焊接的检验标准和流程

焊接的检验标准和流程

焊接技朮教材

1):連接方式的種類

連接兩個相同或相異材質物體的方法很多﹐不外以共價鍵的產生來連接的化學法﹑及非化學的物理法。物理方法依其原理划分時﹐又有機械式及冶金式兩種。機械式乃指螺釘﹑壓配等的結合方式。而冶金式則以某種物理方式促進與造成填料金屬原子與基材金屬原子間的相互擴散﹑移動﹑置換等。

2):共晶式焊接與熔接的差異

上述冶金法中又可分成三類﹕熔接﹑硬焊﹑與軟焊﹐對其通俗的說法為﹕熔接用于鋼鐵﹑硬焊用于非鐵金屬﹑軟焊用于電子材料。若以合金特性來看此三者所使用的填料﹐則只有兩類﹐熔接屬非共晶式﹐硬焊與軟焊則屬共晶式。換言之﹐熔接一般使用與基材具同質性的金屬作為填料﹐而硬焊與軟焊則使用具有共晶特性的金屬作填料。故硬焊與軟焊名稱雖然有異﹐在連結制程的原理與操作上無所差異﹐唯一的區別﹐在于操作溫度﹐高于450℃者稱為硬焊﹐低于450℃者是軟焊。一般硬焊所用材料稱為硬填料﹐軟焊所用材料稱為焊錫(但此字并一定指Pb-Sn合金)

化學化

連接方式 機械原理

物理化 非共晶式﹕熔接

冶金原理 硬焊(＞450℃) 共晶式﹕焊接 軟焊(＜450℃) 3):共晶方式與一般的特性比較

一般來說﹐共晶式連接與其他任何方式的連接作比較時﹐具有下列特點﹕ ~能粘裝異常材料﹐如鑄件與鍛件﹑金屬與非金屬﹑多孔質與織密質等。 ~金屬性的高強度結合﹐能耐震擊﹐承受動態負荷

~耐冷及耐熱﹐具寬廣的使用溫度范圍﹐屬半永久式或永久式結合。 ~能粘復雜形狀的物件﹐如斷面余材厚度差異很大的情況。 ~可精確控品尺寸。

~使用中優良的應力分布與熱傳導。

~因為其低熔點﹐故易保存基材原有的冶金特性。 4)﹕共晶式焊接的作業程序

~~基材與填料的加熱﹐稱之物理陛段。

~~基材與填料的冶金作用﹐稱之冶金陛段。 ~~冷卻及基材清理﹐稱之冷卻陛段。

由以上的作業順序來看﹐熱量的供應實為作業的關鍵﹐一般必須考慮到下列因素﹕ ~~加熱與冷卻的速度太快﹐可引致熱應力。其起因為工件內外或各局部溫度不同﹐造成各自膨脹(收縮)量有差異﹐可造成物體變形或產生裂痕﹐特別要注意余材厚度差異大的轉角及薄板。 ~~溫度探針因其位置所測得的溫度顯示于儀表上﹐可能與工件表面的實際溫度不同。

~~若物體在烤箱內加熱﹐需使物體與物體有適宜間隔﹐以便烤箱的風扇將空氣良好的循環﹐才能產生均勻有效的熱對流。此外﹐也不能放太多物體來加熱﹐超過烤箱加熱能力﹐將無法穩健的升溫。 1/13

~~采用局部加熱時﹐需要考慮命使用治具﹐以免熱變形造成焊接走樣錯位。但治具也可能在冷卻過程中使工件產生額外殘留應力。

5):共晶反應及現象

共晶合金的優點之一﹐為其熔點低于純金屬。

共晶的意義可以簡單解釋為﹕當A,B兩種元素(一般為金屬)以適當的比例混合加熱時﹐其熔點溫度將遠低于A,B各自的熔點﹐此比例的合金即為A,B的共晶合金。

A,B兩元素固態時﹐互不相溶﹐但在液態時能以任何比例互溶。共晶合金在常溫液態狀時為A與B的混合物。

L2 L1 L3

tA to tx te a lo L+A p m q L+B g n e A+E S2 B+E S3 h b tB

A E B

固體時互不相溶的共晶平衡圖

上圖為此類共晶的平衡圖﹐橫座標為A-B的成分重量百分比﹐最左邊表示A=100%,B=0%﹔最右邊表示A=0%,B=100%。從座標為溫度。各區域簡述如下﹕

a) 固相線geh ﹐此線下方是固體區A+E(A金屬及共晶)及B+E(B金屬及共晶) b) 液相線ae及eb,此二線上方是均質液體區L

c) 固相與液相混合區﹐為三角形age及ehb所包圍。三角age含有A+L(A金咯及液體L)﹐三角形ehb含有B+L(B金屬及液體L).

d) 固體S2(B含量20%)﹐在高溫為均質液體L2 固體E(B含量60%)﹐在高溫為均質液體L1 固體S3(B含量80%)﹐在高溫為質液體L3

此型合金的特點為A.B二元素于常溫固態時完全互不相溶﹐但在高溫時則可以任何比例互溶。 L縱線的詮釋

L1由高溫冷卻至溫度te時﹐開始凝固﹐出現半凝固體﹐此時溫度保持te直到所有液體成為固體后﹐溫度才下降。在溫度te所出現的固體﹐為A元素區與B元素區﹐同時在每個晶粒內出現﹐此點稱為共晶點﹐此溫度稱為共晶溫度。 L2縱線的詮釋

L2的成分稱為亞共晶﹐當其由高溫冷卻時﹐則首先遇到液相線交點I0﹐開始晶出A元素的固體初晶﹐溫度降至tx時﹐晶出的固體A元素體積與殘留液體體積(其成分為q點之成分)比﹐應為線段長度mq﹕mp之比﹐此稱為杠杆原理。隨著溫度下降﹐q點沿ae弧線向右移動﹐mq長度增加﹐

而mp卻不變﹐所以固體A的量增加。 L3縱線的詮釋

L3成分稱為過共晶﹐當其由高溫冷卻時﹐情形與L2類似﹐只是將上文中的A元素改為B元素而已。

6)液態完全互溶﹐固態僅能部分互溶 之兩相合金

A,B二元素液態時完全互溶 ﹐固態時互有部分溶 解度﹐而行成共晶混合物。

L

L+a L+β e β a

a+E β+E

E A B

成份

固體能有部分互溶的共晶平衡圖

7)﹕液態時彼此完全互溶﹐固態時彼此間生成 介面合金共化物 此化合物在熔點以下不發生分解。

溫度

a L L+AmBn L L+a a 生成介面合金共化物 L+AmBn L+β 的合金平衡圖 β a+AmBn β+AmBn

AmBn B A 成份

此型的平衡圖如圖7所示﹐平衡圖上成分AmBn的化合物可看為另一種成分C,所以把此圖分成A-AmBn及AmBn-B兩個獨立的平衡圖來看時﹐像是A-C及C-B的二元合金平衡圖﹐其各自的溶解凝固過程的均于圖3或6相似。

‘介面合金共化性’之性質接近非金屬﹐硬而脆﹐缺少延展性﹐較不利于合金的機械性質﹐所以几乎不直接性的使用作填料﹐而系間接使用。 綜合以上平衡圖對共晶的說明﹐結論如下﹕

~~二元共晶合金熔點低于所組成合金元素之各自熔點﹐亦低于二者任何比例的合金。 ~~若在二元合金中加入第三元素﹐造成三元共晶﹐有可能再度降低熔點。

~~二元共晶合金對加熱或冷卻的相(phase)變化行為﹐如同純粹單一元素金屬﹐即液體降溫至共 晶溫度﹐釋出凝固熱﹐此時出現固體﹐直至全部凝固﹐溫度不會再下降﹔而’亞共晶’或’過共晶’﹐合金在液體中出現固體后﹐隨溫度持續下降﹐固體增多﹐黏度增高﹐直至全部凝固﹐也就是液體變固的過程中﹐有液體與固體的混合物存在于一定溫度范圍內﹐狀態類似漿糊﹐流動性

不佳。由此可以推知﹐以下兩點﹕

(1) 以共晶分界線﹐凡組成接近共晶合金之比例者其’相變化’(固體﹑液體)對溫度非常敏感。 (2) 高于共晶溫度時﹐各種成分的合金中﹐(亞共晶﹑共晶﹑過共晶)﹐以共晶合金的粘度(viscosity)

最低.

五﹑共晶合金的特性與黏裝

黏裝時使用共晶合金﹐而不用其他類金屬﹐主要著眼于﹕

~~低熔點。

~~均質的微觀結構。

~~低黏度及好的流動性。 分別說明于下﹕ 5.1低熔點

‘共晶合金’具有低熔﹐已如前述。此有利于需要金屬性黏裝的場合﹐由于溫度低﹐故加熱容易﹐因此引發的副效應﹐諸如﹕工件氧化﹑膨脹變形﹑組織改變﹑捍接完成后的殘留應力等﹐均可遠低於熔接。

5.2容易有均質的黏裝構造

共晶合金的好處之二﹐即為加熱至溫度稍高于共晶溫度時﹐可得已完全互溶的元均質液體﹐凝固時每個晶粒內均為指紋狀組織﹐不易產生鑄造時所常出現的樹枝狀(Dendritic)結構﹐所以強度均勻﹐而亞共晶與過共晶合金﹐則易產生此種不佳狀結晶。其次﹐共晶合金與其它的相變態反應﹐如包晶(Peritectic)及偏晶(Monotectic)作比較時﹐此二者的熔點雖也較個別組成元素的熔點低﹐但其由個固體變為液體的過程卻不如共晶合金較能得均質的液體﹐當然在降溫過程由液體變為固體時﹐也以共晶合金能夠得到均質的固體。 5.3良好的流動性(Flowability)

由于共晶合金加熱至共晶溫度以上時﹐即成為液體﹐而其鄰近區域成分的合金(即亞共晶及過共晶合金)﹐在此相同溫度地﹐其’相’仍為液體與固體混合物﹐類似漿糊狀﹐可以想象見共晶合金會有較低的黏度。如圖8所示﹐其中下半部為A﹑B二元素平衡圖的部分﹐只顯示A與’介面合金共化物’ AxBy在各溫度的相﹐上半部則顯示﹐處于某一稍高于共晶溫度時﹐黏度隨合金成分變化的情形﹐而共合晶則有最低的黏度。

粘 貼 圖8 合金成分對其黏度

的影響

Liquid

u

溫

度 A AxBy

以60Sn-40Pb與63Sn-37Pb(此為人稱﹐63/37為最早出現的有關文獻中所稱呼﹐起因于當時的量

測誤差﹐故并不表示基Sn/Pb比﹐真正重量比為61.9 Sn-38.1Pb)﹐以手焊之焊錫絲為例﹐當用烙鐵各熔化一小段時﹐可以很明顯的看出后者有較低的黏度﹐因為后者為共晶成分合金﹐其固相/液相溫度為183/183℃﹔而前者成分稍偏離共晶﹐其固相/液相溫度為183/193℃。

因為低黏度配合上良好的沾錫能力(Wettability)﹐意味著填料能夠輕易分布于基材表面﹐有好的流動性﹐因此增強可焊性﹐此為共晶材料被選用的原因之三。需要留意的是﹐填料熔化成液體后﹐其原子與基材原子間的交互作用﹐如介面合金共化物的形成或是互相溶解﹐將造成填料成分有潤濕能力的改變﹐當然影響了流頑性﹐而交互作用的程度決定于溫度與時間﹐所以制程中需要控制此二重要因子。 六﹑可焊性

一種合金是否適用于某種基材的連接﹐也就是在高溫連接的瞬間能否得到到良好的連接效果﹐謂之可焊性。此方面的探討﹐雖然在約50年前即已得到許多結果﹐但是基本性的連接機制

(Mechanism)﹐至今尚無清楚一致性定論﹐歸納前人的研究﹐決定可焊性的因素有下列數項﹕毛細現象﹐沾錫與散布能力(Wettability and Spreadability)接觸角﹐材料氧化的程度此數項因子﹐并非彼此間完全獨立﹐而是互相關聯與影響﹐其總體表現﹐則為可焊性的良竅詳述。

2r 2r dh h h

6.1毛細現象

毛細現象的說明﹐可參照圖9.其所示為一內徑甚小﹐兩端口的玻璃圓管插在液體容器內的情形。可以看到管內液面在(a)上升(b)下降兩種不同的結果。其差異則來自于(a)中為水﹐ 而(b)中為銀的緣故。此稱之毛細現象。毛細現象的起因可說是液體分子與固體(玻璃)間的凝聚力(Coalescence)遠強于(或遠弱于)液體分子本身間的凝聚力﹐所以能液面拉高(壓低)。在圖9中﹐不但玻璃管內液面上升(下降)﹐而且玻璃管外緣液體介面處也有相同的現象。液體上升(下降)的高度h理論上如下式﹕

2δcosθ

h =

dpg

由上式可知﹕

h毛細液體高度 δ表面張力 θ接觸角

d:毛細間隙(玻璃管內徑) p液體密度 g重力加速度