PCB板用钨钢铣刀刀体钎焊工艺研究

机械工程学院毕业设计（论文）题 目：PCB 板用钨钢铣刀刀体钎焊工艺研究专 业： 机械电子工程 班 级： *班 姓 名： * * 学 号： * 指导教师： * 日 期： 2015.1-2015.5 目 录1 引言 .11.1 课题的意义 .11.2 感应钎焊的应用现状及发展趋势 .21.3.2 硬质合金的焊接性 .31.4 钎焊的概念 .31.4.1 钎焊常用的工艺和方法 .41.4.2 硬质合金感应钎焊工艺 .41.4.3 感应钎焊的优点 .41.5 论文研究的内容 .42.1 焊接材料 .52.1.1 钎料 .52.1.2 对钎料的基本要求 .52.1.3 钎料的加工变形能力 .52.1.4 钎料的润湿与铺展 .52.1.5 钎料与母材的相互作用 .62.2 钎焊焊剂 .63 试验准备及方法 .63.1 试验材料 .63.1.1 刀具基体材料的选择 .63.1.2 钎料及钎剂的选择 .63.1.3 式样制备及夹具设计 .73.2 试验设备 .83.3 钎焊工艺 .83.3.1 钎焊表面的预处理 .83.3.2 钎焊的实施 .83.3.3 焊后处理 .104 钎焊接头缺陷观察及显微组织成分分析 .104.1 接头完整性及缺陷分析 .104.1.1 接头外观质量 .104.1.2 关于接头完整性的讨论 .114.2 接头显微组织特征分析 .124.2.1 金相试样制备 .124.2.2 金相试样的显示 .164.3 接头微观组织分析 .17参考文献 .21致 谢 .231PCB 板用钨钢铣刀刀体钎焊工艺研究摘 要：作为制造业的重要组成部分，随着制造业的大力发展，焊接也得到了快速的发展及广泛的应用，并在整个制造业中占据了至关重要的地位。然而，随着技术进步与工艺的发展，机械制造、维修及安装渐渐的朝向精细化方向迈进，因此对焊接技术提出的要求也有所提高。目前，焊接应用量的提升，使得焊接机械化及自动化技术得到有效改造，焊接自动化率也有着极大程度的提升，此外，电子行业的快速发展，使 PCB 板成为主要载体，因此会有更多的报废铣刀在 PCB 板加工后出现。本文采用 HL313 钎料对 YG6x 硬质合金 PCB 板用铣刀刀体利用 SP-15型高频感应钎焊机在空气的条件下进行感应钎焊,利用输入电流大小控制温度的大小。对焊接试样进行金相组织制备，通过对钎焊后接头微观组织分析，影响刀体强度的金相组织，从而判断出这种以 HL313 为钎料、碳化钨为钎剂的感应钎焊得到的新的 PCB 板用铣刀刀体是否符合使用要求。关键词：硬质合金 高频感应钎焊 金相组织 工艺研究1 引言1.1 课题的意义本世纪以来，各类电子产品的出现，极大程度带动了电子行业的发展，作为电子产品的载体，PCB 在核心模块单元中，起到了关键性的作用，并由此成为当前电子制造业最重要，也是最为活跃的部分。不论是单层、多层、双面、还是挠性方面，PCB 在发展过程中，都有着极为迅速的发展。此外，电子产品的高密度、高可靠性及高精度方向的发展，也使得 PCB 印制板在缩小产品体积、提高性能与成本降低方面的优越性得以展现出来，因而将会在电子设备领域中得到更加广泛的应用。高性能电子产品、计算机技术与通信技术的大力发展，要求电子产品具有质量轻、厚度薄、形状小及长度短的特点，虽然 PCB 高层化、高密度、细线路等技术有着较大的依赖性，但是给 PCB 制作工艺带来的难度也有所上升。对于 PCB 数控钻铣床来说，其作为 PCB 的核心技术，其有效应用及发展，对 PCB 产业的促进，有着至关重要的作用。当前，PCB 印刷电路及制造技术已经走到了较高的阶段，在印刷电路板制造技术里的机械加工来说，为对高档次 PCB 印刷版制造要求的满足，不仅需要对激光钻孔技术加以应用，还需应用等离子体蚀孔、光致法成孔等一些高新技术。但是，这些技术在应用时，都存在着严重的局限性，在众多 PCB 印刷版加工作业开展过程中，还需要利用数控钻铣加工来实现。虽然我国 PCB 制造业起步较晚，然而在近年来的发展中，技术水平与设施情况也得到了较大程度的改善，采用传统手工工艺及单面板冲孔加工工艺来完成印制板加工的厂商越来越少，利用 PCB 机械加工数控钻铣床已经得到普及，并使数控钻铣床逐步成为我国 PCB 印制板加工的主要设备。然而，在实际应用时，因为市场需求2量较大，关于 PCB 废弃后再利用的问题该如何解决，已经成为电子制造业可持续发展与节能环保方面亟待解决的问题。本文通过报废 PCB 铣刀再利用技术进行研究，在 PCB 铣刀刀体棒材得到二次利用的同时，使铣刀寿命得以提升。另外，本文还通过对焊缝组织金相进行分析，对 PCB 板使用铣刀刀体钎焊工艺对焊缝强度的影响加以探究，从而分析 PCB 铣刀刀体加工硬度超出本身的 PCB 板时，经常出现断裂的问题。1.2 感应钎焊的应用现状及发展趋势感应加热钎焊在应用时，其具备的优势便是加热较快，钎料在液化时，所使用的时间较短，且能够在各类气体下完成，这一性能有效缓解硬质合金氧化及过热问题，使得焊接质量得以满足。然而，该方法在使用时，也会出现投资大、设备复杂等缺点，且会出现感应电流趋表效应，从而在对大厚工件进行钎焊时，会出现温度受热不均问题，使得钎焊质量得不到满足，效率大大下降。据此优缺点，在感应加热钎焊时，只对结构形式简单、尺寸较小的焊件进行采用。对于这些因素来说，需在合适组配范围内。因素的波动，会造成焊缝质量出现变化，特别会对硬质合金造成较强的焊接应力。钎缝间隙值作为衡量钎焊质量的参数，一般来说，钎缝越小，对应的焊接应力则会越大。钎缝较小时，会出现“钎不透” 、 “挤死”等现象，从而使得接头强度下降，焊接应力增强。钎缝较大时，会因为毛细作用引起“钎不透”现象的出现，从而造成接头强度降低。所以在钎焊时，需要掌握适合的钎缝间隙。钎头焊接质量的好坏，会受到气加热及冷却速度的影响，加热的速度较快时，合金便会有较强应力产生，加热过慢时，便会使其在高温停留时间增长，随着这样一来，有助于液态钎料扩散及润湿，然而却会使得合金氧化烧损。冷却的速度过快，合金中便会出现较大的收缩应力，速度跟不上，虽然焊接应力降低，但对钢体材质淬火来说，有着不利的影响。作为加热机器中的核心元件，感应圈将电能转变为热能来对焊件加热，所以，感应圈的结构，对生产率及焊接质量有着较大影响。在对感应圈设计与选用时，应遵从外形与焊件相适应，与焊件间隙较少等原则。为保证焊件加热时均匀、平稳进行，预防焊件尖角位置出现局部加热，因此应当做到对感应圈匝数与电流交变频率的有效控制。中国作为当今世界上，硬质合金最大的生产国及消费国，在工业化发展与现代化进程加速的背景下，硬质合金会在工业领域中，有着更加广泛的应用，焊接作为硬质合金与钢基金属连接的有效方式，会在硬质合金应用于开发中起到关键作用。因为硬质合金的熔点高，与基体物理性能有着很大差距，因此硬质合金与金属连接大多数还是采用传统的焊接技术。而这些传统焊接技术中，应用最多的为感应钎焊与火焰钎焊。钎焊具有较强的操作性，能够在各种场合，针对各种生产要求的产品进行钎焊，钎焊时，可根据构建尺寸、材质的不同，来对热源、钎料、去膜方式的有效选址，进而对接头质量、生产成本与效率的有效协调。但是，普通钎焊工艺中存在接头强度不够及耐温程度不够，使得普通钎焊要想发展，还有众多问题需要研究。扩散焊是将钢筋金属与硬质合金取得连接的有效方法，其接头强度与耐温强度通常较高，然而，在接头区组织结构改善、抑制接头扩散区形成上，还有较多问题的存在，并且扩散焊在应用时，需要投入的资金较多，且效率较低，从而阻碍了其进一步推广与应用。当前，有关于硬质合金3焊接方面开展的新技术还有激光钎焊、电子束焊、ITG 焊等工艺，这些工艺把 “熔焊”的成分引入到硬质合金的焊接当中，从而突破了传统钎焊方式的限制，对于这些实验中的新工艺来说，一定走出实验室，必将得到有效的推广与应用，从而做到对硬质合金在高端工业上的发展，起到较强的推动作用。1.3 焊接方法分类及金属材料的焊接性1.3.1 焊接方法及分类焊 接 方 法 简 单 的 来 说 ， 就 是 用 于 焊 接 的 工 艺 流 程 。 当 前 焊 接 具 备 的 方 法 较 多 ， 概 况来 说 可 以 分 为 三 大 类 、 若 干 小 类 ， 其 中 三 大 类 为 熔 焊 、 钎 焊 及 压 焊 。 如 图 1-1 所 示 。图 1-1 基 本 焊 接 方 法1.3.2 硬质合金的焊接性硬 质 合 金 相 焊 的 基 体 材 料 多 为 碳 素 钢 ， 硬 质 合 金 的 热 膨 胀 系 数 及 热 导 率 相 对 碳 素 钢较 小 ， 因 此 在 焊 接 时 ， 容 易 造 成 三 类 问 题 的 出 现 。 一 是 焊 接 裂 纹 的 出 现 ， 这 是 由 于 硬 质合 金 的 热 膨 胀 系 数 只 有 碳 素 钢 的 一 半 不 到 ， 因 此 焊 缝 区 会 有 较 大 的 残 余 应 力 ， 并 且 在 硬质 合 金 上 表 现 为 拉 应 力 ， 这 些 力 的 出 现 ， 使 得 硬 质 合 金 容 易 开 裂 。 二 是 焊 缝 脆 化 的 出 现 ，这 是 因 为 焊 缝 区 有 MC6 型 复 合 碳 化 物 的 形 成 ， 从 而 使 得 接 头 抗 弯 强 度 较 低 ， 出 现 焊 缝 脆化 现 象 。 三 是 气 孔 、 夹 渣 及 氧 化 ， 这 是 因 为 钎 焊 接 头 温 度 过 高 时 ， 会 出 现 焊 料 成 分 烧 损及 焊 缝 氧 化 ； 然 而 温 度 较 低 时 ， 会 因 钎 料 流 动 性 较 差 ， 易 造 成 虚 焊 的 存 在 ， 且 在 焊 缝 内 ，会 存 在 较 多 的 夹 渣 、 气 孔 ， 对 焊 缝 强 度 会 造 成 严 重 影 响 。 331.4 钎焊的概念所 谓 的 钎 焊 ， 即 是 利 用 熔 点 比 母 材 低 的 钎 料 ， 在 加 热 时 ， 将 温 度 控 制 在 母 材 与 钎 料的 熔 点 间 ， 使 钎 料 得 以 融 化 ， 进 而 填 充 在 母 材 的 间 隙 当 中 ， 从 而 使 得 接 头 得 以 焊 接 完 成 。钎 焊 在 应 用 时 ， 其 不 容 易 出 现 变 形 ， 接 头 光 滑 、 美 观 ， 能 够 在 透 平 叶 片 、 印 刷 电 路 等 精密 、 复 杂 、 成 分 不 同 的 构 建 中 得 以 应 用 。 钎 焊 之 前 ， 需 对 工 件 做 好 清 理 工 作 ， 将 其 上 面4的 氧 化 膜 及 油 污 去 除 ， 留 出 接 口 装 配 间 隙 ， 并 用 钎 剂 来 增 强 钎 料 的 润 湿 性 。 此 外 ， 与 熔焊 相 比 较 ， 钎 焊 不 易 对 母 材 造 成 融 化 ； 与 压 焊 相 比 较 ， 钎 焊 不 会 对 焊 件 施 加 外 力 。1.4.1 钎焊常用的工艺和方法钎 焊 时 ， 其 涉 及 到 的 重 要 工 艺 参 数 为 保 温 时 间 及 钎 焊 温 度 ， 温 度 一 般 都 选 择 控 制 在钎 料 液 相 线 温 度 的 25 -60 ， 从 而 使 得 钎 料 能 够 完 全 填 满 间 隙 ； 钎 焊 的 保 温 时 间 ，需 根 据 钎 料 与 母 材 相 互 作 用 程 度 、 工 件 大 小 来 进 行 决 定 ， 大 件 为 了 能 够 做 到 均 匀 受 热 ，一 般 保 温 时 间 较 长 。 9同 时 钎 料 与 母 材 相 互 作 用 程 度 较 大 的 ， 其 保 温 时 间 也 许 有 所 提 升 ，但 是 还 需 防 止 保 温 时 间 过 长 造 成 熔 蚀 等 问 题 的 出 现 。对 于 钎 焊 来 说 ， 其 应 用 到 的 工 艺 及 方 法 较 多 ， 可 以 通 过 设 备 与 工 作 原 理 的 不 同 ， 来对 其 加 以 划 分 ， 根 据 热 源 区 不 同 来 划 分 的 话 ， 可 以 分 为 电 子 束 、 等 离 子 、 辉 光 放 电 、 红外 钎 焊 等 方 法 ； 根 据 工 作 流 程 的 不 同 ， 可 以 将 其 划 分 为 扩 散 钎 焊 及 接 触 反 应 钎 焊 。 扩 散钎 焊 是 提 升 保 温 扩 散 时 间 ， 来 使 母 材 与 焊 缝 得 到 均 匀 化 ， 使 母 材 性 能 与 接 头 相 同 ； 接 触反 应 钎 焊 是 使 钎 料 与 母 材 发 生 反 应 ， 进 而 使 生 成 液 填 充 到 接 头 间 隙 当 中 。 221.4.2 硬质合金感应钎焊工艺1.4.3 感应钎焊的优点感应钎焊在应用时，其采取的加热方式为由内到外，这与激光加热钎焊方式不一样，因此其效果不会受到接头变化及钎焊位置不同的影响。 26感应加热钎焊在使用时，能够比烙铁焊接有着更快、更匀称的加热效果。在烙铁焊接中，烙铁头会因为磨损，因此需经常进行更换，但在感应钎焊中，因为感应线圈并不会发生接触，因此不会造成磨损问题的出现。利用感应加热来替代气体火焰来实施钎焊，具有较多的好处，一是能够在相同的材料中传导更多的热量，促使加热周期加快，利于小时产量提升。二是感应加热能够选择性的应用，因此在焊接时，并不需要对整个工件进行加热，便可以实施焊接操作。将热量约束在制定区域中进行加热，在这一点上，感应加热钎焊较其它方法来说，有着较多的优势存在。同时热量区域性的存在，也不会对工件其它部位损伤造成担心，因此，感应加热钎焊的众多优势，使其能够在大规模的生产过程中得到应用。1.5 论文研究的内容本文在研究过程中，采用 SP-15 高频感应钎焊机，来对 YG6X 硬质合金材料完成焊接，钎焊钎料为 HL313，熔点在 627-635。考虑到加热速度、感应线圈形状、尺寸、冷却速度、钎缝间隙及钎料剂加入方式等因素，对接头微观组织与性能可能造成的一定影响，因钎料剪裁 钎焊件母材和钎料表面的氧化膜去除 除母材固定装配感应钎焊检验 5此对焊接试样进行金相组织制备，然后完成金相分析试验等基础上，做到对钎料预热、基体溶蚀及加热不均匀等问题的有效解决。2 焊接材料和焊剂2.1 焊接材料 焊接时，其材料可以分为钎剂与钎料。2.1.1 钎料钎 料 为 钎 焊 时 ， 用 于 焊 缝 填 充 所 用 到 的 金 属 材 料 ， 钎 焊 接 头 的 质 量 ， 在 很 大 程 度 上决 定 钎 料 质 量 的 好 坏 。2.1.2 对钎料的基本要求钎 料 在 选 择 时 ， 一 般 用 六 大 要 求 ， 一 是 钎 料 需 有 符 合 要 求 的 熔 化 温 度 范 围 ， 需 至 少低 于 母 材 熔 点 十 度 以 上 。 二 是 钎 料 需 有 较 好 的 侵 润 性 ， 保 证 钎 料 在 熔 化 后 ， 能 够 填 满 焊缝 间 隙 当 中 。 三 是 钎 料 需 与 工 件 金 属 间 ， 有 着 较 高 的 扩 散 能 力 及 溶 解 能 力 ， 保 证 钎 料 与母 材 扩 散 时 ， 做 到 牢 固 结 合 。 四 是 获 得 钎 焊 接 头 ， 需 满 足 产 品 的 技 术 要 求 、 力 学 性 能 、物 理 化 学 性 能 等 各 方 面 要 求 。 五 是 钎 料 成 分 应 当 均 匀 、 稳 定 ， 尽 量 避 免 在 钎 焊 时 ， 合 金元 素 损 失 问 题 的 出 现 。 六 要 求 钎 料 经 济 实 用 ， 避 免 对 稀 有 金 属 与 贵 重 金 属 的 采 用 ， 从 而在 成 本 上 能 够 得 到 有 效 控 制 。2.1.3 钎料的加工变形能力根 据 本 钎 料 熔 点 的 不 同 ， 可 将 其 分 为 软 钎 料 及 硬 钎 料 ， 软 钎 料 是 指 熔 点 不 高 于450 ， 且 富 含 锡 铅 基 、 铅 基 、 镉 基 的 合 金 钎 料 ； 而 硬 钎 料 是 指 熔 点 高 于 450 ， 且 富含 铝 基 、 铜 基 、 银 基 、 镍 基 的 合 金 钎 料 ， 其 中 硬 钎 料 能 够 用 于 受 力 较 大 ， 工 作 温 度 较高 工 件 的 焊 接 。 18经 常 应 用 到 的 硬 钎 料 有 铜 基 钎 料 、 银 基 钎 料 等 类 型 。 根 据 钎 料 之 城形 状 的 不 同 ， 可 以 将 其 制 成 丝 、 片 、 粉 等 形 状 。2.1.4 钎料的润湿与铺展钎 焊 时 ， 只 有 钎 料 熔 化 的 液 体 有 效 润 湿 母 材 表 面 ， 才 能 使 焊 缝 得 以 填 满 ， 而 对 钎 料润 湿 母 材 的 主 要 影 响 因 素 包 含 了 五 点 。 一 是 钎 料 与 母 材 的 成 分 ： 钎 料 和 母 材 ， 在 液 态 与固 态 状 况 下 ， 若 都 不 会 有 物 理 及 化 学 作 用 的 发 生 ， 则 其 润 湿 效 果 就 得 不 到 展 现 。 例 如 铅与 铁 。 要 是 母 材 和 钎 料 能 够 溶 解 ， 或 者 是 形 成 化 合 物 ， 则 钎 料 能 够 很 好 的 对 母 材 做 到 润湿 。 二 是 钎 焊 温 度 ： 钎 焊 时 ， 温 度 的 上 升 ， 会 因 为 钎 料 表 面 张 力 下 降 等 情 况 ， 使 得 钎 料对 母 材 润 湿 性 得 到 改 善 ， 但 是 钎 焊 设 置 的 问 题 又 不 能 过 高 ， 不 然 就 容 易 造 成 钎 料 流 失 等问 题 出 现 ， 因 此 应 当 做 到 合 理 控 制 。 35三 是 母 材 表 明 氧 化 物 ： 母 材 表 面 若 是 有 着 金 属氧 化 物 的 存 在 ， 则 会 使 钎 料 在 溶 解 后 ， 在 液 态 状 况 下 形 成 球 状 ， 从 而 不 会 与 母 材 产 生 润湿 ， 因 此 在 钎 焊 之 前 ， 需 对 母 材 表 面 氧 化 物 做 到 有 效 清 除 。 四 是 母 材 表 明 的 粗 糙 程 度 ：若 母 材 与 钎 料 间 的 作 用 较 弱 ， 则 母 材 表 面 的 粗 糙 沟 槽 ， 会 因 毛 细 作 用 的 出 现 ， 使 得 钎 料6在 母 材 上 的 铺 展 与 润 湿 得 以 改 善 。 五 是 钎 剂 的 影 响 ： 钎 剂 能 够 在 钎 焊 时 ， 对 母 材 及 钎 料表 面 氧 化 物 做 到 清 除 ， 并 有 利 于 液 态 钎 料 表 面 张 力 下 降 ， 起 到 较 好 的 润 湿 效 果 。 352.1.5 钎料与母材的相互作用钎 焊 过 程 中 ， 液 态 钎 料 会 在 毛 细 填 隙 的 时 候 ， 会 与 母 材 发 生 化 学 及 物 理 反 应 ， 并 对钎 焊 接 头 性 能 造 成 一 定 程 度 的 影 响 。 这 种 影 响 可 分 为 两 种 情 况 ， 一 是 母 材 对 钎 料 发 生 溶解 ： 钎 焊 时 ， 通 常 会 出 现 母 材 向 钎 料 发 生 溶 解 ， 从 而 造 成 钎 料 成 分 发 生 合 金 化 ， 增 强 接头 强 度 。 然 而 ， 母 材 的 过 度 溶 解 ， 会 造 成 钎 料 粘 度 与 熔 点 升 高 ， 流 动 性 变 差 ， 因 此 通 常难 以 填 充 完 整 个 间 隙 ， 并 还 可 能 会 造 成 凹 陷 等 问