钎焊时固态母材在液态钎料中的溶解过程是一个多相反应过程，它经历两个阶段。第一阶段是母材与钎料接触的表面层的溶解，这个反应发生在固-液两相界面上。而母材A在钎料B中的极限溶解度越大，则钎料成分达到饱和所需的时间就越短，消耗的母材的量越多，溶解量就越大。当液态钎料被母材溶质原子饱和后，溶解过程停止。......
2023-06-26
液态钎料的毛细填缝过程探析
【摘要】：钎焊时，对液态钎料的要求主要不是沿固态母材表面的自由铺展，而是填满钎缝的全部间隙。拉普拉斯方程为研究钎料的填缝过程提供了理论基础。由于间隙处于水平位置，液态钎料填缝时的附加压力与重力垂直，所以重力不起抵消附加压力的作用。
钎焊时，对液态钎料的要求主要不是沿固态母材表面的自由铺展，而是填满钎缝的全部间隙。通常钎缝间隙很小，如同毛细管，钎料是依靠毛细作用在钎缝间隙内流动的。因此，钎料能否填满钎缝间隙取决于它在母材间隙中的毛细流动特性。拉普拉斯方程是有关流体界面的基本公式，是对许多界面现象作出定量解释的基础。拉普拉斯方程为研究钎料的填缝过程提供了理论基础。
1.液态钎料在垂直平行板中的填充特性
当将两互相平行的金属板垂直插入液态钎料中时，假设平行金属板无限大，钎料量无限多。由于存在毛细作用，如果钎料可以润湿金属板，则液态钎料会自动上升到高于液面的一定高度；若钎料不润湿金属板，则液态钎料将下降到低于液面的一定高度。由于液面弯曲产生附加压力，导致液面上升或下降，因此可用拉普拉斯方程来求解最大上升高度及爬升速度。
（1）最大上升高度 当平行板所构成的间隙为a，弯曲液面的曲率半径为R1→∞，R2=a/2，则a=-2Rcosθ，根据拉普拉斯方程，液面两侧的压力差为
当θ<90°时，cosθ是正的，Δp为负，液面下液相压力小于气相压力，平衡时液面必上升h，以达到
式中 ρ——液体的密度，单位为g/cm3；
g——重力加速度，单位为m/s2。
此时最大爬升高度为
将杨氏方程代入式（3-1-19），可得
由式（3-1-19）和式（3-1-20）可见：当θ<90°时，cosθ>0，即在钎料润湿母材时，h>0，液态钎料沿间隙上升；当θ>90°时，cosθ<0，即钎料不润湿母材，h<0，液态钎料沿间隙下降。因此，钎料填充间隙的好坏取决于它对母材的润湿性。此外，钎料沿间隙上升的高度h与间隙大小a成反比。从上升高度来看，设计钎焊接头时，接头间隙应尽量小些。
（2）爬升速度 由于凹的弯液面对液体产生一个负的压力，液面在任一位置y的上升的驱动力应为负的附加压力与重力产生的压力差，即
根据泊肃叶（Poiseuille）定律可知：不可压缩牛顿流体在圆管中作定常层流时，体积流量正比于比压降和管半径的四次方，反比于流体的粘度，即
流体在圆管断面上的平均速度可表示为
将式（3-1-21）代入式（3-1-23），可得液面在任一爬升高度时的爬升速度为
当y很小，a也很小时，式（3-1-24）的第二项可以忽略，于是可简化成
从式（3-1-25）可以看出，钎料润湿性越好，钎料的流动速度越大；液体的粘度越大，流速越小；母材间隙越大，填缝速度越快。其次，钎料的爬升速度和爬升高度成反比，即液体在间隙内刚开始上升时流动快，以后随高度的增加而逐渐变慢。这一性质对钎焊接头设计及钎焊工艺优化有指导意义。
2.液态钎料在水平平行板中的填充特性
液态钎料在水平位置平行间隙中的填缝更接近于实际的钎焊情况。由于间隙处于水平位置，液态钎料填缝时的附加压力与重力垂直，所以重力不起抵消附加压力的作用。
当液态钎料润湿母材时，钎料填缝的附加压力为
根据泊肃叶流速方程，可得水平平行板的填缝速度为
积分后得填缝长度和填缝时间的关系为
从式（3-1-27）和式（3-1-28）可以看出，在考虑钎料润湿母材的条件下，间隙越大、粘度越小，钎料的填充速度越快。在刚开始填充时的流动速度最大，而后呈反比递减。其次，填缝长度和填缝时间呈抛物线规律变化。如果钎料无限多，填缝过程可以一直进行下去。这在实际钎焊过程中是不可能出现的，因为在实际钎焊过程中，母材和熔化的钎料之间有相互作用，致使粘度变化，钎缝中的缺陷也会阻碍钎料的流动。
3.单板垂直插入液态钎料时的润湿特性
单板垂直插入液态钎料试验方法又称为吊片法，是Wil- helmy在1863年首先提出的。该方法被广泛应用于软钎焊润湿性和钎焊性评估（图3-1-5）。当垂直的金属板插入液态钎料槽时，如果液态钎料润湿金属板，则润湿的弯月面在液面上方上升一段距离h，这个弯月面对金属板施加一个向下的、等于弯月面重量的力。正是这个表面弯曲产生的附加压力，引起液面的上升。
图3-1-5 润湿垂直板的弯液面形状
假设液态钎料无限多，液体体积在试验过程中是不变的，根据Goodrich考虑整个毛细系统的势能为每单位深度的能量积分，可得
Y=Ψ（x）为弯月面形状函数，联立的Euler-Lagrange方程为
满足式（3-1-30）的弯月面的形状函数为：
因此，满足毛细升高的固-液-气三点线（TPL）到液面的高度为
平衡时的最大润湿力（或弯月面的重量，W）可由式（3-1-33）给出（图3-1-5）：
F=W=σLVLcosθ （3-1-33）
式中 L——铜板浸入液态钎料的周线长度（mm）。
通过测量最大润湿力F和润湿高度h，联立方程（3-1-32）和方程（3-1-33），可以求出系统的表面张力和平衡润湿角如下：
另一方面，通过Wilhelmy法，还可以连续测量润湿力。在金属板刚接触钎料液面的时候，浮力大于润湿力，一旦润湿开始，润湿力快速提拉弯月面到金属板上，直到平衡建立。典型的润湿力—时间曲线如图3-1-6所示。通过润湿力和润湿时间的比较，可以对系统的润湿性及钎焊性进行定性的评估。如果能对爬升高度和润湿角实时检测，则可对系统的润湿动力学进行研究（即随时间变化的三点线的运动轨迹和润湿角的变化规律）。
图3-1-6 润湿力随润湿时间变化曲线示意图
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