钎焊新技术进展

悍梅特种焊接专题SPpeiat "Wilding Fochnigue钎焊新技术进展哈尔滨工业大学现代焊接技术国家重点实验室(150001)何鹏钱乙余摘要在焊接技术迅速 发展的今天,钎焊技术已成为应用最广泛的连接技术之一一。文中综述了国内外钎焊新技术的发展现状,系统介绍了钎焊基础理论发展、无铅软钎焊技术、接触反应钎焊技术及熔钎焊新技术,指出钎焊技术的研究已经过渡到数字化模拟化的阶段,精密控制和钎烨机理的研究越来越成为关注的焦点。关键词:钎焊无铅接触反应熔钎焊中圈分类号: TG425张力和重力作用下,对自由表面或有接头形成条件下1钎焊新技术理论的发展的钎料形态进行了研究,例如在两个竖直板之间的熔钎焊方法对基体材料不会造成熔焊带来的损伤，融钎料的流动行为等,对不同钎焊接头形态而引起的在新材料和非金属材料连接发挥着非常重要的作用。传热效率问题也进行了分析(2] ,结果显示,流人钎焊接因此在焊接技术迅速发展的今天，钎焊技术已成为应头的熔融钎料的理论值和实际值有-定的差距)]。为用最广泛的连接技术之一。目前,钎焊技术的研究已了对钎焊接头的形态进行准确的预测，并对热交换器经过渡到数字化、模拟化的阶段,精密控制和钎焊机理等设计改进提供技术支持,需要对此实际值进行精确的研究越来越成为关注的焦点。目前,钎焊机理方面的建模预测。钎焊接头的形态预测结果表明[4),形成的进展主要集中在以下几个方面。钎焊接头的钎料的质量和钎焊参数、材料成分和性能1.1 钎料流动填缝行为研究有直接的关系。对于材料粘度、结构的影响正在深人钎焊技术中,关于工艺和冶金方面的研究由来已的研究中。久,而且已经达到了很高的水平。由于对钎焊质量控1.2钎焊过 程的动力学研究制、优化设计和寿命可靠性等问题的要求日益严格,与研究钎焊过程的动力学行为是探索钎焊机理的重此相关的钎焊过程熔融钎料动态流动的模拟便成为关要手段,美国Los Alamos National Laboratories 国家实验注的焦点。近年来,温度场、流场,尤其是包含传质方室{5]对复杂的多层材料钎焊过程的实时动力学研究获程在内的润湿铺展的数值模拟，已经使人们对此有了得了理想的结果。采用蒙乃尔高强度镍铜合金,以更进-一步的认识。但是由于控制方程的复杂性,进行TH2为助润湿剂,Ag - 28% Cu作为钎料。测试仪器显数值求解也是非常困难的。现在的研究方向和深度也示出几个截然不同的阶段,包括诸如:化合物的分解、仅限于一些建立在简化条件下的分析。长期以来,人熔化和几个相应的明显“S"形的反应曲线。其中特别们无法通过实验室设备来对钎料的流动行为进行实时值得注意的是,Be-Cu的8相金属间化合物形成的动观察和分析。Sandia美国国家实验室"对钎料填缝过力学行为。它是与钎焊条件以及在Be界面上TiH2含.程进行图像实时监控,研究了钎料的润湿和铺展情况,量相关的方程表达式。此研究方法的优点是在测量的揭示了钎焊接头的形式和材料性质所表现出来的不同同时便能够得到相应的动力学行为,因此可用于多种的润湿和填充性能。这个监控系统包含了全数字式、钎焊过程的研究中,如:陶瓷与金属的钎焊;金属化过封闭式的控温装置。试件可以事先设定温度、加热或程中的润湿和反应;以及复杂的非等温热过程中的钎冷却时间。钎料在间隙内的流动行为可以通过-一个高料与基体相互作用等。实际上,有关润湿与铺展的理速有放大装置的摄影机来获得相应的图像，并提供了论研究问题也已经引起了各方关注。A. Meier 等一种有效的方法来获得动态的钎料润湿和流动的相关中国煤化工半径的变化,对反应数据。对于熔融钎料的动态流动行为建模,在美国肯人塔基大学的钎焊实验室已经有了一定的发展。在表面润湿;YHCNMHG的形态进行了预测，.还对润湿铺展过程中的流场进行模拟。铺展过程中的收稿日期: 2008 -09-11吸附、堆积和化合物形成现象,在文献[9]中进行了系统342009 年第3期Speial 9Welding Fedhnigue 特种焊接专题悍指的探讨。E. Saiz等[10]着重对铺展过程中的堆积现象进比,从钎料的最基本的物理性能如熔点及润湿性到钎行了研究。表面形态对铺展行为的影响在文献[ 11]中料的使用工艺问题及钎料焊点的可靠性都有着这样或作了数值分析。对反应过程中的动力学行为研究非常丰者那样的缺点，当然在评价无铅钎料的这些性能时都富[12-161 ,为精确掌握铺展润湿的实质特征提供了可能。是基于Sn- Pb钎料的性能。美日欧三方的官方代表对于铺展润湿的机理研究["7]也进人到实质的阶段。同研究机构联合各自的区域内的电子厂商和原材料供应时文献[ 18]发现，即使是固相和液相之间的反应很小，商,耗资数亿美元,就无铅钎料的选择与应用进行了广也会造成足够的热量变化而影响铺展前沿的推进。泛深入的研究,并分别发布了各自的无铅钎料及无铅固液、气界面的迁移规律的研究,在近年来有了软钎焊的发展指南。与此同时,国际学术界在相关领进一步的发展。文献[19 ,20]中利用有限元方法分析域研究也极为活跃。同时研究表明,现有的印刷版电了界面迁移的特点，并对相和晶界的影响进行了研究。路材料可以与上述无铅钎料兼容;现有的电子设备经而Avraham Beer等l21]则对固/液反应界面的动力学行过适当的改造之后可以适用于无铅电子组装;无铅钎为和形态进行了探讨,提出不同时刻和长度区间,其进料的力学性能及焊点的热疲劳可靠性亦优于或相当于化机理是不同的。Jan W. Nowok等[2]则研究了液相和Sn-Pb共晶钎料。但是在一个重要的性能指标方面，基体材料的传质现象,对材料连接的精密控制提供了即润湿性方面无铅钎料的润湿性明显弱于Sn-Pb共理论基础。晶钎料,如以Cu基板和同种RAM型钎剂为例，前者的1.3 钎焊试件温度场和保护气氛不均匀性的动态模拟润湿角一般为32° ~50° ,而后者仅为10°左右。文献[23 ]中对实际热交换器在辐射加热条件下钎无铅钎焊的普及已经是大势所趋,已经有很多大焊过程的动态温度场进行了模拟,对复杂热交换器的的公司将无铅钎焊技术使用到了产品中,例如Epson不同部位温度变化更深人的探讨也有了进展[24]。由于公司、摩托罗拉公司、微软公司等等。然而无铅钎焊的钎焊过程中加热方式的影响,同时保护气氛下的钎焊研究工作还有很多问题需要解决,无铅钎焊的研究工工艺在工业界应用很大,众所周知,保护气的流动机制作主要集中在以下几个领域:在钎焊区域是比较复杂的,同时由于试件自身结构的(1)进一步优选出高性能的无铅钎料。目前的无影响,造成试件各部分吸收的热量不同,因此温度在试铅钎料主要集中在以下几个体系:Sn-Ag-Cu准共.件各部分的分布实际上是不均匀的,以热交换器为例，晶,Sn-Zn共晶和Sn - Bi共晶等。然而目前使用的无.不同位置.上的钎焊接头区域的钎焊条件是有差别的,铅钎料存在几个突出的问题:①成本比较高。由于体得到的钎焊接头形态也会有相应的不同,文献[23 ,24]系中大多数含有稀有金属而使得无铅钎料的成本远远中对此也进行了探索性研究。由此提出实际钎焊条件高于Sn- Pb钎料;②润湿性有待于进- -步提高。无铅下,由于温度场的不均匀性,热交换器钎焊接头性能存钎料的润湿性- -般没有 SnPb钎料好,所以在使用中带在差异,从而对将来热交换器设计和加热方式的改进来了很多问题;③虽然没有使用Pb元素,但是最近发具有一定的指导意义。现无铅合金中的常用元素:Ag、Sb、In、Bi、Cu .Sn 和Zn等也都存在一定的毒性;④无铅钎料的使用带来的能2无铅软钎焊技术源和资源的消耗问题。由于常用的SnCu、SnAg和2003年,欧洲议会和欧盟委员会公布了《报废电子SnAgCu的熔点都比共晶SnPb钎料高出40 C左右,这电气设备指令》和《关于在电子电气设备中禁止使用某就意味着使用过程中要消耗更多的能量。而且过量使些有害物质指令》，要求成员国确保从2006年7月1用稀有金属必然引起资源消耗的问题。日开始,投放于市场的新电子和电器设备不包含铅、(2)改进无铅钎焊的工艺及设备。无铅钎料在润汞、镉、六价铬.聚溴二苯醚和聚溴联苯等六种有害物湿性熔点抗氧化性和可靠性等方面均与传统的SnPb质(2)。这一指令的生效在世界范围内引起广泛的响钎料存在一定程度的差异,因此无铅钎焊过程中必须应,全球同步实现无铅电子组装已经是不可逆转的发采用全新的钎惧T梦和设各选择出合适的钎料、钎展趋势。世界范围内已开发出的无铅钎料合金的种类剂,中国煤化工复杂的过程。无铅繁多,并且已经申报了九百多种无铅钎料成分专利,这钎焊YHCNMHG进,这其中包括选择些钎料的成分主要集中在Sn - Zn、Sn - Ag.Sn - Cu .Sn合适的材料以提高设备的抗腐蚀能力,改进设备结构- Bi .Sn-In等系列的基础上,与传统Sn-Pb钎料相以防止钎料被氧化等等。总之要求全面改进焊接过程2009年第3期35悍指特种焊接专题Soeial Wling Fochnique中的助焊剂涂敷系统、预热系统、波峰焊接系统、冷却人研究。 目前在接触反应钎焊过程数值模拟方面的研系统和轨道传输系统，以适应无铅钎料的特殊性能。究基本.上解决了基体与中间层界面处液相出现以后,(3)无铅钎料的相应数据库有待于完善。为了无残余中间层 的溶解液化;以及基体向液相中的进-步铅钎焊技术的连续发展,需要发展和使用采用先进的溶解和稀释等过程的数值模拟。而对于接触反应初期分析和模拟方法得到的数据库。该数据库应该包括各的液相出现过程的数值模拟,到目前为止研究还比较个无铅体系的相图,无铅钎料的界面结构和机械特性，”欠缺。 从过程的连续性考虑,接触反应钎焊初期界面相应的工艺参数和设备,无铅产品的检验以及钎焊电处液相的出现过程是一个质变过程，相对于后续的溶路板使用寿命预测等内容。然而即使对于Sn- Pb钎解等量变过程而言,显然前者具有更加重要的地位。料,某些数据库也没有建立完全。所以数据库的建立因此为了能够更加准确描述接触反应过程,迫切需要是一个长期的工作,这对于无铅钎焊技术的完善起着对初期液相产生过程进行数值方面的定量分析。至关重要的作用。(4)对无铅钎焊进行深人的理论研究。这其中包4熔钎焊新技术括无铅钎料的润湿、可靠性、界面组织等方面的研究。与普通电弧熔化焊相比,熔钎焊电弧热量集中,对同时对于无铅钎焊过程中的一些典型现象也要进行分簿 板及薄壁容器进行钎焊时变形量很小，焊接热影响析,这其中主要包括蠕变、疲劳剥离、桥连等问题。通过区小,操作方便,节能高效又易于实现自动化。同时又理论研究指导实际生产,从而实现高质量的无铅钎焊。因其电弧特有的去除氧化膜作用,带电离子、电子的冲击活化作用,因此可以克服钎剂对母材的腐蚀副作用，3接触反应钎焊技术焊后不用清洗,在生产中得到了广泛应用。在德国主.利用共晶反应的原理进行钎焊的工艺称为接触反要在奥迪汽车车身框架及零部件制造中使用MIC熔钎应钎焊,近年来接触反应钎焊作为一种先进的材料连焊和等离子电弧熔钎焊。Audi A6汽车使用MIC熔钎接工艺而越来越引起各国科研人员的兴趣，这项钎焊焊连接的构件,不但成形美观，而且解决了镀锌钢板电技术在各种材料中得到越来越广泛的应用,国内外对阻焊电极的粘锌问题和焊核周围锌层的破坏问题。美该技术的研究也越来越深人。例如,为了去除Al合金.国福特公司也使用MIC电弧熔钎焊连接以镀锌钢板材散热器等构件生产中繁琐的复合钎料板加工工序,加.料的汽车车身、车门、以及车门铰链与车身的连接,并拿大ALCON公司(26-29]提出了一种新型的Al合金接开展了镀锌钢板MIG熔钎焊工艺优化和钎焊部件的变触反应钎焊技术一-Si 粉/钎剂作为钎焊材料进行Al形试验及分析。英国美洲豹汽车公司使用MIG熔钎焊合金钎焊,并取得了专利。该技术的核心思想是:在至和TIC熔钎焊连接美洲豹汽车构件,并用此工艺修复少一个被连接基体的表面涂覆Si粉和氟铝酸钾的混合撞坏的汽车车身,还利用此工艺连接用于真空密封的物作为钎焊材料,然后将焊件在氮气气氛下加热到600法兰盘。哈尔滨工业大学于治水等(90提出 了非等温氩C左右并保温。加热过程中钎剂在562 C首先发生熔弧加热条件下进行钎料润湿铺展的试验方法，即通过化并溶解Al基体表面的氧化膜,从而使得Si颗粒与千改变燃弧电流燃弧时间研究液态钎料润湿铺展情况。净的Al表面发生紧密接触。当温度超过577 C时,Si试验结果证明,所提出的在氩弧加热时进行Cu基钎料颗粒将迅速溶人Al基体并形成一层接近共晶成分的润湿铺展试验方法是可行的，并提出了氩弧加热条件Al-Si液相。液相在毛细作用下填充接头间隙形成钎下Cu基液态钎料润湿铺展能力评价方法。除汽车行缝和圆角,最后在冷却时凝固形成冶金接头。研究还.业外,国外还把MIC熔钎焊应用于中央空调薄壁镀锌发现除Si粉以外,Cu、Ge .Zn等也可以用来作为产生液管板连接和薄壁钢管/波纹管的连接。相的介质。哈尔滨工业大学利用基础反应钎焊在Al5结束语的大面积高致密性钎焊方面取得了阶段性进展,其中包括关于适合于Al合金接触反应中间层的规则与设” 中国煤化工，钎焊技术已经成为计;Al与不同元素或材料之间的接触反应及其液相行应用着家电行业.微电子为研究;Al合金大面积高致密连接工艺试验研究;以及行业C NM H.C算技术的研究将进入接触反应钎焊初期液相产生过程数值模拟等,并对Al - 个新的发展时期，特别是钎焊技术的发展越来越趋合金的火焰钎焊刮擦钎焊超声波钎焊技术开展了深向 于精密控制和数值分析,各种新型仪器和分析方法36. 2009年第3期Sreciat FWling Fochnique 特种焊接专题 悍指的发展也推动了钎焊技术的研究。要实现国内先进钎[16] Yost F C,Sackinger P A,0toole E J Energetics and kenetics焊技术的进展,应该加大基础理论的机理性研究,同时of dssoluive wetting processes[J]. 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