悍梅特種焊接專題SPpeiat "Wilding Fochnigue釬焊新技術進展哈爾濱工業(yè)大學現(xiàn)代焊接技術國家重點實驗室(150001)何鵬錢乙余摘要在焊接技術迅速 發(fā)展的今天,釬焊技術已成為應用最廣泛的連接技術之一一。文中綜述了國內(nèi)外釬焊新技術的發(fā)展現(xiàn)狀,系統(tǒng)介紹了釬焊基礎理論發(fā)展、無鉛軟釬焊技術、接觸反應釬焊技術及熔釬焊新技術,指出釬焊技術的研究已經(jīng)過渡到數(shù)字化模擬化的階段,精密控制和釬燁機理的研究越來越成為關注的焦點。關鍵詞:釬焊無鉛接觸反應熔釬焊中圈分類號: TG425張力和重力作用下,對自由表面或有接頭形成條件下1釬焊新技術理論的發(fā)展的釬料形態(tài)進行了研究,例如在兩個豎直板之間的熔釬焊方法對基體材料不會造成熔焊帶來的損傷，融釬料的流動行為等,對不同釬焊接頭形態(tài)而引起的在新材料和非金屬材料連接發(fā)揮著非常重要的作用。傳熱效率問題也進行了分析(2] ,結果顯示,流人釬焊接因此在焊接技術迅速發(fā)展的今天，釬焊技術已成為應頭的熔融釬料的理論值和實際值有-定的差距)]。為用最廣泛的連接技術之一。目前,釬焊技術的研究已了對釬焊接頭的形態(tài)進行準確的預測，并對熱交換器經(jīng)過渡到數(shù)字化、模擬化的階段,精密控制和釬焊機理等設計改進提供技術支持,需要對此實際值進行精確的研究越來越成為關注的焦點。目前,釬焊機理方面的建模預測。釬焊接頭的形態(tài)預測結果表明[4),形成的進展主要集中在以下幾個方面。釬焊接頭的釬料的質(zhì)量和釬焊參數(shù)、材料成分和性能1.1 釬料流動填縫行為研究有直接的關系。對于材料粘度、結構的影響正在深人釬焊技術中,關于工藝和冶金方面的研究由來已的研究中。久,而且已經(jīng)達到了很高的水平。由于對釬焊質(zhì)量控1.2釬焊過 程的動力學研究制、優(yōu)化設計和壽命可靠性等問題的要求日益嚴格,與研究釬焊過程的動力學行為是探索釬焊機理的重此相關的釬焊過程熔融釬料動態(tài)流動的模擬便成為關要手段,美國Los Alamos National Laboratories 國家實驗注的焦點。近年來,溫度場、流場,尤其是包含傳質(zhì)方室{5]對復雜的多層材料釬焊過程的實時動力學研究獲程在內(nèi)的潤濕鋪展的數(shù)值模擬，已經(jīng)使人們對此有了得了理想的結果。采用蒙乃爾高強度鎳銅合金,以更進-一步的認識。但是由于控制方程的復雜性,進行TH2為助潤濕劑,Ag - 28% Cu作為釬料。測試儀器顯數(shù)值求解也是非常困難的?，F(xiàn)在的研究方向和深度也示出幾個截然不同的階段,包括諸如:化合物的分解、僅限于一些建立在簡化條件下的分析。長期以來,人熔化和幾個相應的明顯“S"形的反應曲線。其中特別們無法通過實驗室設備來對釬料的流動行為進行實時值得注意的是,Be-Cu的8相金屬間化合物形成的動觀察和分析。Sandia美國國家實驗室"對釬料填縫過力學行為。它是與釬焊條件以及在Be界面上TiH2含.程進行圖像實時監(jiān)控,研究了釬料的潤濕和鋪展情況,量相關的方程表達式。此研究方法的優(yōu)點是在測量的揭示了釬焊接頭的形式和材料性質(zhì)所表現(xiàn)出來的不同同時便能夠得到相應的動力學行為,因此可用于多種的潤濕和填充性能。這個監(jiān)控系統(tǒng)包含了全數(shù)字式、釬焊過程的研究中,如:陶瓷與金屬的釬焊;金屬化過封閉式的控溫裝置。試件可以事先設定溫度、加熱或程中的潤濕和反應;以及復雜的非等溫熱過程中的釬冷卻時間。釬料在間隙內(nèi)的流動行為可以通過-一個高料與基體相互作用等。實際上,有關潤濕與鋪展的理速有放大裝置的攝影機來獲得相應的圖像，并提供了論研究問題也已經(jīng)引起了各方關注。A. Meier 等一種有效的方法來獲得動態(tài)的釬料潤濕和流動的相關中國煤化工半徑的變化,對反應數(shù)據(jù)。對于熔融釬料的動態(tài)流動行為建模,在美國肯人塔基大學的釬焊實驗室已經(jīng)有了一定的發(fā)展。在表面潤濕;YHCNMHG的形態(tài)進行了預測，.還對潤濕鋪展過程中的流場進行模擬。鋪展過程中的收稿日期: 2008 -09-11吸附、堆積和化合物形成現(xiàn)象,在文獻[9]中進行了系統(tǒng)342009 年第3期Speial 9Welding Fedhnigue 特種焊接專題悍指的探討。E. Saiz等[10]著重對鋪展過程中的堆積現(xiàn)象進比,從釬料的最基本的物理性能如熔點及潤濕性到釬行了研究。表面形態(tài)對鋪展行為的影響在文獻[ 11]中料的使用工藝問題及釬料焊點的可靠性都有著這樣或作了數(shù)值分析。對反應過程中的動力學行為研究非常豐者那樣的缺點，當然在評價無鉛釬料的這些性能時都富[12-161 ,為精確掌握鋪展?jié)櫇竦膶嵸|(zhì)特征提供了可能。是基于Sn- Pb釬料的性能。美日歐三方的官方代表對于鋪展?jié)櫇竦臋C理研究["7]也進人到實質(zhì)的階段。同研究機構聯(lián)合各自的區(qū)域內(nèi)的電子廠商和原材料供應時文獻[ 18]發(fā)現(xiàn)，即使是固相和液相之間的反應很小，商,耗資數(shù)億美元,就無鉛釬料的選擇與應用進行了廣也會造成足夠的熱量變化而影響鋪展前沿的推進。泛深入的研究,并分別發(fā)布了各自的無鉛釬料及無鉛固液、氣界面的遷移規(guī)律的研究,在近年來有了軟釬焊的發(fā)展指南。與此同時,國際學術界在相關領進一步的發(fā)展。文獻[19 ,20]中利用有限元方法分析域研究也極為活躍。同時研究表明,現(xiàn)有的印刷版電了界面遷移的特點，并對相和晶界的影響進行了研究。路材料可以與上述無鉛釬料兼容;現(xiàn)有的電子設備經(jīng)而Avraham Beer等l21]則對固/液反應界面的動力學行過適當?shù)母脑熘罂梢赃m用于無鉛電子組裝;無鉛釬為和形態(tài)進行了探討,提出不同時刻和長度區(qū)間,其進料的力學性能及焊點的熱疲勞可靠性亦優(yōu)于或相當于化機理是不同的。Jan W. Nowok等[2]則研究了液相和Sn-Pb共晶釬料。但是在一個重要的性能指標方面，基體材料的傳質(zhì)現(xiàn)象,對材料連接的精密控制提供了即潤濕性方面無鉛釬料的潤濕性明顯弱于Sn-Pb共理論基礎。晶釬料,如以Cu基板和同種RAM型釬劑為例，前者的1.3 釬焊試件溫度場和保護氣氛不均勻性的動態(tài)模擬潤濕角一般為32° ~50° ,而后者僅為10°左右。文獻[23 ]中對實際熱交換器在輻射加熱條件下釬無鉛釬焊的普及已經(jīng)是大勢所趨,已經(jīng)有很多大焊過程的動態(tài)溫度場進行了模擬,對復雜熱交換器的的公司將無鉛釬焊技術使用到了產(chǎn)品中,例如Epson不同部位溫度變化更深人的探討也有了進展[24]。由于公司、摩托羅拉公司、微軟公司等等。然而無鉛釬焊的釬焊過程中加熱方式的影響,同時保護氣氛下的釬焊研究工作還有很多問題需要解決,無鉛釬焊的研究工工藝在工業(yè)界應用很大,眾所周知,保護氣的流動機制作主要集中在以下幾個領域:在釬焊區(qū)域是比較復雜的,同時由于試件自身結構的(1)進一步優(yōu)選出高性能的無鉛釬料。目前的無影響,造成試件各部分吸收的熱量不同,因此溫度在試鉛釬料主要集中在以下幾個體系:Sn-Ag-Cu準共.件各部分的分布實際上是不均勻的,以熱交換器為例，晶,Sn-Zn共晶和Sn - Bi共晶等。然而目前使用的無.不同位置.上的釬焊接頭區(qū)域的釬焊條件是有差別的,鉛釬料存在幾個突出的問題:①成本比較高。由于體得到的釬焊接頭形態(tài)也會有相應的不同,文獻[23 ,24]系中大多數(shù)含有稀有金屬而使得無鉛釬料的成本遠遠中對此也進行了探索性研究。由此提出實際釬焊條件高于Sn- Pb釬料;②潤濕性有待于進- -步提高。無鉛下,由于溫度場的不均勻性,熱交換器釬焊接頭性能存釬料的潤濕性- -般沒有 SnPb釬料好,所以在使用中帶在差異,從而對將來熱交換器設計和加熱方式的改進來了很多問題;③雖然沒有使用Pb元素,但是最近發(fā)具有一定的指導意義?，F(xiàn)無鉛合金中的常用元素:Ag、Sb、In、Bi、Cu .Sn 和Zn等也都存在一定的毒性;④無鉛釬料的使用帶來的能2無鉛軟釬焊技術源和資源的消耗問題。由于常用的SnCu、SnAg和2003年,歐洲議會和歐盟委員會公布了《報廢電子SnAgCu的熔點都比共晶SnPb釬料高出40 C左右,這電氣設備指令》和《關于在電子電氣設備中禁止使用某就意味著使用過程中要消耗更多的能量。而且過量使些有害物質(zhì)指令》，要求成員國確保從2006年7月1用稀有金屬必然引起資源消耗的問題。日開始,投放于市場的新電子和電器設備不包含鉛、(2)改進無鉛釬焊的工藝及設備。無鉛釬料在潤汞、鎘、六價鉻.聚溴二苯醚和聚溴聯(lián)苯等六種有害物濕性熔點抗氧化性和可靠性等方面均與傳統(tǒng)的SnPb質(zhì)(2)。這一指令的生效在世界范圍內(nèi)引起廣泛的響釬料存在一定程度的差異,因此無鉛釬焊過程中必須應,全球同步實現(xiàn)無鉛電子組裝已經(jīng)是不可逆轉的發(fā)采用全新的釬懼T夢和設各選擇出合適的釬料、釬展趨勢。世界范圍內(nèi)已開發(fā)出的無鉛釬料合金的種類劑,中國煤化工復雜的過程。無鉛繁多,并且已經(jīng)申報了九百多種無鉛釬料成分專利,這釬焊YHCNMHG進,這其中包括選擇些釬料的成分主要集中在Sn - Zn、Sn - Ag.Sn - Cu .Sn合適的材料以提高設備的抗腐蝕能力,改進設備結構- Bi .Sn-In等系列的基礎上,與傳統(tǒng)Sn-Pb釬料相以防止釬料被氧化等等?？傊笕娓倪M焊接過程2009年第3期35悍指特種焊接專題Soeial Wling Fochnique中的助焊劑涂敷系統(tǒng)、預熱系統(tǒng)、波峰焊接系統(tǒng)、冷卻人研究。 目前在接觸反應釬焊過程數(shù)值模擬方面的研系統(tǒng)和軌道傳輸系統(tǒng)，以適應無鉛釬料的特殊性能。究基本.上解決了基體與中間層界面處液相出現(xiàn)以后,(3)無鉛釬料的相應數(shù)據(jù)庫有待于完善。為了無殘余中間層 的溶解液化;以及基體向液相中的進-步鉛釬焊技術的連續(xù)發(fā)展,需要發(fā)展和使用采用先進的溶解和稀釋等過程的數(shù)值模擬。而對于接觸反應初期分析和模擬方法得到的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫應該包括各的液相出現(xiàn)過程的數(shù)值模擬,到目前為止研究還比較個無鉛體系的相圖,無鉛釬料的界面結構和機械特性，”欠缺。 從過程的連續(xù)性考慮,接觸反應釬焊初期界面相應的工藝參數(shù)和設備,無鉛產(chǎn)品的檢驗以及釬焊電處液相的出現(xiàn)過程是一個質(zhì)變過程，相對于后續(xù)的溶路板使用壽命預測等內(nèi)容。然而即使對于Sn- Pb釬解等量變過程而言,顯然前者具有更加重要的地位。料,某些數(shù)據(jù)庫也沒有建立完全。所以數(shù)據(jù)庫的建立因此為了能夠更加準確描述接觸反應過程,迫切需要是一個長期的工作,這對于無鉛釬焊技術的完善起著對初期液相產(chǎn)生過程進行數(shù)值方面的定量分析。至關重要的作用。(4)對無鉛釬焊進行深人的理論研究。這其中包4熔釬焊新技術括無鉛釬料的潤濕、可靠性、界面組織等方面的研究。與普通電弧熔化焊相比,熔釬焊電弧熱量集中,對同時對于無鉛釬焊過程中的一些典型現(xiàn)象也要進行分簿 板及薄壁容器進行釬焊時變形量很小，焊接熱影響析,這其中主要包括蠕變、疲勞剝離、橋連等問題。通過區(qū)小,操作方便,節(jié)能高效又易于實現(xiàn)自動化。同時又理論研究指導實際生產(chǎn),從而實現(xiàn)高質(zhì)量的無鉛釬焊。因其電弧特有的去除氧化膜作用,帶電離子、電子的沖擊活化作用,因此可以克服釬劑對母材的腐蝕副作用，3接觸反應釬焊技術焊后不用清洗,在生產(chǎn)中得到了廣泛應用。在德國主.利用共晶反應的原理進行釬焊的工藝稱為接觸反要在奧迪汽車車身框架及零部件制造中使用MIC熔釬應釬焊,近年來接觸反應釬焊作為一種先進的材料連焊和等離子電弧熔釬焊。Audi A6汽車使用MIC熔釬接工藝而越來越引起各國科研人員的興趣，這項釬焊焊連接的構件,不但成形美觀，而且解決了鍍鋅鋼板電技術在各種材料中得到越來越廣泛的應用,國內(nèi)外對阻焊電極的粘鋅問題和焊核周圍鋅層的破壞問題。美該技術的研究也越來越深人。例如,為了去除Al合金.國福特公司也使用MIC電弧熔釬焊連接以鍍鋅鋼板材散熱器等構件生產(chǎn)中繁瑣的復合釬料板加工工序,加.料的汽車車身、車門、以及車門鉸鏈與車身的連接,并拿大ALCON公司(26-29]提出了一種新型的Al合金接開展了鍍鋅鋼板MIG熔釬焊工藝優(yōu)化和釬焊部件的變觸反應釬焊技術一-Si 粉/釬劑作為釬焊材料進行Al形試驗及分析。英國美洲豹汽車公司使用MIG熔釬焊合金釬焊,并取得了專利。該技術的核心思想是:在至和TIC熔釬焊連接美洲豹汽車構件,并用此工藝修復少一個被連接基體的表面涂覆Si粉和氟鋁酸鉀的混合撞壞的汽車車身,還利用此工藝連接用于真空密封的物作為釬焊材料,然后將焊件在氮氣氣氛下加熱到600法蘭盤。哈爾濱工業(yè)大學于治水等(90提出 了非等溫氬C左右并保溫。加熱過程中釬劑在562 C首先發(fā)生熔弧加熱條件下進行釬料潤濕鋪展的試驗方法，即通過化并溶解Al基體表面的氧化膜,從而使得Si顆粒與千改變?nèi)蓟‰娏魅蓟r間研究液態(tài)釬料潤濕鋪展情況。凈的Al表面發(fā)生緊密接觸。當溫度超過577 C時,Si試驗結果證明,所提出的在氬弧加熱時進行Cu基釬料顆粒將迅速溶人Al基體并形成一層接近共晶成分的潤濕鋪展試驗方法是可行的，并提出了氬弧加熱條件Al-Si液相。液相在毛細作用下填充接頭間隙形成釬下Cu基液態(tài)釬料潤濕鋪展能力評價方法。除汽車行縫和圓角,最后在冷卻時凝固形成冶金接頭。研究還.業(yè)外,國外還把MIC熔釬焊應用于中央空調(diào)薄壁鍍鋅發(fā)現(xiàn)除Si粉以外,Cu、Ge .Zn等也可以用來作為產(chǎn)生液管板連接和薄壁鋼管/波紋管的連接。相的介質(zhì)。哈爾濱工業(yè)大學利用基礎反應釬焊在Al5結束語的大面積高致密性釬焊方面取得了階段性進展,其中包括關于適合于Al合金接觸反應中間層的規(guī)則與設” 中國煤化工，釬焊技術已經(jīng)成為計;Al與不同元素或材料之間的接觸反應及其液相行應用著家電行業(yè).微電子為研究;Al合金大面積高致密連接工藝試驗研究;以及行業(yè)C NM H.C算技術的研究將進入接觸反應釬焊初期液相產(chǎn)生過程數(shù)值模擬等,并對Al - 個新的發(fā)展時期，特別是釬焊技術的發(fā)展越來越趨合金的火焰釬焊刮擦釬焊超聲波釬焊技術開展了深向 于精密控制和數(shù)值分析,各種新型儀器和分析方法36. 2009年第3期Sreciat FWling Fochnique 特種焊接專題 悍指的發(fā)展也推動了釬焊技術的研究。要實現(xiàn)國內(nèi)先進釬[16] Yost F C,Sackinger P A,0toole E J Energetics and kenetics焊技術的進展,應該加大基礎理論的機理性研究,同時of dssoluive wetting processes[J]. 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