钎焊接头组织不均的原因及解决方法

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：钎缝的成分和组织在整个接头区内是不均匀的。扩散区是由钎料组分向母材中扩散所形成的。图3-1-21 钎缝区组织示意图图3-1-22 Ni-Cr-B-Si钎料钎焊小间隙钎缝时的显微组织大量的试验结果表明，影响钎焊接头性能的区域主要在界面区。而对于接触反应钎焊，完全是通过原子的扩散得到液态的共晶组织，因此接触反应钎焊的钎缝组织，凝固后基本上是完全的共晶组织。固溶体组织一般具有良好的力学性能，对接头性能是有利的。

一般来说，钎料和母材在组成上存在较大差异。钎焊时，由于液态钎料和固体母材之间的相互作用，不但使钎缝成分与钎料原有的成分不同，而且使钎缝的组织也与钎料的原始组织产生差异。钎缝的成分和组织在整个接头区内是不均匀的。一般可以把钎焊接头分为三个区域（图3-1-21），即母材上靠近界面的扩散区、钎缝界面区和钎缝中心区。扩散区是由钎料组分向母材中扩散所形成的。钎缝界面区是加热时母材向液态钎料溶解、反应，冷却时凝固结晶形成的，它可能是固溶体，也可能是金属间化合物。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，其组织也不同于钎料的原始组织。钎缝间隙较大时，该区组织同钎料原始组织较接近，间隙小时，二者差别可能极大。例如用镍基钎料（Ni-Cr-B-Si）钎焊不锈钢时，一般当钎缝间隙小于30μm时，由于钎料中硼、硅原子向母材的扩散，使钎缝中的组织由含有大量金属间化合物的包晶组织转变为Ni-Cr固溶体，完全不同于钎料的原始组织，如图3-1-22所示。

图3-1-21 钎缝区组织示意图

图3-1-22 Ni-Cr-B-Si钎料钎焊小间隙钎缝时的显微组织

大量的试验结果表明，影响钎焊接头性能的区域主要在界面区。而且界面区的组织、形貌既不同于母材扩散区，也不同于钎缝中心区，并且根据不同的钎料-母材组合，可以得到不同的界面区组织。因此，研究钎缝界面区的组织及形貌，是钎焊技术研究的重点内容。

钎焊过程实际上就是加热母材和钎料，当温度高于钎料熔点时，钎料熔化润湿母材、在母材上铺展或在母材间隙内毛细填缝。在保温一段时间后，冷却凝固形成钎缝。要注意的是液态钎料在润湿过程中，母材就和钎料发生了相互作用（即溶解、反应），特别是在界面区形成金属间化合物的母材-钎料组合，随后的保温过程加剧了金属间化合物的生长。对界面区形成固溶体的母材-钎料组合，在保温期间，有可能已经形成固溶体，有可能还没有形成，界面区的组织是在随后的冷却凝固后形成。而对于接触反应钎焊，完全是通过原子的扩散得到液态的共晶组织，因此接触反应钎焊的钎缝组织，凝固后基本上是完全的共晶组织。从上面的分析可知，钎缝界面区组织的形成时序是不同的，钎缝界面区的组织结构主要有固溶体、金属间化合物和共晶体。

1.固溶体型界面区组织

结晶系相同（晶格类型相同），原子半径相近的元素间大多可以任意比例固溶。这类金属间的界面成分从一侧到另一侧连续变化。这样晶系的元素作为母材-钎料组合时，在界面区得到固溶体组织。当钎料与母材为同基的合金时，在界面区也常常形成固溶体组织。例如，采用Al-Si共晶钎料钎焊铝合金时，钎料本身虽然是共晶体，但界面区却得到固溶体组织。这是因为在钎焊过程中发生铝的溶解，使与母材接触的钎料层中的铝质量分数增加。在600℃时，铝的质量分数可达90%左右，冷却凝固时，首先从母材表面处开始结晶，而最先结晶出来的是α-Al固溶体，最后才是共晶体。因此，可以看出界面处为一层参差不齐的向钎料方向生长的硅在铝中的固溶体组织。在钎缝中心区则保留着原始钎料的共晶组织，如图3-1-23所示。当用黄铜钎料钎焊铜母材时，还可以看到黄铜晶粒在铜晶粒的基础上连续生长，形成共同晶粒的现象，如图3-1-24所示。

图3-1-23 Al-Si共晶钎料钎焊铝合金的显微组织

图3-1-24 黄铜钎料钎焊铜时的显微组织

在某些情况下，即使母材和钎料不同基，钎料本身也不是单相组织，钎缝界面区也会出现固溶体。例如用镍基钎料钎焊奥氏体不锈钢，在钎缝间隙相当小的情况下，钎缝和母材完全形成共同晶粒。出现这种组织的原因是：奥氏体不锈钢虽是铁基，钎料属镍基，但奥氏体不锈钢和镍均属面心立方晶格，它们的晶格常数又非常接近，凝固时钎料在母材边界上非均匀形核形成固溶体共同晶粒。其次镍基钎料本身虽是多相组织（固溶体+金属间化合物），但在钎焊过程中钎缝中的硼、硅向母材扩散，其浓度下降到极限浓度以下，凝固后得到单一的镍-铬固溶体（图3-1-22）。

一般来说，在相图上钎料与母材能形成固溶体，钎焊后界面区即可能出现固溶体。固溶体组织一般具有良好的力学性能，对接头性能是有利的。

2.金属间化合物类界面区组织

通常，在选择钎料-母材组合时，一般都希望钎缝界面区组织为固溶体（如Al-Si钎料钎焊铝合金、Cu-P钎料和银钎料钎焊铜及合金等），这时钎焊接头具有较好的力学性能（不那么脆）。但在大多数情况下，不可避免地要选择钎料-母材组合或它们中的某组元组合存在较大的亲和力，在界面区形成金属间化合物的情况（如Sn基、Zn-Al基钎料钎焊铜、Al-Si基、Cu-P基钎料钎焊奥氏体不锈钢等）。

钎焊时母材A和钎料B可能形成化合物的典型相图，如图3-1-25所示。化合物形成的过程是：在温度为T时以钎料B钎焊母材A，A迅速向B中溶解，界面区浓度可达到C，冷却凝固时，首先在界面处析出金属间化合物，而后才在e点发生共晶反应得到共晶组织（α+A_mB_n）。如A-B体系存在几种化合物，同时母材向钎料中的溶解使得界面区生成含母材较少的一种化合物后仍未达到该温度下的平衡状态，则A和B之间将继续扩散，冷却凝固后就有可能出现第二种化合物。如用锡钎焊铜，在钎料边为η-Cu₆Sn₅，在母材边为ε-Cu₃Sn，如图3-1-26所示。除了上述的扩散作用之外，界面区的化合物也会直接由母材和钎料发生化学反应而形成。

图3-1-25 形成化合物的二元合金相图

图3-1-26 锡钎焊铜时界面金属间化合物形貌

以上是纯金属母材与纯金属钎料钎焊时的情形。在使用合金钎料时，情况要复杂得多。从现有的资料看，用合金钎料进行钎焊时，钎料组分能否与母材金属形成金属间化合物，除了取决于该组分与母材的相图外，还取决于它与母材金属和钎料其他组元金属之间的亲和力对比以及其在钎料中的浓度。例如，用Ag-Si、Ag-Sn、Ag-Zn合金作为钎料来钎焊低碳钢时，考察Si、Sn和Zn与Fe形成金属间化合物的情况。选用上述钎料的原因是：钎料的基体Ag与Fe互不作用，因而对所研究的过程不起附加影响。Fe和Ag与Si、Sn、Zn之间的亲和力大小顺序为

F_Fe-Si＞F_Fe-Sn＞F_Fe-Zn，，F_Ag-Zn＞F_Ag-Si＞F_Ag-Sn

试验结果表明：当w（Si）＞1%时，在接头中就会出现化合物相，接头抗拉强度极低。当w（Zn）＜50%时，接头中不会出现化合物相，这是含Zn的Ag钎料广泛用于钎焊低碳钢的原因。当w（Sn）＜14.5%时，接头中不会出现化合物相，而当w（Sn）＞26%时，接头中就会出现化合物相。由此可见，在使用合金钎料的情况下，如果某组元可与母材形成化合物，而它与母材的亲和力又显著大于其对钎料其他组元的亲和力，则在该组元浓度很小的情况下就会出现化合物层，如Ag-Si钎料钎焊低碳钢的情形。如果该组分与钎料基体金属的亲和力比与母材的亲和力大得多，则即使其浓度很高时，也不易产生化合物层，就像Ag-Zn钎料钎焊低碳钢的情况。如果这两个亲和力相近，则其在钎料中的浓度高于某一值后就将形成化合物层，而低于某一值就不会形成化合物层，就如Ag-Sn钎料钎焊低碳钢的情况。

为了减缓界面区化合物相的生成，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，以降低参与反应组元的浓度。如在Sn中加入Pb，用Sn-Pb钎料钎焊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。

目前对钎焊时钎缝中金属间化合物形成的规律研究得还很不够，而金属间化合物的形成对钎缝的性能将产生很大的影响。随着近年人们对无铅钎焊技术的研究的逐步深入，特别是对无铅钎料的界面反应的深入研究，人们对界面金属间化合物形成机理、对钎缝力学性能的影响等一系列问题有了较为深刻的理解。

3.共晶体类界面区组织

大多数情况下，我们在讨论共晶体类界面区组织时，其实是整个钎缝都是共晶体组织。无论采用共晶体的钎料（一般都希望钎料是共晶的二元或多元合金，如Cu-P、Al-Si、Sn-Ag基钎料均为共晶钎料），还是通过接触反应钎焊的方法来连接金属（母材和钎料能形成共晶反应）。这里主要讨论接触反应钎焊的情况。

对于母材和钎料可以形成共晶体的合金体系，当加热温度在高于该体系的共晶温度，低于母材和钎料的熔化温度的温度范围保温时，由于各组元的相互扩散，在界面处形成液态共晶体，从而达到连接的目的。这样的方法称为接触反应钎焊。例如，Ag-Cu二元系（相图见图3-1-8），共晶点的成分为w（Cu）=28%，共晶温度为779℃，银和铜的熔点分别为960℃、1083℃，因此，可用银来扩散钎焊铜。将银箔置于两铜件之间，稍加压力使之良好接触，加热到800℃左右的温度，保温一定时间，就可通过形成的液态共晶将两铜件连接起来，钎缝显微组织如图3-1-27所示。又如在Al-Cu系中，有温度为548℃、w（Cu）=33%的共晶点，若使铝和铜紧密接触，加热到高于548℃，在界面上也会形成Al-CuAl₂共晶，把铝和铜连接起来。

图3-1-27 银接触钎焊铜时钎缝显微组织

共晶层的形成速度和钎料与母材的互溶度有关。互溶度越大，共晶层的形成速度越慢，当母材和钎料在固态下互不溶解时，形成共晶层的速度就快，这是因为在母材与钎料间的扩散先形成固溶体，只有达到饱和溶解度以后才形成共晶体的缘故。原则上凡是能形成共晶的金属，均适于接触反应钎焊，表3-1-6列出了一些在加热时会发生接触共晶反应的金属偶。

表3-1-6 可用于接触反应钎焊的金属偶

4.其他类型的界面区结合

如果两种金属之间既无互溶，又无扩散，则理论上它们之间就难以结合。但确实存在有的金属偶以附着方式实现连接的现象。例如，铁和铋在固态和液态下都难以形成合金，但它们却可以钎焊在一起。图3-1-28和图3-1-29为Bi-Fe相图及结合区显微组织，在这类结合区看不到过渡层。有人认为这是范德华（Van der Waals）力作用的结果；也有人认为是液态的铋沿铁的晶界渗透，凝固后形成镶嵌式的机械连接。