波峰焊接基础关键技术理论之三虚焊.doc
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1、波峰焊接基本技术理论之三 虚焊现象发生及其防止1 虚焊现象及其判据1.1 虚焊现象 现象1: 表面不润湿,焊点表面呈粗糙形状、光泽性差、润湿性不好(润湿角900),如图1所示。此时钎料和基体金属界面之间为一层不可焊薄膜所阻档,界面层上未能发生所盼望冶金反映(形成恰当厚度合金层Cu6Sn5+ Cu3Sn )。 这是一种显形虚焊现象,从外观上就能判断。现象2: 表面润湿,但钎料和基体金属界面未发生冶金反映(未形成恰当厚度合金层Cu6Sn5+Cu3Sn ),如图2所示。它是一种稳形虚焊现象,外观不易判断,因而危害极大。 1.2 虚焊判据 上面所表述两种不同虚焊现象,其共同特点都是结合界面未发生冶金反
2、映,未形成适当厚度(1.53.5)m合金层。因而,接合界面上与否形成了适当厚度铜锡合金层就构成了虚焊现象唯一判据。此时若将焊点扯破,就可发现钎料和基体金属之间互相成犬牙交错状裂痕,即基体金属上有钎料残留物,钎料上也有基体金属痕迹。相反,若将虚焊点扯破时,在基体金属和钎料之间没有任何互相楔入残留物,而是很清晰互相分开,好似用浆糊粘往同样。2 虚焊形成机理2.1 软钎接过程中所发生物理现象2.2.1 软钎接接合物理过程 通过软钎接,金属为什么会接合到一起并形成连接强度呢?以惯用锡-铅合金软钎料来说,它是通过软钎料润湿接合金属表面,运用扩散作用在界面产生合金层(金属间化合物),从而结成一体。以波峰焊
3、接为例,在适当温度作用下, 焊点在软钎接过程中所发生物理化学过程,按照发生先后可描述如下:2.2.2 润湿作用及Young定理2.2.2.1 润湿作用 软钎接过程中接合伙用第一步,是软钎料借助毛细管现象在接合金属表面上充分铺展开,这现象就叫做润湿。 为使熔融软钎料润湿固体金属表面,必要具备一定条件。其条件之一就是被焊金属表面必要是干净。这样软钎料与被接合基体金属原子间距离才干接近到原子间力作用限度。2.2.2.2 润湿过程中作用力 作用于原子间力 在高温下具备粘性二相似金属间,只要在高温下加上不大压力,就可以使它们之间互相紧密贴合。软钎接时,由于软钎料处在熔融状态,在金属表面产生润湿,不需加外
4、力,只要基体金属表面是干净,就能很容易地达到原子间力作用所需要距离。 熔融金属聚合力及附着力 润湿是物质所具备聚合力作用成果,而紧密贴合与表面张力关于。产生表面张力因素是聚合力。为了分析此问题,咱们以在玻璃管中液体和管壁接触部位状态来阐明,如图3所示。 在图3中,液体分子受到对玻璃壁附着力F f 及液体自身聚合力F c 作用(忽视重力作用),按液面形状作用于液面分子外力是垂直于液面。图3(左)由于水与玻璃壁之间附着力大,因此合力F d 方向是指向玻璃壁内。因而,合力F d 与成直角液面成为凹面。当浮现这种凹面时,因表面张力作用产生收缩力,而使管内液面上压力减少。然而在同一液面上各点压力必然是相
5、等,因此液面上升。 在软钎接中,润湿和熔融钎料聚合力及基体金属附着力关于,聚合力越弱,即固体面与液体原子附着力比液面原子聚合力越大,越易产生毛细管现象。 由此可知,为实现软钎接,一方面要产生润湿,由于润湿,当软钎料与基体金属原子间距离非常接近时,原子聚合力即发生作用,使软钎料与基体金属合并为一体,完毕了接合。 表面张力 表面张力是在液体表面分子因受聚合力作用而被拉向液体内部,成为表面面积最小时所发生。在液体内部每个分子,被其他分子所包围,受力状态是平衡。而液面分子,因其上部存在着不同相,而这个相分子密度小,因而受到垂直于液面并指向液体内部力。因而,在液体表面产生结膜现象,使表面面积收缩为最小(
6、球形)。这种力就是表面自由能,该力称为表面强力。 毛细管现象 在干净固体金属表面上,放置熔融状态干净钎料,钎料液体就会在固体金属表面扩展并润湿固体金属。这一现象是液态钎料在固体金属表面细小凹凸间隙中,借助于毛细管现象,向四方扩展而引起。 2.2.2.3 Young 定理 液态钎料在固体金属表面润湿过程,则产生下述自由能,如图5所示。 图5中: F SF :固体金属与助焊剂之间界面张力(自由能); F LS :液态钎料与固体金属之间界面张力(自由能); F LF :液态钎料与助焊剂之间界面张力(自由能); :接触角; cos:润湿系数。 这些自由能之间关系可以用Young定理来描述,即: PSF
7、=PLS+PLFcos ( 1 ) 设附着功为Wa ,其近似值可用下式表达: Wa=PSF+PLFPLS ( 2 ) 由式( 1 )和式 ( 2 )可得到: Wa = PLSPLF cos+PLF PLS PLF ( cos 1 ) ( 3 ) 图5中“A”点上三个矢量平衡状态,表达了表面能平衡,PLF 是作用于与液体曲面相切方向液体表面张力,也就是使液态钎料表面积为最小力。为1800时,为完全不润湿状态,而为00 时,为完全润湿。在工业批生产中可作如下分级: 00 300 润湿优良 300 400 润湿良好 400 550 润湿可接受 550 700 润湿不良2.2.3 扩散作用及Fick定
8、理2.2.3.1 扩散作用 在接合过程中,在发生润湿现象后及时伴有扩散作用,因而形成了界面层或合金层。因晶格中金属原子不断地进行着热振动,当温度达到足够高时,就从一种晶格向其他晶格自由移动,这现象称为扩散。移动速度及数量与温度和时间关于。 扩散随钎料、固体金属种类及温度等不同而各异,由扩散而形成中间层,对接合部物理、化学性能,特别是机械性能、抗蚀性能有很大影响。 软钎接中,钎料在基体金属晶粒中扩散称体扩散,扩散到基体金属内部晶粒中Sn可产生不同组分界面合金层,如图6所示。 2.2.3.2 金属间化合物 软钎接是依托在接合界面上生成合金层而形成连接强度。这种合金层普通是一种金属间化合物。这种以合
9、金金属成分按原子量比例结合化合物,叫做金属间化合物。 当用Sn/Pb系钎料焊接铜时,钎料中Sn向铜中扩散而产生Cu-Sn-Cu结合,这种结合与接合关于。在普通温度下生成Cu3Sn(相)(基体金属侧)、Cu6Sn5(相)(钎料侧),而在300以上时则将浮现Cu31Sn8(相)以及其他构造不明合金。 金属间化合物是一种硬度高而脆性大合金相。铜与锡化学亲合力很强,因而,在钎接界面上铜与锡形成金属间化合物生长不久,据关于资料简介,纯锡在265液态下与铜生成金属间化合物层,一分钟就能达到1.25m厚度。2.2.3.3 Fick定律 Fick定律描述了在软钎料过程中扩散现象发生规律: dmDS dt (
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