焊接基础知识.

YNZY焊接基础知识-1-焊接基础知识第一章焊接理论一、焊接的含义焊接是利用比被焊接金属熔点低的材料，与被焊接金属一同加热，在被焊接金属不熔化的条件下，熔融焊料润湿金属表面，并在接触面上形成合金层，从而达到牢固的连接的过程。在焊接过程中，为什么焊料能润湿被焊金属？怎么样才能得到可靠的连接？通过对焊接原理的分析，可以得到初步的了解。一个焊点的形成要经过三个阶段的变化：1、熔融焊料在被焊金属表面的润湿阶段；2、熔融焊料在被焊金属表面的扩展阶段；3、熔融焊料通过毛细管作用渗透焊缝，与被焊金属在接触面上形成合金层。其中，润湿是最重要的阶段，没有润湿，焊接无法进行。二、焊接的润湿作用任何液体和固体接触时，都会产生程度不同的润湿现象。焊接时，熔融焊料（液体）会程度不同地黏附在各种金属表面，并能进行不同程度的扩展，这种粘附就是湿润。润湿得越牢，扩展面越大，润湿得越好，反之，润湿性不好或根本不湿润。为什么会产生润湿程度的差异，其原因是液体分之（熔融焊料）与固体分子（被焊金属）之间的相互引力（粘结力）大于或小于液体分子之间的相互引力（表面张力）决定的，即：粘结力＞表面张力，则湿润；粘结力＜表面张力，则不湿润。YNZY焊接基础知识-2-根据上述原理，焊接时降低熔融焊料的表面张力，可提高焊料对被焊金属的润湿能力。而降低焊料表面张力的最有效手段是：焊接时使用焊剂。为了使焊料能迅速湿润被焊金属，必须达到金属间的直接接触，也就是说焊料和被焊金属接触面必须干净，任何污染都会妨碍润湿和金属化合物生成。因此，保持清洁的接触表面是润湿必须具备的条件。但是金属表面总是存在氧化物、油污等，因此焊接前对被焊金属表面都要进行清洁处理。三、焊点的形成3.1焊点形成的作用力一个焊点形成是多种作用力综合作用的结果。在一块清洁的铜板上涂上一层焊剂，并在上面放置一定的焊料，然后将铜板加热到规定的温度，焊料熔化后就形成了下图的形状。图3-3YNZY焊接基础知识-3-(图3-2)中可以看出，通过接触角的大小，可以衡量焊料对被焊金属润湿性能的好坏，如图3·3所示。当θ＜90°时COSθ＞0，湿润当θ＞90°时COSθ＜0，不湿润当θ→0°时COSθ→1，完全湿润当θ→180°时COSθ→-1，完全不湿润一般来说，θ=20°～30°，为良好的润湿，是合格的焊点。从以上可以看出，焊点形成的优劣取决于焊料和焊剂的性能，以及被焊金属的表面状态，同时也取决于焊接工艺条件和操作方法。3.2焊点（合金层）的形成——金属间扩散作用熔融材料润湿被焊金属时，会产生金属间的扩散，从而在金属接触面上形成合金层，达到焊接的最终目的。任何金属内部都不是完全致密的，在晶格内部或晶格界面上总存在一定数量的间隙或空穴。在正常情况下，金属原子在晶格中都可以以其平衡位置为中心进行不停的热运动，这种运动随温度的增高，其频率和能量也逐步增高，当达到足够的能量和温度时，某些原子会克服周围原子对它的束缚，脱离原来占据的位置，这种现象就是扩散。如进行铜和铜合金焊接时，在一定的工艺条件下，焊料中的锡原子和被焊金属铜原子都会扩散到金属接触面，形成铜锡合金Cu5Sn6、Cu3Sn）。YNZY焊接基础知识-4-金属间的扩散速度和扩散量，与温度和时间密切相关，因此，在焊接技术中，焊接温度和焊接时间等工艺是保证焊接质量达到可靠连接的重要条件。另外，焊接时能否形成合金层还取决于被焊金属与焊料之间亲和力的大小有关。亲和力大，则生成金属化合物（合金层）；亲和力小，则生成固溶体；亲和力特别小，则生成混合物。这说明焊料润湿被焊金属与被焊金属本身特性有关，在电子导电材料中，大多采用Cu、Au、Ag等材料和镀层，就是为了提高焊料对被焊金属的润湿能力。四、提高焊接质量的对策根据以上对焊接机理的分析，我们知道电子产品的焊接过程是一项复杂的物理化学变化过程，焊点的形成是综合作用力的结果。由此，提高焊接质量的对策是：1、必须保持一个清洁的接触表面；2、要想办法降低焊料的表面张力；3、要保持一定的焊接温度和焊接时间；4、要了解被焊金属的表面特性。第二章焊接材料焊接材料包括焊料和焊剂两种，即连接金属的焊料和清除金属表面氧化物的焊剂。一、焊料YNZY焊接基础知识-5-1.1分类按照熔点分，焊料可分为软焊料和硬焊料两种。熔点大于450℃的称为硬焊料，小于450℃的称为软焊料。由于电子产品焊接通常采用锡铅合金（俗称焊锡）软材料，故而以下重点介绍Sn-Pb合金焊料。1.2Sn-Pb合金焊料1.2.1Sn-Pb合金金属相图从Sn-Pb合金的相图可以看出，Sn-Pb合金由α(Sn)相和β(Pb)相两种固溶体和α+β相合成的共晶体组成。b点为共晶点，Sn的含量为61.9%，Pb的含量为38.1%。按照该比例制成的焊料为共晶焊料，其熔化温度（共晶温度）为183℃。Sn19%L(单相区)327181α+Lβ+LPb—Sn合金状态图αβ液相线共晶点液相线固相线Sn97%bα+β232YNZY焊接基础知识-6-1.2.2Sn-Pb焊料（共晶焊料）的特点1、共晶焊料的熔化温度比其他配比的温度都要低，这样可以减少焊料对元器件的热损伤。2、共晶焊料加热时由固态直接变成液态，不存在半熔状态，这样可以防止焊料凝固时连接点晃动造成的虚焊。3、流动性好，表面张力小，侵润性好，有利于提高焊接质量。4、共晶焊料的电气和机械性能优良（机械强度高、导电性能好）。因此，共晶焊料被广泛应用于电子产品的焊接。1.2.3Sn-Pb焊料中杂质对焊接的影响锡铅焊料除了主要成分锡和铅外，还含有少量的其它金属杂质。在金属杂质中，有些是无害的，有些则不然，即使含有微量也会对焊接质量造成程度不同的影响。因此，正确使用焊料，控制杂质含量，是提高焊接质量的措施之一。国标（GB3131）规定的杂质含量如下：焊料牌号成分（%）杂质含量（%）锡锑铅铜铋砷铁硫锌铝其它SnPb59-61＜0.8余量0.080.10.050.020.020.002杂质对焊接性能的影响：锑（Sb）：焊料中的主要杂质（在矿石中锑常与锡结合在一起）。少量锑的存在有利于提高焊料的机械强度，特别能改善连接处的低温性能。含量在3%以下时，对焊点的外观光泽无影响，但含量过高会使焊点脆化，使焊料流动性和润湿性差。YNZY焊接基础知识-7-锌（Zn）：焊料中最有害杂质之一。其含量达到0.001%时，影响就会表现出来，含量达到0.005%时，焊料表面会产生氧化锌（ZnO）薄膜，使焊接性能劣化，流动性下降，焊点失去光泽，表面粗糙。锌通常从镀锌零件带入焊料槽或焊点，另一来源是焊接黄铜零件，焊料中的锡会从黄铜中溶解锌。铝（AI）:微量的铝杂质就会使焊点出现砂粒状外观，并加速焊料表面的氧化，使焊料槽的浮渣增加，焊料的流动性和润湿性下降。铝通常是在自动焊接过程中由夹具磨损带入的。铋（Bi）:焊料中铋的含量增加，会使焊料熔点降低，是制造低温焊料的材料，但也会降低焊料的机械性能。铜（Cu）:铜杂质是焊料中最常见的杂质，铜含量增加会造成焊料熔点增高，焊点性能变脆，润湿性下降。金（Au）:在过去焊料槽中金是主要杂质，人们常优先采用金作为元器件引线和印制板的镀层。但焊接后Sn-Au-Cu金属化合物会促成焊点产生裂纹，因此金作为镀层越来越少。焊料中金杂质的增加会造成焊点失去光泽，甚至会出现砂粒状外观，还会降低焊料的润湿性能。因此，焊料中金杂质的含量最大值为0.1%。银（Ag）:银是另一种镀层带进焊料中的杂质，也是有害性最小的杂质之一。在某些焊料中还故意加银，以解决微电子焊接中银层的迁移带来的危害。银含量过高会使焊点灰暗，并降低焊料的流动性。二、焊剂2.1分类YNZY焊接基础知识-8-焊剂也称助焊剂，其分类方法很多，通常焊剂分为无机助焊剂（如ZnCl、NH4Cl、HCl等）、有机助焊剂（有机酸、有机卤素等）和树脂型助焊剂（如松香等）。具体如下：正磷酸H3PO4酸盐酸（HCI)无机系列氟酸(HF)盐-氧化物ZnCl2、NH4Cl、SnCl2有机酸（硬脂酸、乳酸、油酸、氨基酸等）助焊剂有机系列有机卤素（盐酸笨胺等）尿素、乙二胺等松香树脂型活化松香氧化松香熔融焊料在被焊金属表面要想产生“润湿”和“扩展”，就只有在被焊金属和焊料之间的距离达到相互作用的原子间距时才能发生。而妨碍原子间相互接近的是金属表面的氧化层和杂质。为了去除氧化层和防止焊接时金属表面氧化，必须使用焊剂。2.2焊剂的作用原理焊剂的作用原理示意图如下：热分介热分介去膜去膜被焊金属活性金属活性金属焊料金属氧化物金属层润湿扩展焊剂金属氧化物YNZY焊接基础知识-9-2.2.1焊剂的化学作用利用焊剂的活性，清除金属表面的氧化物，因此，焊剂的化学作用主要表现在亲氧性方面，即在达到焊接温度前充分地使金属表面的氧化物还原或置换，形成新的金属盐类化合物。下面以松香为例，对焊剂的化学作用进行分析。松香是电子工业中最常用的焊剂，松香中的有机酸的主要成分是松香酸，而松香酸在170℃时，活性表现充分，靠本身的功能基因胫基起助焊作用，以达到去除金属表面氧化物的目的。其化学反应如下（以焊接铜金属为例）：CuO+2C19H29COOH→Cu(C19H29OCO)2+H2O上式为氧化铜和松香酸在加热条件下，生成松香酸铜（金属盐），它只是一瞬间生于焊盘周围，而松香酸铜受热分解，除生成活性铜外，还可以从松香酸铜中取得[H]+，从而形成胫基基因，重新聚合为松香酸。Cu(C19H29OCO)2→C19H29COOH+Cu生成的活性铜可以与熔融焊料反应生成铜锡合金。Cu+Sn-Pb→Cu-Sn-Pb2.2.2焊剂的物理作用焊接时使用焊剂能降低焊料的表面张力，从而提高焊料对被焊金属的润湿能力。如，共晶焊料的表面张力为49Pa,使用松香焊剂时表面张力为39Pa,若用氯化锌时表面张力降为33.1Pa。YNZY焊接基础知识-10-同时，焊剂可以改善焊接时的热传导，很快达到热平衡。因焊接表面有一定的粗糙度，焊接面谷点的间隙内有空气存在，起着隔热作用，施加焊剂后，间隙内被焊剂填满，加快了热量传递并建立热平衡，保证了焊接质量。2.3焊剂的性能要求1、焊剂中各组份之间不应因相互作用而降低助焊性能，储存时有长期稳定性；2、表面张力比焊料小，润湿扩散速度比焊料快；3、焊剂熔点应低于焊料，在加热过程中有一定的热稳定性；4、焊接时焊剂的活性发挥充分，而在常温下化学性能稳定，无腐蚀性；5、存放或焊接时不会产生有毒、有强烈臭味的气体；6、焊剂的电气性能优良，绝缘电阻高，残留物容易清除。第三章焊接工具——电烙铁一、电烙铁的分类按加热方式，电烙铁可分为直热式、感应式、两用式和恒温式等几种。1.1直热式电烙铁为单一焊接使用的电烙铁，最常使用，它可分为内热式和外热式两种。YNZY焊接基础知识-11-1、内热式电烙铁内热式电烙铁的发热元件在烙铁头的内部，从烙铁头内部向外传热，所以被称为内热式电烙铁，如下图所示2、外热式电烙铁外热式电烙铁的发热元件在烙铁头外，如下图所示1.2感应式电烙感应式电烙铁也叫速热烙铁，俗称焊枪。它里面实际上是一个变压器，这个变压器的次级一般只有一匝。当变压器初级通电时，次感应出的大电流通过加热体，使和它连接的烙铁头迅速达到焊接所需要的温度。这种烙铁的特点是加热速度快，一般通电几秒钟，即可达到温度，不需要持续通电。它的手柄上带有开关，工作时只需按下开关几秒钟即可进行焊接，适用于断续工作。1.3两用式电烙铁YNZY焊接基础知识-12-即焊接和拆焊两用的电烙铁，又称锡电烙铁。它是普通直热式电烙铁上增加吸锡结构组成，具有加热、吸锡两种功能。也可将吸锡器做成单独的一种工具。1.4恒温电烙铁该种电烙铁又分为自动和手动两种。手动实际上是将电烙铁接到一个可调电源（如调压器）上，由调压器上的刻度可以确定调定烙铁的温度。自动恒温电烙铁一种是依靠温度传感元件监测烙铁头的温度，并通过放大器输出的信号放大，控制电烙铁的供电电路，从而达到恒温的目的。另一种是强磁体传感器磁性在某一温度时的磁性消失的特性达到恒温的目的。二、电烙铁的合理选用2.1选用原则1、必须满足焊接所需的热量，并能在操作过程中保持一定的温度；2、