焊接機(jī)理完整版

潤(rùn)濕：在焊接過程中，我們把熔融的焊料在被焊金屬表面上形成均勻、平滑、連續(xù)并且付著牢固的合金的過程，稱之為焊料在母材表面的潤(rùn)濕。

潤(rùn)濕力：在焊接過程中，將由于清潔的熔融焊料與被焊金屬之間接觸而導(dǎo)致潤(rùn)濕的原子之間相互吸引的力成為潤(rùn)濕力。

焊料的潤(rùn)濕與潤(rùn)濕力

在自然界中有很多這方面的例子，舉例來說，在清潔的玻璃板上滴一滴水，水滴可在玻璃板上完全鋪開，這時(shí)可以說水對(duì)玻璃板完全潤(rùn)濕；如果滴的是一滴油，則油滴會(huì)形成一球塊，發(fā)生有限鋪開，此時(shí)可以說油滴在玻璃板上能潤(rùn)濕；若滴一滴水銀，則水銀將形成一個(gè)球體在玻璃板上滾動(dòng)，這時(shí)說明水銀對(duì)玻璃不潤(rùn)濕。
焊料對(duì)母材的潤(rùn)濕與鋪展也是一樣的道理，當(dāng)焊料不加助焊劑在焊盤上熔化時(shí)，焊料呈球狀在焊盤上滾動(dòng)，也就是焊料的內(nèi)聚力大于焊料對(duì)焊盤的附著力，此時(shí)焊料不潤(rùn)濕焊盤；當(dāng)加助焊劑時(shí)，焊料將在焊盤上鋪開，也就是說此時(shí)焊料的內(nèi)聚力小于焊料對(duì)焊盤的附著力，所以焊料才得以在焊盤上潤(rùn)濕和鋪展。

熔化的焊料要潤(rùn)濕固體金屬表面所具備的條件有兩條：

1、液態(tài)焊料與母材之間應(yīng)能互相溶解，即兩種原子之間有良好的親和力。

2、焊料和母材表面必須“清潔”。

這是指焊料與母材兩者表面沒有氧化層，更不會(huì)有污染。母材金屬表面氧化物的存在會(huì)嚴(yán)重影響液態(tài)焊料對(duì)基體金屬表面的潤(rùn)濕性，這是因?yàn)檠趸さ娜埸c(diǎn)一般都比較高，在焊接溫度下為固態(tài)，會(huì)阻礙液態(tài)焊料與基體金屬表面的直接接觸，使液態(tài)焊料凝聚成球狀，即形成不潤(rùn)濕狀態(tài)。

表面張力:表面張力是化學(xué)中一個(gè)基本概念,表面化學(xué)是研究不同 相 共同存在的系統(tǒng)體系,在這個(gè)體系中不同 相 總是存在著界面,由于 相 界面分子與體相內(nèi)分子之間作用力有著不同,故導(dǎo)致相界面總是趨于最小化.(能量守恒定率)

表面張力與潤(rùn)濕力

在焊接過程中,焊料的表面張力是一個(gè)不利于焊接的重要因素,但是,因?yàn)楸砻鎻埩κ俏锢淼奶匦?只能改變它,不能取消它,在SMT焊接過程中,降低焊料表面張力可以提高焊料的潤(rùn)濕力.

減小表面張力的方法(以錫鉛焊料為例)

1) 表面張力一般會(huì)隨著溫度的升高而降低
2) 改善焊料合金成分(如錫鉛焊料:隨鉛的含量增加表面張力降低)
3) 增加活性劑,可以去除焊料的表面氧化層,并有效地減小焊料的表面張力
4) 采用不能的保護(hù)氣體,介質(zhì)不同,焊料表面張力不同.
采用氮?dú)獗Ｗo(hù)的理論依據(jù)就在與此.

在SMT生產(chǎn)中，元器件是放置在錫膏之上，錫膏熔化的瞬間所形成的表面張力會(huì)作用在元器件的端電極上,對(duì)片式元件來說，由于元件重量極輕,若焊盤面積大小不一致,焊盤熱容量就不一樣,則兩焊盤上錫膏熔化時(shí)間不一致,錫膏熔化時(shí)所產(chǎn)生的表面張力不一樣,由于表面張力的不平衡,會(huì)導(dǎo)致元件出現(xiàn)力碑缺陷.

潤(rùn)濕角：是指焊料與母材間的界面和焊料熔化后焊料表面切線之間的夾角，又稱接觸角。

潤(rùn)濕程度與潤(rùn)濕角

圖1 液態(tài)焊料在母材表面穩(wěn)定時(shí)的潤(rùn)濕角

Cosθ=(σ固?氣-σ固?液)/σ液?氣

式中：σ固?氣為基體金屬與氣相(或釬劑)之間的界面張力；
σ固?液為基體金屬表面與液態(tài)釬料之間的界面張力；
σ液?氣為液態(tài)釬料的界面張力；
接觸角θ的大小表征了體系潤(rùn)濕與鋪展能力的強(qiáng)弱。θ= 0°時(shí)，稱為完全潤(rùn)濕；0°<θ<90°時(shí)，稱為潤(rùn)濕；90°<θ<180°時(shí)，稱為不潤(rùn)濕；θ=180°時(shí)，稱為完全不潤(rùn)濕。
焊接時(shí)，液態(tài)焊料對(duì)固態(tài)母材的潤(rùn)濕是最基本的過程。因此，要獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，就必須保證液態(tài)焊料能良好地潤(rùn)濕母材，只有這樣，釬料才能順利填充釬縫間隙，所以，一般情況下希望液態(tài)焊料在母材上的接觸角要小于20°。SMT焊接要求小于30°。

潤(rùn)濕程度的目測(cè)評(píng)估

潤(rùn)濕程度的大小，分為下列幾種狀態(tài)：

1) 潤(rùn)濕良好：指在焊接面上留有一層均勻、連續(xù)、光滑、無裂痕、付著好的焊料，此時(shí)潤(rùn)濕角小于30度。通過切片觀察，則在結(jié)合面上形成均勻的金屬面化合物，并且沒有氣泡。

2) 部分潤(rùn)濕：金屬表面一些地方被焊料潤(rùn)濕，另一些地方表現(xiàn)不潤(rùn)濕。在潤(rùn)濕區(qū)的邊緣上，潤(rùn)濕角明顯偏大。

3) 弱潤(rùn)濕：表面起初被潤(rùn)濕，但過后焊料從部分表面濃縮成液滴。

4) 不潤(rùn)濕：焊料在焊料面未能形成有效鋪展，甚至在外力作用下，焊料仍可去除。

毛細(xì)現(xiàn)象及其在焊接中的作用

毛細(xì)作用：是液體在狹窄間隙中流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出來的固有特性。在實(shí)際生活中有很多這樣的例子，例如：將兩塊平行的玻璃板或直徑很細(xì)小的潔凈管子插入某種液體中，液體在平板之間或在細(xì)管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象：一種是液體沿著間隙或細(xì)小內(nèi)徑上升到高出液面的一定高度h,如圖2(a)所示；另一種是液體沿著間隙或細(xì)小內(nèi)徑下降到低于液面的一定高度h，如圖2(b)所示，這種現(xiàn)象稱為“毛細(xì)作用”。液體在毛細(xì)作用下，在間隙或細(xì)小內(nèi)徑中上升或下降的高度，可由下式確定：

h=2σ液·氣·cosq / g·ρ·r

式中：σ液·氣—液相與氣相界面上的界面張力；
q—潤(rùn)濕角；
r—毛細(xì)管的半徑(或平板間隙)；
g—當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋?br>ρ—液體的密度。

圖2 細(xì)小間隙中的毛細(xì)作用

圖3 毛細(xì)作用效應(yīng)

據(jù)我們中學(xué)的物理中所講，平行間隙中的毛細(xì)作用是均勻的，然而，在焊接中，平板平行間隙中的毛細(xì)填縫作用是不均勻的。我們不妨做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：將兩塊玻璃板搭接在一起，在搭接的邊緣上，滴一滴墨水，我們可以清楚的看見這一現(xiàn)象，就是墨水在平板間隙中不是均勻、整齊地流動(dòng)，而是紊亂的流動(dòng)。并且還可以看到，墨水的填縫速度是不均勻的，不僅在前進(jìn)方向會(huì)有流速不均勻的現(xiàn)象，有時(shí)還受到墨水沿側(cè)面流動(dòng)的影響(如圖3所示)。因此，從這一試驗(yàn)結(jié)果可以看出：焊接時(shí)，焊料的毛細(xì)填縫也應(yīng)是不均勻、不規(guī)則的。實(shí)際上這種毛細(xì)填縫特點(diǎn)將會(huì)直接影響焊接接頭的質(zhì)量，形成焊縫不致密，產(chǎn)生夾氣、夾渣等缺陷。

在焊接過程中，焊縫可能處于水平或傾斜等各種位置，而且在實(shí)際表面構(gòu)成的平行間隙內(nèi)，由于表面粗糙度的影響，使得實(shí)際間隙內(nèi)各處的實(shí)際值的大小不同，焊料流動(dòng)前沿不能夠象理想表面構(gòu)成的平行間隙時(shí)焊料流動(dòng)前沿那樣平穩(wěn)，而會(huì)產(chǎn)生紊亂，但液態(tài)焊料有優(yōu)先填充微小間隙的傾向，這一特點(diǎn)始終是成立的。對(duì)于不平行的間隙來說，液態(tài)焊料將首先填充小間隙部分，然后再從小間隙處向大間隙部分推進(jìn)。