金属材料焊接中的主要缺陷及防治措施

高瑜容

摘 要：冶金焊接大致上可以分成硬焊接及软焊接。文章从硬焊接视角着手，分析了影响硬焊接合强度的缺陷因子与预防措施，进而补充分析了硬焊接合须具备的理论技术贮备。

关键词：金属材料；焊接；硬焊接；缺陷；防治措施

1 金属材料接合制程与硬焊接

将金属材料接合，一般要求要有好的机械强度。而工业上为了达到节省成本的目的，都会要求接合的部分越少越好。然而，因为不同材料加工性的关系，不是所有的工件都可以一体成型，而且一体成型的费用往往过于高昂，并不经济。因此，先把对象的各部分分开，然后用接合的方式型成工件，而是比较经济的方法。

冶金焊接大致上可以分成硬焊接（Brazing）及软焊接（Soldering）。与传统焊接不同，硬焊接及软焊接的制程母材本身不会融化，而是填在接合处的填料融化，来接合物件。此外，因为整体都一起加热，故其热应力的影响比起焊接小。硬焊接合制程准备可以分为下列步骤：一是清理接合处的表面。因为表面的状态会影响到填料在接合处的流动性，所以平整干净且无氧化层的表面，会有较好的接合强度。二是将接合对象整体升温至填料的液相线之上10℃～50℃。三是完全熔化填料并润湿接合接口，并发生冶金反应。四是利用接合细缝间的毛细流现象，将液相的填料充满于接合的间隙间。五是凝固后形成硬焊接点。

硬焊接的制程中，焊接的时间、选用的填料与母材都会影响到接合强度。另外，在高温下填料可能会与母材反应而形成不同的金属化合物，而在填料所形成的相会有不同的组织。文章从硬焊接方法着手，探讨其在金属材料焊接过程中的主要缺陷因子及预防措施。

2 影响硬焊接合强度的缺陷因子与预防

有数项因素会影响到硬焊接合之后接点的强度，如：母材的表面状况、接合间隙的大小、母材与填料的性质、残余应力及填料与母材的冶金反应等。其中冶金反应对接合强度的影响比较难以用理论上来预测。以下是几个冶金反应对于接合强度所产生的影响。

2.1 氧化物的形成

硬焊接过程中使用的制程温度通常偏高，若制程气氛中含有氧气，很容易在接点形成金属氧化物。当形成金属氧化物时，不仅使融熔填料不易润湿母材表面，凝固以后的固相通常也是脆性相而使接合强度不理想。一些活性大的金属，如：Cr、Al、Ti、Mg等，均容易受到氧化物的影響。所以在硬焊接过程中，保持真空的条件，或者是使用保护性气氛与使用助焊剂（Fluxes），均可以有效的减少高温氧化物的形成，形成较为良好的硬焊接点。

2.2 蒸汽压

每种化合物都有其蒸汽压。大部分的金属饱和蒸汽压都不大，但是对于部分熔点较低的金属，如：锌（Zn）、镉（Cd）等元素，在400℃以上已经有不小的蒸汽压，这将会使的制程中填料的元素损失而造成成分与预期不相同。因此，选择填充合金时，填料在制程温度下的饱和蒸汽压也是考虑的因素之一。随着温度的增加，饱和蒸汽压也会上升，最后可能造成合金组成的改变而影响硬焊接的结果。

2.3 热影响

硬焊接的制程如果在再结晶温度或者是相变态温度以上的时后，将会使得经过加工硬化或者是淬火等热处理过后所造成的强化效果降低。温度高于再结晶温度时，会使得晶粒形成无应变的晶粒，若持续时间增加，则会使的晶粒粗化而劣化机械性质。若接合温度高于相变化的温度，则会对于母材造成接近热处理的效果，进而改变机械性质。因此硬焊接过程中需要选择适当的制程温度与时间。此外，若采用局部加热的硬焊接制程，就算两侧母材的热膨胀系数一样，仍须注意接点因为冷却过程中热分布不均匀所造成的热应力与变形。

2.4 基材与填充合金的交互作用

硬焊接合的时候，母材与填料会形成很多交互作用。有的会提升填料对母材的润湿性，有的会影响接点的机械性质。在硬焊接制程中，有时候为了提高润湿性或是降低填料的熔点，会在填料中加入一些活性元素，如：钛、锆等。利用填充合金在接口产生的化学反应而提升润湿性。但是此种做法可能的缺点是额外添加的元素会形成金属化合物，而这类的化合物通常是高硬度且具脆性，造成常温下所形成的接点强度不佳。此外，填料与母材也可能在硬焊接过程中发生合金化的现象。在硬焊接的过程中，填料元素扩散进入母材，或者是母材元素进入到填料之中都是可能发生的反应，而形成合金化的现象，而改变接合接口附近母材的机械性质。

2.5 其它因素的影响

硬焊接除了选择的母材与填料之间的化学反应关系，接点的设计对于强度也会有影响。举例而言，若接合缝细很小，则因为可变形的填料受到了限制，而使得整体的应变能力接近于母材而非填料本身的机械性质。而间隙渐渐增加时，应变上的限制变小时，则机械强度就接近于填料本身的机械强度。硬焊接制程中，制程的温度越高，或是时间越常，将会增加填料与母材的合金化反应与润湿性。甚至生成短时间制程中不会出现的相。因而，焊接过程中应关注变动的母材与制程条件。

3 硬焊接合须具备的理论技术贮备

3.1 了解填充合金的熔融性质

可用在硬焊接制程中的填料，由于组成的性质不同，使得不同的填料都有各自适合的使用范围。在制程中，除了填料的润湿性以外，填料的融熔性质（Melting Characteristic）也是很重要的。大多数的填料都不是单一元素，因此没有固定的熔点。除了某些特定的共晶（Eutectic）成分，有固定熔点以外，填料都是在一个温度区间内渐渐融化。因为这样的原因，硬焊接制程的温度通常选择在填料液相线上方50～100℃的温度进行接合；当填料融化后，再经由毛细流的现象进入接合处。若填料的固相线与液相线的温差过大，则可能造成组成先后融化进入接合处，造成残留的合金组成与原本的设计不相同，形成分相现象。若填料含有未融化的固体，会造成整体的流动性下降。因此在硬焊接过程中，若非选用共晶的合金组成，就是快速升温的加热方式来避免分相的情形发生。

3.2 了解高温硬焊接炉的加热原理

一般来说，硬焊接制程的高温炉分为两类：分批式（Batch Type）与连续式（Continuous Type）两种。两种主要的差异是在炉内热处理工件流通状态的不同。分批式炉是将工件放置入炉内的固定位置，经过加热与冷却的过程后取出。作业时，把一批工件处理完成以后，重复同样的操作其它批工件的加热与冷却。而连续式炉把工件从炉的一端送入，通过适当的输送装置，进入炉内，依照设计让工件经过预定的升温与降温，再从炉的另外一端送出。一般来说，分批式的炉具适合少量且多样化的生产，而连续式炉具则适合大量但是产品规格不可变化的生产。

参考文献

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