[科普中国]-硬焊

硬焊（brazing）是一种焊接方式，将熔点低于欲连接工件之熔填料(钎料)加热至高于熔点，使之具有足够的流动性，利用毛细作用充分填充于两工件间(称为浸润)，并待其凝固后将二者接合起来的一种接合法，传统上在美国温度高于427 ° C者称为硬焊（硬钎焊），反之称为软焊（软钎焊）。

简介基本原理为了获得高品质的焊接接头，零件必须安装紧密且母材必须格外干净并除去氧化物。在大多数情况下，推荐的最佳焊缝间隙为 0.03 〜 0.08 毫米（0.0012 to 0.0031 英吋）以充分发挥毛细作用的接合力 。但是，在某些情况下焊缝间隙大到0.6毫米（0.024in)并不少见。焊接表面的整洁至关重要，因为任何污染都将导致熔填金属的浸润性变差。焊前有两种主要清洗零件的方法：化学清洗和研磨或其它方式的机械清洁。使用机械清洁，除了表面清洁外也保持适当的表面粗糙度，在粗糙表面上比在光滑表面更容易充分浸润.。

另一个要考虑的，不能仅止于考量温度和时间对焊接接头品质的影响。随着焊接合金温度的增加，熔填物的合金化和浸润性将增加。 一般情况下，焊焊温度选择必须高于熔点的填充金属。然而，有几个因素共同影响焊接设计的温度选择。最佳好的焊接温度须顾及：（1）尽可能低的焊接温度、（2）尽量减少热效应对组装的影响、（3）保持熔填物/母材的相互作用到最低限度、（4）最大限度地使用治具或夹具使用。在某些情况下，选择较高的焊接温度，以迁就设计中的其他因素（如允许使用不同的填充金属，或控制的冶金效果，或充分除去表面的污染）。时间对焊接接头是重要因素，但大多数生产过程中一般都选择减少焊接时间和费用。虽然并非总是如此，因为在一些非生产因素，时间和成本是受限于其他属性（如强度，外观）。

助焊剂硬焊作业如非在充满惰性气体或在还原反应的环境下（即一炉），助焊剂在金属被加热的情形下必须防止氧化物的形成。助焊剂也可以清洗焊接表面的污染物。助焊剂的应用可以是下列形式，包括浆液、液体、粉末或结合助焊剂与焊料金属粉末预制的焊膏。助焊剂也可包覆于焊条外层会包埋于焊线核心中。在这两种情况下，加热接合时游离的助焊剂会随熔融填充金属进入焊道。过量的助焊剂应焊接结束时除去，因为助焊剂残留在焊道可导致腐蚀，妨碍表面处理及焊道检查。含磷合金焊料在铜对铜焊接时具自熔性。助焊剂一般选择是基于对他们对母材的表现。为了有效，助焊剂的化学性质必须兼顾母材及熔填料两种性质。自熔性合金磷填料将产生脆性磷化物，自熔性合金磷填料如用于焊接铁或镍将产生脆性磷化物。作为一般规则，焊接周期较长的应比焊接操作短的使用更少的助焊剂。

焊接气体由于焊接作业在高温下进行，金属表面在含氧的环境下将发生氧化。因此可能需要使用其他遮护气体以取代空气，焊接工作常用的气体环境(遮护气体)是：

**空气 ：**简单，经济。许多金属材料容易氧化，但其组建的规模适用酸洗或机械清洗，可于焊接后轻易去除氧化层。助焊剂往往被用来抵消氧化作用，但它可能削弱结合强度。

**燃料燃烧释放的气体：**87%N2，11%-12%CO2，1-5%CO，1-25%H2用于银，铜磷、铜锌焊料用于铜和黄铜焊接。

**氨 ：**游离氨（75%的氢，氮25%）可用于多种类型的焊接和退火。便宜。用于铜，银，镍，铜-磷，铜-锌焊料。 用于焊接铜，黄铜，镍合金，蒙乃尔合金Monel，中、高碳钢和铬合金。

**氢 ：**强力脱氧剂，高导热性。可用于铜焊接和退火钢。对一些合金可能导致氢脆。用于铜，银，镍，铜-磷，铜-锌焊料。用于焊接铜，铜，镍合金，蒙乃尔，中，高碳钢 ，铬合金，钴合金，钨合金，碳化物。

**无机蒸气 ：**特殊的目的。可以混合 AWS 1-5气体使用以更换助焊剂。用于银焊黄铜。

**稀有气体 ：**非氧化性，比氮气更昂贵的。惰性。零件必须非常干净，气体要纯净。 用于铜，银，镍，铜-磷，铜-锌焊料。用于焊接铜，黄铜，镍合金，蒙乃尔，中，高碳钢铬合金，钛，锆，铪。

**真空 ：**需要净空工作区。昂贵。不合适其他情形（或有特殊要求）对金属的高蒸汽压，如银，锌，磷，镉和锰。用于高品质的接头，如为应用于航太工业。

硬焊料族系硬焊填料合金形成几个不同的族群；同一族系合金具有相似的性能和用途。

**纯金属 ：**非合金。通常为贵金属，例如 - 银，金，钯。

**银-铜 ：**熔化性良好。银可增强流动性。共晶合金可用于炉中焊焊。铜含量高的合金容易产生应力裂缝。

**银-锌 ：**类似铜-锌，用于珠宝首饰，由于高含银量故通常标示纯度标记。颜色匹与银符合。

铜-锌 （黄铜）：常用的材料，通常用于接合钢和铸铁。耐腐蚀，通常不及于铜，硅青铜，铜，镍，不銹钢。具适度的韧性。由于锌的高挥发性，不适合炉焊。铜含量高的铜合金容易产生应力开裂。

**银 - 铜 - 锌 ：**对同样含银量的合金，银-铜-锌较银-铜熔点更低。结合银-铜和铜-锌的优势。锌含量在40%以上时延展性和强度下降，因此这种类型只有较低的锌含量的合金被使用。锌含量高于25%时韧性较低的铜-锌、银-锌象显现。铜含量在60%以上强度减少，及900°C液态以上银含量超过 85%强度降低。铜含量高合金容易产生应力开裂。银含量高（银67.5%以上）是用于首饰并予以标示，银含量较低的合金用于工程目的。铜锌合金之比约为 60:40包含相同的颜色与黄铜匹配，它们是用于连接黄铜。加入少量的镍提高强度和耐腐蚀性和促进浸润碳化物。此外镍锰增加断裂韧性。此外，加入镉 银-铜-锌-镉 合金改进流动性和浸润性并具有较低的熔点，但镉是有毒的。此外锡大多可以发挥同样的作用。

**铜-P ：**广泛用于铜及铜合金。不需要焊剂。也可用于银，钨，钼。富铜合金容易产生应力开裂。

**银-铜-P ：**像铜-磷，更好地改进流动性。具更多的韧性，更好的导电性。富铜合金容易产生应力开裂。

**金-银 ：**贵金属。用于首饰。

焊材焊材，又称为熔填料采用何种合金作为熔填料取决于预期用途。一般情况下，熔填料所需的属性是由3或更多种金属形成的合金。熔填料的选择基于下列能力：对母材的浸润性，所需要承受的工作条件，及比母材熔点更低或其他更特定的温度。

焊材，一般可作成棒、带、粉、膏、霜、线和预成型（preforms）形(状)式。 根据不同的应用情形，熔充料可以预先放置在所需位置或在加热过中投入。对于手工焊，线状或棒状(焊条)焊材是最常用的因为他们是最容易使用及加热。在采用熔炉硬焊时，合金通常已经事先投放，这个过程通常是高度自动化的。一些常见的熔填料种类如下：

铝 - 硅；

铜；

铜磷；

铜-锌（ 黄铜 ）；

金 - 银；

镍合金；

银；

非晶态箔片镍，铁，铜，硅，硼，磷等。

优点硬焊比起其他金属连接技术如焊接具有许多优点。由于焊焊不熔化接合的母材，它可以允许更严格的公差和产生干净的接头，而无须进行二次加工。此外，它可焊不同的金属和非金属材料（如金属化陶瓷）。一般情况下，硬焊比起焊接由于受热均匀也产生较少的热变形。可焊复杂和多组件的工件。另一个优点是，硬焊可涂布或包裹母材以达到防护性目的。最后，硬焊很容易适应大规模生产，实现自动化，因为各个工艺参数对变化不敏感的缘故。

缺点主要缺点是：接头强度较低，由于使用软熔填料，焊接接头的强度很可能是低于于母材金属的强度(与一般电焊接头强度较母材大不同)，但大于填充金属。另一个缺点是焊接接头在高温下可能会损坏。在工业化生产环境硬焊接头母材需要高度清洁。一些硬焊需要使用适当的助焊剂清洁剂来控制。接头颜色往往与母材金属不同，造成美观上的缺点。1

相关资料工艺要素手工焊接的主要工具是电烙铁，要通过焊接人员熟练掌握锡焊技术，合理选用烙铁、焊料、焊剂以及焊接的温度和时间等要素，才能保证焊接的质量。

1、工作金属材料应具有良好的可焊性。

常用元器件引线（需成型）、导线及接点等基本都采用铜材料制成。金、银的可焊性较好，但价格贵。铁、镍的可焊性较差，一般在其表面先镀上一层锡、铜、金或银金属，以提高其可焊性。

2、工件金属表面应洁净。

工件金属表面若存在氧化物或污垢，会严重影响与焊料在界面上形成合金层，造成虚焊、假焊。

3、正确选用助焊剂及焊料

电子装联中常用的是树脂类助焊剂。松香基焊剂、水深焊剂（一般用于波峰焊），助焊剂是一种略带酸性的易熔物质。Sn60或Sn63，形状任选（直径有0.5、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5mm等）；

4、控制焊接温度和时间。

温度过低，会造成虚焊。温度过高，会损坏元器件和印制电路板。合适的温度是保证焊点质量的重要因素。在手工焊接时，控制温度的关键是选用具有适当功率的电烙铁和掌握焊接时间。电烙铁功率较大时应适当缩短焊接时间，电烙铁功率较小时可适当延长焊接时间。根据焊接面积的大小，经过反复多次实践才能把握好焊接工艺的两个要素。焊接时间短，会使温度太低，焊接时间过长，会使温度太高。一般情况下，焊接时间不超过3秒。

焊接工具电烙铁是手工焊接的基本工具。常用的分外热式、内热式、恒温式、吸锡式等几种。下面简单几种常用的电烙铁。

**外热式电烙铁：**结构简单，价格较低，使用寿命长，但其体积大，升温较慢，热效率低。

**内热式电烙铁：**具体体积小、重量轻、升温快和热效率高等优点，因而在电子装配工艺中得到广泛的应用。20W内热式电烙铁的实用功率相当于25~40W的外热式电烙铁，烙铁点部温度可达350℃左右。

**恒温电烙铁：**无论是外热还是内热式电烙铁的温度一般都超过300℃，这对焊接晶体管、集成电路等是不利的。在质量要求较高的场合，通常需要恒温电烙铁。分电控和磁控两种。

**其它：**感应（电阻）式烙铁、储能式烙铁。

烙铁头的选择和尺寸的选择：烙铁头太小则热容量小，焊接时会使温度下降大，恢复温度时间长。扁平的、钝的烙铁头要比细的、尖的烙铁头传递更多的热量，以能够方便焊接的同时，要心可能地选择大的烙铁头，这样即可以以更低的温度得到更多的热量，同时也可以延长烙铁头的使用寿命。2

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所