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焊接基础知识
第一章焊接理论
一、焊接的含义
焊接是利用比被焊接金属熔点低的材料,与被焊接金属一同加热,在被焊接金属不熔化的条件下,熔融焊料润湿金属表面,并在接触面上形成合金层,从而达到牢固的连接的过程。
在焊接过程中,为什么焊料能润湿被焊金属?怎么样才能得到可靠的连接?通过对焊接原理的分析,可以得到初步的了解。
一个焊点的形成要经过三个阶段的变化:1、熔融焊料在被焊金属表面的润湿阶段;2、熔融焊料在被焊金属表面的扩展阶段;3、熔融焊料通过毛细管作用渗透焊缝,与被焊金属在接触面上形成合金层。其中,润湿是最重要的阶段,没有润湿,焊接无法进行。
二、焊接的润湿作用
任何液体和固体接触时,都会产生程度不同的润湿现象。焊接时,熔融焊料(液体)会程度不同地黏附在各种金属表面,并能进行不同程度的扩展,这种粘附就是湿润。润湿得越牢,扩展面越大,润湿得越好,反之,润湿性不好或根本不湿润。
为什么会产生润湿程度的差异,其原因是液体分之(熔融焊料)与固体分子(被焊金属)之间的相互引力(粘结力)大于或小于液体分子之间的相互引力(表面张力)决定的,即:
粘结力>表面张力,则湿润;
粘结力<表面张力,则不湿润。
根据上述原理,焊接时降低熔融焊料的表面张力,可提高焊料对被焊金属的润湿能力。而降低焊料表面张力的最有效手段是:焊接时使用焊剂。
为了使焊料能迅速湿润被焊金属,必须达到金属间的直接接触,也就是说焊料和被焊金属接触面必须干净,任何污染都会妨碍润湿和金属化合物生成。因此,保持清洁的接触表面是润湿必须具备的条件。但是金属表面总是存在氧化物、油污等,因此焊接前对被焊金属表面都要进行清洁处理。
三、焊点的形成

一个焊点形成是多种作用力综合作用的结果。在一块清洁的铜板上涂上一层焊剂,并在上面放置一定的焊料,然后将铜板加热到规定的温度,焊料熔化后就形成了下图的形状。

图 3-3
(图3-2)中可以看出,通过接触角的大小,可以衡量焊料对被焊金属润湿性能的好坏,如图3·3所示。
当θ<90°时COSθ>0 ,湿润
当θ>90°时COSθ<0 ,不湿润
当θ→0°时COSθ→1 ,完全湿润
当θ→180°时COSθ→-1 ,完全不湿润
一般来说,θ=20°~30°,为良好的润湿,是合格的焊点。
从以上可以看出,焊点形成的优劣取决于焊料和焊剂的性能,以及被焊金属的表面状态,同时也取决于焊接工艺条件和操作方法。
焊点(合金层)的形成——金属间扩散作用
熔融材料润湿被焊金属时,会产生金属间的扩散,从而在金属接触面上形成合金层,达到焊接的最终目的。
任何金属内部都不是完全致密的,在晶格内部或晶格界面上总存在一定数量的间隙或空穴。在正常情况下,金属原子在晶格中都可以以其平衡位置为中心进行不停的热运动,这种运动随温度的增高,其频率和能量也逐步增高,当达到足够的能量和温度时,某些原子会克服周围原子对它的束缚,脱离原来占据的位置,这种现象就是扩散。如进行铜和铜合金焊接时,在一定的工艺条件下,焊料中的锡原子和被焊金属铜原子都会扩散到金属接触面,形成铜锡合金Cu5Sn6、Cu3Sn)。
金属间的扩散速度和扩散量,与温度和时间密切相关,因此,在焊接技术中,焊接温度和焊接时间等工艺是保证焊接质量达到可靠连接的重要条件。
另外,焊接时能否形成合金层还取决于被焊金属与焊料之间亲和力的大小有关。亲和力大,则生成金属化合物(合金层);亲和力小,则生成固溶体;亲和力特别小,则生成混合物。这说明焊料润湿被焊金属与被焊金属本身特性有关,在电子导电材料中,大多采用Cu、Au、Ag等材料和镀层,就是为了提高焊料对被焊金属的润湿能力。
四、提高焊接质量的对策
根据以上对焊接机理的分析,我们知道电子产品的焊接过程是一项复杂的物理化学变化过程,焊点的形成是综合作用力的结果。由此,提高焊接质量的对策是:
必须保持一个清洁的接触表面;
要想办法降低焊料的表面张力;
要保持一定的焊接温度和焊接时间;
要了解被焊金属的表面特性。
焊接材料
焊接材料包括焊料和焊剂两种,即连接金属的焊料和清除金属表面氧化物的焊剂。
焊料

按照熔点分,焊料可分为软焊料和硬焊料两种。熔点大于450℃的称为硬焊料,小于450℃的称为软焊料。由于电子产品焊接通常采用锡铅合金(俗称焊锡)软材料,故而以下重点介绍Sn-Pb合金焊料。
Sn-Pb合金焊料
Sn-Pb合金金属相图
232
Sn19%
L(单相区)
327
181
α+L
β+L
Pb—Sn 合金状态图
α
β
液相线
共晶点
液相线
固相线
Sn97%
b
α+β
从Sn-Pb合金的相图可以看出,