铜和黄铜软钎焊接头强度分析

1.软钎焊接头强度

钎焊接头的力学性能与钎料本身的力学性能不同，它除了因钎料同母材在钎焊温度下产生冶金反应外，还与一些工艺因素，如接头间隙、钎焊温度、钎焊时间等有关。

用锡铅钎料钎焊铜和黄铜时，钎料中的锡与铜发生反应，在接头界面上形成金属间化合物相Cu₆Sn和Cu₃Sn。锡除了在界面形成金属间化合物外，还可以迅速而深入地扩散到黄铜内，使母材向钎料溶解。此反应与钎焊温度、钎焊时间、母材成分和钎料成分有关（见图3-75）^[30]，其中温度起着最主要的影响，温度越高，厚度减小越多。母材成分也起一定的影响，钎焊时间起的作用较小。锡铅钎料的含锡量和钎焊温度对铜和黄铜起反应时的反应速度有影响，随含锡量增加和钎焊温度的提高，反应层厚度明显增加（见图3-76）^[30]801。反应厚度对铜和铜合金接头的强度具有明显的影响。厚度愈大，接头强度愈低（见图3-77）^[30]804。金属间化合物不但在钎焊过程中可以形成，就是在形成钎焊接头后，由于钎料合金元素与母材的扩散，还可形成金属间化合物相，此扩散程度视接头的环境温度而定。图3-78所示为用60Sn-40Pb钎料钎焊的铜接头在不同温度下长期存放后的结果。这种金属间化合物相也使接头强度降低（见图3-79），它将影响软钎焊接头的可靠性^[4]1098。

图3-75 钎焊温度和时间对30Sn-70Pb和1Sn-97.5Pb-1.5Ag钎料与铜及铜合金之间反应的影响 Fig.3-75 Effect of soldering temperature and time on the reaction of copper and copper alloys with 30Sn-70Pb and 1Sn-97.5Pb-1.5Ag solders

图3-76 在4种温度下含锡量对锡铅钎料与母材发生反应时使反应区厚度达25μm所需时间的影响 Fig.3-76 Effect of tin content on the time required for four tin-lead solders to react of base metal with 25μm thickness at four temperatures

图3-77 反应层厚度对铜及铜合金接头撕裂强度的影响 Fig.3-77 Influence of reacted layer thickness on the peel strength of copper and copper soldered joint

图3-78 60Sn-40Pb钎料与铜之间的金属间化合物层在不同温度下的生长速率 Fig.3-78 Rate of growth of intermetallic compound layer between 60Sn-40Pb solder and copper at various temperatures

图3-79 钎焊接头内金属间化合物厚度对室温抗拉强度的影响 Fig.3-79 Effect of thickness of intermetallic compound in soldered joint on tensile strength at room temperature

因此用锡铅钎料钎焊时钎焊温度非常重要。最佳的钎焊温度应使钎剂能完全去除工件表面氧化物，钎料能充分铺展。钎焊温度过高，将生成过厚的金属间化合物层；当钎焊温度高于钎料液相线约50℃时的接头性能最好。并且钎焊时间不要太长，钎料量要合适。

锡铅钎料钎焊的铜和黄铜接头的抗剪强度见表3-58^[5]201。用含锡量大约为60%（质量分数）的锡铅钎料钎焊的铜接头的抗剪强度最高。(www.xing528.com)

表3-58 锡铅钎料钎焊接头的抗剪强度Table 3-58 The shear strength of joints soldered with various tin-lead solders

衡量软钎焊接头功能的另一项重要指标是它在一段长时间内承受应力的能力，也就是它的抗蠕变性。表3-59列出了锡铅钎料钎焊的铜接头在3种温度下在10年使用期内，搭接接头不致破坏的最大应力^[5]202。可见，铜钎焊接头所能承受的最大载荷随含锡的升高而降低，虽然在较高温度下的极限载荷比室温下低得多，但含铅量高的钎料的蠕变性能仍比含锡量高的钎料要好。

表3-59 铜钎焊接头在10年内于大气中不会破坏的最大应力Table 3-59 Maximum sustained stress which will not cause failure of soldered lap joint in 10 years（in air）

为了提高锡铅共晶成分钎料的抗蠕变能力，可加入微量稀土元素^[39]。

图3-80所示为用几种软钎料钎焊的铜接头在高温下的蠕变强度^[4]1093。含铅量高的钎料钎焊的铜接头蠕变强度高于含锡量高的钎料，而锡锑钎料又高于锡铅钎料，故锡锑钎料适用于工作温度较高的场合。

图3-80 用几种软钎料钎焊的铜接头在高温下的蠕变强度 Fig.3-80 Creep strengths at elevated temperatures for copper joints soldered with several solders

95Sn-5Ag钎料钎焊的接头也具有较好的高温性能，用它钎焊的黄铜搭接接头在不同温度下的应力-断裂时间曲线如图3-81所示^[4]1094。

2.硬钎焊接头强度

用银钎料钎焊的铜和黄铜接头的强度见表3-60^[32]。

用铜磷和铜磷银钎料钎焊的铜接头的力学性能见表3-61^[32]。用铜磷和铜磷银钎料钎焊的铜接头的强度与银钎料钎焊的相仿，但接头韧性要差。

用BAg50CuZn、BAg50CdZnCu和BCu80PAg钎料钎焊时的铜接头的应力-时间破坏曲线如图3-82^[33]所示。在高温下BAg50CuZn钎料钎焊的接头的应力-破坏强度高于其他两种钎料。