由于电阻点焊生产效率高、不引入附加物质、焊接接头性能高, 易于实现自动化生产、成本低等特点、被广泛应用于各中电子元器件的装配制造。如何保证焊接质量的可靠性已成为电子器件制造中非常关键的环节, 也成为行业工艺水平的重要体现。
本文通过对影响点焊质量的各种影响因素理论分析、以及对点焊设备特点、焊接规范选择等综合因素的论述, 结合多年点焊质量控制实践经验, 总结了电子元器件在点焊装配过程中, 如何制定适当的焊接工艺, 提高焊接质量的一些具体方法。
电阻点焊是通过电极对被焊工件施加并保持一定的压力, 使工件稳定接触, 然后使焊接电源输出的电流通过被焊工件和它们的接触表面, 产生热量, 升高温度, 融化接触点局部形成焊点, 达到将金属工件焊接在一起的目的。
公式 (1) 焊接部的电阻为R, 焊接电流为I (A) , 通电时间为t (sec) 时, 根据公式 (1) 焊接部发热, 因此焊接部的温度上升, 产生熔核。
在电子元器件的装配制造过程中, 往往会焊接不同厚度或者异种材料的工件。被焊工件导热系数及散热条件不同, 热量被上下工件吸收的量也不同, 这样熔核向吸收热量少的工件偏移, 焊核不在工件接触面中间, 造成一边工件过熔而另外一边工件熔核小, 导致焊接强度不足。为了减少因热平衡对焊点熔核分布的影响, 通常主要采用下面的几种方法。
(1) 采用凸点焊的方式。通常是在薄件或散热好的工件上冲出凸点, 然后进行焊接。由于电流集中, 可以很好的克服点焊熔核偏离的缺点。
(2) 采用强条件 (硬规范) 。使工件间接触电阻产热的影响增大, 工件散热的影响降低。
(3) 采用不同接触表面直径的电极。在薄件或导电、导热性好的工件一侧采用较小直径, 以增加这一侧的电流密度、并减小电极散热的影响。
(4) 采用不同的电极材料。在薄件或导电导热性好的工件一侧采用导热性较差的铜合金, 以减少这一侧的热损失。
(5) 采用工艺垫片。在薄件或导电、导热性好的工件一侧垫一块由导热性较差的金属制成的垫片, 以减少这一侧的散热。
点焊熔核形成过程实质上是一个冶金过程, 被焊工件都会经历金属受热熔化冷却结晶的过程。要形成力学性能稳定的焊点, 需要熔核形成致密的结晶组织。根据金属结晶理论, 金属之间以置换固熔的方式形成结晶体。要实现两种金属以任意比例互熔, 要求两种金属原子的半径差小于8%～11%左右。因此要使被焊两种金属之间具备互溶的特性, 这就要求所焊材料有相似原子结构, 这就是对被焊材料可焊接的要求;其次, 某些金属在熔化结晶过程中会产生冷脆现象, 比如高碳钢在快速冷却过程中会形成脆性的马氏体组织, 这就要求控制点焊的结晶过程。此外, 有些金属比如不锈钢的高温屈服强度高, 软化温度高, 这就要求控制点焊过程焊接压力, 以防止产生缩孔、裂纹等缺陷。为了减少熔核冶金特性对点焊的影响, 通常采用以下方法。
(1) 在焊接异种材料时, 比如铜合金与铁的焊接, 可用在铜合金表面电镀与铁组织相近的镍层, 以增加这两种材料的可焊性。
(2) 在焊接具有冷脆现象的材料时, 可利用多脉冲点焊对焊接冷却过程进行控制, 防止接头产生脆性组织。
(3) 在焊接高温屈服强度高的材料时, 比如不锈钢材料, 可以采用较高的焊接压力, 较小的焊接电流和较短的焊接时间, 以防止产生缩孔、裂纹等缺陷。
保证焊接质量的关键, 要选择正确的焊接规范。焊接规范分为硬规范:即采用短时时间大电流进行焊接;软规范:即长时间小电流的焊接。通常情况下, 焊接低阻值的材料宜采用硬规范, 焊接高阻值的材料则宜采用软规范, 但还要考虑到被焊材料的其他特性。比如在焊接低阻值材料且焊接后工件需要承受较大的外力, 这就需要形成较大的焊接熔核, 此时应该采用大电流长时间的焊接规范;在焊接只起导电作用的高阻值材料时, 如果被焊零件很薄, 为了防止焊焦, 这时采用小电流相对短的焊接时间就比较合适。总之要针对不同的材料及具体的使用环境来选择最适当的焊接规范才能得到最优的焊接接头。
选择合适的焊接设备, 是保证焊接规范实施的关键。通常电子元器件装配使用的点焊设备分为交流焊机 (包括晶体管式) 、储能焊机和直流逆变焊机。它们的焊接输出参数特点及可控制量是不同的, 要充分掌握好焊接设备的特点, 才能合理经济的利用焊接设备、有效保证焊接质量。交流焊机比较适合焊接工件较厚的高电阻值材料、可以用于一定受力或导电使用条件下的工件连接;储能焊机因形成的熔核较小, 易产生飞溅, 容易出现炸火问题, 导致焊接质量不够稳定, 一般用于只起导电连接作用的工件焊接;直流逆变焊机是一种非常先进的焊接设备, 它能精确控制放电电流和放电时间, 可以满足特殊场合下精确焊接控制要求, 但设备非常昂贵。通常用于焊接比较关键的受力条件下的工件以及一些特殊要求的焊接。
影响焊接质量可靠性的一个很重要的因素是焊接材料可焊性。通常电子元器件焊接的材料主要分铁合金、铜合金两类。每一类合金材料的焊接性能与其化学成分有密切联系。
通常普通碳钢随含碳量的增加, 焊接性能就随之下降, 因为在焊接过程中过高的碳含量会使熔核的晶粒粗大, 造成熔核韧性降低, 导致低应力脆断。比如高碳钢或铸铁的点焊性能不如中低碳钢好;在不锈钢中, 奥式体不锈钢 (如SUS304) 的焊接性能一般优于马氏体不锈钢 (如SUS410) 。
铜合金中, 由于铜的导热性好, 电阻低, 不易发热, 因此含铜量较高的铜合金焊接能相对较差。通常情况下白铜的焊接性能优于黄铜, 青铜的焊接性低于黄铜, 而紫铜的焊接性能最差。因为白铜的含镍量高, 电阻大, 熔点高, 焊接容易发热形成熔核。而黄铜中含有的锌和青铜中含有的锡的熔点均较低, 电阻相对较低, 焊接时较难形成熔核。
电阻点焊工艺是一个非常复杂的工艺控制过程, 要充分掌握焊接基本原理、焊接设备的特点并结合实际产品的状态制定最合适的工艺, 充分考虑到影响焊接质量稳定的各种潜在因素, 从而不断提高产品焊接质量的可靠性。
摘要：电阻点焊工艺广泛应用于各种电子元器件的制造。本文通过对点焊过程的热平衡、冶金原理等影响点焊的主要因素分析, 针对电子元器件产品制造的特点, 总结了如何来选择点焊焊接工艺和设备来提焊接可靠性。
关键词：热平衡,焊接设备,焊接规范
[1] 邹荣莲.焊接理论及工艺基础[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1994.
[2] 张彩云.电阻焊接技术及其应用设备[J].电子工艺技术, 2003.
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