1-8 焊锡接合部的应力解析及可靠性评价
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
焊接结构可靠性及失效分析
课程教学大纲介绍-主要学习内容
3.焊接结构服役安全性及剩余寿命评估评价
断裂力学基础 焊接结构脆性和延性断裂 焊接结构的疲劳强度 焊接结构的脆断安全性评价
焊接结构的剩余寿命评估
4.焊接结构的失效分析
失效分析的思路与分析方法 焊接结构失效特征及分析 焊接缺欠的评定实例
核心教学目的：
掌握断裂力学在焊接结构可靠性评估中的运用方法。
1.2.2影响焊接结构可靠性的主要因素
焊接缺欠（明确“缺欠”与“缺陷”的差 别） 焊接应力（静载、疲劳、尺寸稳定性、机 加工精度、受压稳定性、应力腐蚀） 焊接变形 焊接接头的组织和微区力学性能（恶化） 应力集中 服役载荷特征（高低温、疲劳、静载、腐 蚀）
1.2.3焊接结构的主要失效形式
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法 自卸车承载后销轴短期疲劳失效-解决方案
解决方案：改变焊缝位置、降低应力集中
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
举例7：电机转轴短期疲劳失效 （断轴）
解决方案：降低焊接应力和应力集中
1.4焊接结构可靠性学习重点与分析思路
1.4.1各类失效事故统计 制造中验收不合格：
断口照片 焊缝根部未熔合、
预热温度低-应力高
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
自卸车承载后销轴短期疲劳失效
设计缺陷-应力集中大导致销轴根部短期疲劳断裂
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法 自卸车承载后销轴短期疲劳失效-解决方案
有限元建模分析是本案例核心方案
-解决结构设计（焊接应力、应力集中）及焊接工艺问题
320mm
车体侧墙板结构
地板结构
底架结构 11
高速列车事故直接反映出的问题
焊锡残余应力对焊锡强度的影响
焊锡残余应力对焊锡强度的影响你有没有想过，焊接时那些闪烁的焊锡到底经历了什么？大家都知道，焊接是把两根金属线缠在一起的过程，但你知道吗？焊锡不仅仅是“黏合剂”，它还带着一大堆“压力”呢。
对，没错，焊锡里面藏着一种我们不太重视的东西——那就是残余应力。
听着是不是有点像科学课上那些难懂的术语？但别担心，我会把它说得简单明了，你一听就懂！焊锡残余应力听起来像是个“隐形杀手”，它不显山不露水，但却悄悄影响着焊点的强度和稳定性。
就好像是你做个简单的手工活，结果手腕一紧，指头没注意就抽筋了，问题就来了。
焊锡也是这样，外界环境、焊接过程中的温度变化，甚至是焊接时工具的压力，都会在焊锡上留下“印记”——那就是所谓的“残余应力”。
这些应力一旦积累过多，焊点就可能“爆炸”，或者“开裂”，而我们根本没发现。
你会发现，残余应力的影响其实很微妙。
它不像那种直接就能看到的裂纹、变形，而是悄悄藏在焊点里面，默默“蠕动”。
想象一下，如果你手里的焊锡接头有点不太牢固，或者焊接工艺不规范，焊锡里就会积累一些“隐形的压力”。
这个时候，强度就受到影响。
就好像你的手机屏幕，明明看着没事，但掉地上一摔，整个屏幕碎裂，你才恍然大悟，原来那点隐藏的裂缝早就存在了。
说到这里，你可能会想，“那怎么办？我能做点啥不让它积累太多应力？”其实办法有的，只不过得从源头上动脑筋。
焊接温度、焊接时间、焊接速度等等，都会影响焊锡的应力分布。
温度过高，焊锡会过热膨胀，等冷却时就容易收缩，从而留下“内伤”；温度过低，焊锡又无法充分熔化，接点没法结实，就可能导致焊接不完全。
找到一个“刚刚好”的温度，不仅能让焊锡完美地与金属融合，还能避免多余的应力堆积，这就像做菜，火候掌握得好，菜肴才会美味。
还得注意焊接的“速度”。
如果太快，焊锡和金属表面接触不够充分，表面可能会有气泡，焊点就容易“自爆”。
如果太慢，焊锡可能会在某个点上长时间受热，也不行，还是容易出问题。
所以说，焊接时的“节奏感”特别重要，做得太快或太慢都不行，得恰到好处，像跳舞一样得有个合适的步伐。
焊接应力与变形分析及改善措施
焊接应力与变形的分析及改善措施作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。
然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能，如果严重的话甚至会导致焊件报废。
有鉴于此，必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，并采取有力措施控制焊接变形量，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量1 焊接变形的基本类型分析焊接变形的基本类型。
所谓焊接变形是指钢结构在焊接过程中，由于施焊电弧高温引起的变形，以及焊接完成后在构件中的残余变形现象。
在这两类变形中，焊接残余变形是影响焊接质量的主要因素，也是破坏性最强的变形类型。
焊接残余变形对结构的不同层次的影响分为整体变形和局部变形；根据变形的不同特点则可分为：角变形、弯曲变形、收缩变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形。
在这些变形类型中，角变形和波浪变形属于局部变形，而其他类型的变形属于整体变形。
钢结构发生较多的变形类型是整体变形。
2. 焊接变形产生的原因分析。
钢结构刚度：刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力。
钢结构的刚度主要取决于结构截面形状和尺寸的大小。
图给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。
焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。
热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力和变形。
材料因素主要包括有材料特性、热物理常数及力学性能（热膨胀系数α＝f （T），弹性模量E＝f（T），屈服强度σs＝f（T），σs（T）≈0时的温度TK或称“力学熔化温度”以及相变等）；在焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。
制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性）则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度。
焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。
通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下。
《锡焊可靠性分析》课件
3
通讯电子
移动通信设备、网络设备等通讯电子设备中也广泛采用锡焊技术。
结论
1 锡焊可靠性对于电子设备的稳定性
和寿命具有重要意义。
2 锡焊可靠性分析有助于提高电子设
备的可靠性和寿命。
参考文献
• XXX • XXX • XXX
电学性能测试
通过电阻、绝缘电阻等测试方法，评估焊点的电学特性。
热老化实验
通过在高温高湿环境下进行实验，模拟锡焊在长时间使用后的可靠性。
锡焊可靠性分析的应用
1
汽车电子
电子控制单元(ECU)、马达控制模块(MCM)等汽车电子设备均采用锡焊技术。
2
航空电子
飞行器、导弹等航空电子设备对于可靠性的要求极高，因此锡焊技术应用广泛。
锡焊可靠性分析
本课件将介绍锡焊可靠性的概念、影响因素、测试方法和应用，帮助您了解 锡焊对于电子设备的重要性。
概述
什么是锡焊可靠性？
锡焊可靠性是指在特定条件下，锡焊结构能够满足其使用要求的能力。
为什么需要进行锡焊可靠性分析？
随着电子设备的普及，锡焊对于设备的稳焊可靠性的影响因素
焊接材料的选择
焊料的成分、形状和尺寸都会对 锡焊的可靠性产生影响。
焊接工艺参数
焊接温度、焊接时间和焊接压力 等参数会影响焊点的质量和可靠 性。
焊接质量控制
焊接过程中的质量控制，如焊接 设备的校验和烙铁的使用条件等， 都会影响锡焊的可靠性。
锡焊可靠性的测试方法
机械性能测试
通过拉伸、弯曲、剪切等测试方法，评估焊点的机械强度。
教材N8-焊接应力与变形
教材N8-焊接应力与变形第一节焊接应力与变形的产生及危害一、焊接应力及变形的一些基本概念为了更好地把握焊接应力和焊接变形，首先让我们先来了解应力和变形的一些基本概念。
1．应力和内应力当物体受到外力作用下，物体内部就同时产生一种与外力平衡的抗力，单位面积上的抗力就称为应力。
应力根据其作用的方向分为压应力和拉应力，这种应力往往随外力去除而消失。
内应力是在没有外力作用下平衡于物体内部的应力。
这种应力存在于许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。
同时在焊件加工过程中也会产生内应力，如机械加工、金属切割和焊接等。
2．焊接应力和焊接残余内应力顾名思义，焊接应力就是因焊接而产生的存在焊件内的内应力。
焊接应力根据其产生的主要原因分为：温度应力（又称为热应力）和组织应力（又称为相变应力）。
热应力是由于构件受热不均匀而存在着温度差异，各处膨胀变形或收缩变形不一致互相约束而产生的内应力。
在焊接过程中，由于不均匀的局部加热和冷却会形成较大的热应力。
组织应力是由于固态相变引起体积变化并受到约束而产生的内应力。
在焊接过程中，热应力和组织应力是一种瞬态应力，随焊接过程而变化。
如果应力低于金属材料的屈服点，变形均在弹性范围内，焊件冷却到室温后，应力将随之消失；反之，如果焊接达到金属材料的屈服点，材料将发生局部塑性变形，那么当焊件冷却到室温后，焊件中就存在残存的应力，这种应力称为焊接残余内应力。
我们通常所说的焊接应力一般指焊接残余内应力。
3．变形及焊接变形任何物体在外力或热作用下都会产生形状和尺寸变化，这种现象称为变形。
当变形在外力去除后能恢复到原来形状和尺寸的变形称为弹性变形；当外力去除后变形仍然存在，这种永久-1-性的变形称为塑性变形。
焊接变形是由于焊接热或机械作用而引起的变形。
焊接过程中，焊件在热源作用下温度受热膨胀，热源移开后焊件冷却收缩，这种膨胀和收缩是焊接过程中的瞬态变形。
当这种膨胀和收缩在不均匀加热、约束等多种因素相互作用下，会导致焊件焊接后的尺寸收缩、弯曲和翘曲变形，这些变形都是焊接残余变形。
锡焊可靠性分析共64页文档
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
锡焊可靠性分析
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散1来自0、倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
焊点可靠性之温度循环载荷下SMT焊点内部应力-应变场分析
焊点可靠性之温度循环载荷下SMT焊点内部应力-应变场分析SMT焊点内部应力-应变场的分析是一个材料非线性、几何非线性、载荷非线性的复杂问题，尽管存在一些解析分析方法[10,11,77-80]，FEM无疑提供图1-5 Sn-Pb共晶合金蠕变试验数据与Wong方程计算结果比较[69]Fig. 1-5 Comparison of experimental creep data and calculation resultsby Wong’s equation for Sn-Pb eutectic solder了最好的分析工具[81]。
在有限元网格模型建立方面，绝大多数研究采用二维网格[8,12,13,27,75,82-85]，一方面是因为节省计算时间和资源，另一方面是因为进行断裂力学参数计算时，J积分不存在三维表达式。
典型SMT二维网格见图1-6，只包含整个SMT组件的有限个焊点。
Bhatti等人采用网格转换的多点约束方法解决了整个SMT组件的网格划分问题，见图1-7，实现了真正的三维实体有限元网格建模[75]。
—1 —图1-6 典型SMT焊点二维有限元网格划分[13]Fig. 1-6 Typical two-dimensional FEM model of SMT solder joints图1-7 52引脚PLCC封装J形引线SMT焊点三维有限元网格划分[75]Fig. 1-7 Three-dimensional FEM model of 52-pin PLCC从文献资料来看，SMT焊点内部应力-应变场的FEM分析在焊点可靠性研究方面主要有三种应用。
(1) 通过计算得出焊点内部循环非弹性应变范围以代入M-C型方程预测焊点寿命。
如Mukai等人在预测BGA焊点寿命时，先通过FEM计算得出循环等效蠕变应变范围(见图1-8)，而后代入下式预测焊点热疲劳寿命[86]：.194ε∆N=.0-146()(1-12)fcr图1-8 BGA焊点钎料合金凸台的等效蠕变应变范围分布[86]Fig. 1-8 Equivalent creep strain range distribution in solder bump of BGA(2) 根据焊点内部最大等效应力或等效非弹性应变位置来预测裂纹萌生地点。
1-8-焊锡接合部的应力解析及可靠性评价
焊锡接合部的应力解析及可靠性评价日立制作所股份有限公司北野诚因电子产品的装配使用焊锡，如一个地方出现接触不良就会造成系统停运，所以焊锡接合部的可靠性评价是极其重要的。
本稿将以可靠性评价为目的，通过应力解析来加以概述。
焊锡接合部的破坏原因及可靠性评价焊锡接合部主要的破坏原因由图1所示。
（a）是经过反复的温度变化造成的热疲劳破坏。
因LSI封装件的线膨胀系数αp和基板的线膨胀系数αs不一样，只要温度出现⊿T的变化，将会发生相对位移δ的改变。
假定焊锡和引脚的刚性远小于封装件的刚性，则δ可以由下式表示出，δ= L（αp-αs）⊿T----------（式1）这种位置变化将向软的焊锡集中，造成过大的（焊锡处）应力发生，该过程不断重复，直至疲劳破坏。
（b）是装配工程中因基板的翘曲变形引起的疲劳破坏。
（c）是由跌落冲击产生的破坏，属手持电话类的移动机器出现的问题。
因此，焊锡接合部的破坏原因多种多样，通过应力解析将可以对可靠性进行预测。
图2列出了一般的可靠性预测手法。
产品和材料的选定，构造设计，同时加上对使用环境的把握。
以此为原型，在对可靠性评价的材料所发生的应力、翘曲等强度参数进行解析的基础上获得相应的参数。
此时所必要的就是与材料强度相关的数据。
把求得的（材料）参数与材料固有的强度数据进行对比，预测其可靠性水准。
当预测的可靠性比目标可靠性低时，就必须改动产品设计。
同样，当目标可靠性得到满足时，再开展加速（可靠性）试验进行确认，从而完成可靠性设计。
焊锡最重要可靠性是疲劳寿命。
焊锡在受到反复的（应力导致的）位移时将会发生龟裂，继续发展下去导致断裂。
直至断裂时的循环数（疲劳寿命）与焊锡歪斜的关系范例由图3所示。
可以知道温度的影响很小。
如果能求得焊锡发生歪斜的解析，就可根据图3来预测寿命。
焊锡应力的解析方法更加简单的方法就是利用应力解析方法（式1）。
与封装件和基板相比，假设焊锡的刚性非常小，那么焊锡发生断裂倾斜γ是：γ=δ/h = （αp-αs）⊿T/h---------（式2）如果断裂歪斜与寿命相关的数据有关的话，就可以对寿命进行预测。
锡焊原理与焊点可靠性分析-经典课件
冷却后形成焊点
材料力学——强度（拉力、剥离疲劳）、应力集中
锡焊原理与焊点可靠性分析-经典
焊接过程中焊接金属表面（母材，以Cu为例）、 助焊剂、熔融焊料之间相互作用
1. 助焊剂与母材的反应
（1）松香去除氧化膜——松香的主要成分是松香酸， 融点为74℃。170℃呈活性反应， 300℃以上无活性。 松香酸和Cu2O反应生成松香酸铜。松香酸在常温下 和300℃以上不能和Cu2O起反应。
由于液体内部分子受到四周分子的作用力是对 称的，作用彼此抵消，合力=0。但是液体表面分子受 到液体内分子的引力大于大气分子对它的引力，因此 液体表面都有自动缩成最小的趋势。
熔融焊料在金属表面也有表面张力现象。
大大气
液体表面分子受液体内分子的引力＞大气分子引力
锡焊原理与液焊点体可靠内性部分析分-经子典 受力合力=0
（2）溶融盐去除氧化膜——一般采用氯离子Cl-或氟离 子F- ，使氧化膜生成氯化物或氟化物。
（3）母材被溶蚀——活性强的助焊剂容易溶蚀母材。
（4）助焊剂中的金属盐与母材进行置换反应。 锡焊原理与焊点可靠性分析-经典
2. 助焊剂与焊料的反应 （1）助焊剂中活性剂在加热时能释放出的HCl，与SnO
起还原反应。 （2）活性剂的活化反应产生激活能，减小界面张力，
Wa = CSL +ALV COSθ+ ALV- CSL Wa = ALV（1 + COSθ ）——润湿力关系式
S：固体 L：液体 V：气体 θ ：润湿角
从润湿力关式可以看出：润湿角锡焊θ越原理小与，焊点润可湿靠性力分越析-大经典
润湿条件
（a）液态焊料分与子母运材动之间有良好的亲和力，能互相溶解。 互溶程度取决于：原子半径和晶体类型。因此润湿是
焊接应力和集中
01
焊接应力和集中可能导致结构局部区域应力集中，降低结构承 载能力，影响结构的稳定性。
02
焊接残余应力可能导致结构在承受外载荷时发生屈曲或失稳，
特别是在焊接接头的薄弱部位。
焊接热影响区的力学性能可能发生变化，如脆化、软化等，影
03
响结构的稳定性。
对结构疲劳寿命的影响
焊接应力和集中可能增加结构 在循环载荷下的应力幅值，加 速疲劳裂纹的形成和扩展。
性。
疲劳强度
焊接应力会加速结构疲 劳裂纹的萌生和扩展， 降低结构的疲劳寿命。
腐蚀
焊接应力会加速结构腐 蚀裂纹的萌生和扩展，
影响结构的耐久性。
02
焊接应力类型
热应力
热应力是由于焊接过程中局部加热和冷却不均匀而产生的温度梯度所引起的应力。
热应力主要发生在焊接过程中，由于焊缝和热影响区的温度变化，导致材料热膨胀 和收缩不均匀，产生热应力和变形。
下的脆性断裂风险。
焊接热影响区的脆化可能降低结 构的韧性，使结构在承受载荷时
容易发生脆性断裂。
05
焊接应力和集中的缓解措施
热处理工艺
总结词
热处理工艺是一种常用的焊接应力缓解措施，通过加热和冷 却的过程，使焊接区域及其附近区域产生塑性变形，从而释 放焊接应力。
详细描述
热处理工艺通常包括预热、保温和缓冷三个阶段。预热可以 减小温度梯度，减小热应力；保温阶段可以使得焊接区域充 分发生塑性变形，释放应力；缓冷阶段则可以减小冷却速度 ，减小淬火应力。
采用合理的焊接顺序、焊接速度和焊 接参数等工艺措施，减小焊接过程中 产生的应力。
焊后热处理
通过焊后热处理消除或减小焊接残余 应力，改善焊缝区的力学性能。
加强检验与监测