真空釬焊
一、概述
真空釬焊屬于固相連接，它與熔焊方法不同，真空釬焊時母材不熔化，由于采用比母材熔化溫度低的釬料，在真空釬焊爐加熱室里加熱溫度采取低于母材固相線而高于釬料液粗線的一種連接方法。當被連接的零件和釬料加熱到釬料熔化，利用液態(tài)釬料在母材表面潤濕、鋪展與母材相互溶解和擴散和在母材間隙中潤濕、毛細流動、填縫與母材相互溶解和擴散而實現(xiàn)零件間的連接。
真空釬焊同熔焊方法相比，真空釬焊具有以下優(yōu)點：
1）真空釬焊釬焊加熱溫度低，對母材組織和性能的影響較小；
2）真空釬焊釬焊接頭平整光滑，外形美觀；
3） 真空釬焊焊件變形較小，尤其是采用均勻加熱（如真空釬焊爐中釬焊）的釬焊方法，焊件的變形可減小到最低程度，容易保證焊件的尺寸精度；
4）某些釬焊方法一次可焊成幾十條或成百條釬縫，生產(chǎn)率高；
5）真空釬焊可以實現(xiàn)異種金屬或合金、金屬與非金屬的連接。
但是，真空釬焊釬焊也有他本身的缺點，首先真空釬焊爐設(shè)備投資比較大，真空釬焊前處理也比較關(guān)鍵，需要投入清洗設(shè)備。真空釬焊釬焊接頭強度比較低、耐熱能力比較差，由于母材與釬料成分相差較大而引起的電化學(xué)腐蝕致使耐蝕力較差及裝配要求比較高等。
根據(jù)使用釬料的不同，釬焊一般分為：
1）軟釬焊——釬料液相線溫度低于450℃。
2）硬釬焊——釬料液相線溫度高于450℃。
此外，某些國家將釬焊溫度超過900℃而又不使用釬劑的釬焊方法（如真空釬焊、氣體保護釬焊）稱作高溫釬焊。
二、釬焊方法
釬焊方法通常是以所應(yīng)用的熱源來命名的，其主要作用是依靠熱源將工件加熱到必要的溫度，隨著新熱源的發(fā)展和使用，近年來出現(xiàn)了不少新的釬焊方法。按加熱方式區(qū)分釬焊方法，如圖1所示。
圖1 釬焊方法的區(qū)分
1、火焰釬焊
火焰釬焊是利用可燃氣體（包括液體燃料的范汽）吹以空氣或純氧點燃后的火焰進行加熱?；鹧驸F焊由于設(shè)備簡單、燃氣來源廣、靈活性大，因而應(yīng)用很廣。
火焰釬焊所用焊炬可以是通用的氣焊炬，也可以是專用的釬焊炬。專用釬焊炬的特點是火焰比較分散，加熱集中程度較低，因而加熱比較均勻。釬焊比較大的工件或機械化火焰釬焊時可采用裝有多焰噴嘴的專門釬焊炬。
火鍋釬焊所用的可燃氣體可以是乙炔、丙烷、石油氣、霧化汽油、煤氣等。助燃氣體為氧和壓縮氣體。加熱范圍十分廣闊，從酒精噴燈的數(shù)百度到氧乙炔火焰的超過3000℃?；鹧嬗袃蓪咏Y(jié)構(gòu)，外層淡藍色的冠狀焰是氧化焰、燃燒完全，溫度最高，富氧，過度加熱容易使工件金屬表面氧化：內(nèi)層深藍色的焰心是還原焰，溫度較低，缺氧，富一氧化碳，能保護金屬免于氧化?？扇細怏w燃燒產(chǎn)物都是CO2和高溫水蒸汽（氫氧焰只有水蒸氣），無論是釬劑還是釬料，忌諱高溫水蒸汽都應(yīng)考慮這一因素。
氧乙炔焰是最常用的火焰，由于火焰溫度高，而釬焊溫度則低得多。因此常用火焰的外焰來加熱，因為該區(qū)火焰的溫度低而體積大，加熱比較均勻。一般使用中性火焰或輕微過乙炔焰。
當加熱溫度不要求太高時，可以用壓縮空氣代替氧，用丙烷、石油氣，霧化汽油代替乙炔。這些火焰的溫度較低，而且不用乙炔的火焰又不會污染釬劑，適用于釬焊比較小的工件以及鋁和鋁合金。
火焰釬焊時，將釬劑溶液預(yù)先涂在接頭表面上或者先將釬料棒加熱，沾以釬劑，再帶到加熱了的接頭表面。釬料可預(yù)先安裝或手工送進。釬焊時應(yīng)先將工件均勻地加熱到釬焊溫度，然后再加釬料，否則釬料不能均勻地填充間隙。對于預(yù)置釬料的接頭，也應(yīng)先加熱工件，避免因火焰與釬料直接接觸，使其過早熔化，以軟釬料進行釬焊時，還可采用噴燈來加熱。
火焰釬焊時，除可用單焰釬焊處，還可用多焰焊炬。釬焊方式除手工操作外，還有專門的自動火焰釬焊機。圖2表示的即為特種火焰釬焊的設(shè)備。
圖2 特種火焰釬焊設(shè)備
a)、b)一特種多孔噴嘴 c)、d)一多頭固定式釬焊裝置
2、浸漬釬焊
浸漬釬焊是將工件局部或整體投入熔態(tài)的鹽混合物（稱鹽?。┗蜮F料（稱金屬浴）中而實現(xiàn)加熱和釬焊的方法。他的優(yōu)點是加熱迅速，生產(chǎn)率高，液態(tài)介質(zhì)保護零件不受氧化，有時還能同時完成淬火等熱處理過程，特別適用于大量生產(chǎn)。
浸漬釬焊可分為鹽浴釬焊和金屬浴釬焊。
?。?）鹽浴釬焊 鹽浴釬焊主要用于硬釬焊。鹽液由于是加熱和保護的介質(zhì)，故必須予以正確選擇。
鹽液成分應(yīng)滿足，具有合適的熔化溫度；成分和性能穩(wěn)定；對工件起保護作用。鹽液的組分通常分以下幾類：①中性氧鹽，他可以防止工件表面氧化。除了用銅釬焊低碳銅外，用銅基釬料和銀基釬料釬焊時，應(yīng)在工件上施加釬劑。釬劑可以在組裝前，組裝過程中或組裝后通過刷、浸沾或噴灑等方式加到工件上。②在中性氯鹽中加入少量釬劑，臺硼砂，以提高鹽浴的去氧化能力。這時，在工件上不必再施加釬劑。為了保持鹽液的去氧化能力，需要周期性地加入補充釬劑；③滲碳和氯化鹽，這些鹽本身具有釬劑。此外，在釬焊鋼時，尚可對鋼表面起滲碳和滲氮作用。④釬焊鋁和鋁合合金用的鹽液既是導(dǎo)熱的介質(zhì)，又是釬焊過程中的釬劑。為了保證釬焊質(zhì)量，必須定期檢查鹽液的組分及雜質(zhì)含量并加以調(diào)整。
鹽浴浸漬釬焊的主要設(shè)備是鹽浴槽。加熱方式有兩種。一種是外熱式的，鹽浴槽實質(zhì)是一個坩堝，坩堝可用碳鋼，不銹鋼制造；用于鋁釬焊時，坩堝底部還應(yīng)砌上石墨磚，外部用電阻絲加熱。另一種是內(nèi)熱式的，鹽浴槽的內(nèi)壁由能耐鹽液腐蝕的材料制成，通常為不銹鋼或高鋁磚；而鋁釬焊鹽浴槽材料系碳鋼或純銅；而釬焊鋁用的鹽浴槽的電極材料則采用石墨或不銹鋼。為了操作安全，均用低電壓（10～15V）大電流加熱。當電流通過鹽液時，由于電磁場的攪拌作用。整個鹽液溫度比較均勻，可控制在±3℃范圍內(nèi)。但鹽液的電磁循環(huán)作用可能使零件或釬料發(fā)生錯位，因此必須對組件進行可靠的固定。
放入鹽浴前，為了去除水分及均勻加熱，裝配好的工件要進行預(yù)熱。如為了去除工作及釬劑的水分，以防止鹽液飛濺，則預(yù)熱熱到120～150℃即可。如為了減小工件進入時鹽浴溫度的下降，縮短釬焊時間，并保持均勻加熱，預(yù)熱溫度可提高。
釬焊時，工件通常以某一角度傾斜浸入鹽浴，以免空氣被堵塞而阻礙鹽液流入，造成漏釬。釬焊結(jié)束后，工件也應(yīng)以一定角度取出，以便鹽液流出，但傾角不能過大，以免前未凝固的釬料流積或流失。
鹽浴浸漬釬焊的優(yōu)點是生產(chǎn)率高，容易實現(xiàn)機械化，適宜于批量生產(chǎn)。不足之處是這種方法不適宜于間歇操作，工件的形狀必須便于鹽液能完全充滿和流出。而且鹽浴釬焊成本高，污染嚴重，現(xiàn)已不太采用這種釬焊方式。
（2）金屬浴釬焊這種釬焊方法是將裝配好的工件浸入熔態(tài)釬料中，依靠熔態(tài)釬料的熱量使工件加熱到規(guī)定溫度。與此同時，釬料滲入接頭間隙，完成釬焊過程。
施加釬劑的方式有兩種，一種是先將工件浸入釬劑溶液中，取出干燥后再浸入熔態(tài)釬料；另一種是在熔態(tài)釬料表面加一層熔態(tài)釬劑，工件通過熔態(tài)釬劑時就沾上了釬劑。為了防止熔態(tài)釬劑的失效，必須不斷更換或補充新熔態(tài)釬料的氧化。
這種方法的優(yōu)點是裝配比較容易（不必安放釬料），生產(chǎn)率高。特別適合于釬縫多而復(fù)雜的工件，如散熱器等，其缺點是工件表面沾潢釬料，增加了釬料的消耗量，必要時還須清除表面不應(yīng)沾留的釬料。又由于釬料表面的氧化和母材的溶解，熔態(tài)釬料成分容易發(fā)生變化，需要不斷的精煉和進行必要的更新。
金屬浴釬焊由于熔態(tài)釬料表面容易氧化，主要用于軟釬焊。
?。?）波峰釬焊 波峰釬焊是金屬浴釬焊的一種變種，主要用于印刷電路板的釬焊。在熔化釬料的底部安放一泵，依靠泵的作用使釬料不斷地向上涌動，印刷電路板在與釬料的波峰接觸的同時隨傳送帶向前移動，從而實現(xiàn)元器件引線與焊盤的連接。
波峰釬焊又可分為單波峰釬焊、雙波峰釬焊以及噴射空心波釬焊等等。圖3所示的是雙波峰焊的示意圖。
圖3 雙波峰焊示意圖
波峰釬焊的特點是釬料波峰上沒有氧化膜，能使釬料與電路板保持良好地接觸，可大大加快釬焊速度，提高生產(chǎn)率。因釬料在液態(tài)不斷流動，容易氧化，為此在表面常施加覆蓋劑，或采用抗氧化錫鉛釬料。
3、電阻釬焊
電阻釬焊又稱為接觸釬焊。他是依靠電流通過釬焊處電阻產(chǎn)生的熱量來加熱工件和熔化釬料的。電阻釬焊分直接加熱和間接加熱兩種方式，如圖4所示。
圖4 電阻釬焊原理圖
a)直接加熱圖 b)間接加熱圖
1-電極 2-焊件 3-釬料
直接加熱電阻釬焊，釬焊處由通過的電流直接加熱，加熱很快，但要求釬焊面緊密貼合、加熱程度視電流大小和壓力而定，加熱電流在6000～15000A、壓力在100～2000N之間。電板材料可選用銅、鉻銅、鉬、鎢、石墨和銅鎢燒結(jié)合金。圖5是幾種電極形式示意圖。
圖5 幾種電極形式
直接加熱的電阻釬焊由于只有工件的釬焊區(qū)域被加熱，因此加熱迅速，但對工件形狀及接觸配合的要求高。圖6、圖7為電阻釬焊時的部分加工示意圖，包括在電子工藝中的應(yīng)用。
圖6 電阻釬焊實例
圖7 電阻釬焊在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用
間接加熱電阻釬焊，電流可只通過一個工件，而另一個工件的加熱和釬料的熔化是依靠被通電加熱的工件的熱傳導(dǎo)來實現(xiàn)的。也可以將電流通過一個較大的石墨板，工件放在此板上，依靠由電流加熱的石墨板的傳熱實行加熱。直接加熱電阻釬焊的加熱電流介于100～3000A之間，電極壓力為50～500N。間接加熱電阻釬焊靈活性較大，對工件接觸面配合的要求較低，但因不是依靠電流直接通過加熱的，整個工件被加熱，加熱速度慢。適宜于釬焊熱物理性能差別大和厚度相差懸殊的工件，而且對釬焊面的配合要求可適當降低。
電阻釬焊廣泛使用銅基和銀基釬料。釬料常以片狀放在接頭處。在某些情況下，工件表面可電鍍或包覆一層金屬做釬料用。為使釬焊處導(dǎo)電，釬料以水溶液或酒精溶液除于釬焊處。
電阻釬焊可在通常的電陰焊機上進行，也可采用專門的電阻釬焊設(shè)備和手焊鉗。
電阻釬焊的優(yōu)點是加熱極快，生產(chǎn)率高，但適于釬焊接頭尺寸不大、形狀不太復(fù)雜的工件，如刀具、帶據(jù)、導(dǎo)線端頭、電觸點、電動機的定子線圈以及集成電路塊元器件的連接等。
4、感應(yīng)釬焊
感應(yīng)釬焊是依靠工件在交流電的交變磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流的電阻熱來加熱的釬焊方法。由于熱量由工件本身產(chǎn)生，因此加熱迅速，工件表面的氧化比爐中釬焊少，并可防止母材的晶粒長大和再結(jié)晶的發(fā)展。此外，還可實現(xiàn)對工件的局部加熱。
感應(yīng)釬焊時，工件放在感應(yīng)器內(nèi)（或附近），當交變電流通過感應(yīng)器時，在其周圍產(chǎn)生了交變磁場，由于電磁感應(yīng)作用，使工件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，將工件迅速加熱。
感應(yīng)電流和其他交流電一樣，電流通過導(dǎo)體時，沿導(dǎo)體表面電流密度最大，愈往中心，電流密度愈小，這就是所謂的“集膚效應(yīng)”。
顯然，感應(yīng)加熱的厚度取決于電流的參透深度，頻度愈高，加熱厚度愈小，表面加熱愈迅速；相對磁導(dǎo)率愈小，加熱厚度愈大，加熱厚度也愈大。
必須指出，對含有鐵磁材料的零件（如可伐），在低溫時其相對磁導(dǎo)率很大，而加熱至磁性轉(zhuǎn)變溫度（居里點）以上時，其相對磁導(dǎo)率（ur）降低為I。由于相對磁導(dǎo)率的顯著變化，使加熱厚度也相應(yīng)改變，故釬焊時可采用較高的頻率，一般使用不低于10KHZ的高頻感應(yīng)電流。而非磁性材料（如銅）的磁導(dǎo)率較小，與溫度無關(guān)，集膚效應(yīng)較小，因而電流分布較均勻，加熱也較均勻，故感應(yīng)釬焊時應(yīng)采用較低的頻率和較大的功率。感應(yīng)釬焊的設(shè)備主要由感應(yīng)電流發(fā)生器和感應(yīng)器組成。
感應(yīng)圈（如圖8）是傳遞感應(yīng)電流的部件，感應(yīng)圈設(shè)計的好壞對加熱影響極大。單匝感應(yīng)圈的加熱寬度小，多匝感應(yīng)圈的加熱寬度大。對多匝感應(yīng)圈來說，改變節(jié)距可使加熱形態(tài)發(fā)生變化。節(jié)距小時，加熱寬度小，加熱深度大；節(jié)距小時，加熱寬度小，加熱嘗試大；節(jié)距大時，正好相反，但節(jié)距不能過大。感應(yīng)圈與工件的耦合對加熱的影響也比較明顯。原則上說，感應(yīng)圈與工件的耦合，愈緊愈好，這時加熱效率最高，加熱均勻程度也比較好；當感應(yīng)圈與工件距離較大，即屬于松耦合時，加熱均勻程度進一步下降。當感應(yīng)圈與工件的距離較大時，改變感應(yīng)圈的形狀與節(jié)距，也能改善加熱形態(tài)，如增加感應(yīng)圈中間圈的直徑或采用不等的節(jié)距。對于多匝內(nèi)熱式感應(yīng)圈，為改善加熱形態(tài)，也可用直徑變化的感應(yīng)圈。對于單匝外熱式感應(yīng)圈，可采用改變感應(yīng)圈面積的方法來達到較均勻加熱的目的。
圖8 真空釬焊產(chǎn)品示意圖
感應(yīng)圈大部分由銅管制成，工作時內(nèi)部通以冷卻水。為了提高熱效率，又防止感應(yīng)圈與工件發(fā)生短路，感應(yīng)圈與工件的距離為3～6mm。感應(yīng)圈的匝距一般為1.5～2.2mm。必要時可根據(jù)工件的加熱狀態(tài)來進行適當?shù)恼{(diào)整。
感應(yīng)釬焊可使用各種釬料。由于釬焊加熱及冷卻速度很快，釬料和釬劑都在裝配時預(yù)先放好。感應(yīng)釬焊除可在空氣中進行外（這時一定要加釬劑），也可在真空或保護氣體中進行。在這種情況下，可同時將工件和感應(yīng)圈放入容器內(nèi)，也可將裝有工件的容器放在感應(yīng)圈內(nèi)，而容器抽以真空或通保護氣體。
感應(yīng)釬焊廣泛地用于釬焊鋼、不銹鋼、銅和銅合金等，即可用于軟釬焊，也可用于硬釬焊，主要用來釬焊比較小的工件，特別適用于對稱形狀的工件，如管狀接頭、管與法蘭、軸和盤的連接等。
5、爐中釬焊
爐中釬焊可廣泛地用于可以預(yù)先將釬料放于接頭附近或內(nèi)部的工件。該法特別適用于高生產(chǎn)率的釬焊。預(yù)放置的釬料有絲、箔片、屑塊、棒、粉末、軟膏和帶等形狀。
爐中釬焊可分為空氣爐中釬焊、保護氣氛爐中釬焊和真空釬焊爐中釬焊。爐中釬焊的特點是工件系整體加熱，加熱均勻，工件變形小，但加熱慢。高溫真空釬焊一爐加熱到冷卻一般需要8小時，鋁合金真空釬焊一般加熱到冷卻需要6小時，生產(chǎn)效率低。但由于真空釬焊可以一爐可以同時釬焊多件，以彌補加熱慢的不足，對批量生產(chǎn)尤為合適。
?。?）空氣爐中釬焊 將裝有釬料和釬劑的工件放入一般的工業(yè)爐中加熱到規(guī)定的釬焊溫度，釬劑熔化后先去除釬焊處的氧化膜，熔化的釬料然后流入接頭間隙，冷凝后即形成接頭。
爐中釬焊因加熱速度低，在空氣中加熱時工件容易氧化，尤其在釬焊溫度高時更為顯著，不利于釬劑去除氧化物，故應(yīng)用受到限制，已逐漸為保護氣氛釬焊和真空釬焊所取代。空氣爐中釬焊目前較多地用于釬焊鋁和鋁合金。這時要求爐膛溫度均勻，近代溫精度不低于±5℃。
（2）保護氣氛爐中釬焊 保護氣氛爐中釬焊根據(jù)所用氣氛的不同，可分為還原性氣氛爐中釬焊和惰性氣體爐中釬焊。還原性氣體的主要組分是氫和一氧化碳，他不僅能防止空氣侵入，還能還原工件表面的氧化物，有助于釬料潤濕母材。
還原性氣體的還原能力不但同氫所和一氧化碳的含量有關(guān)，而且取決氣體的含水量和二氧化碳的含量。氣體的含水量以露點來表示。含水量越小，露點越低。釬焊鋼和銅等金屬時，由于這些金屬的氧化物容易還原，允許氣體的二氧化碳含量和露點高些；釬焊含鉻、錳量較多的合金，如不銹鋼時，由于這些元素的氧化物難以還原，應(yīng)選用露點低和氧化碳含量小的氣體。還原性氣氛爐中釬焊示意圖如圖9所示。在高溫下，氫氣是許多金屬氧化物的一種最好的活性還原劑。在干燥氫氣中，硬釬焊時特別需要注意露點的控制，并且在整個釬焊過程中都必須仔細地控制。由于氫氣會使銅、鈦、鋯、鈮、鉭等金屬脆化，因此在考慮采用氫氣作為一種釬焊保護氣氛時應(yīng)慎重。此外，空氣中Φ（H）高于4%時，會成為一種易爆氣體。應(yīng)將廢氣燒掉或排到戶外。
圖9 還原性氣氛爐中釬焊示意圖
推薦用于硬釬焊的氣氛范圍很廣泛，其中一些列于表1中，這些數(shù)據(jù)不是全部氣氛與金屬的組合表，而只能作為比較廣泛采用的一些組合的一般性概述。稀有金屬或比較復(fù)雜的異種金屬必須進行硬釬焊時，由于氣氛和熱處理會對金屬力學(xué)性能和治金特性產(chǎn)生各種各樣的影響，所以必須尋求適宜的治金措施。
表1 美國焊接學(xué)會推薦硬釬焊使用的氣氛
注：美國焊接學(xué)會分類號6、7和9包括壓力降到266Pa。
?、佼敳捎煤袚]發(fā)性元素的合金時，氣氛中應(yīng)加入釬劑。
②銅必須完全脫氧或無氧。
③加熱時間要保持最短，以防止有害的脫碳。
?、苋绻X、鈦、硅或鈹含量顯著，氣氛中應(yīng)加入釬劑。
（3）真空爐中釬焊 在抽出空氣的爐中或焊接室中硬釬焊，是連接許多同種或異種金屬接頭的一種經(jīng)濟方法，真空釬焊過程中不使用釬劑。真空條件特別適合于釬焊面積很大而而連續(xù)的接頭，這種接頭；①在釬焊時難以徹底清除釬焊界面的固態(tài)或液態(tài)釬劑；②保護氣體不完全有效，因為氣氛不能排盡藏在緊貼釬焊界面中的氣體。真空硬釬焊也適用于連接許多同種和異種金屬，包括鈦、鋯、鈮、鉬和鉭。這些金屬的特點是，甚至很少量的大氣中的氣體也會使其脆化，有時在釬焊溫度下就會碎裂。如果惰性氣體有足夠高的純度，能防止金屬的污染及性能的降低，那么這些金屬及其合金也可以采用惰性氣體做保護氣氛進行釬焊。但是，值得注意的是，真空系統(tǒng)應(yīng)抽氣達到0.0013Pa而只含有10-5×0.1%的殘余氣體（體積分數(shù)），真空釬焊爐示意圖如圖10所示。與其他高純度釬焊氣氛相比，真空釬焊有如下優(yōu)點和缺點：
圖10 真空釬焊示意圖
1）抽真空從根本上清除了釬焊區(qū)所有的氣體，因此不再需要去提純所供給的氣氛。工業(yè)上真空釬焊采用的壓力一般為0.065Pa或更高些。實際采用的壓力取決于所要釬焊的材料、所用的釬料、釬焊界面的面積和釬焊循環(huán)中從母材中排除氣體的程度。
2）母材的某些氧化物在真空釬焊溫度下會分解。采用特殊技術(shù)，可將真空廣泛地用于釬焊不銹鋼、超級合金、鋁合金以及難熔金屬。
3）釬焊界面由于母材排氣而有時受到污染的困難問題，可以認為不再存在。母材一旦排氣，就會直接從界面將裹入氣體排除出來。
4）高溫下，在母材和釬料周圍存在低的壓力，可使金屬中的揮發(fā)性雜質(zhì)和氣體排除出去。
這種特性也是一個缺點，由于周圍壓力低，釬料、母材以及其中的元素在釬焊溫度下要發(fā)生蒸發(fā)，但是，采用合適的真空釬焊技術(shù)可以防止這種傾向。
真空硬釬焊有高真空釬焊和局部真空釬焊兩種。
高真空釬焊特別適合于那些氧化物難以分解的母材。在硬釬焊溫度下，母材或釬料在高真空條件下易于揮發(fā)時，則常采用局部真空。在硬釬焊溫度下，金屬能保持固相或液相的最低壓力是由計算或經(jīng)驗確定的。釬焊室抽氣達到高真空狀態(tài)。在高真空中釬焊加熱循環(huán)始終要使溫度剛好低于汽化開始的溫度。逐漸地送進足量的高純度氬氣、氦氣，或有時送進氫氣，以便平衡在硬釬焊溫度不揮發(fā)金屬的范汽壓力。采用這種技術(shù)，可以大大地擴大真空硬釬焊可焊的材料范圍。
常常在進行高純度干燥氫氣硬釬焊前進行抽真空除氣，這是應(yīng)特別注意的，要除去即使是少量外來的或污染的氣體，以確保氣氛的高純度。同樣地，在抽真空前通以干燥氫氣或惰性氣體來驅(qū)氣，對于在高真空氣氛中獲得更好的硬釬焊結(jié)果有時是有好處的。
有時，有計劃在將鋯、鈦和其他氧氣及其他氣體親和力高的元素接近要進行高真空硬釬焊的部件，但并不接觸，這些元素稱為“吸氣劑”，他們能夠迅速地吸收存在的很少量的氧氣，氮氣和其他硬釬焊時從母材中放出來的氣體，從而改善了釬焊氣氛質(zhì)量。
由于某些元素在真空中易揮發(fā)，因此，真空爐釬焊不適用于含鋅、鎘、錳、磷等元素含量高的釬料，也不適用于含大量這些元素的母材。
6、特種方法
（1）氣相釬焊 氣相釬焊是利用非活性有機溶劑（氟化物）被加熱沸騰產(chǎn)生的飽和范汽與工件表面接觸時凝結(jié)放出的潛熱而進行加熱的。氣相釬焊設(shè)備示意圖如圖11所示。
圖11 氣相釬焊設(shè)備示意圖
用加熱器將工件液體加熱，揮發(fā)，使飽和范汽充滿容器。工作液體主要是（C3F11）3N，其沸點為215℃，可滿足錫鉛共晶釬料釬焊溫度的要求。當工件進入工作液體飽和范汽時，由于工件溫度低，范汽在其表面沉積后冷凝，釋放出潛熱，進行釬焊加熱。為了防止其范汽逸出大氣，可使用輔助范汽（三氯二氟乙烷，沸點為47.5℃）。輔助范汽的密度介于工作阻擋層。容器上方裝有凝聚用的冷卻螺旋管，以防止進入大氣。
這種釬焊方法的優(yōu)點是加熱均勻，能精確控制溫度，生產(chǎn)率高，釬焊質(zhì)量高。缺點是氟液價格昂貴。這種釬焊方法可用于釬焊印刷電路板的上的接線柱，在陶瓷基片上釬焊陶瓷片或釬焊芯片基座外部的引線等。
?。?）放熱反應(yīng)釬焊 放熱反應(yīng)釬焊是另一種特殊硬釬焊方法。使釬料熔化和流動所需的熱量是由放熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。放熱化學(xué)反應(yīng)是兩個或多個反應(yīng)物之間的任何反應(yīng)，并且反應(yīng)中熱量是由于系統(tǒng)的自由能變化而釋放的。雖然自然界為我們提供了無數(shù)的這類反應(yīng)，但只有固態(tài)或接近于固態(tài)的金屬與金屬氧化物之間的反應(yīng)才適應(yīng)于放熱反應(yīng)釬焊裝置。
放熱反應(yīng)釬焊，利用很簡易的工具和設(shè)備。該法利用反應(yīng)熱使鄰近或靠近的金屬連接而達到一定溫度，以致預(yù)先放在接頭中的釬料熔化并潤濕金屬交接面的表面。放熱反應(yīng)的特點是不需要專門的絕熱裝置。故適用于難以加熱的部位，或在野外釬焊的場合。目前已存在宇宙空間條件下實現(xiàn)鋼管放熱反應(yīng)釬焊的實例。
?。?）機械熱脈沖劈刀釬焊法 這種方法依靠劈刀來傳遞熱量，加熱焊接點。預(yù)成型的釬料旋轉(zhuǎn)在兩個被焊物（母材）之間，劈刀以一定的壓力壓在其中一被焊物上，停留片刻使釬料熔化。他能夠十分精確地控制由劈刀傳給被焊物的熱量和焊區(qū)的加熱時間。劈刀的形狀根據(jù)被焊物的形狀而定，可以是契形、圓柱形或凹槽形。所用的釬料多半是低熔點的軟釬料。如果配置適當?shù)淖詣踊O(shè)備，可以進行半自動或全自動的焊接。目前這種方法應(yīng)用在梁式引線晶體管焊接和混合電路中的元件引線焊接及集成電路封蓋。
?。?）超聲波釬焊法 超聲波釬焊法是利用超聲波振動傳入熔化釬料，利用釬料內(nèi)發(fā)生的空化現(xiàn)象破壞和去除母材表面的氧化物，使熔化釬料潤濕純凈的母材表面而實現(xiàn)釬焊。其特點是釬焊時不需使用釬劑。
超聲波釬焊法常應(yīng)用于低溫軟釬焊工藝。隨著溫度升高，空化破壞加劇。當零件受熱超過400℃，則超聲波振動不僅使釬料的氧化膜微料脫落，而且釬料本身也會小塊小塊地脫落。因此，通常先將零件搪上釬料，再利用超聲波烙鐵進行釬焊。
?。?）光學(xué)及激光釬焊法 光學(xué)釬焊是利用光的能量使焊點處發(fā)熱，將釬料熔化、浸潤被焊零件，填充連接的空隙。目前常用的光學(xué)釬焊法有兩種。一種是紅外燈直接照射，使釬料熔化，他一般用于集成電路封蓋。另一種是利用透鏡和反射鏡等光學(xué)系統(tǒng)，將點光源的射線經(jīng)聚光透鏡成平行光束。光束的大小也由一組透鏡聚焦調(diào)節(jié)，光線與被焊物的作用時間長短靠一個特殊的快門來控制。根據(jù)不同的設(shè)備可以應(yīng)用在微電子器件內(nèi)引線焊接和管殼的封裝。他所用的釬劑一般是預(yù)成型的環(huán)形、圓形、矩形、球形的釬料。
激光釬焊法與光學(xué)釬焊法的基本原理相同，不同點是光源運用了光量子振蕩器。
?。?）擴散釬焊法 擴散釬焊法是把互相接觸的固態(tài)異質(zhì)金屬或合金加熱到他們的熔點以下，利用相互的擴散作用，在接觸處產(chǎn)生一定深度的熔化而實現(xiàn)連接。當加熱金屬能形成共晶或一系列具有低熔點的固溶體時，就能實現(xiàn)這樣的擴散釬焊。接觸處所形成的液態(tài)合金在冷卻時是連接兩種材料的釬料，這種釬焊方法也稱“接觸一反應(yīng)釬焊”或“自身釬焊”。當兩種金屬或合金不能形成共晶時，可在工件間放置墊圈狀的其他金屬或合金，以同時與兩種金屬形成共晶，實現(xiàn)擴散釬焊。
擴散釬焊過程可分成三個階段。首先是接觸處在固態(tài)下進行擴散。合金接觸處附近的合金元素飽和，但未達到共晶的濃度。接著，接觸處達到共晶成分的地方形成液相，促進合金元素的繼續(xù)擴散，共晶的合金層將隨時間增加。最后停止加熱，接觸處合金凝固。
7、各種焊接方法的比較
釬焊方法種類很多，合理選擇釬焊方法的依據(jù)是工件的材料和尺寸、釬料和釬劑、生產(chǎn)批量、成本、各種釬焊方法的特點等。表2綜合了各種釬焊方法的優(yōu)缺點及適用范圍。
表2 各種焊接方法的優(yōu)缺點及適用范圍
三、釬焊工藝
釬焊生產(chǎn)工藝包括釬焊前工件前表面準備、裝配、安置釬料、釬焊、釬后處理等各工序，每一工序均會影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。
1、工件表面準備
釬焊前必須仔細地清除工件表面的氧化物、油脂、臟物及油漆等，因為熔化了的釬料不能潤濕未經(jīng)清理的零件表面，也無法填充接頭間隙。有時，為了改善母材的釬焊性以及提高釬焊接頭的抗腐蝕性，釬焊前還必須將零件預(yù)先鍍覆某種金屬層。
（1）清除油污 油污可用有機溶劑去除。常用的有機溶劑有酒精、四氯化碳、汽油、三氯化烯、二氯乙烷及三氯乙烷等。
小批生產(chǎn)時可將零件浸在有機溶劑中清洗干凈。大批生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是在有機溶劑的范汽中脫脂。此外，在熱的堿溶液中清洗也可得到滿意的效果。例如鋼制零件可浸入70～80℃的10%苛性鈉溶液中脫脂，銅和銅合金零件可在50g磷酸三鈉，50g碳酸氫鈉加1L水的溶液內(nèi)清洗，溶液溫度為60～80℃。零件的脫脂也可在洗滌劑中進行。脫脂后用水仔細清洗。當零件表面能完全被水潤濕時，表明表面油脂已去除干凈。
對于形狀復(fù)雜而數(shù)量很大的小零件，也可在專門的槽子中用超聲波清洗。超聲波去油效率高。
?。?）清除氧化物 釬焊前，零件表面的氧化物可用機械方法、化學(xué)浸蝕法和電化學(xué)浸蝕方法進行。
機械方法清理時可采用銼刀、金屬刷、砂紙、砂輪、噴砂等去除零件表面的氧化膜。其中銼刀和砂紙清理用于單件生產(chǎn)，清理時形成的溝槽還有利于釬料的潤濕和鋪展。批量生產(chǎn)時用砂輪、金屬刷、噴砂等方法。鋁和鋁合金、鈦合金的表面不宜用機械清理法。
化學(xué)浸蝕法廣泛用于清除零件表面的氧化物，特別是批量生產(chǎn)中，因為他的生產(chǎn)率比較高，但要防止表面的過浸蝕。適用于不同金屬的化學(xué)浸蝕液成分列于表3。對于大批量生產(chǎn)及必須快速清除氧化膜的場合，可采用電化學(xué)浸蝕法（表4）。
表3 化學(xué)浸蝕液成分
表4 電化學(xué)浸蝕
化學(xué)浸蝕和電化學(xué)浸蝕后，還應(yīng)進行光澤處理或中和處理，隨后在冷水或熱水中洗凈，并加以干燥。
（3）母材表面鍍覆金屬 在母材表面鍍覆金屬，其主要目的是改善一些材料的釬焊性，增加釬料對母材的潤濕能力；防止母材與釬料相互作用對接頭質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響，如防止產(chǎn)生裂紋，減少界面產(chǎn)生脆性金屬間化合物；作為釬料層，以簡化裝配過程和提高生產(chǎn)率。某些母材的鍍覆金屬使用的情況列于表5。
表5 預(yù)鍍覆的使用情況
在母材表面鍍覆金屬可用不同的方法進行，常用的有電鍍、化學(xué)鍍、熔化釬料中熱浸、軋制包覆等。
2、裝配和固定
模鍛釬焊零件應(yīng)裝配定位，以確保他們之間的相互位置。固定零件的方法很多。對于尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單的零件，可采用較簡單的固定方法，諸如依靠自重、緊配合、流花、翻過、擴口、旋壓、鐓粗、收口、咬口、彈簧夾、定位銷、螺釘、鉚釘、點焊、熔焊等。圖12列出了典型的零件定位方法。其中緊配合主要用于以銅釬料釬焊鋼，其他場合甚少用。滾花、翻過、擴口、旋壓、收口、咬口等方法簡單，但間隙難以保證均勻；螺釘、鉚釘、定位銷定位比較可靠，但比較麻煩；點焊和熔焊固定既簡單又迅速，但定位點周圍往往發(fā)生氧化。故應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件一般采用專用的夾具來定位。對釬焊夾具的要求是夾具材料應(yīng)具有良好的耐高溫和抗氧化性；夾具與零件材料應(yīng)具有相近的熱膨脹系數(shù)；夾具應(yīng)具有足夠的剛度，但結(jié)構(gòu)要盡可能簡單，尺寸盡可能小，使夾具既工作可靠，又能保證較高的生產(chǎn)效率。
圖12 典型的零件定位方法
a)重力定位 b)緊配合 c)滾花 d)翻邊 e)擴口
f)旋壓 g)模煅 h)收口 i )咬邊 j)開槽和彎邊
k)夾緊 l)定位銷 m)螺釘 n)鉚接 o)點焊
3、釬料的放置
在各種釬焊方法中，除火焰釬焊和烙鐵釬焊外，大多數(shù)是將釬料即告安置在接頭上的。安置釬料時應(yīng)盡可能利用釬料的重力作用和間隙的毛細作用來促進釬劑料填潢間隙。圖13a、b所示環(huán)狀釬料的安置方式是合理的。為避免釬料沿平面流失，應(yīng)將釬料放在稍高于間隙的部位。為了完全防止釬料沿法蘭平面流失，可采用圖13c、d形式的接頭。在圖13e、f中工件是水平放置的，必須使釬料緊貼接頭，方能依靠毛細作用吸入縫隙。對于緊密配合和搭接長度大的接頭可采用圖13g、b形式，即在接頭上開出釬料安置槽。
圖13 環(huán)狀釬料的安置方法
膏狀釬料應(yīng)直接涂在釬焊處；粉末狀釬料可用粘結(jié)劑調(diào)合后粘附在接頭上。
4、涂阻流劑
為了完全防止釬料流失，有時需要涂阻流劑。阻流劑主要是由氧化物，如氧化鋁、氧化鈦或氧化鎂等穩(wěn)定氧化物與適當?shù)恼辰觿┙M成。釬焊前將糊狀阻流劑涂在鄰近接頭的零件表面上。由于釬料不能潤濕這些物質(zhì)，故被阻止流動。釬焊后再將他去除。阻流劑在保護氣氛爐中釬焊和真空爐中釬焊中用得很廣。
5、釬焊工藝參數(shù)
釬焊過程的主要工藝參數(shù)是釬焊溫度和保溫時間。釬焊溫度通常選為高于釬料液相線溫度25～60℃，以保證釬料能填潢間隙，但有時也發(fā)生例外。例如對某些結(jié)晶溫度間隙寬的釬料，由于在液相線溫度以下已有相當量的液相存在，具有一定的流動性。這時，釬焊溫度可以等于或稍低于釬料液相線溫度對于某些釬料，如鎳基釬料，希望釬料與母材發(fā)生充分地反應(yīng)，釬焊溫度可能高于釬料液相線溫度100℃以上。
釬焊保溫時間視工件大小，釬料與母材相互作用的劇烈程度而定。大件的保溫時間應(yīng)長些，以保證加熱均勻。釬料與母材作用強烈的，保溫時間要短。一般說來，一定的保溫時間是促使釬料與母材相互擴散，形成牢固結(jié)合所必需的，但垞的保溫時間將導(dǎo)致溶蝕等缺陷的發(fā)生。
6、釬焊后清洗
釬劑線渣大多數(shù)對釬焊接頭起腐蝕作用，也妨礙對釬縫的檢查，常需清除干凈。
軟釬劑松香不會起腐蝕作用，不必清除。含松香的活性釬劑殘渣不溶于水，可用異丙醇、酒精、汽油、三氯乙烯等有機溶劑除去。
由有機酸及鹽組成的釬劑，一般都溶于水，可采用熱水洗滌。若為由凡士林調(diào)制的膏狀釬劑，則可用有機溶劑去除。
由無機酸組成的軟釬劑溶于水，因此可用熱水洗滌。含堿金屬及堿土金屬氯化物的釬劑（例如氯化鋅），可用2%鹽酸溶液洗滌，其目的是溶解不溶于水的金屬氧化物與氯化鋅相互作用的產(chǎn)物。為了中和鹽酸，再用含少量NaOH的熱水洗滌。若為由凡士林調(diào)成的含氯化鋅的釬劑，則可先用有機溶劑清除殘留的油脂，再用上述方法洗滌。
硬釬焊用的硼砂和硼酸釬劑殘渣基本上不溶于水，很難清除，一般用噴砂去除。比較好的方法是將已釬焊的工件在熱態(tài)下放入水中，使釬劑殘渣開裂而易于去除，但這種方法不適用于所有的工件；也可將工件放在70～90℃的2%～3%重鉻酸鉀溶液中較長時間清洗。
含氟硼酸鉀或氟化鎵的硬釬劑（如劑102）殘渣可用水煮或在10%檸檬酸熱水中清除。
鋁用軟釬劑殘渣可用有機溶劑（例如甲醇）清除。鋁用硬釬劑殘渣對鋁具有很大的腐蝕性，釬焊后必須清除干凈。下面列出了一些清洗方法，可以得到較好的效果。如有可能，可將熱態(tài)工件放入冷水中，使釬劑殘渣崩裂。
1）60～80℃熱水中浸泡10min，用毛刷仔細清洗釬縫上的殘渣，冷水沖洗，HNO315%水溶液中浸泡約30min，再用冷水沖洗。
2）60～80℃流動熱水沖洗10～15min。放在65～75℃，CrO32%，H3PO45%水溶液中浸泡5min，再用冷水沖洗，熱水煮，冷水浸泡8h。
3）60～80℃流動熱水沖洗10～15min，流動冷水沖洗30min。放在草酸2%～4%、NaF1%～7%、海鷗牌洗滌劑0.05%溶液中浸泡5～10min，再用流動冷水沖洗20min，然后放在HNO310%～15%硝酸溶液中浸泡5～10min，取出后再用冷水沖洗。
對于有氟化物組成的無腐蝕性鋁釬劑，可將工件放在7%草酸，7%硝酸組成的水溶液中，先用刷子刷洗耳恭聽釬縫，再浸泡1.5h，取出后用冷水沖洗。
四、釬焊接頭設(shè)計
設(shè)計釬焊接頭時，首先應(yīng)考慮接頭的強度，其次還要考慮如何保證組合件的尺寸精度，零件的裝配定位、釬料的安置、釬焊接頭的間隙等工藝問題。
1、釬焊接頭的基本形式
用釬焊連接時，由于釬料及釬縫的強度一般比母材低，若采用對接的釬焊接頭，則接頭強度比母材差，因而對接接頭不能保證接頭具有與母材相等的承載能力，釬焊接頭大多采用搭接形式，他可以通過改變搭接長度達到釬焊接頭與母材等強度。搭接接頭的裝配同對接接頭相比也比較簡單。
在生產(chǎn)實踐中，對采用銀基、銅基、鎳基等強度較高的釬料釬焊接頭，搭接長度通常取為薄件厚度的2～3倍；對用錫鉛等軟釬料釬焊的接頭，可取為薄件厚度的4～5倍，但不希望搭接長度大于15mm。因為此時釬料很難填滿間隙，往往形成大量缺陷。由于工件的形狀不同，搭接接頭的具體形式各不相同。
1）平板釬焊接頭如圖14所示，其中圖14a、b、c是對接形式。當要求兩個零件連接后表面平齊，而又能承受一定負載時，可采用圖14b、c的形式。這時對零件的加工要求較高。其他接頭有形式的是搭接接頭，有的是搭接和對接的混合接頭。隨著釬焊面積的增大，接頭承載能力也可提高。圖14j是鎖邊接頭，適用于薄件。
圖14 平板釬焊接頭形式
2）管件釬焊接頭形式如圖15所示。當零件在連接后的內(nèi)孔徑要求相同時，采用圖15a形式當兩個零件在連接后的外徑要求相同時，采用15b形式；當接頭的內(nèi)外徑都允許有差別時，可采用圖15c形式。
圖15 管件釬焊接頭形式
3）T形和斜角釬焊接頭如圖16所示。對T形接頭來說，為增加搭接面積，可將圖16a、b改為c、d的形式；對楔角接頭可采用圖16g、h形式來代替圖16e、f形式；圖16i、j形式的搭接面積更大；
圖16k主要用于薄件的釬焊。圖16 T形和斜角釬焊接頭
4）端面接頭，特別是承壓密封接頭采用圖17形式。這種接頭具有較大的釬焊面積，發(fā)生漏泄的可能性可減小。
圖17 端面密封接頭
5）管或棒與板的接頭形式如圖18所示。圖18a管板接頭形式較少用，常以18b、c、d形接頭替代。圖18e形接頭可用圖18f、g、h形接頭替代。當板較厚時，可采用圖18i、j、k形接頭。
圖18 管或棒與板的接頭形式
6）線接觸接頭形式如圖19所示。這種接頭的間隙有時是可變的，毛細力只在有限的范圍內(nèi)起作用，接頭強度不是太高。這種接頭主要用于釬縫受壓，或受力不大的結(jié)構(gòu)。
圖19 線接觸釬焊接頭
2、接頭的工藝性設(shè)計
接頭的工藝性設(shè)計包括接頭的裝配定位，安置釬料，限制釬料流動等。工藝孔是為滿足工藝上的要求而在接頭上開的孔。這對于密閉容器尤為重要。因為釬焊時容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，阻礙釬料的填隙，也可能使已填滿間隙的釬料重新排出，形成不致密性缺陷。故密閉容器必須開工藝孔（圖20a）。對于其他接頭，為使受熱膨脹的空氣逸出，也應(yīng)開設(shè)類似的工藝孔（圖20b、c）。
圖20 封閉型接頭的工藝孔
3、接頭間隙
釬焊時是依靠毛細力作用使釬料填滿間隙的，因此必須正確地選擇接頭間隙。間隙的大小在很大程度上影響釬縫的致密性和接頭強度。表6列出了在釬焊溫度下常用的接頭間隙范圍。間隙過小，釬料流入困難，在釬縫內(nèi)形成夾渣或未釬透，導(dǎo)致接頭強度下降；接頭間隙過大，毛細作用減弱，釬料不能填滿間隙，也會使接頭的致密性變壞，強度下降。
表6 釬焊接頭間隙
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