材金属和熔融钎料直接接触，合金化作用加强，即钎焊时钎料中母材金属溶解强烈，当钎料中加热母材金属组元时，母材金属溶解作用就会减弱。

②母材表面状态对钎焊接头形成的影响主要表现为：结晶一开始，母材表面状态某种程度上决定了晶体生长方向，也就是说结合区固化金属的结晶网格尺寸和形状都与母材金属表面状态有一定关系。

1-31　实际生产中若钎料对母材润湿性差，该如何处理？

在实际钎焊生产中，工艺上通常都要求钎料能很好地润湿母材。假如钎料在母材上的润湿性较差，操作技术人员须立即采取改进措施，可以向钎料中加入一种或几种能与母材互溶或生成化合物的元素，这样得到的钎料对母材的润湿性会得到改善。

1-32　钎焊过程中如果不用钎剂，润湿将怎样变化？

钎焊时如果不用钎剂，对润湿性还是有影响的，因为金属的表面总是存在氧化物。在有氧化物的表面上，液态钎料往往凝聚成球状，不与金属发生润湿。而钎剂恰恰可以清除钎料和母材表面的氧化膜，使钎料可以与母材表面的纯金属直接接触，促进钎料的润湿。所以，在钎焊工作过程中必须注意清除钎料和母材表面的氧化物，以改善润湿性。

1-33　温度是如何影响钎料在母材上的润湿性的？

钎焊过程中，钎料与母材相互作用，液态钎料的表面张力与温度的关系为：

式中，Am为一个分子质量液体分子的体积；K为常数；T0为表面张力为零时的临界温度；τ为温度常数。从式中可以看出：随着温度的升高，液态钎料的表面张力减小，润湿性增强。这是因为温度升高，固液反应增强，界面张力减小。若温度升高过度，钎料铺展性太强，会造成钎料流失。

1-34　如何判别预置钎料片润湿性的好坏？

对于在钎缝间隙内预置钎料片的情形[图1-9（a）]，润湿和毛细作用仍具有重要的意义。当钎料对母材润湿性良好，并且钎缝间隙适宜的情况下，熔融钎料可以填满钎缝间隙并在钎缝周围形成圆角，如图1-9（b）所示。如果润湿性不好，则会造成填缝不良，同时也无优良圆角形成。如果钎料对母材完全不润湿，则液态钎料就会从间隙中流出并形成钎料珠[图1-9（c）]，因而不能形成钎焊接头。

1-35　评价钎料润湿性和铺展性的方法有哪些？

熔融钎料对母材的润湿性和铺展性是钎料的重要工艺性能指标，但目前还无法从理论上精确确定实际工程体系的润湿性和铺展性的优劣，因此一般只能借助于实验方法来评定其润湿性和铺展性。工程上常用的评定方法如下。

①润湿角测量。

②铺展面积测定。

③沿T形试件的填缝长度的测定。

④复合板流动系数的测定。

⑤润湿力测定。

⑥润湿时间的测定。

1-36　母材的过度溶解对于钎焊接头的质量有何影响？

钎焊时一般都发生母材向液态钎料的溶解过程。母材向钎料的适量溶解，可以改变钎缝的组织成分，使钎料成分合金化，有利于提高接头强度。但是母材的过度溶解会使液态钎料的熔点和黏度提高，流动性变差，往往导致不能填满钎缝间隙。同时也可能使母材表面出现熔蚀缺陷，即加钎料处或钎角处的母材因过分溶解而产生凹陷，严重时甚至出现母材熔穿。

1-37　什么叫溶解？钎焊过程母材向钎料是怎样溶解的？

溶解就是指一种物质（溶质）溶入到另一种物质（溶剂）当中，形成一种混合物质，采用一般的方法难以将其分离开来。

在钎焊过程中，溶解现象是普遍存在的。例如：在1150℃下用Cu作为钎料来钎焊钢时，钎缝中的Fe的质量分数可以达到4.7％。当在250℃下用SnPb钎料来钎焊Cu时，可在钎缝中发现块状金属间化合物Cu6Sn5。又如电子整机厂的钎焊工使用的电烙铁经常出现“缺口”“咬牙”等现象，这就是铜质烙铁头向钎料中溶解造成的。当固态钎料溶化以后，在润湿母材的过程中，母材或多或少地向液态钎料中溶解。

1-38　如何理解母材向钎料中的溶解？

在钎焊中，母材向钎料中的溶解现象是无处不在的。例如：钎焊产品中产生的熔蚀缺陷，严重时甚至出现母材熔穿现象，这是母材过度向钎料中溶解造成的。在钎焊中有时会发现钎料的熔点升高，流动性变差，造成不能填满钎缝间隙而形成未钎透缺陷，这同样是由于母材溶解的缘故。

1-39　钎焊时，相同的母材在不同的钎料中，其溶解量会有差异吗？

在生活中我们常见这样一些简单的例子：现有一杯水和一杯浓度低的盐水，要把这两杯水冲成浓盐水显然，往水中加的盐要多一些，因为另一杯中在配置之前已经含有一部分盐了，所以再次溶解盐的量就相对的少了。母材向钎料中的溶解也是这个道理。相当于把盐换成了母材，水换成了钎料一样，如果钎料中没有母材的组分，由于组分浓度梯度的存在，那么母材向钎料中的溶解量会很大；若钎料中含有了母材的组分，那么母材的溶量一定会相对地减少。

1-40　在钎焊过程中，钎料与母材之间有何现象发生？

钎焊过程中，液态钎料在毛细填缝的同时就与母材发生了相互作用，发生这种现象的原因是由于钎料与母材中含有不同的成分以及含量不同的相同成分。钎料与母材的相互作用可分为两类：一是钎料组分向母材中的扩散，如在250℃下用Sn-Pb钎料钎焊Cu时，可在钎缝中发现块状化合物Cu6Sn5；二是母材向液态钎料中的溶解。这些相互作用的结果对钎焊接头的性能产生重要的影响。

1-41　如果母材向钎料中过度溶解，该如何处理？

母材的适量溶解是有益的，过度溶解就会给接头带来不利的影响。为减少母材过多地溶解，可以在钎料中加入母材金属的组分。例如在Sn-Pb钎料中加入少量的Cu或Ag，就可以减弱母材中Cu或Ag向钎料中的溶解。

1-42　影响母材向钎料中溶解的因素主要有哪些？

在钎焊过程中，影响母材向钎料中溶解的因素大体上可分为材料因素和工艺因素两大类。

材料因素是指与母材和钎料的物性相关联的影响溶解的因素。不同成分的母材或母材的不同组分在不同成分的液态钎料中的溶解情况显然是不同的，这种差异主要取决于母材组分在液态钎料中的极限溶解度和极限固溶度，即材料因素包括：母材在钎料中的极限溶解量；钎料组分在母材中的饱和固溶度。如果钎料与母材在固、液态下都不相互作用，则不发生母材向液态钎料中的溶解，如Ag-Fe系不发生Fe向Ag中的溶解。

工艺因素主要包括钎焊加热温度、加热保温时间和钎焊量三个方面的影响。

1-43　钎料合金成分对母材向钎料中的溶解有何影响？

钎料合金成分对母材向钎料中的溶解影响如下。

①若钎料中含有母材的成分，则母材向钎料的溶解量减少。

②钎料合金成分在母材中的饱和溶解度越大，则一定时间下母材的溶解量越少。

③若钎料中有与母材形成金属间化合物的组分，则金属化合物阻挡母材溶解，但当温度升高至金属间化合物熔化时，母材溶解加速。

1-44　工艺因素如何影响母材向液态钎料中溶解？

钎焊加热温度的影响：一般来说，随着钎焊温度的升高，母材在钎料中的溶解度将增加，因而单位时间内的溶解量会随温度成指数函数增加，如图1-10（a）所示。如果钎焊时在母材与钎料的交界面上形成金属间化合物，则溶解速度与温度之间就存在如图1-10（b）所示的关系，总体趋势仍表现为温度升高使溶解速度加快，但在某一温度区间内会出现溶解速度下降的现象。

加热保温时间的影响：一般来说，在达到极限溶解度之前，溶解量是随着加热保温时间的延长而增加的，并且增加量基本上满足抛物线规律，即增加量与时间的平方根成正比，图给出了铜1-11在液态锌中的溶解情况。

1—620℃；2—580℃；3—480℃

钎焊量的影响：显而易见的是钎焊量的增加将导致溶解量的增加。这也说明为什么在熔融钎料中进行浸渍钎焊时易发生熔蚀，而在钎缝间隙较小的情况下，母材的溶解很快就达到饱和状态。

通过上述分析可以看出：母材溶解与钎料成分及其母材的组配情况和钎焊参数之间存在着密切的关系，因此要控制母材的溶解，就要选择适当的钎料并选择合理的钎焊参数。

1-45　若母材向钎料中的溶解量过大，该如何处理？

一般来讲，母材的溶解量与母材和钎料的成分、钎料量、钎焊温度以及保温时间有很大的关系。如果母材向钎料中的溶解量过大，可以在钎料中加入母材金属的组分。例如在Sn-Pb钎料中加入少量的Cu或Ag，就可以减弱母材中Cu或Ag向钎料中溶解。显而易见是随着钎料量的增加将导致母材溶解量的增加，所以在钎焊时钎料量不宜过多。同时，随着钎焊温度的升高，保温时间的延长，母材向钎料中的溶解量也相应增多，所以选择适当的钎焊温度和保温时间也是控制母材溶解量的有力措施。

1-46　钎焊参数（如温度和保温时间）对母材在钎料中的溶解量产生影响吗？

众所周知，在不同的温度下，糖在同量水中的溶解量是不同的。温度越高，糖溶解就越多。母材在钎料中的溶解也一样，随着温度的升高，对于一定的钎料量而言，母材的溶解量也增大。因此适当的钎焊温度是控制母材溶解量的一个有效措施。

一般来说，在达到极限溶解之前，溶解量是随着保温时间的延长而增加的，在毛细钎焊时，钎缝内的钎料量很少，母材的溶解很快就达到饱和状态。时间再延长，溶解量不再增多。但钎缝内的钎角处集聚钎料较多，保温时间增长时溶解量将增加，因此钎缝钎角处是最容易产生熔蚀的地方。

1-47　钎焊温度与保温时间应如何确定？

钎焊时，钎焊温度和保温时间不能孤立地进行确定，而要相互匹配钎焊温度和保温时间存在一定的互补关系。钎焊温度高时，保温时间可以短一些；钎焊温度低时，保温时间可以长些。这样既保证了钎料能与母材充分作用，又不使母材过多地溶解。

1-48　什么是扩散？什么是钎料向固态母材的扩散？

扩散本身就是一种物质传输过程，一种物质的宏观流动现象。例如，在一杯水中滴一滴墨水，我们可清楚地发现，墨水在水中逐渐散开，而且随着时间的延长，散开的面积越来越大，颜色越来越浅，也就是浓度变小。不难发现在这一现象中，墨水是沿着浓度大的地方向浓度小的地方扩散的。

当钎料溶化时，液态钎料中的某一组元比母材中的浓度高时，就会发生钎料向母材的扩散。用铜钎焊铁时，会发生液态铜向铁中的扩散。随着保温时间的延长，不但Cu的扩散深度增大，而且扩散层中的Cu含量也增多。用Al-28Cu-6Si钎料钎焊Al时，也可以发现钎料组分向母材铝合金中扩散的现象。在钎缝中靠近界面处的母材上可以看到一条与钎缝平行的明亮条带，它是钎焊时液态钎料中的Si和Cu向母材Al扩散而形成的。

钎料组分的扩散量主要与某一组元在钎料与母材中的浓度差和扩散时间有关。扩散自高浓度向低浓度方向进行，当钎料中某些组元的含量比母材中高时，由于存在浓度差，就会发生该组元向母材金属的扩散。浓度差越大，扩散量越多。如果扩散入母材的钎料组分浓度在溶解度内，则形成固溶体组织，对接头性能没有不良影响。但在钎焊过程中有时发现钎料组分向母材晶间渗入的现象，这种现象以下列形式出现：钎料及其组分在固态下向母材晶间扩散；钎料及其组分向母材晶间渗入，同时形成易熔组织。钎料及其组分向母材晶间渗入，往往使钎焊接头的强度、塑性及其他性能变坏。尤其在钎焊薄件时，晶间渗入可能贯穿整个焊件厚度、使接头变脆。因此应尽量避免接头中产生晶间渗入。

晶界上共晶体的形成也与钎料组分在母材中的溶解度有关。因为钎料组分向母材晶间扩散时先形成固溶体，只是达到它在母材中的饱和溶解度后才形成共晶体。因此钎料组分在母材中溶解度越大，晶间渗入的可能性越小。

1-49　什么是自扩散？

自扩散是指不伴有浓度梯度变化的扩散，这类扩散与浓度梯度无关，只发生在纯金属和均匀固溶体中。例如在纯金属晶粒长大时，大晶粒逐渐吞并小晶粒，从晶间的移动就可以看出金属原子从小晶粒向大晶粒迁移。在此过程中并不伴有浓度的变化，其推动力是界面能的降低，这一过程就是所谓的自扩散过程。

1-50　什么是互扩散？它还可分为哪几类？

互扩散是伴有浓度梯度变化的扩散，它与异种原子浓度差有关。在互扩散过程中，异种原子相互扩散，相互渗透，所以又叫作异扩散或化学扩散。互扩散可分为下坡扩散和上坡扩散。下坡扩散是指沿浓度梯度下降方向进行扩散，其结果使浓度趋于均匀化；上坡扩散则是指沿浓度梯度升高的方向扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，其结果是使浓度发生两极分化。

互扩散还可以分成原子扩散和反应扩散两类。如果在扩散过程中，基体晶格始终不变，没有新相生成，这种扩散就称为原子扩散。反之，在扩散过程中，当浓度变化到一定程度时造成了基体晶格或形成新相，这样的扩散就称之为反应扩散。

如果按照扩散优先发生的部位来划分，又可分为晶内扩散、晶界扩散和表面扩散等。

1-51　举例说明什么是晶内扩散？

晶内扩散也称为体扩散。例如当用铜钎焊铁时，会发生液态铜向铁中扩散，如图1-12所示。由图中可以看出：在1100℃下Cu在Fe中的分布。随着保温时间的延长，不但Cu的扩散深度增大，而且扩散层中的Cu含量也增多。

1—保温1min；2—保温1h

用Al-28Cu6Si钎料钎焊铝及铝合金时，也可发现钎料组分向母材铝合金中扩散的现象。在钎缝中靠近界面处的母材上可以看到一条与钎缝平行的明亮条带，它是钎焊时液态钎料中的Si和Cu向母材Al中扩散而形成的固溶体。

1-52　钎料与母材的相互作用形成的组织有哪些？

钎焊与母材的相互作用形成的组织主要有固溶体、化合物、共晶体。

（1）固溶体

钎焊时，如果扩散进入母材的钎料组分浓度在溶解度内，则形成固溶体组织，钎缝和界面区出现固溶体这种组织对于钎焊接头性能是有利的，因为这种组织具有良好的强度和延性。若母材与钎料具有相同类型的结晶点阵或相近的原子半径，当母材溶于钎料并在钎缝凝固结晶后，就会出现固溶体。如因镍与铜两者具有相同类型的结晶点阵，用铜基钎料钎焊镍时就可形成固溶体。当用铜基钎料钎焊铜或用铝基钎料钎焊铝及铝合金时，尽管钎料本身不是固溶体组织，但由于母材与钎料具有相近的原子半径，在邻近钎缝界面区以及钎缝中可出现固溶体组织。

（2）化合物

如果钎料与母材具有形成化合物的状态，则钎料与母材的相互作用将可能使接头中形成金属间化合物。例如250℃时以Sn钎焊Cu，由于Cu向Sn中溶解，冷却时在界面区形成Cu6Sn5化合物相。如果母材与钎料能形成几种化合物，则在钎缝一界面上可能形成几种化合物。如果用Sn钎焊Cu，当钎焊温度超过350℃，除形成Cu6Sn5，还在Cu6Sn5相与Cu之间出现了ε相。用多数钎料钎焊Ti时，在钎缝一侧面上也往往形成化合物相。当接头中出现金属间化合物相，特别是在界面区形成连续化合物层时，钎焊接头的性能将显著降低。

（3）共晶体

共晶体的形成也与钎料组分在母材中的溶解度有关。因为钎料组分向母材晶间扩散时先形成固溶体，只是达到它在母材中的饱和溶解度后才形成共晶体。钎缝中的共晶体组织可以在以下两种情况中出现：一是在采用含共晶体组织的钎料时，如铜磷、银铜、铝硅、锡铅等钎料，这些钎料均含大量共晶体组织；二是母材与钎料能形成共晶体时，如用银钎焊铜时就属于这种情况。

钎缝中的共晶体组织可以在以下几种情况中出现：一是在采用含共晶体组织的钎料时，如铜磷、银铜、铝硅、锡铅等钎料，这些钎料均含大量共晶体组织；二是母材与钎料能形成共晶体时，如用银基钎料钎焊铜时就是这样。

将银箔至于铜件间，并使之保持良好的接触。当加热到800℃左右时，银和铜虽然不能熔化，但依靠银和铜的相互扩散，在778℃时形成银铜共晶液相，从而将铜连接起来。这种钎焊方法称为接触反应钎焊。

1-53　如何防止钎料与母材的相互作用所形成化合物相？

钎焊过程中，钎料与母材的相互作用形成的组织主要有固溶体、化合物、共晶体。其中化合物相一般硬而脆，对接头的力学性能有不利的影响。当化合物分散不连续分布时，其影响较小，且可能由于弥散强化作用而强化接头。但是，当化合物层形成连续层而夹在母材与钎料之间，且厚度较大时，其影响较大，会使接头明显变脆，强度显著下降。

为了减缓界面处化合物相的生成，可采用如下措施。

①在钎料中加入不与母材和钎料基体金属形成化合物的组元。例如：在Sn中加入Pb钎焊Cu时，可以使Cu6Sn5层减薄，当Pb的质量分数达到70％时，化合物层甚至可能完全消失。

②在钎料中加入只能与钎料基体金属形成化合物而不与母材形成化合物的组元。例如：在Sn中加入Ag钎焊Cu时，可在钎缝中形成Ag3Sn金属间化合物，从而使Cu6Sn5层减薄。

1-54　钎焊时，发生晶间渗入的原因是什么？它有何危害性？

晶间渗入产生的原因是因为在液态钎料与母材接触中，钎料组分向母材中扩散，由于晶界处空隙较多，扩散速度较快，结果造成了在晶界处首先形成钎料组分与母材金属的低熔点共晶体。由于其熔点低于钎焊温度，这样就在晶界处形成了一层液态层，这就是所谓的晶间渗入。

当采用含硼镍基钎料钎焊不锈钢和高温合金时，就可能发生硼向母材晶间渗入的情况。钎料及其组分向母材晶界渗入，往往使钎焊接头的强度、塑性及其他性能变坏。尤其在钎焊薄件时，晶间渗入可能贯穿整个焊件厚度、使接头变脆。因此应尽量避免接头中产生晶间渗入。

1-55　钎焊时，钎料组织与钎缝中心区组织相同吗？

通常情况下，钎缝中心区由于母材的溶解和钎料组分的扩散以及结晶时的偏析，其组织也不同钎料的原始组织成分。当钎缝间隙较大时，钎缝中心区的组织形态与钎料的原始组织形态比较近；钎缝间隙小时，则两者之间可能存在极大的差别。例如：用Ni-Cr-B-Si钎料钎焊不锈钢时，在小间隙的钎缝中，钎缝中心区组织是由固溶体组成，而钎料本身却为包晶组织。

1-56　什么是毛细作用？

毛细作用是液体在狭窄间隙中流动时所表现出来的固有特性。在实际生活中有很多这样的例子。例如：将两块平行的玻璃板或直径很细小的洁净管子插入某种液体中，液体在平板之间或在细管内会出现两种现象：一种是液体沿着间隙或细小内径上升到高出液面的一定高度h，如图1-13（a）所示；另一种是液体沿着间隙或细小内径下降到低于液面的一定高度h，如图1-13（b）所示。这种现象称为“毛细作用”。由于毛细作用的存在，若液态钎料可以润湿金属板，则间隙内的液面高度将比外侧高，反之，液态钎料不润湿金属板，则外侧的液面高度就会比间隙内的高。

1-57　铜管套接钎焊时，是否有毛细作用？

薄壁铜管的连接，较难实施对接熔焊，较简易的连接方法是套接钎焊，既可实施低温的软焊接，又可实施高温的硬焊接。在实际铜管套接钎焊生产中，当两个管子径向间隙很小时（一般在0.05～0.25mm），钎焊时就存在毛细作用。而当两个铜管的径向间隙很大时，就不能形成毛细作用，而连接的过程也就不能用钎焊这种工艺方法了，因为钎焊的过程是靠着毛细作用进行的。

1-58　毛细填缝时，钎焊温度高低对毛细填缝是否有影响？

一般来说，钎焊温度越高，润湿效果就越好，铺展面积就越大，但温度不能过高或过低。温度过高时，可以引起钎料中低沸点组元的蒸发，钎料的铺展能力过强时容易造成钎料的流失，不易填满钎缝，母材与钎料的相互作用过于强烈而导致熔蚀等缺陷；温度低时，钎料的黏度大，不易流动填缝，而且钎料与母材不能充分作用，致使钎料接头不能形成牢固的结合。所以钎焊温度不能过高，也不能过低，通常定为比钎料的熔点高25～60℃。

1-59　钎焊接头的形成一定有润湿、铺展、钎料的流动及毛细填缝的过程吗？

钎焊接头的形成是在一定的条件下，液态钎料自行流入固态母材之间的间隙，并依靠毛细作用力保持在间隙内，经冷却后，钎料凝固而形成的。因此在钎焊接头的形成过程中，必然涉及钎料在母材上的润湿与铺展，钎料的流动及毛细填缝等问题。

1-60　铜管表面如有一层氧化皮，毛细填缝能进行吗？

在常规条件下，大多数金属表面都会有一层氧化膜，铜管也不例外。氧化物的熔点都比较高，在钎焊温度下为固体，在有氧化物的母材表面上，液态钎料往往凝聚成球状，不与母材发生润湿，也不发生填缝。另外，许多钎料合金表面也存在一层氧化膜（物），当钎料熔化后被自身的氧化膜包覆，此时其与母材间是两种固态的氧化膜接触，因此不产生润湿。所以必须充分清除钎料和母材表面的氧化物，以保证发生良好的润湿作用。

1-61　根据钎料的组织成分，是否可以评价填缝作用的好坏？

首先，我们来看一个实际生产的例子：用Sn-Pb焊丝钎焊铜管。当单独用Pb时，Pb在铜管上的润湿性很差，但若在Pb中加入与铜Cu相互作用很强的Sn后，钎料的润湿作用就大为改善，随着含Sn量的提高，润湿作用越来越好。又如Ag对Cu的润湿作用很差，但含Cu和Zn的银基钎料对Cu的润湿作用就很好。因此可以得出这样的结论：若钎料与母材中的元素之间在液态和固态下均不发生物理化学作用，则它们之间的润湿作用就很差；若钎料与母材中的元素之间相互作用很强（如Sn与Cu），则液态钎料就能很好的润湿母材。利用这个特点可大致估计钎料润湿作用的好坏，也能评价毛细填缝作用的好坏。

1-62　实际钎焊过程中，钎料是如何填缝的？

在实际钎焊过程中，钎焊可能处于水平或倾斜等各种位置，而且在实际表面构成的平行间隙内，由于表面粗糙度的影响，使得实际间隙内各处的实际值的大小不同，钎料流动性沿不能够像理想表面构成的平行间隙时钎料流动前沿那样平稳，而会产生紊乱，但液态钎料有优先填充微小间隙的倾向。这一特点始终是成立的。对于不平行的间隙来说，液态钎料将首先填充小间隙部分，然后再从小间隙处向大间隙部分推进。

1-63　母材表面越光滑越好吗？

母材的表面并不是越光滑越好，综合大量的实践结果表明，不同的钎料在不同状态的母材表面上的润湿情况确实不同。有些金属液态在粗糙表面上的润湿、铺展性能比其在光亮的表面上要好得多，而另外一些金属在不同的表面上的润湿、铺展却没有明显的变化。这与钎料和母材的作用程度有关。

1-64　母材的成分会影响填缝吗？

母材的成分一定会影响填缝。例如：当用Sn-Pb钎料钎焊Cu时，由于Sn与Cu存在很强的作用，在钎焊时。会出现母材向钎料中的溶解现象。当母材向液态钎料中的溶解量很大时，会使液态钎料的熔点和黏合度升高，流动性变差，造成不能填满钎缝间隙而形成未钎透缺陷。

1-65　钎焊时无扩散接头形成机理是什么？

无扩散接头的形成必须满足相互接触的材料原子结合能超过一定的能量界限值，如果释放的能量足以形成原子间的结合，克服一定的能量之后就会形成两部分同样的晶胚，在接触区就会发生接头面积不断增加的自发过程。无扩散接头的形成实质上是处于金属表面的原子间的化学反应。因此无扩散接头是在扩散过程开始之前的时期形成的，并始于固液金属间形成接触之时。无扩散接头可在含有聚合物和胶黏剂的金属间、非金属间、非金属与金属间，甚至是固态金属间的相互作用时获得。

1-66　钎焊时溶解-扩散接头的形成机理是什么？

如果钎焊过程不是在化学结合形成阶段时停止，而是在足够高的钎焊温度和较长钎焊时间的条件下进行钎焊连接，那么在固液接触区将发生不同程度的母材溶解及钎料扩散，最终形成溶解-扩散接头。

1-67　钎焊过程中扩散接头形成机理是什么？

母材金属在钎料中发生不完全溶解，较高熔点的金属在钎料熔化作用下由于表面自由能降低而扩散，这样获得的接头就称为扩散接头。形成扩散接头时，在熔融钎料的作用下，母材的扩散过程是在高温、有限量的液相、熔融钎料向母材积极迁移的条件下进行的。在这种条件下，扩散过程长期受钎缝处液相数量限制，最大持续时间由扩散粒子充满间隙的时间决定。

1-68　在接触反应钎焊中，其材料的组配形式主要有几种方式？

目前在应用接触反应钎焊，其材料的组配形式主要有以下几种。

①两种母材之间直接连接进行接触反应钎焊。这种形式的焊接参数比较难以确定，主要是依靠时间的长短来控制，否则，反应将持续进行一直到其中一种元素消耗完毕为止。

②同种金属间夹一层反应金属。这是应用最多的也是最为普遍的一种形式。其最大的优点是反应量可以通过中间层厚度加以控制，如以硅粉作中间层接触反应钎焊铝就属于这种情况。

③异种金属间夹一层或多层反应金属，当异种金属之间不存在共晶反应而又要进行接触反应钎焊时，常采用这种形式，它具有和“同种金属间夹一层反应金属”相同的优点。

④异种或同种金属间夹两种或多种反应金属。

1-69　母材表面状态对钎焊接头形成的影响主要表现在哪些方面？

结晶一开始，母材表面状态某种程度上决定了晶体生长方向，也就是说结合区固化金属的结晶网格尺寸和形状都与母材金属表面状态有一定关系。当母材表面状态决定结晶方向的因素存在时，因结晶过程的三个阶段的连续发展，形成了具有如下特点的钎缝金属晶体结构：第一阶段，晶体定向的形成完全由晶体生长的基底决定；第二阶段，由于固态金属对定向生长影响减弱，出现孪晶和其他结构缺陷；第三阶段，观察到多晶体结构，或者产生组织长大。

1-70　为什么说清除母材和钎料表面的氧化膜在钎焊过程中十分重要？

任何处在大气中的金属材料，其表面都被一层氧化膜所覆盖。在钎焊时，若母材表面有氧化膜存在，它就不能被液态钎料润湿；同样，若液态钎料被氧化膜包裹，它就不能在母材上铺展。因此要完成钎焊过程并得到优质接头，彻底清除母材和钎料表面的氧化膜是十分重要的。