金屬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軟焊接。文章從硬焊接視角著手，分析了影響硬焊接合強度的缺陷因子與預防措施，進而補充分析了硬焊接合須具備的理論技術貯備。

關鍵詞：金屬材料；焊接；硬焊接；缺陷；防治措施

1 金屬材料接合制程與硬焊接

將金屬材料接合，一般要求要有好的機械強度。而工業上為了達到節省成本的目的，都會要求接合的部分越少越好。然而，因為不同材料加工性的關系，不是所有的工件都可以一體成型，而且一體成型的費用往往過于高昂，并不經濟。因此，先把對象的各部分分開，然后用接合的方式型成工件，而是比較經濟的方法。

冶金焊接大致上可以分成硬焊接（Brazing）及軟焊接（Soldering）。與傳統焊接不同，硬焊接及軟焊接的制程母材本身不會融化，而是填在接合處的填料融化，來接合物件。此外，因為整體都一起加熱，故其熱應力的影響比起焊接小。硬焊接合制程準備可以分為下列步驟：一是清理接合處的表面。因為表面的狀態會影響到填料在接合處的流動性，所以平整干凈且無氧化層的表面，會有較好的接合強度。二是將接合對象整體升溫至填料的液相線之上10℃～50℃。三是完全熔化填料并潤濕接合接口，并發生冶金反應。四是利用接合細縫間的毛細流現象，將液相的填料充滿于接合的間隙間。五是凝固后形成硬焊接點。

硬焊接的制程中，焊接的時間、選用的填料與母材都會影響到接合強度。另外，在高溫下填料可能會與母材反應而形成不同的金屬化合物，而在填料所形成的相會有不同的組織。文章從硬焊接方法著手，探討其在金屬材料焊接過程中的主要缺陷因子及預防措施。

2 影響硬焊接合強度的缺陷因子與預防

有數項因素會影響到硬焊接合之后接點的強度，如：母材的表面狀況、接合間隙的大小、母材與填料的性質、殘余應力及填料與母材的冶金反應等。其中冶金反應對接合強度的影響比較難以用理論上來預測。以下是幾個冶金反應對于接合強度所產生的影響。

2.1 氧化物的形成

硬焊接過程中使用的制程溫度通常偏高，若制程氣氛中含有氧氣，很容易在接點形成金屬氧化物。當形成金屬氧化物時，不僅使融熔填料不易潤濕母材表面，凝固以后的固相通常也是脆性相而使接合強度不理想。一些活性大的金屬，如：Cr、Al、Ti、Mg等，均容易受到氧化物的影響。所以在硬焊接過程中，保持真空的條件，或者是使用保護性氣氛與使用助焊劑（Fluxes），均可以有效的減少高溫氧化物的形成，形成較為良好的硬焊接點。

2.2 蒸汽壓

每種化合物都有其蒸汽壓。大部分的金屬飽和蒸汽壓都不大，但是對于部分熔點較低的金屬，如：鋅（Zn）、鎘（Cd）等元素，在400℃以上已經有不小的蒸汽壓，這將會使的制程中填料的元素損失而造成成分與預期不相同。因此，選擇填充合金時，填料在制程溫度下的飽和蒸汽壓也是考慮的因素之一。隨著溫度的增加，飽和蒸汽壓也會上升，最后可能造成合金組成的改變而影響硬焊接的結果。

2.3 熱影響

硬焊接的制程如果在再結晶溫度或者是相變態溫度以上的時后，將會使得經過加工硬化或者是淬火等熱處理過后所造成的強化效果降低。溫度高于再結晶溫度時，會使得晶粒形成無應變的晶粒，若持續時間增加，則會使的晶粒粗化而劣化機械性質。若接合溫度高于相變化的溫度，則會對于母材造成接近熱處理的效果，進而改變機械性質。因此硬焊接過程中需要選擇適當的制程溫度與時間。此外，若采用局部加熱的硬焊接制程，就算兩側母材的熱膨脹系數一樣，仍須注意接點因為冷卻過程中熱分布不均勻所造成的熱應力與變形。

2.4 基材與填充合金的交互作用

硬焊接合的時候，母材與填料會形成很多交互作用。有的會提升填料對母材的潤濕性，有的會影響接點的機械性質。在硬焊接制程中，有時候為了提高潤濕性或是降低填料的熔點，會在填料中加入一些活性元素，如：鈦、鋯等。利用填充合金在接口產生的化學反應而提升潤濕性。但是此種做法可能的缺點是額外添加的元素會形成金屬化合物，而這類的化合物通常是高硬度且具脆性，造成常溫下所形成的接點強度不佳。此外，填料與母材也可能在硬焊接過程中發生合金化的現象。在硬焊接的過程中，填料元素擴散進入母材，或者是母材元素進入到填料之中都是可能發生的反應，而形成合金化的現象，而改變接合接口附近母材的機械性質。

2.5 其它因素的影響

硬焊接除了選擇的母材與填料之間的化學反應關系，接點的設計對于強度也會有影響。舉例而言，若接合縫細很小，則因為可變形的填料受到了限制，而使得整體的應變能力接近于母材而非填料本身的機械性質。而間隙漸漸增加時，應變上的限制變小時，則機械強度就接近于填料本身的機械強度。硬焊接制程中，制程的溫度越高，或是時間越常，將會增加填料與母材的合金化反應與潤濕性。甚至生成短時間制程中不會出現的相。因而，焊接過程中應關注變動的母材與制程條件。

3 硬焊接合須具備的理論技術貯備

3.1 了解填充合金的熔融性質

可用在硬焊接制程中的填料，由于組成的性質不同，使得不同的填料都有各自適合的使用范圍。在制程中，除了填料的潤濕性以外，填料的融熔性質（Melting Characteristic）也是很重要的。大多數的填料都不是單一元素，因此沒有固定的熔點。除了某些特定的共晶（Eutectic）成分，有固定熔點以外，填料都是在一個溫度區間內漸漸融化。因為這樣的原因，硬焊接制程的溫度通常選擇在填料液相線上方50～100℃的溫度進行接合；當填料融化后，再經由毛細流的現象進入接合處。若填料的固相線與液相線的溫差過大，則可能造成組成先后融化進入接合處，造成殘留的合金組成與原本的設計不相同，形成分相現象。若填料含有未融化的固體，會造成整體的流動性下降。因此在硬焊接過程中，若非選用共晶的合金組成，就是快速升溫的加熱方式來避免分相的情形發生。

3.2 了解高溫硬焊接爐的加熱原理

一般來說，硬焊接制程的高溫爐分為兩類：分批式（Batch Type）與連續式（Continuous Type）兩種。兩種主要的差異是在爐內熱處理工件流通狀態的不同。分批式爐是將工件放置入爐內的固定位置，經過加熱與冷卻的過程后取出。作業時，把一批工件處理完成以后，重復同樣的操作其它批工件的加熱與冷卻。而連續式爐把工件從爐的一端送入，通過適當的輸送裝置，進入爐內，依照設計讓工件經過預定的升溫與降溫，再從爐的另外一端送出。一般來說，分批式的爐具適合少量且多樣化的生產，而連續式爐具則適合大量但是產品規格不可變化的生產。

參考文獻

[1]何靈敏，童郁彬，毛增光，等.鐵基粉末冶金零件的連接與焊接[J]. 粉末冶金技術，2011（4）.

[2]鄭月秋.鈦和不同金屬焊接時的爆炸過渡焊[J].鈦工業進展，1997（1）.

[3]楊瑞琴.我所成功研制了難熔金屬焊接專用設備—WM93-A型鎢鉬對焊機[J].航空精密制造技術，1996（3）.