被焊金属和易熔的钎料合金表面,通常均为一层妨碍形成连接界面的氧化膜所覆盖。无氧化膜状态的金属只限于Au、Pt等少数几种。金属表面的氧化膜是受环境侵蚀的结果,并因环境和被焊金属的不同,而可能由氧化物、硫化物、碳化物或其他腐蚀产物组成。这些非金属腐蚀产物的作用相当于阻挡层,严重阻碍了焊接过程中熔断钎料对母材表面的润湿。因此,在焊接前必须要将其清除掉。在焊接过程中,助焊剂 所起的作用概括起来有以下几点。
(1) 除去被焊基体金属表面的氧化膜
被焊金属表面的氧化膜通常不溶于任何溶液,不能像清楚油脂那样将其除掉,但是这些氧化膜可与某些材料发生化学房源,生成溶于液态助焊剂的化合物,从而实现将其除去而净化被焊金属表面的目的。这种化学反应可以是使助焊剂与氧化膜生成溶于助焊剂或助焊剂溶剂的另一种化合物,也可以是把金属氧化膜还原为纯净金属表面的化学反应。
属于第一种化学反应的助焊剂主要是以松香基助焊剂为代表。纯净松香主要由松香酸和其他同分异构双萜酸组成。用做助焊剂时,通常用酒精(异丙醇)作为溶液。当在氧化了的铜表面上涂上该助焊剂并加热,松香酸会与氧化铜化合生成松香酸铜,松香酸铜易于和没有反应的松香混合在一起,从而为钎料的润湿提供洁净的金属表面。松香酸对氧化铜层下面的基体铜没有任何侵蚀作用。当借组有机溶剂清楚残留的助焊剂时,松香酸铜对氧化铜层下面的基体铜没有任何侵蚀作用。当借助有机溶剂清楚残留的助焊剂时,松香铜也会一起被清楚掉。
第二种化学反应的例子是某些具有还原性的气体。例如,氢气在高温下能还原金属表面的氧化物,生成水并恢复纯净的金属表面。其化学反应通式可表示为
M0+H2=M+H20
助焊剂除去氧化物层的速度,是决定焊接时间的主要因素之一,此时焊接时间可以表示如式(1.2)所示。
焊接时间=氧化物的除去时间+钎料的润湿时间 (1.2)
助焊剂除去氧化物的能力与助焊剂活性的强弱有密切的关系。例如美国军标(MIL)规定的强活性助焊剂RA系列和中等活性助焊剂RMA系列去除氧化物的能力,见表1.10
(2) 防止加热过程中被焊金属的二次氧化
焊接时随着温度的升高,母材金属表面的再氧化现象也会加剧。因此助焊剂必须为已净化的母材金属表面提供保护,即助焊剂应在整个母材金属表面形成一层薄膜,包住母材金属,使其同空气隔绝,达到在焊接加热过程中防止被焊金属二次氧化的作用。
(3) 降低液态钎料的表面张力
焊接区域中的助焊剂,能够以促进钎料漫流的方式影响表面能量平衡,降低液态钎料的表面张力,减小接触角。
金属表面存在氧化膜时,液态钎料往往凝聚成球状而不与金属发生润湿。氧化膜对钎料润湿的这种有害作用,是由存在着氧化膜的金属表面的自由能比金属本身的表面自由能要低的多的原因所制。
(4)传热
一般焊接的接头部都存在不少间隙,在焊接过程中,这些间隙中的空气起着隔热的作用,从而导致传热不良,如果这些间隙被助焊剂填充满,则可加速热量的传递,迅速达到热平衡。
(5)促进液态钎料的漫流
经过预热后的黏状助焊剂与波峰钎料接触后,活性剧增,黏度急剧下降而在被焊金属表面形成第二次漫流,并迅速在被焊金属表面铺展开来。助焊剂第二次漫流过程所形成的漫流作用力,附加在液态钎料上从而拖动理科液态金属的漫流过程,如图1.20所示。