[科普中国]-焊接桥

焊接桥桥壳

焊接桥壳总成在台架试验时发生早期断裂。该桥壳本体材质为 16MnL 钢板冲压焊接成型，板托材质为 ZG270 － 480H，正火处理; 板托与桥壳的连接采用 CO2 气体保护焊，为保证焊接质量，采用机器人焊接。由于桥壳是汽车行驶安全性和可靠性的重要部件，如发生意外断裂，会导致严重后果。通过对断裂桥壳的宏观检查，对断口形貌、化学成分、硬度和金相组织进行分析，同时结合有限元受力分析，以找出其断裂原因，并提出改进措施，从而为次此失效的分析提供借鉴。1

焊接桥桥壳试验过程与结果断口宏观观察断裂发生于桥壳一端，从桥壳的下方断裂( 为了便于拍照和观察，) ，断裂部位位于桥壳下方板托( 简称“下板托”) 的内侧。断裂部位的外表面未见明显的损伤或缺陷。断口占桥壳整体截面的1 /2，断面上存在 2 个光滑区域( 区域 A、B) 为疲劳扩展区，分别位于桥壳两侧，各约占断口总面积的 1 /6 而在桥壳下方呈纤维状 为瞬断区 。2 个疲劳扩展区的裂纹均从焊缝处起源，并且有多处起源。

断口微观观察将桥壳断口经超声波清洗后，在扫描电子显微镜下进行观察。在焊缝根部区域比较粗糙，存在未焊透原始缺陷。沿着未焊透缺陷方向及其表面产生疲劳裂纹，为线源特征; 扩展区主要位于桥壳本体上，该区域比较光滑且扩展充分，有明显的疲劳条带特征 ; 瞬断区的微观形貌为韧窝特征。

化学成分分析分别从桥壳和下板托基体上取样进行化学成分分析。可见，桥壳和板托的化学成分分别满足GB / T 3273—2005 和GB / T 7659—2010 中对16MnL、ZG270 －480H 的要求。

硬度检测沿垂直于焊缝方向，在靠近断口处取样，经过制样→打磨→抛光，再用4% (体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀2 ～3 s 后，采用显微硬度计进行硬度测试。检测桥壳本体、桥壳侧热影响区、焊缝、下板托热影响区、下板托本体的显微硬度，分别测量3个点取其平均值，结果见表2。由表可以看到，桥壳和板托基体的硬度正常，焊缝和热影响未见高硬度区，各项硬度均满足企业标准要求。

金相检验在靠近断口处垂直于焊缝取样，磨制金相样品，经4% (体积分数)硝酸酒精浸蚀后，在金相显微镜下观察，发现裂纹多出现在桥壳侧的熔合线及过渡区 ;对焊缝在稍远离断口处取样，采取与上述相同的方法磨抛、浸蚀后观察，可以看到一条较宽的裂缝，裂缝两侧较粗糙，为原始缺陷，其形成原因是焊接时母材金属( 桥壳与板托) 之间应该熔合而未焊上的部分，产生在焊缝根部，为未焊透缺陷。沿着未焊透形成的裂缝一端向里衍生疲劳裂纹，裂纹较细且两侧光滑，是使用过程中产生的 。可以认为，主裂纹是从焊缝的未焊透缺陷裂缝的尖端产生，沿着熔合线方向扩展;主裂纹处衍生次级裂纹，向焊缝和桥壳本体方向扩展，由于桥壳的硬度( 或强度) 较低，因此向桥壳本体扩展的速率较快 。

桥壳基体金相组织为细晶粒铁素体和珠光体，呈带状分布; 板托基体金相组织为均匀的铁素体和珠光体组织，为正火态; 焊缝组织为柱状晶组织，热影响区为珠光体、铁素体和粒状贝氏体混合组织。1

焊接桥桥连试验材料和方法试验使用焊膏印刷设备为 Speedline公司 SPM型半自动焊膏印刷机 ,器件贴装、焊接设备为 OK公司 MetcalAPR-5000型热风返修台 ,焊膏漏印模板材料是厚度分别为 76 μm、125 μm、150 μm(仅用于增加焊膏量 )聚酰亚胺。印刷图形是间距为 0.5 mm的细间距 QFP器件对应的焊盘 , 焊盘宽度为0.3 mm,模板开口尺寸为2 mm×0.3 mm×0.125 mm,实验选用的焊膏为乐泰公司SN63CR37AGS89.5,其成分 。

每一项实验的印制板数量为20块,使这些印刷参数的重复性得到检验。将贴装完器件的印制板放入热风返修台焊接。试验件100%用体式显微镜视觉检查。试验如下。

(1)在保证焊膏分配后不桥连的情况下, 通过增加模板厚度来增大焊膏的分配量, 比较在熔融后的桥连情况。

(2)保持焊膏量不变(模板厚度为125μm),通过控制印刷工艺分别做出焊膏桥连如图2所示。接触长度大约为焊膏总长度的三分之一以及接触长度大约为焊膏总长度的五分之一的情况, 在熔融后比较桥连情况。

(3)为了研究在焊盘纵向的引线位置对焊接桥连的影响,在给定的焊料体积3.9×10m(模板厚度为125 μm)下,保持焊盘宽度和焊盘总的长度不变,分别从垂直、水平方向上改变器件引线在焊盘上的贴装位置,比较焊膏熔融后的桥连情况,在实验过程中,与探讨的方向相垂直的引线被严格放在焊盘的中心。

(4)在电镀过锡铋的印制板表面印刷焊膏, 分别设置热板炉温度为215 ℃、220 ℃、225 ℃、230℃、235 ℃,待达到预置温度后保温10 s,然后测量熔融后的面积,观察铺展面积的变化。

(5)保持焊膏体积为3.9×10m(模板厚度为125 μm),分别改变升温速率、焊接温度,将印刷、贴装器件后焊膏仍良好的的印制板放入热风返修台焊接,比较焊接后的桥连情况。1

焊接桥桥连试验结果及分析如果焊点焊料体积从一个很小的值逐渐增大,可以看见处于平衡中的桥连的焊料会逐渐变厚。上述实验结果说明:焊料体积直接影响焊接桥连的产生, 当焊料体积低于某一临界值时, 焊接后不会桥连, 当达到维持稳定桥连的临界焊料体积后,将会形成一个稳定的桥连,并且桥连随着焊膏量的继续增大而变粗。对特定器件的焊点有一个临界焊料体积Vc去避免焊接桥连,这个临界焊料体积可以被用作评价器件焊点防止桥连的能力, 所以为了避免焊接桥连,应保持焊料体积小于临界体积。在本例中,临界体积为3.9 ×10m。

在保持焊膏体积为临界体积时 (模板厚度为 125 μm), 当有焊膏桥连缺陷时 ,桥连接触面积小的 (接触长度大约为焊膏总长度的五分之一 ), 在焊料熔融时, 桥连会断开, 而桥连接触面积大的 (接触长度大约为焊膏总长度的三分之一 ),焊接后仍会桥连;这说明 , 相邻焊膏桥连后的接触面积 (长度 )是影响焊接后是否桥连的重要因素 ,在焊膏体积小于临界体积时 ,相邻的焊膏仍有桥连的可能。所以为了避免焊接桥连, 应保持焊接前焊膏桥连长度小于焊膏总长度的五分之一。在镀有锡铋的印制板上的焊料, 温度每上升5℃, 铺展面积都随之明显增大 。这说明:焊料的铺展面积随着温度升高而增大。溶剂蒸发、流淌很激烈,伴随着焊料随焊膏流淌,相邻焊膏接触桥连,造成有的焊膏不桥连的引线焊接后会桥连;当升温速率缓慢处于焊接特性曲线要求时,溶剂蒸发平缓,流淌面积比较小, 没有因流淌造成的焊膏桥连,焊接后就无桥连;在较高的焊接温度(远高于焊膏特性曲线规定的焊接温度)时, 熔融焊料的铺展较大,相邻的焊膏就会由不桥连变成桥连,桥连会增多, 从而使焊接后易形成桥连,而处于焊膏特性曲线规定的焊接温度范围时, 焊接后无桥连缺陷。这个实验说明:在焊膏印刷、器件贴装后无桥连缺陷的条件下,升温速率、焊接温度是影响焊接桥连的重要因素, 要防止焊接过程产生桥连, 应当使升温速率、焊接温度在焊膏特性范围之内。产生上述现象的原因在于:在再流焊过程中, 在印制板从室温升至熔融温度的过程中, 焊膏中的焊剂会在受热后蒸发、流淌,如果这个过程的升温速率很快, 比较激烈, 则焊剂中的溶剂就会带着焊膏粉末流动, 造成相邻的焊膏之间桥连,在达到熔融温度以后,焊料粉末就会熔融成液态,液态的金属原子可以更加容易地自由移动,因而液态的金属的铺展面积更大,相邻的焊料之间有更大的融合,在表面张力、焊料自身重力以及金属原子之间金属键的作用下,熔融焊料达到了动态平衡, 焊点外形就固定下来,就形成了稳定的桥连。

从上述分析可知 ,造成焊接后桥连的因素有:焊膏体积、焊膏接触面积、引线在焊盘上的位置及焊接过程中的升温速率、焊接温度。这些因素有一个共同的特点:相邻焊料熔融后都有较大量的相互融合 。这说明 ,熔融后相邻焊料的融合量是造成焊接桥连的根本原因。

焊点的成形过程是由再流焊过程中瞬间热机械负载条件、焊料合金材料性能、材料体积、润湿特性、焊盘和引线的组织结构以及其它制造情况所决定。焊料表面能要求局部总能量最小, 焊点的总能量包括表面能(表面张力)、重力势能和其它与外力相关的势能 。就焊点来说 ,通常 ,表面能比其它能更占主要地位 。所以,焊点的成形是由表面效应 (例如 ,表面张力 、润湿现象等)决定的 。根据能量最低原理, 焊点的形状是当焊点系统能量最小时处于平衡时的形状 ,所以焊料有收缩到最小面积的趋势 ,因而 ,表面张力总是呈收缩状态 ,球形是能量最小的形态, 故液态的焊料在表面张力作用下,有形成球形的趋势, 但在焊料自身重力的影响下,焊点凝固后最终会变成外表光滑的椭球形。如果熔融焊料已桥连且接触面积较大,表面张力小于金属离子之间的金属键与重力的合力,焊接后就会桥连;如果熔融焊料虽然桥连,但接触面积较小,表面张力大于金属离子之间的金属键与重力的合力, 桥连就会断开。

当升温速率太快,将会造成溶剂激烈流淌蒸发,焊膏塌陷,焊料随着溶剂流淌与相邻的焊料连接起来, 待到焊料熔融焊接后, 就会形成桥连;当升温速率比较平缓时,溶剂缓慢蒸发, 仅向周围微量流淌,因而,相邻引线的焊料不会桥连。但焊膏量较大时,虽然溶剂蒸发缓慢,微量流淌,但由于焊料自身的重量, 仍会向周围扩展, 形成桥连, 于是在焊接后形成焊接桥连,这就是为什么焊膏量大时,即使印刷工序不产生焊膏桥连,焊接后仍然会桥连的原因。2