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度的缺陷因子與預防措施，進而補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械強度。而工業(yè)上為了達到節(jié)省成本的目的，都會要求接合的部分越少越好。然而，因為不同材料加工性的關(guān)系，不是所有的工件都可以一體成型，而且一體成型的費用往往過于高昂，并不經(jīng)濟。因此，先把對象的各部分分開，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融化，而是填在接合處的填料融化，來接合物件。此外，因為整體都一起加熱，故其熱應力的影響比起焊接小。硬焊接合制程準備可以分為下列步驟：一是清理接合處的表面。因為表面的狀態(tài)會影響到填料在接合處的流動性，所以平整干凈且無氧化層的表面，會有較好的接合強度。二是將接合對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。四是利用接合細縫間的毛細流現(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。

硬焊接的制程中，焊接的時間、選用的填料與母材都會影響到接合強度。另外，在高溫下填料可能會與母材反應而形成不同的金屬化合物，而在填料所形成的相會有不同的組織。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防措施。

2 影響硬焊接合強度的缺陷因子與預防

有數(shù)項因素會影響到硬焊接合之后接點的強度，如：母材的表面狀況、接合間隙的大小、母材與填料的性質(zhì)、殘余應力及填料與母材的冶金反應等。其中冶金反應對接合強度的影響比較難以用理論上來預測。以下是幾個冶金反應對于接合強度所產(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，很容易在接點形成金屬氧化物。當形成金屬氧化物時，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。

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，但是對于部分熔點較低的金屬，如：鋅（Zn）、鎘（Cd）等元素，在400℃以上已經(jīng)有不小的蒸汽壓，這將會使的制程中填料的元素損失而造成成分與預期不相同。因此，選擇填充合金時，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)溫度以上的時后，將會使得經(jīng)過加工硬化或者是淬火等熱處理過后所造成的強化效果降低。溫度高于再結(jié)晶溫度時，會使得晶粒形成無應變的晶粒，若持續(xù)時間增加，則會使的晶粒粗化而劣化機械性質(zhì)。若接合溫度高于相變化的溫度，則會對于母材造成接近熱處理的效果，進而改變機械性質(zhì)。因此硬焊接過程中需要選擇適當?shù)闹瞥虦囟扰c時間。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，仍須注意接點因為冷卻過程中熱分布不均勻所造成的熱應力與變形。

2.4 基材與填充合金的交互作用

硬焊接合的時候，母材與填料會形成很多交互作用。有的會提升填料對母材的潤濕性，有的會影響接點的機械性質(zhì)。在硬焊接制程中，有時候為了提高潤濕性或是降低填料的熔點，會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)生的化學反應而提升潤濕性。但是此種做法可能的缺點是額外添加的元素會形成金屬化合物，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強度不佳。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，填料元素擴散進入母材，或者是母材元素進入到填料之中都是可能發(fā)生的反應，而形成合金化的現(xiàn)象，而改變接合接口附近母材的機械性質(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反應關(guān)系，接點的設計對于強度也會有影響。舉例而言，若接合縫細很小，則因為可變形的填料受到了限制，而使得整體的應變能力接近于母材而非填料本身的機械性質(zhì)。而間隙漸漸增加時，應變上的限制變小時，則機械強度就接近于填料本身的機械強度。硬焊接制程中，制程的溫度越高，或是時間越常，將會增加填料與母材的合金化反應與潤濕性。甚至生成短時間制程中不會出現(xiàn)的相。因而，焊接過程中應關(guān)注變動的母材與制程條件。

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。除了某些特定的共晶（Eutectic）成分，有固定熔點以外，填料都是在一個溫度區(qū)間內(nèi)漸漸融化。因為這樣的原因，硬焊接制程的溫度通常選擇在填料液相線上方50～100℃的溫度進行接合；當填料融化后，再經(jīng)由毛細流的現(xiàn)象進入接合處。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入接合處，造成殘留的合金組成與原本的設計不相同，形成分相現(xiàn)象。若填料含有未融化的固體，會造成整體的流動性下降。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，把一批工件處理完成以后，重復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?shù)妮斔脱b置，進入爐內(nèi)，依照設計讓工件經(jīng)過預定的升溫與降溫，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)。

參考文獻

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