鋓料性质对焊接的影响
论焊接工艺参数对焊接质量的影响

论焊接工艺参数对焊接质量的影响论焊接工艺参数及工艺因素对产品质量的影响概述: 本文通过各种焊接方法的工艺参数及工艺因素对焊接后产品质量的影响,详细论述了我厂所采用的焊接方法—手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊、点焊、凸焊焊接工艺参数及工艺因素与产品质量之间的关系。
1、手工电弧焊简称手弧焊,是利用焊条与工件间建立起来的稳定燃烧的电弧使焊条和工件熔化来形成焊接接头的一种焊接方法。
其工艺参数主要包括焊接电流、焊条直径、焊缝层数、电源种类和极性等。
工艺因素包括坡口尺寸及间隙大小、工件斜度、工件厚度和工件散热条件等。
1.1 焊接电流其它条件不变时,随着焊接电流的增大焊缝的熔深、熔宽及余高,其中熔深的增大最明显,而熔宽仅略有增大。
这是因为:1.1.1随电流增大,工件上的热输入和电弧力均增大,热源位置下移,固熔深增大。
1.1.2 随电流增大,电弧截面增加,同时电弧进入工件深度也增加,使电弧斑点移动范围受限,因此实际熔宽增大较小。
1.1.3 随电流增大,焊条熔化量近于成比例增加,而熔宽增大较小,所以余高增大。
焊接电流过大易产生咬边、焊瘤等缺陷。
咬边会减小焊缝有效截面,产生应力集中,降低接头强度和承载能力。
焊瘤使焊缝截面突变,形成尖角,产生应力集中,降低接头疲劳强度。
焊接电流过小易产生气孔、未焊透、夹渣等缺陷。
气孔会减少接头有效截面,降低接头致密性,减小接头承载能力和疲劳强度。
未焊透会形成尖锐的缺口,形成应力集中,严重影响接头的强度和疲劳强度。
夹渣会减少接头的有效截面,减低接头强度和冲击韧性。
1.2 焊条直径焊条直径的大小主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置、焊道层次等因素。
焊件厚度较大时,应选择较大直径的焊条;平焊时,允许用较大电流进行焊接,焊条直径可以大些;立焊、仰焊及横焊宜选择较小直径的焊条;多层焊的第一层焊缝,为防止产生未焊透缺陷,应采用小直径焊条。
焊条直径选择不当易产生焊缝尺寸偏差。
尺寸过小焊缝强度降低;尺寸过大,易产生应力集中,降低接头疲劳强度。
焊接变形的影响因素及预防措施

焊接变形的影响因素及预防措施焊接变形的影响因素及预防措施2012-02-21 22:06焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。
影响焊接变形的因素很多,但归纳起来主要有材料性能、设计结构和焊接工艺三个方面。
一、材料因素的影响金属的焊接是金属的一种加工性能,接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,它决定于金属材料的本身性质和加工条件。
金属的化学成分不同,其焊接性也不同。
碳的影响最大,其它合金元素可以换算成碳的相当含量来估算它们对焊接性的影响。
碳当量CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Gr+Mo+V)/5(%),式中各化学元素含量取其成分的上限。
碳当量越大,焊接性能越差。
当CE<0.4%时,钢材焊接性良好,冷裂纹倾向小,焊接时一般不需加热;当CE=0.4~0.6时,焊接性较差,冷冽倾向明显,焊接时需预热并采取其它工艺措施;CE>0.6时,焊接性差,冷冽倾向严重,焊接时需要较高预热温度和严格的工艺措施。
二、结构设计因素的影响焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素。
虽然焊接工件随拘束度的增加,焊接残余应力增加,焊接变形相应减少,但在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加。
在设计焊接结构时,常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性,这样做不但增加了装配和焊接工作量,而且给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。
因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着十分重要的作用。
三、焊接工艺的影响1、焊接方法的影响:熔焊使焊缝及其附近的母材经历了一个加热和冷却的热过程,由于温度分度不均匀,焊缝受到一次复杂的冶金过程,焊缝周围受到一次不同规范的热处理,引起相应的组织和性能的变化,直接影响焊缝质量。
焊接材料对焊接质量的影响1

焊接材料对焊接质量的影响焊接材料(焊条、焊丝、焊剂)的成分对焊缝金属的化学成分、组织与性能有重要的影响。
为了使焊缝金属具有所要求的成分与性能,必须保证焊接材料中有益的合金元素含量和严格控制有害杂质的含量。
1 焊缝金属的合金化(1)焊缝金属的合金化就是把所需的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属(或堆焊金属)中去。
焊接中合金化的目的是补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元素的损失,消除焊接缺陷(裂纹、气孔等)和改善焊缝金属的组织和力学性能,或者是获得具有特殊性能的堆焊金属。
对金属焊接性影响较大的合金元素主要有C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V、Nb、Cu、B等;低合金钢焊接中提高热影响区淬硬倾向的元素有C、Mn、Cr、Mo、V、W、Si等;降低淬硬倾向的元素有Ti、Nb、Ta等。
还应特别注意一些微量元素的作用,如B、N、RE等。
焊接中常用的合金化方式有以下几种。
①应用合金焊丝或带极把所需要的合金元素加入焊丝、带极或板极内,配合碱性药皮或低氧、无氧焊剂进行焊接或堆焊,把合金元素过渡到焊缝或堆焊层中去。
这种合金化方式的优点是可靠,焊缝成分均匀、稳定,合金损失少;缺点是制造工艺复杂,成本高。
对于脆性材料,如硬质合金不能轧制、拔丝,故不能采用这种方式。
②应用合金药皮或非熔炼焊剂把所需要的合金元素以铁合金或纯金属的形式加入药皮或非熔炼焊剂中,配合普通焊丝使用。
这种合金化方式的优点是简单方便,制造容易,成本低;缺点是由于氧化损失较大,并有一部分合金元素残留在渣中,故合金利用率较低,合金成分不够稳定、均匀。
③应用药芯焊丝或药芯焊条药芯焊丝的截面形状是各式各样的,最简单的是具有圆形断面的,外皮可用低碳钢其他合金钢卷制而成,里面填满需要的铁合金及铁粉等物质。
用这种药芯焊丝可进行埋弧焊、气体保护焊和自保护焊,也可以在药芯焊丝表面涂上碱性药皮,制成药芯焊条。
这种合金过渡方式的优点是药芯中合金成分的配比可以任意调整,因此可行到任意成分的堆焊金属,合金的损失较少;缺点是不易制造,成本较高。
焊接材料的化学成分对性能的影响

焊接材料的化学成分对性能的影响焊接是一种常见的金属加工技术,它通过熔化金属材料,使两个或多个金属零件连接在一起。
而焊接材料的化学成分对焊接性能有着重要的影响。
本文将从焊接材料的选择、化学成分对焊接性能的影响以及焊接材料的未来发展等方面进行探讨。
首先,选择合适的焊接材料对焊接工艺的成功至关重要。
焊接材料的选择应考虑到所焊接金属的化学成分、力学性能以及所需的焊接强度等因素。
一般来说,焊接材料应与被焊接金属具有相似的化学成分,以确保焊缝的强度和耐腐蚀性能。
此外,焊接材料的力学性能也应与被焊接金属相匹配,以避免焊缝出现应力集中和开裂等问题。
其次,焊接材料的化学成分对焊接性能有着直接的影响。
焊接材料通常由金属合金组成,其中包含了多种元素。
这些元素的含量和比例会影响焊接材料的熔点、热导率、机械性能等特性。
例如,添加一定比例的钼元素可以提高焊接材料的熔点和强度,同时降低其热导率,从而提高焊接接头的耐高温性能。
另外,焊接材料中的碳含量也会对焊接性能产生影响。
高碳含量会导致焊缝易产生裂纹,而低碳含量则可能导致焊缝强度不足。
此外,焊接材料中的杂质元素也会对焊接性能产生不良影响。
杂质元素的存在会降低焊接材料的纯度,增加焊缝的脆性和气孔率。
因此,在选择焊接材料时,应尽量选择纯度高、杂质含量低的材料,以保证焊接接头的质量。
未来,随着科技的进步和工艺的发展,焊接材料的研究也将不断取得新的突破。
例如,近年来,一些新型焊接材料的研究取得了显著进展。
这些新材料具有更高的强度、更好的耐腐蚀性能以及更低的热膨胀系数等优点,可以满足更严苛的焊接要求。
此外,一些先进的焊接技术,如激光焊接、电子束焊接等,也为焊接材料的研究提供了新的方向和挑战。
总之,焊接材料的化学成分对焊接性能有着重要的影响。
选择合适的焊接材料、合理控制其化学成分以及降低杂质含量,可以提高焊接接头的强度、耐腐蚀性能和耐高温性能。
未来,焊接材料的研究将继续深入,为焊接工艺的发展提供更多可能性。
小议异种金属材料物理性质对焊接的影响

小议异种金属材料物理性质对焊接的影响异种金属材料焊接指的是两种或者多种金属材料进行的焊接工作,最为常见的是铜和铝的焊接。
除了金属的物理性质不同,对同种金属材料而言,同种材料的不同种性质的存在,比如钢材料的Q235和16Mn焊接,物理性质的不同使得同种金属在焊接时也要采用不同的焊接技术,只有这样才会保障焊接的质量。
1 金属的物理性质不同对焊接的影响1.1 金属的熔点在两种金属焊接的过程中,要将两种金属融化。
假如这两种金属的熔点相差较小,都在100℃之内的话,焊接就非常容易;但是如果金属的熔点相差很大,比如一种金属的熔点在100℃之内,另一种金属的熔点在100℃以上或是两种金属熔点温度差在100℃以上,在焊接的时候就会出现这样的情况:熔点温度低的金属在加热的过程中熔化成液体,而熔点高的金属由于没有达到熔点就没有熔合;熔点高的金属在焊接过程中会出现凝固收缩情况,对部分凝固的金属形成压力,导致在焊接的过程中出现裂缝。
1.2 热导率和比热容的差异不同种金属的热导率和比热容存在着差异,当两种金属的热导率和比热容差异比较大的时候,会出现热输入不平衡的情况。
在焊接的过程中金属熔化的不均匀,导致焊接的缝隙出现变化,两侧金属的结晶情况也会发生转变。
比如热导率比较高的金属在焊接的过程中容易受到热的影响,在冷却的过程中也会迅速发生冷却出现淬硬现象,而热导率较低的金属在焊接的过程中会出现过热的情况。
1.3 线膨胀系数线膨胀系数不同的两种金属在焊接的过程中,会由于收缩时间和冷却的时间不一致出现很大的焊接应力,容易出现焊接裂缝。
两种金属的线膨胀系数相差越大,焊接难度就越大,在焊接加热的过程中会出现很大的热应力,在焊接中容易出现焊接裂缝,甚至是导致焊接接头与焊接母体脱离。
1.4 磁场作用不同磁场不同导致的焊接问题主要是由于磁性不同的金属焊接,这与焊接方法也有着一定的关系。
比如采用电子束焊接或是直流电弧的焊接方法时,由于磁场不同使得电子束偏离轴线或者电弧偏吹的情况,电流出现偏离,这样就会导致焊接的金属熔化量很大,造成金属熔化过度或是金属底部缺少磁性不能熔合而产生焊接缝隙等。
各类不锈钢的焊接特点要点

各类不锈钢的焊接特点马氏体。
可焊性较差,焊接时有强烈的淬火倾向,经焊接加热后在空气中冷却就能导致淬火,使焊缝和热影响区形成坚硬的马氏体组织,因温差引起的热应力和奥氏体转变为马氏体组织的相变应力的综合作用,导致焊后残余应力较大。
含碳量愈高,其淬硬性就愈大。
还存在由于扩散氢的作用而引起的滞后裂纹。
因此,焊接薄板时采用较小的电源,尽可能快的焊速,应使焊道狭窄,熔池体积减小,以免金属过热;厚板焊前应进行预热(200~ 400℃),焊后高温回火或退火,随后缓冷;焊丝、坡口、氩气要清洁、干燥,以消除氢的产生。
铁素体。
易在焊合线附近热影响区产生粗晶,使常温塑性、韧性降低而引起脆化;高铬(≥16%Cr)不锈钢焊后在600~400℃阶段缓慢冷却时,会出现475℃脆化,造成韧性恶化。
因此,采用小电流、快焊速、窄焊道、加快焊缝冷却的方法,以尽量避免晶粒长大,缩短高温停留时间,防止过热;对高铬不锈钢焊前应预热,使其在韧性温度范围内焊接,但预热温度不应超过150℃,以免焊后冷却缓慢,增加475℃脆性。
奥氏体。
由于在奥氏体晶界上有低熔点杂质物,冷却时在焊接收缩应力的作用下易产生热应力,从而产生热裂纹;在550~850℃长时间加热时,焊接热影响区的晶界上析出铬的碳化物,造成贫铬区,因而热影响区易发生晶间腐蚀;由于线膨胀系数较大,导热性较差,而产生较大的焊接应力和变形,易造成热裂纹。
因此,避免焊缝过热,选用较小的焊接电流、较快的焊速,缩短高温停留时间,减小熔池面积,避免焊缝、近缝区的晶粒过渡长大;控制输入的焊接热量,采用能量集中的焊接方法,加强冷却,缩短经过危险温度区域的冷却时间;焊后进行消除应力热处理和固溶处理,使焊接时析出的铬的碳化物重新固溶到奥氏体中,或进行稳定化处理;选用超低碳奥氏体焊丝(w(C)≤0.04%)焊接,防止晶粒边界产生贫铬区,提高抗晶间腐蚀的能力。
氩弧焊氩气是单原子气体,不会产生化合物,高温不分解,也不溶于金属中,不与任何元素发生反应,其稳弧性能好,热损耗小,电弧热集中,热效率高。
各元素对焊接的影响

1、碳(C):钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0.20%。
碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂,所以镇静钢含有0.15-0.30%的硅。
如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。
硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。
在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅,强度可提高15-20%。
硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢。
含硅1-4%的低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。
硅量增加,会降低钢的焊接性能。
3、锰(Mn):在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含锰0.30-0.50%。
在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”,较一般钢量的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度和硬度,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%。
含锰11-14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。
锰量增高,减弱钢的抗腐蚀能力,降低焊接性能。
4、磷(P):在一般情况下,磷是钢中有害元素,增加钢的冷脆性,使焊接性能变坏,降低塑性,使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045%,优质钢要求更低些。
5、硫(S):硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055%,优质钢要求小于0.040%。
在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。
6、铬(Cr):在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性。
铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不锈钢,耐热钢的重要合金元素。
材料塑性力学特性在焊接工艺中的应用分析

材料塑性力学特性在焊接工艺中的应用分析引言:焊接工艺是一种常用的金属连接方法,广泛应用于工业生产中。
而材料塑性力学特性在焊接工艺中的应用则是提高焊接质量和效率的关键。
本文将分析材料塑性力学特性在焊接工艺中的应用,并讨论其对焊接质量和效率的影响。
一、材料塑性力学特性与焊接工艺的关系1.1 材料塑性力学特性的定义材料塑性力学特性是指材料在受力下发生塑性变形的能力。
包括材料的屈服强度、延伸率、断裂韧性等指标。
这些特性直接影响着焊接过程中的塑性变形和焊接接头的强度。
1.2 材料塑性力学特性对焊接接头的影响焊接过程中,材料会受到热力和力学力的作用,从而发生塑性变形。
材料的塑性力学特性决定了焊接接头的强度和可靠性。
例如,材料的屈服强度越高,焊接接头的抗拉强度也会相应提高。
而延伸率和断裂韧性则决定了焊接接头的可塑性和韧性,对于承受冲击和振动负载的焊接接头尤为重要。
二、材料塑性力学特性在焊接工艺中的应用2.1 焊接接头的设计与材料选择在焊接接头的设计过程中,需要考虑材料的塑性力学特性。
根据焊接接头的受力情况,选择具有适当屈服强度和韧性的材料,以确保焊接接头的强度和可靠性。
同时,根据材料的延伸率和断裂韧性,合理设计焊接接头的几何形状和尺寸,以提高焊接接头的可塑性和韧性。
2.2 焊接参数的优化焊接参数的选择对于焊接接头的质量和效率至关重要。
材料的塑性力学特性可以帮助优化焊接参数。
例如,根据材料的屈服强度,确定合适的焊接电流和焊接速度,以确保焊接接头的强度。
而根据材料的延伸率和断裂韧性,调整焊接参数,控制焊接接头的可塑性和韧性。
2.3 焊接过程的控制与监测材料的塑性力学特性也可以用于焊接过程的控制与监测。
通过实时监测焊接接头的变形和应力状态,可以及时调整焊接参数,避免焊接过程中的变形和应力超过材料的塑性极限。
同时,根据材料的塑性力学特性,制定合理的焊接工艺规范,确保焊接接头的质量和可靠性。
三、材料塑性力学特性在焊接工艺中的挑战与展望材料的塑性力学特性在焊接工艺中的应用也面临一些挑战。
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銲料性質對焊接的影響1.前言目前各種形式的合金焊料,其最權威的國際規範為J-STD-006。
此文獻之最新版本為1996.6的Amend ment 1,由於資料很新,故早已取代了先前甚為知名的美國聯邦規範QQ-S-571。
IPC還有一份重要的焊接手冊IPC-HDBK-001其中之4.1,曾定義“熔點”在430℃以下為“軟焊”(Soldering),也就是錫焊。
另熔點在430℃以上稱為“硬焊”(Brazing),係含銀之高溫高強度焊接。
早期歐美業界,亦稱熔點600℉(315℃)以下者為軟質銲錫,800℉(427℃)以上者為硬質焊錫。
原文Solder定義為錫鉛含金之焊料,故中譯從金旁為“銲錫”,而利用高熱能進行熔焊之Soldering(註意此一特定之單字,並非只加ing而已),則另從火旁用字眼的“焊接”,兩者涵義並不完全相同。
2.共熔(晶)銲錫銲錫焊料(Solder)主要成分為錫與鉛,其他少量成分尚有銀、鉍、銦等,各有不同的熔點(M.P.),但其主要二元合金中以Sn63/Pb37之183℃為最低,由於其液化熔點(Liquidus Point)與固化熔點(So lidus Point)的往返過程中,均無過渡期間的漿態(pasty)出現,也就是已將較高的“液化熔點”與較低的“固化熔點”兩者合而為一,故稱為“共熔合金”。
且因其粗大結晶內同時出現錫鉛兩種元素,於是又稱為“共晶合金”。
此種無雜質合金外表很光亮之“共熔組成”(Eutectic Composition)或“共熔銲錫”(Eutectic Solder),其固化後之組織非常均勻,幾無粒子出現。
其合金比例之不同將影響到熔點變化,該變化之“平衡相圖(Phase Diagram)”,圖請參考第12期TPCA會刊。
另一種組成接近共熔點的Sn60/Pb40合金,則在電子業界中用途更廣,主要原因是Sn較貴,在焊錫性(Solderability)與銲點強度(Joint Strength)幾無差異下,減少了3﹪的支出,自然有利於成本的降低。
與前者真正共熔合金比較時,此60/40者必須經歷少許漿態,故其固化時間稍長,外觀也較不亮,但其銲點強度並無不同。
不過後者若於其固化過程中受到外力震動時,將出現外表顆粒粗麻之“擾焊”現象(Disturbed)之銲點,甚至還可能發生“縮錫”(Dewetting)之不良情形。
3.銲料之特性除了“銲錫性”好壞會造成生產線的困擾外,“銲點強度”(Joint Strength)更是產品後續生命的重點。
但若按材料力學的觀點,只針對完工銲料的抗拉強度(Tensile Strength)與抗剪強度(Shear Strengt h)討論時,則並不務實。
反而是高低溫不斷變換的長期熱循環(Thermal Cycling,又稱為熱震盪Ther mal Shock)過程中,其等銲點由於與被焊物之熱脹係數(TCE)不同,而出現塑性變形(Plastic Defo rmation),再進一步產生潛變(Creep)甚至累積成疲勞(Fatigue)才是重點所在。
因此等隱憂遲早會造成銲點破裂(Crack)不可收拾的場面,對銲點之可靠度危害極大。
元件的金屬引腳與元件本體,及與板面銲墊之間的熱脹係數(TCE)並不相同,因而在熱循環中一定會產生熱應力(Stress)進而也如響應斯的出現應變(Strain),多次熱應力之後將再因一再應變而“疲勞”(F atique),終將使得銲點或封裝體發生破裂,此種危機對無腳的SMD元件影響更大。
現將常見共熔銲料之一般機械性質整理如下:3.1共熔點63/37的銲料,其常溫中的抗拉強度(Tensile Strength)為7250 PSI,而常見冷軋鋼(C old Rolled Steel)卻高達64,000 PSI,但此抗拉強度對銲點強度的影響反不如抗剪強度(Shear Stre ngth)來的大,若加入少量銻後成績會較好。
至於展性(Ductility)與彈性模數(Elastic Modulus)則63/37者均比其他高熔點者二元合金要更好,兩合金之導電導熱則比純錫差,且隨鉛量增加時會呈少許下降。
一般63/37者其強度較其他比例更好。
多錫者也比多鉛者為強。
3.2各種比例的錫鉛合金焊料,其強度均比單獨錫鉛金屬較好。
比重值則隨鉛量愈多而增大,呈液態時表面張力與合金比例的關係不大。
3.3銲點抗潛度(Creep)能力的好壞,對可靠度的重要性將遠超過抗拉強度。
不幸的是愈接近共晶比例而結晶粒子愈粗大者,其潛變也愈大。
而柱狀結晶的抗潛變能力也不如等軸結晶(Equiaxial)者。
銲點合金在長期的負荷下會出現原子結晶格子(Atom Lattice)的重整;也就是銲點經長時間劣化下,最後終究會發生故障,原因當然是長時間應力而帶來過度“應變”而成“疲勞”所致。
3.4銲點強弱與助銲劑,銲錫性及IMC有關,由許多試驗結果可知,強度與填錫量多少無關,錫量太多反而無益。
焊接時間不宜超過5秒,愈久愈糟,焊溫也不可太高。
4.低溫與高溫銲錫上述共熔銲錫之熔點為183℃,某些對高溫敏感的元件而言,其組裝時需用到熔點低於183℃者,稱為“低溫銲錫”(Low Temperature Solder),其實用配方中需另外加入鉍(Bismuth,Bi)與銦(Indium,I n)。
由於加入此二者所形成的銲料都存在著某些缺點(如強度不足),故量產工業尚無法以取代錫鉛之共熔銲料。
加入鉍之冷卻後銲點,不易出現膨脹情形,會對銲點造成額外的應力,此種銲點強度不足的隱憂較焊錫性不良更糟。
而銦卻由於價格太貴也無進入量產用途。
至於高溫銲料者則以含銀者最常見,現分述於後:4.1含鉍銲料含鉍銲料除了銲點會稍有膨脹之不良外,尚因其銲溫甚低,有時會導致助焊劑無法全然發揮其活性,以致造成縮錫等焊錫性不良問題。
再者是含鉍時容易氧化,致使銲點強不足。
此點對安全用電的保險絲(Fuse s)而言尤其重要,一旦氧化後經常會造成該斷而未斷之情形,安全上將大打折扣。
4.2含銦銲料含銦之銲錫也會有銲點強度不足的煩惱,且價格不十分昂貴,但也具有一些優點,如:(1)沾錫性(Wettability)非常良好。
(2)展性(Ductility)良好,可呈現極佳的抗疲勞性(Fatigue Resistance),甚至還優於錫鉛之共熔合金。
(3)焊接動作與錫鉛共熔銲料相比較時,就黃金成份熔入所造成的缺失,則含銦銲點者較為輕微。
4.3含銀銲料當零件腳或板面銲墊之表面處理為鍍銀表面時,則其銲料中若添加少許銀份時,則可大大減緩外界銀份熔入的缺點。
但此等熔點較高的含銀銲料通常銲錫性都不好,銲點外表昏暗,機械強度也不足。
5.銲料與製程5.1合金互熔錫鉛二元合金之銲料,事實上是錫熔進鉛中,而所謂的Solder即是二者之“溶液”而已。
高溫焊接中板面承墊中的銅份也會融入鉛與錫中,也就是銅原子會擴散進入熔融的銲料內,並在銲料與底銅之間形成居中的介面層IMC(Cu6 Sn5),也唯有如此才能真正的焊牢。
一但銲墊外表發生銅面氧化物或其他表面污染物時,則會阻止銅份的擴散而無IMC的產生,以致無法焊牢。
並出現所謂縮錫(Dewetting)或不沾錫(Non-Wetting)等銲錫性不良的表徵。
5.2沾錫過程沾錫(Wetting)亦稱為Tining,其動作說時遲那時快,首先是高溫中助焊劑展現活性(Activity),迅速去除金屬銲墊表面的氧化物或污物或有機護銅劑等(如Entek),使熔融的銲錫與底銅(或底鎳等其他可焊金屬)之間,迅速產生如樹根般的一薄層“界面合金共化物”(Inter Matalic Compound Intermetalli c Compound Cu6 Sn5),而沾錫及焊牢。
在銲點外觀上可見到銲料向外向上擴張地盤的動作,其地盤外緣有一種“固/液/氣”三相交會處,隱約中似乎出現“蓄勢待發”而奔出的小角度,特稱之為沾錫性的接觸角(Contact Angle ,θ),亦稱為如噴射機般的雙反斜角(Dihedral Angle)。
此接觸角度愈小,則沾錫性或焊錫性也愈好。
實際上沾錫力量(Wetting Force)是受到幾股力量的影響。
下圖即為其等力量平衡及冷卻後的焊點斷面說明,現以淺顯易懂的語言配合圖面說明詮釋(請參考第12期TPCA會刊)。
θ角=雙反斜角,接觸角,或常說的沾錫角。
r=介面之間所出現的表面能(Surface Energies)或力量,係指清潔銅面對銲錫金屬的親和力,亦即產生IMC(Cu6 Sn5)時互親的力量,也就所謂的銲鍵(Solder Bond)。
但銅對鉛則不會產生任何親和力。
rsr=地盤外緣固相與汽相之間的力量,即液錫向外擴張時所呈現的附著力(Adhesive Force) 此力量愈大時沾錫角愈小,焊錫性也愈好。
rls=液相與地盤內固相之間的親合力量,必須要先生成IMC時才會表現出力量,且此力幾乎是固定不變的。
對整體而言此力只會呈現液相本身向內收縮的內聚力(Cohesive Force),對向外擴張並無助益。
rlv=液相與汽相間的力量,此力又可再解析成為垂直分力(rlv˙sinθ) 與水平分力(rlv˙cosθ); 後者表現得愈大時,沾錫性或焊錫性也愈好。
由圖中公式rsr=rls+rlv˙cosθ,向外擴張的沾錫力量想要最大時,則其水平分力(rlv˙cosθ) 也應最大,也就是θ角要愈小愈好。
當θ角=0 時,則cosθ=1,於是向外擴張的沾錫力量rsv也變成最大(亦即焊錫性最好)。
5.3 介面合金共化物IMC焊接動作之所以能夠焊牢,最根本的原因就是銲錫與底金屬銅面之間,已產生了IMC(Intermatallic Co mpound Layer) 之良性介面合金共化物Cu6 Sn5,此種如同樹根或家庭中子女般之介面層,正是相互結合力之所在。
但IMC有時也會在銲錫主體中發現,且呈現粒狀或針狀等不同外形。
其液態時成長之初的厚度約為0.5-1.0μm之間,一旦冷卻固化IMC後還會緩緩繼續長厚,而且環境溫度升高時還將會長的更快,最好不要超2μm。
久了之後在原先Cu6,Sn5 之η–phase(註η為希臘字母,讀做Eta)良性IMC,與底銅之間還會另外生出一層惡性ε-phase(註: ε讀做Epsilon) 的Cu3 Sn. 此惡性者與原先良性者本質上完全不同,一旦ε-phase出現後其銲點強度即將漸趨劣化,脆性逐漸增加,IMC本身鬆弛,甚至整體銲點逐漸出現脫裂浮離等生命終期的到來。
一般IMC的性質與所組成的金屬完全不同,常呈現脆性高、導電差,且很容易鈍化或氧化等進一步毀壞之境界。
並具有強烈惰性頑性,一般助焊劑均無法加以清除。
常見之IMC除了銅錫之間者,尚有錫鎳、錫銀、與錫金甚至錫鐵等IMC,其等後續平均成長之速度與活化能等比較列表如下:※各種IMC後續平均成長速率之比較IMC種類(焊溫中初生) IMC示性式擴散係數(m2/s) 活化能(J/mol)Cu/Sn銅/錫(接近共熔組成者) Cu6Sn5,Cu3Sn 1×106 80,000Ni/Sn 鎳/錫 Ni3Sn2,Ni3Sn4,Ni3Sn 2×107 68,000Fe/Sn鐵/錫 FeSn,FESn2 2×109 62,000Au/Sn金/錫 AuSn,AuSn2,AuSn4 3×104 73,000Ag/Sn銀/錫 Ag3Sn 8×109 64,000要注意的是上述銅錫之間IMC的成長情形,係針對其共熔組成的銲料(63/67)而言,其他錫鉛比合金對銅生長IMC的速率,則又有不同;但其擴散的過程都是來自底銅中的銅原子而向銲錫中逐漸滲入,且隨周遭溫度之上升而加速。