哈工大_钎焊_杨建国 03.第01章 钎焊接头形成(钎料的填缝过程 )

钎焊钎焊————————钎焊接头形成过程钎焊接头形成过程主讲：杨建国先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨工业大学第一章第一章钎焊接头的形成过程钎焊接头的形成过程§1.1钎料的润湿与铺展过程§1.2钎料的毛细填缝过程§1.3影响钎料润湿性的因素§1.4钎料润湿性的评定§1.5液态钎料与母材的相互作用钎料的填缝过程钎料的填缝过程z弯曲液面的附加压力z液态钎料的毛细填缝过程z液态钎料的平衡形态弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力分子压力分子压力：由于任何相界面处表相分子受力不均匀,表相分子有向体相运动的趋势因而表相对体相产生一种压力,称为“分子压力”。这是产生表面张力的根源。弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力z附加压力：当相界面为曲面时，还会产生另一种压力，称为附加压力。附加压力定义为：PA=Pr-P∞其中:P∞和Pr分别为平相界面和弯曲相界面时体相所受的压力。可见,附加压力是任意形状界面时比平界面时多出的压力。弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力下图给出了三种几何形状的相界面,σ为表面张力,即作用在单位长度界面上的切向力。在平界面时,表面张力的合力为零,附加压力等于零。当界面为凸界面时,表面张力的合力指向液体的内部且不为零,液体所受压力比平液面时大,附加压力为正值。当界面为凹界面时,表面张力的合力指向液体外部,故液体所受压力比平液面时小,附加压力为负值。三种情况可概括为附加压力的方向均指向液面的曲率中心。弯曲液面附加压力的产生弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力附加压力的推导：设想在液态钎料内部形成一个球形的气泡,气泡的半径为r,当温度一定时液体所受的压力为P。当压力P发生微小变化时,则气泡的表面积A和体积V均发生微小改变dA和dV,则有：PdVA=P()−P0=dVσdA对于球形气泡V=4πr3/3,dV=4πr2drA=4πr2,dA=8πrdr所以：dA/dV=2/r故：PA=2σ/r可见附加压力与表面张力成正比,与界面曲率半径成反比。气泡法测定附加压力示意图YoungYoung－－LaplaceLaplace方程方程对于一般情况，描述一个曲面需要两个曲率半径，对于球方长块小面，两个曲率半径相等。现在一任意弯曲液面上取一形的曲面ABCD，其面积近似为xy，在曲面上任意选取两个互相垂直的正截面，它们的交线OZ即为O点的法线。设曲面边缘AB‘’和BC弧段的曲率半径分别为R1和R2，如令曲面ABCD沿法线方向移动微小距离dz，使曲面移到A‘B’C‘D’位置，其面积扩大为(x+dx)(y+dy),则移动后曲面面积的增量为:AxdxΔ(=y+)(dy+−)xy=+xdyydx形成此额外表面所需要做的功为:W'()=σxdy+ydxYoungYoung－－LaplaceLaplace方程方程由于弯曲表面上有附加压力PA，所以表面扩展需要克服这种附加压力而做功，即W=PAdV，dV是由曲面移动时扫过的体积。因为dV=xydzW,P=Axydz所以xdyσ()ydx+=APxydz由相似三角形的关系：dxdz//,/x=R1dx=1xdzRdydz//,/y=R2dy=2ydzR所以PRRA(=1σ/1+12/)此式即为Young-Laplace方程。对于球面：R1=R2=r,则σ=2σ/r；对于平面：R1→∞,R2→∞，则PA→0。YoungYoung－－LaplaceLaplace方程方程Young-Laplace方程是我们讨论液态钎料填缝时的最基本方程。对于任意形状的弯曲液面,由于过曲面上一点的任意两个互相垂直的正截面的曲率半径的倒数和为常数C,C称为该点的平均曲率。因此，计算时可以选取特殊位置的截面曲率半径，这样将使问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 得到简化。液态钎料的毛细填缝过程液态钎料的毛细填缝过程当把钎料放在钎缝间隙附近,钎料熔化后有自动填充间隙的能力,即所谓的钎料填缝。这是由于液态钎料对母材润湿而产生弯曲液面所致。如果将金属细管插入液态钎料中,管子的半径足够小,则在管壁处的液面就呈现连续的弯曲液面,因而产生附加压力,使钎料沿细管上升。这就是通常所说的毛细现象。毛细现象对于钎焊过程具有实际的意义。液态钎料在垂直放置的平行板液态钎料在垂直放置的平行板间隙中的爬升高度间隙中的爬升高度当将两互相平行的金属板垂直插入液态钎料中时,假设平行金属板无限大,钎料量无限多,由于存在毛细作用,如果钎料可以润湿金属板,则会出现图(a)所示的情形,否则,则会出现图(b)的情形。(a)(b)液态钎料在垂直放置的平行板液态钎料在垂直放置的平行板间隙中的爬升高度间隙中的爬升高度最大爬升高度设两平行板所构成的间隙为a,插入液态钎料后钎料爬升高度为h,由Young-Laplace方程11PA=σ(+)RR12其中:PA为弯液面两侧的附加压力差;σ为表面张力;R1和R2为两垂直方向上的曲率半径。液态钎料在垂直放置的平行板液态钎料在垂直放置的平行板间隙中的爬升高度间隙中的爬升高度由微分几何学可知,曲面上的曲率可表示为:1d2yd2x=3R[1+dy(dx2)2]由于假设平板为无限大,所以沿平行于平板方向上的曲率半径R1→∞,而1/R1→0,所以σσσd2yd2xP=A==322RR2[1+dy(dx)]液态钎料在垂直放置的平行板液态钎料在垂直放置的平行板间隙中的爬升高度间隙中的爬升高度由图1-12中的几何关系可见　　'∈～x=R2cosθ(x0a/2)则对弯液面上的任意一点P的高度y可如下求解:根据流体静力学的关系可知PΔ=ρgy其中:ρ为液态钎料的密度;g为重力加速度。所以σσcosθy==ρgRρgx上式给出了弯液面上任一点P的位置与σ和θ的关系。液态钎料在垂直放置的平行板液态钎料在垂直放置的平行板间隙中的爬升高度间隙中的爬升高度根据流体静力学的关系可知PΔ=ρgy大学物理COLLEGEPHYSICS1998年第17卷第9期关于“毛细现象的能量来源”的表面热力学讨论朱元海匡洞庭王签液态钎料在垂直放置的平行板液态钎料在垂直放置的平行板间隙中的爬升高度间隙中的爬升高度当x＝a/2时,θ为接触角,此时2σcosθy=h=lgρga将Young氏方程代入上式可得2(σ−σ)h=sgslρga由上二式可见,当σsg大于σsl时(此时θ＜90°),有h＞0,即液态钎料可以填缝,并且随着接触角θ减小,爬升高度h值增大。此外,由于h∝1/a,即间隙越小,毛细作用越强,钎料填缝能力也就越强;而当σsg小于σsl时(此时θ＞90°),有h＜0,即液态钎料不能填缝。液态钎料在垂直放置的平行板间液态钎料在垂直放置的平行板间隙中的爬升高度隙中的爬升高度把两块玻璃板竖直放置，在一端夹一根火柴棍，使玻璃板间形成一楔形夹层，把它放在水中，则水面上升的高度随夹层宽度的减小而增大，形成一条曲面液态钎料在垂直放置的平行板间液态钎料在垂直放置的平行板间隙中的爬升高度隙中的爬升高度液态钎料爬升的动态过程液态钎料爬升的动态过程由于凹的弯液面对液体产生一个负的压力,在液面上升到任意高度时,上升力应为负的附加压力与重力之差:ΔP2=σcosθa−ρgy在ΔP=0时,达到爬升最大高度y=h=2σcosθ／ρga。而当y=0,即浸渍初始时,ΔP＝2σcosθ／a,压差最大。假定中心部位可度速上升速度为稳定的,内摩擦为液体上升的阻力,则上升有泊肃叶（Poiseuille）定律表示:dya22σθcosaσθcosa2ρgU==(l−ρgy)=l−dt8ηya4ηy8η式中:η为液体的粘度;y为任意t时刻的爬升高度。由上式可知,当U=dy/dt=0,即ΔP=0时,上式即还原为最大爬升高度的表达式。液态钎料爬升的动态过程液态钎料爬升的动态过程由上式可以看出,上升速度与1/y成线性关系。采用X-射线摄影研究钎料爬升速度与高度的关系时发现,爬升液体的前沿不整齐,弯曲液面的形状不规则,因而造成内部空穴,使实验验证发生困难。这是由于上式导出过程中假定了壁面处η=0,而且上升过程中2σcosθ/a保持恒定。这与实验条件不符合。当y很小,a也很小时,上式的第二项可以忽略,于是简化成dyaσcosθU==ldt4ηy由上式可以看出,当毛细间隙a较小,在爬升初期,上升速度与毛细间隙成正比。间隙越大,初期上升速度越大。液态钎料在水平位置平行间隙中的填缝液态钎料在水平位置平行间隙中的填缝这种情况更接近与实际钎焊时的情况。由于间隙是处于水平位置,液态钎料填缝时的附加压力与重力垂直,所以重力不起抵消附加压力的作用。此时可以填缝长度L来考察钎料的填缝情况。由泊肃叶（Poiseuille）定律，填缝速度为:dLaσcosθv==ldt4ηL积分后得2L=σaθcoslη⋅t2由上式可知,填缝速度与间隙a成正比。但是,当v=dL/dt=0时,L→∞,无确定值。这是由于在水平间隙内填缝时附加压力与重力垂直,造成无平衡态存在,也就是说,当钎料量无限多时,填缝过程可以一直进行下去。钎缝不致密性缺陷的形成机理钎缝不致密性缺陷的形成机理钎缝不致密性缺陷：指钎缝中的夹气、夹渣、夹气夹渣、气孔和未钎透等。这些缺陷一般处于钎缝的内部，但经机加工后会暴露于钎缝表面，并因而对工件的密封性、导电性和抗腐蚀性等带来不利的影响。钎缝不致密性缺陷的形成机理钎缝不致密性缺陷的形成机理钎缝中不致密性缺陷产生的原因：在通常的平行间隙的情况下，液态钎料和钎剂并不是均匀一致，整齐划一地流入间隙的，而是以不同的速度和不规则的路线流入间隙的，这是产生不致密性缺陷的根本原因。钎缝不致密性缺陷的形成机理钎缝不致密性缺陷的形成机理大包围现象：当钎料（或钎剂）熔化后从平行间隙的一侧向间隙中填充时，在流动前沿和间隙的侧面边缘处都将出现弯曲液面，因而造成在钎缝边缘处的附加压力比内部大，这使得钎料（或钎剂）沿钎缝外围的流动速度比内部的填缝速度大，因而可能造成钎料对间隙内部的气体或钎剂的大包围现象。一旦形成大包围后,所夹住的气体或钎剂残渣就很难从很窄的平行间隙中排除,使钎缝中形成大块的夹气和夹渣缺陷。钎缝不致密性缺陷的形成机理钎缝不致密性缺陷的形成机理小包围现象：从理论上来说,如果接头间隙均匀,且间隙内部金属的表面状态一致,则液态钎剂或钎料在间隙内部的流动速度应是基本相同的。然而实际上由于间隙内部金属的表面不可能绝对平齐,清洁度也有差异,加上液态钎剂和钎料与母材的物理化学作用等因素的影响,常常造成钎料在间隙内紊乱地流动,流动前沿形似乱云,结果造成小包围现象。如果大小包围所围住的是气体，则形成夹气缺陷，如果围住的是钎剂，则形成夹渣缺陷。如果因钎料量不足而未能填满间隙，则形成未钎透缺陷。钎缝不致密性缺陷的形成机理钎缝不致密性缺陷的形成机理z除以大小包围形式形成缺陷以外，如果钎剂在加热过程中分解出气体，或是母材或钎料中的某些高蒸气压元素的蒸发及溶解在液态钎料中的气体在钎料凝固时析出，当这些气体在钎料凝固前来不及全部排除钎缝时，就会形成气孔缺陷。z由以上不致密性缺陷产生的原因分析可知，在一般钎焊过程中，要完全消灭这些缺陷是很困难的。但应采取相应的措施来尽可能减少缺陷的产生。例如适当增大钎缝间隙就有助于减少由于小包围现象而形成的缺陷。液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料在竖直放置不平行间隙内的爬升高度入插并如果处于竖直位置的两平板构成不平行间隙面液槽料钎在,α为液态钎料中,两平板与y轴的夹角均,其))a,对于上小下大的间隙(右图()的间隙为a0=y处(间隙随高度的变化为a='a2−ytgα当钎料爬升达到最大高度(y＝h)时,有将y=2h=σcoslgθgρ(a−2hαtg)整理后得:(h2a−tghα)=σ2lgθcosρg的度高随隙间,其))b同理,对于上大下小的间隙(右图(变化为a"=a+2yαtg当钎料爬升达到最大高度时(y＝h),可得：(h2a+tghα)=σ2lgθcosρg可以看出,对于上大下小的间隙,钎料爬升的高度将减小,相反,对于上小下大的间隙,钎料爬升的高度将增大。液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料在不平行间隙中的填缝水平位置不平行间隙中液态钎料的填缝过程：z当被钎材料构成一端大,另一端小的不平行间隙时，由于毛细作用力是与间隙的大小成反比的,间隙越小,毛细作用就越强,因此,液态钎料(或钎剂)就具有优先填充小间隙的趋势。液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料在不平行间隙中的填缝水平位置不平行间隙中液态钎料的填缝过程：z有关液态钎料填缝过程的Ｘ－射线摄影的研究结果表明,当液态钎料在不平行间隙中填缝时,不论是在大端、小端或侧端间隙处加入钎料，液态钎料总是优先填满小端间隙，然后逐渐向大端间隙方向推进。液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料填缝的动态过程摄影 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 ：钎料在平行间隙中的填缝过程（一侧加钎料）钎料在不平行间隙中的填缝过程（小端加钎料）液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料在不平行间隙中的填缝z可以看出,不平行间隙填缝时,流动前沿比较整齐,流动线路紊乱的情况有明显的改善。这样就大大削弱了小包围的倾向,因而有利于提高钎缝的致密性。z液态钎料填缝时之所以优先填充间隙小端,是因为当液体体积不变时,由于钎料可以润湿母材,即体系的固液相界面张力小于固气相的表面张力。液体向小端运动是扩大固液相面积,减小固气相面积,从而使体系的界面能降低,因此是自发进行的过程。液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料在不平行间隙中的填缝z另外,由前述原理可知,毛细间隙内弯液面的附加压力P与间隙的大小a成反比。在靠近小端间隙处弯曲液面的曲率较大,产生的附加压力也较大,对于一片液态钎料来说,其各方向的附加压力的总和将指向小端间隙处,因此液体会自动向小端方向运动。液态钎料在不平行间隙中的填缝液态钎料在不平行间隙中的填缝缺陷自动排除提供了可能性：z如果在不平行间隙内由于大小包围现象而形成了夹气,当气泡的尺寸大于间隙值时,由于受到上下母材的限制,间隙内的气泡会形成象鸡蛋一样一端大,一端小的形状,这样,在气泡大端的曲率小,附加压力也小,而小端的曲率大,附加压力也大,因此,作用在气泡上的附加压力的合力将指向大间隙端,这就为气泡从大间隙端排除创造了条件。z实验结果表明,随着钎焊时间的延长,不等间隙钎缝内部的缺陷比例有降低的趋势。