高瑜容

摘 要：冶金焊接大致上可以分成硬焊接及軟焊接。文章從硬焊接視角著手，分析了影響硬焊接合強(qiáng)度的缺陷因子與預(yù)防措施，進(jìn)而補(bǔ)充分析了硬焊接合須具備的理論技術(shù)貯備。

關(guān)鍵詞：金屬材料；焊接；硬焊接；缺陷；防治措施

1 金屬材料接合制程與硬焊接

將金屬材料接合，一般要求要有好的機(jī)械強(qiáng)度。而工業(yè)上為了達(dá)到節(jié)省成本的目的，都會(huì)要求接合的部分越少越好。然而，因?yàn)椴煌牧霞庸ば缘年P(guān)系，不是所有的工件都可以一體成型，而且一體成型的費(fèi)用往往過于高昂，并不經(jīng)濟(jì)。因此，先把對(duì)象的各部分分開，然后用接合的方式型成工件，而是比較經(jīng)濟(jì)的方法。

冶金焊接大致上可以分成硬焊接（Brazing）及軟焊接（Soldering）。與傳統(tǒng)焊接不同，硬焊接及軟焊接的制程母材本身不會(huì)融化，而是填在接合處的填料融化，來接合物件。此外，因?yàn)檎w都一起加熱，故其熱應(yīng)力的影響比起焊接小。硬焊接合制程準(zhǔn)備可以分為下列步驟：一是清理接合處的表面。因?yàn)楸砻娴臓顟B(tài)會(huì)影響到填料在接合處的流動(dòng)性，所以平整干凈且無氧化層的表面，會(huì)有較好的接合強(qiáng)度。二是將接合對(duì)象整體升溫至填料的液相線之上10℃～50℃。三是完全熔化填料并潤濕接合接口，并發(fā)生冶金反應(yīng)。四是利用接合細(xì)縫間的毛細(xì)流現(xiàn)象，將液相的填料充滿于接合的間隙間。五是凝固后形成硬焊接點(diǎn)。

硬焊接的制程中，焊接的時(shí)間、選用的填料與母材都會(huì)影響到接合強(qiáng)度。另外，在高溫下填料可能會(huì)與母材反應(yīng)而形成不同的金屬化合物，而在填料所形成的相會(huì)有不同的組織。文章從硬焊接方法著手，探討其在金屬材料焊接過程中的主要缺陷因子及預(yù)防措施。

2 影響硬焊接合強(qiáng)度的缺陷因子與預(yù)防

有數(shù)項(xiàng)因素會(huì)影響到硬焊接合之后接點(diǎn)的強(qiáng)度，如：母材的表面狀況、接合間隙的大小、母材與填料的性質(zhì)、殘余應(yīng)力及填料與母材的冶金反應(yīng)等。其中冶金反應(yīng)對(duì)接合強(qiáng)度的影響比較難以用理論上來預(yù)測。以下是幾個(gè)冶金反應(yīng)對(duì)于接合強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響。

2.1 氧化物的形成

硬焊接過程中使用的制程溫度通常偏高，若制程氣氛中含有氧氣，很容易在接點(diǎn)形成金屬氧化物。當(dāng)形成金屬氧化物時(shí)，不僅使融熔填料不易潤濕母材表面，凝固以后的固相通常也是脆性相而使接合強(qiáng)度不理想。一些活性大的金屬，如：Cr、Al、Ti、Mg等，均容易受到氧化物的影響。所以在硬焊接過程中，保持真空的條件，或者是使用保護(hù)性氣氛與使用助焊劑（Fluxes），均可以有效的減少高溫氧化物的形成，形成較為良好的硬焊接點(diǎn)。

2.2 蒸汽壓

每種化合物都有其蒸汽壓。大部分的金屬飽和蒸汽壓都不大，但是對(duì)于部分熔點(diǎn)較低的金屬，如：鋅（Zn）、鎘（Cd）等元素，在400℃以上已經(jīng)有不小的蒸汽壓，這將會(huì)使的制程中填料的元素?fù)p失而造成成分與預(yù)期不相同。因此，選擇填充合金時(shí)，填料在制程溫度下的飽和蒸汽壓也是考慮的因素之一。隨著溫度的增加，飽和蒸汽壓也會(huì)上升，最后可能造成合金組成的改變而影響硬焊接的結(jié)果。

2.3 熱影響

硬焊接的制程如果在再結(jié)晶溫度或者是相變態(tài)溫度以上的時(shí)后，將會(huì)使得經(jīng)過加工硬化或者是淬火等熱處理過后所造成的強(qiáng)化效果降低。溫度高于再結(jié)晶溫度時(shí)，會(huì)使得晶粒形成無應(yīng)變的晶粒，若持續(xù)時(shí)間增加，則會(huì)使的晶粒粗化而劣化機(jī)械性質(zhì)。若接合溫度高于相變化的溫度，則會(huì)對(duì)于母材造成接近熱處理的效果，進(jìn)而改變機(jī)械性質(zhì)。因此硬焊接過程中需要選擇適當(dāng)?shù)闹瞥虦囟扰c時(shí)間。此外，若采用局部加熱的硬焊接制程，就算兩側(cè)母材的熱膨脹系數(shù)一樣，仍須注意接點(diǎn)因?yàn)槔鋮s過程中熱分布不均勻所造成的熱應(yīng)力與變形。

2.4 基材與填充合金的交互作用

硬焊接合的時(shí)候，母材與填料會(huì)形成很多交互作用。有的會(huì)提升填料對(duì)母材的潤濕性，有的會(huì)影響接點(diǎn)的機(jī)械性質(zhì)。在硬焊接制程中，有時(shí)候?yàn)榱颂岣邼櫇裥曰蚴墙档吞盍系娜埸c(diǎn)，會(huì)在填料中加入一些活性元素，如：鈦、鋯等。利用填充合金在接口產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)而提升潤濕性。但是此種做法可能的缺點(diǎn)是額外添加的元素會(huì)形成金屬化合物，而這類的化合物通常是高硬度且具脆性，造成常溫下所形成的接點(diǎn)強(qiáng)度不佳。此外，填料與母材也可能在硬焊接過程中發(fā)生合金化的現(xiàn)象。在硬焊接的過程中，填料元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入母材，或者是母材元素進(jìn)入到填料之中都是可能發(fā)生的反應(yīng)，而形成合金化的現(xiàn)象，而改變接合接口附近母材的機(jī)械性質(zhì)。

2.5 其它因素的影響

硬焊接除了選擇的母材與填料之間的化學(xué)反應(yīng)關(guān)系，接點(diǎn)的設(shè)計(jì)對(duì)于強(qiáng)度也會(huì)有影響。舉例而言，若接合縫細(xì)很小，則因?yàn)榭勺冃蔚奶盍鲜艿搅讼拗?，而使得整體的應(yīng)變能力接近于母材而非填料本身的機(jī)械性質(zhì)。而間隙漸漸增加時(shí)，應(yīng)變上的限制變小時(shí)，則機(jī)械強(qiáng)度就接近于填料本身的機(jī)械強(qiáng)度。硬焊接制程中，制程的溫度越高，或是時(shí)間越常，將會(huì)增加填料與母材的合金化反應(yīng)與潤濕性。甚至生成短時(shí)間制程中不會(huì)出現(xiàn)的相。因而，焊接過程中應(yīng)關(guān)注變動(dòng)的母材與制程條件。

3 硬焊接合須具備的理論技術(shù)貯備

3.1 了解填充合金的熔融性質(zhì)

可用在硬焊接制程中的填料，由于組成的性質(zhì)不同，使得不同的填料都有各自適合的使用范圍。在制程中，除了填料的潤濕性以外，填料的融熔性質(zhì)（Melting Characteristic）也是很重要的。大多數(shù)的填料都不是單一元素，因此沒有固定的熔點(diǎn)。除了某些特定的共晶（Eutectic）成分，有固定熔點(diǎn)以外，填料都是在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)漸漸融化。因?yàn)檫@樣的原因，硬焊接制程的溫度通常選擇在填料液相線上方50～100℃的溫度進(jìn)行接合；當(dāng)填料融化后，再經(jīng)由毛細(xì)流的現(xiàn)象進(jìn)入接合處。若填料的固相線與液相線的溫差過大，則可能造成組成先后融化進(jìn)入接合處，造成殘留的合金組成與原本的設(shè)計(jì)不相同，形成分相現(xiàn)象。若填料含有未融化的固體，會(huì)造成整體的流動(dòng)性下降。因此在硬焊接過程中，若非選用共晶的合金組成，就是快速升溫的加熱方式來避免分相的情形發(fā)生。

3.2 了解高溫硬焊接爐的加熱原理

一般來說，硬焊接制程的高溫爐分為兩類：分批式（Batch Type）與連續(xù)式（Continuous Type）兩種。兩種主要的差異是在爐內(nèi)熱處理工件流通狀態(tài)的不同。分批式爐是將工件放置入爐內(nèi)的固定位置，經(jīng)過加熱與冷卻的過程后取出。作業(yè)時(shí)，把一批工件處理完成以后，重復(fù)同樣的操作其它批工件的加熱與冷卻。而連續(xù)式爐把工件從爐的一端送入，通過適當(dāng)?shù)妮斔脱b置，進(jìn)入爐內(nèi)，依照設(shè)計(jì)讓工件經(jīng)過預(yù)定的升溫與降溫，再從爐的另外一端送出。一般來說，分批式的爐具適合少量且多樣化的生產(chǎn)，而連續(xù)式爐具則適合大量但是產(chǎn)品規(guī)格不可變化的生產(chǎn)。

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