先進(jìn)焊接與連接技術(shù)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)1先進(jìn)焊接與連接技術(shù)2任務(wù)1：QFP器件激光無鉛釬焊工藝流程的確定先進(jìn)焊接與連接技術(shù)激光再流焊基礎(chǔ)

再流焊也叫回流焊，是伴隨微型化電子產(chǎn)品的出現(xiàn)而發(fā)展起來的焊接技術(shù)，主要應(yīng)用于各類表面組裝元器件的焊接。這種焊接技術(shù)的焊料是焊錫膏。預(yù)先在電路板的焊盤上涂上適量和適當(dāng)形式的焊錫膏，再把SMT元器件貼放到相應(yīng)的位置；焊錫膏具有一定粘性，使元器件固定；然后讓貼裝好元器件的電路板進(jìn)入再流焊設(shè)備。傳送系統(tǒng)帶動電路板通過設(shè)備里各個設(shè)定的溫度區(qū)域，焊錫膏經(jīng)過干燥、預(yù)熱、熔化、潤濕、冷卻，將元器件焊接到印制板上。激光再流焊具有其他再流焊方法無可比擬的優(yōu)點，如加熱區(qū)域小、加熱速度快、冷卻快等，因此，在微電子焊接領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。3圖4-1激光再流焊設(shè)備示意圖先進(jìn)焊接與連接技術(shù)QFP器件再流焊順序QFP器件再流焊步驟1.取出冷藏的焊膏，并攪拌使之成分均勻，呈粘稠狀能，充分發(fā)揮活性作用備用。2.將印制電路板固定在印刷機上，使用模板漏板在焊盤上，圖敷焊膏，用貼片機從QFP存儲盒中吸取QFP器件，貼裝在印制電路板上，然后輕壓，使引腳與釬料接觸良好。3.打開冷卻水箱，設(shè)定好冷卻循環(huán)溫度并預(yù)運行10-20分鐘左右，同時開啟控制電腦，用夾具夾牢待釬焊的QFP器件，并平置于工作臺上，應(yīng)用CNC控制軟件調(diào)整工作臺位置對焦并使鏡頭對齊待焊部位。4.根據(jù)待焊的QFP器件編寫工作臺CNC操作程序，調(diào)整釬焊每個引線的時間確定合適的激光參數(shù)。5.依次打開激光器和六軸工作臺的電源。6.利用工作臺空走程序檢測所編程序的正確性，確定無誤后開始進(jìn)行釬焊，采用CNC軟件控制工作臺路徑。4先進(jìn)焊接與連接技術(shù)焊接質(zhì)量的影響1.焊膏的影響。焊膏是由錫鉛等合金釬料粉末糊狀助焊劑均勻混合而成的膏狀體。焊膏在常溫下有一定的粘性，對釬焊細(xì)間距的器件來說，能選擇一種品質(zhì)優(yōu)良的焊膏非常重要。2.QFP元器件貼裝精度的影響。貼片技術(shù)就是把表面組裝元器件貼到印制板或基板相應(yīng)部位上的技術(shù)。

3.再流焊工藝的影響再流焊的作用是將焊膏融化使表面組裝元器件與PCB板牢固粘接在一起，是表面貼裝技術(shù)特有的重要工藝，釬焊工藝質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響正常生產(chǎn)也影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，在激光與金屬的相互作用過程中，釬料熔化僅為其中一種物理現(xiàn)象，有時光能并非主要轉(zhuǎn)化為釬料熔化，而以其它形式表現(xiàn)出來，如汽化等離子體形成等。5先進(jìn)焊接與連接技術(shù)焊后清洗與焊后檢測QFP焊后質(zhì)量檢測主要包括外觀質(zhì)量檢測和焊點質(zhì)量檢測。采用光學(xué)設(shè)備的圖形放大目測技術(shù)對QFP進(jìn)行外觀質(zhì)量檢測，無漏裝、翹立、錯位、貼錯、裝反、引腳上浮、潤濕不良、漏焊、橋連、焊錫過量、虛焊、錫焊珠等不良現(xiàn)象。再利用激光/紅外檢測技術(shù)，對焊點進(jìn)行質(zhì)量檢測，無缺陷。QFP器件進(jìn)行完激光釬焊后，對釬焊好的QFP器件按上述步驟進(jìn)行檢測。6先進(jìn)焊接與連接技術(shù)7任務(wù)2：電路板波峰焊工藝流程的確定先進(jìn)焊接與連接技術(shù)波峰焊原理

波峰焊是將熔融的液態(tài)焊料，借助與泵的作用，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，插裝了元器件的PCB置與傳送鏈上，經(jīng)過某一特定的角度以及一定的浸入深度穿過焊料波峰而實現(xiàn)焊點焊接的過程。8先進(jìn)焊接與連接技術(shù)雙波峰波峰焊

單波峰：指錫液噴起時只形成一個波峰，一般在過一次錫或只有插裝件的PCB時所用。雙波峰：如果PCB上既有插裝件又有貼片元器件，這時多用雙波峰，因為兩個波峰對焊點的作用較大，第一個波峰較高，它的作用是焊接；第二個波峰相對較平，它主要是對焊點進(jìn)行整形。如下圖所示。9圖4-2雙波峰焊示意圖先進(jìn)焊接與連接技術(shù)波峰焊主要焊接參數(shù)

101.預(yù)熱：“預(yù)熱溫度“一般設(shè)定在90-110度，這里所講“溫度”是指預(yù)熱后PCB板焊接面的實際受熱溫度2.錫爐溫度：以使用63/37的錫條為例，一般來講此時的錫液溫度應(yīng)調(diào)在245至255度為合適，盡量不要在超過260度3.鏈條（或稱輸送帶）的傾角：這一傾角指的是鏈條（或PCB板面）與錫液平面的角度；4.風(fēng)刀：在波峰爐使用中，“風(fēng)刀”的主要作用是吹去PCB板面多余的助焊劑，并使助焊劑在PCB零件面均勻涂布；5.錫液中的雜質(zhì)含量：在普通錫鉛焊料中，以錫、鉛為主元素；其他少量的如：銻（Sb）、鉍（Bi）、銦（In）等元素為添加元素以外，其他元素如：銅（Cu）、鋁（Al）、砷（As）等都可視為雜質(zhì)元素；先進(jìn)焊接與連接技術(shù)選擇波峰焊

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隨著電子產(chǎn)品高密度小型化的設(shè)計要求，大量的PTH元件被SMT元件代替，這樣電路板上的PTH元件越來越少，有的電路板甚至兩面都布滿了SMT元件。普通的波峰焊采用波峰大面積焊接的方式已不再適用，會產(chǎn)生夾具制作等額外費用，甚至可能對焊接面存在的SMT元件產(chǎn)生影響。像這種通孔元件較少的電路板，可以考慮采用選擇性波峰焊設(shè)備。右圖所示的為選擇波峰焊設(shè)備。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)選擇波峰焊流程

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選擇波峰焊的一般流程為：助焊劑噴涂——預(yù)熱——焊接——預(yù)熱——焊接（1）助焊劑噴涂區(qū)和普通波峰焊一樣，選擇性波峰焊焊接PCB時也需要涂覆助焊劑來幫助焊接，幫助通孔元件的上錫。和普通波峰焊不一樣的是選擇焊的助焊劑噴涂采用噴嘴進(jìn)行定點噴涂，助焊劑的噴涂量也可以精確控制。（2）預(yù)熱區(qū)預(yù)熱區(qū)上部采用熱風(fēng)回流加熱，下部采用紅外加熱的方式。上部熱風(fēng)回流加熱的最高可設(shè)置溫度為200℃，可設(shè)置最長加熱時間是3600s。下部紅外加熱共有八根四組加熱管，每兩根為一組，可不同時打開。（3）焊接區(qū)同助焊劑噴涂去類似，焊接區(qū)有一個焊錫缸儲存液態(tài)錫，液態(tài)錫通過缸內(nèi)的電動馬達(dá)驅(qū)動被卷上來形成一個圓柱形的錫波。錫波的高度可以控制，錫波的直徑也可以通過噴嘴大小來控制。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)焊接質(zhì)量控制

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取樣時，需要檢測的幾種元素如下：鉛、銀、銅、鎘。預(yù)熱區(qū)可以設(shè)置上預(yù)熱溫度和時間以及下部預(yù)熱溫度和時間，此溫度要根據(jù)板子的大小及厚度來設(shè)置，一般上部預(yù)熱溫度要高于下部預(yù)熱溫度，但不能相差太大，當(dāng)然要根據(jù)實際情況來。焊接區(qū)需要設(shè)置上部加熱的溫度和時間，焊接溫度以及錫嘴型號。上部加熱起到對焊接中的PCB板一個保溫的作用，一般溫度可以比預(yù)熱區(qū)上部加熱溫度稍低。第二預(yù)熱區(qū)和第二焊接區(qū)可以參考第一預(yù)熱區(qū)和第一焊接區(qū)。當(dāng)因為焊點較多需提高焊接速度而選擇使用第二焊接區(qū)時，第二預(yù)熱區(qū)可以不勾選。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)選擇性波峰焊常見缺陷分析及解決方法

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（1）橋接：橋接是選擇焊中一個比較常見的缺陷，元件引腳間距過近或者波峰不穩(wěn)都有可能導(dǎo)致橋接，可能原因如下，焊接溫度設(shè)置過低，焊接時間過短，焊接完成后下降時間過快，助焊劑噴涂量過少。一般這種情況下要檢查波峰和確認(rèn)焊接坐標(biāo)是否正確，可以通過提高焊接溫度或預(yù)熱溫度，提高焊接時間，增加下降時間，提高助焊劑噴涂量的方法來改善。（2）溢錫：發(fā)生這種情況一般要首先檢查通孔元件是否missing，看板子是否有明顯變形，爐溫設(shè)置是否過高導(dǎo)致PCB變形，其次要檢查元件引腳直徑和通孔直徑之間的配合。如果通孔過大而元件引腳過細(xì)就會導(dǎo)致溢錫的發(fā)生。可以降低溢錫部位的波峰高度或焊接高度，降低助焊劑噴涂量。（3）上錫高度達(dá)不到：對于二級以上產(chǎn)品來說這也是一個比較常見的缺陷，一般來講一些金屬材質(zhì)的大元件如電源模塊等，由于他們大多與接地腳相接散熱較快上錫困難，當(dāng)然一般上錫高度標(biāo)準(zhǔn)會有相應(yīng)的放松。除此之外焊接溫度低，助焊劑噴涂量少，波峰高度低都會導(dǎo)致上錫高度不夠。提高預(yù)熱和焊接溫度，多噴涂些助焊劑等可以解決問題。（4）元件抬高：元件過輕或波峰抬高會導(dǎo)致波峰將元件頂上去，或者在插裝元件的時候元件沒有插到位，軌道速度過快或不穩(wěn)導(dǎo)致元件歪斜抬高?？梢灾谱鲓A具將原件壓住，由于夾具的吸熱可能需要提高預(yù)熱或焊接溫度。

先進(jìn)焊接與連接技術(shù)選擇性波峰焊常見缺陷分析及解決方法

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（5）元件缺失：看缺失的元件是在波峰焊接面還是非焊接面，如果是通孔元件缺失則可以同以上的元件抬高相同原因，焊接面SMT元件缺失時要注意焊接時是否焊接坐標(biāo)設(shè)錯導(dǎo)致波峰帶到元件，波峰是否不穩(wěn)焊接時碰到附近的料。這種情況可以修正坐標(biāo)或者將通孔附近的料用白膠點上保護(hù)起來，并將情況反饋給DFM團(tuán)隊。（6）焊點空洞：元件引腳太短尚不能伸出通孔或元件引腳橫截面被氧化不上錫，可以加噴助焊劑。（7）拉尖：這是一個和橋接一樣發(fā)生頻率較高的缺陷種類，預(yù)熱和焊接溫度過低，焊接時間太短會導(dǎo)致拉尖的發(fā)生。（8）錫珠：有錫珠時要檢查助焊劑的質(zhì)量或者板子表面是否沾上錫膏，助焊劑中含水在焊接時會炸裂導(dǎo)致錫珠。（9）元件引腳變細(xì)，吃腳：可能是焊接溫度過高或焊接時間過長，也有可能是引腳間距太近，在焊接一個引腳時波峰帶到旁邊的引腳導(dǎo)致一些引腳被焊接了兩次。這種情況可以修改坐標(biāo)參數(shù)盡量避免引腳焊兩次，引腳太近的可以一起焊接。（10）少錫：波峰溫度過低，波峰不穩(wěn)，波峰高度或焊接高度太低，焊接坐標(biāo)設(shè)置錯誤都會導(dǎo)致少錫。修正坐標(biāo)，清潔錫嘴，提高焊接溫度，提高波峰或焊接高度可以解決。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)波峰焊常見問題及注意事項

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1.常見問題的檢查。第一，檢查錫液的工作溫度。第二，檢查PCB板在浸錫前的預(yù)熱溫度。第三、檢查助焊劑的涂布是否有問題。第四，檢查助焊劑活性是否適當(dāng)。第五，檢查錫爐輸送鏈條的工作狀態(tài)。第六、檢驗錫液中的雜質(zhì)含量是否超標(biāo)。第七，為了保證焊接質(zhì)量，選擇適當(dāng)?shù)闹竸┮彩呛荜P(guān)鍵的問題。第八、如果PCB板面上總是有少部分零件腳吃錫不良。第九、在保證上述使用條件都在合理范圍內(nèi)，如果仍出現(xiàn)PCB不間斷有虛焊、假焊或其他的焊接不良狀況。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)波峰焊常見問題及注意事項

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2.波峰焊機的保養(yǎng)。步驟一、波峰焊錫爐及發(fā)熱部分保養(yǎng)步驟二、波峰焊電氣部分保養(yǎng)步驟三、波峰焊機械部分保養(yǎng)步驟四、波峰焊噴霧部分保養(yǎng)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)18任務(wù)3：金絲熱超聲鍵合工藝的流程確定先進(jìn)焊接與連接技術(shù)引線鍵合技術(shù)與熱超聲鍵合基礎(chǔ)

引線鍵合技術(shù)（WireBonding）作為現(xiàn)如今的一種主要的微電子領(lǐng)域內(nèi)的封裝技術(shù)，它是指使用細(xì)的金屬絲線（Al、Pt、Au等），利用熱能、壓緊力與超聲波能量等促進(jìn)金屬絲線和基板上的焊盤產(chǎn)生緊密的焊合，實現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信息互通的技術(shù)，是屬于壓力焊接的一種。針對微電子封裝領(lǐng)域的要求不同，在工業(yè)上通常有熱壓引線鍵合、超聲引線鍵合以及熱超聲引線鍵合這三種引線鍵合定位平臺技術(shù)被廣泛采用。

19先進(jìn)焊接與連接技術(shù)引線鍵合技術(shù)與熱超聲鍵合基礎(chǔ)1.熱壓鍵合是使用加熱以及劈刀壓緊力對芯片的金屬化層和金屬絲進(jìn)行作用它要求基板和芯片的溫度通常要達(dá)到150℃作用，對表面的污染物很敏感，通常用于Au絲鍵合，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。2.超聲鍵合是充分使用超聲波的能量，完成了金屬引線材料和電極在常溫下的直接焊接。3.熱超聲鍵合工藝結(jié)合了熱壓工藝與超聲工藝這兩者之間的優(yōu)點，以其只需要比較低的加熱溫度、鍵合完成后鍵合的強度高并且對器件的可靠性非常有利等優(yōu)勢成為鍵合法的主流。三種鍵和方式的優(yōu)缺點如右表所示。20先進(jìn)焊接與連接技術(shù)楔形鍵合與球形鍵合楔形鍵合和球形鍵合這兩種鍵合方式最主要的不一樣之處是球形鍵合方式每次循環(huán)的起始由打火桿造成一個金屬的焊球，然后利用劈刀將這個圓形球緊緊壓到芯片的金屬焊盤上形成為第一焊點（往往是芯片表面），而楔形鍵合則是不用在循環(huán)的最初形成焊球的，它是直接在加熱加壓和超聲的能量運行之下，將金屬引線焊到芯片的焊盤上。此外，通常來說，正因為球鍵合每一次鍵合的開始都需要打火成球，然后將這個球壓到焊盤上，因此需要準(zhǔn)備的焊盤面積比楔鍵合要大。楔形鍵合和球形鍵合雖然有所不同，但歸納起來它們的基本的步驟都可以囊括為：一般是在芯片上構(gòu)建產(chǎn)生第一焊點，拉線成弧，然后去在引線框架或者基板上面最后構(gòu)造產(chǎn)生第二焊點。21先進(jìn)焊接與連接技術(shù)引線鍵合的技術(shù)要求引線鍵合必須滿足下面的幾點要求：（1）引線材料易加工成絲，即可塑性好，易卷繞。（2）鍵合完成后，不會殘留會引起腐蝕的物質(zhì)。（3）鍵合后產(chǎn)生電阻很小，保證低歐姆接觸和良好的導(dǎo)電性。（4）鍵合過程中施加的功率和壓力等都應(yīng)該在保證鍵合質(zhì)量的情況下，越小越好，使焊盤結(jié)構(gòu)不致?lián)p壞。（5）能與芯片表面的金屬化焊盤（在本文涉及到的所有任務(wù)里，此處的金屬化焊盤均為鋁焊盤）及基板材料（金）實現(xiàn)良好的鍵合。這才是鍵合的本質(zhì)。22先進(jìn)焊接與連接技術(shù)檢驗與分析（1）將待測樣品放置在工作臺夾具上，并固定；裝載拉力測試鉤針以及測試模塊；初始化程序，選擇合適的群組，并選定進(jìn)行測試的模塊量程。（2）用拉鉤勾住鍵合金線的中間頂部位置，并保持拉鉤垂直。（3）點“開始”按鈕，直到引線斷開或者鍵合點脫落后，電腦自動記錄下最大鍵合拉力強度后，并據(jù)實選擇斷裂類型，再進(jìn)行下次測試。若鍵合不成功，則強度記為0。23先進(jìn)焊接與連接技術(shù)金絲鍵合材料及設(shè)備24金絲鍵合平臺采用HYBOND626型號的熱超聲多功能引線鍵合設(shè)備，機器整體外觀見圖，該設(shè)備是一臺半自動的引線鍵合設(shè)備，通過更換劈刀類型就能完成楔焊或者球焊功能?？紤]到國軍標(biāo)和公司雙重要求下要達(dá)到5g的拉斷力數(shù)值，本文選取25μm的純度為99.99%的Au絲作為鍵合引線材料，分別采用楔形劈刀和球形劈刀兩種不同的方式去進(jìn)行楔形鍵合和球形鍵合，劈刀采用90°安裝方式，如圖所示。圖4-5金絲及任務(wù)實操設(shè)備先進(jìn)焊接與連接技術(shù)檢驗與分析25

圖4-6楔形劈刀安裝方式先進(jìn)焊接與連接技術(shù)設(shè)計楔形鍵合的任務(wù)方案楔形鍵合的任務(wù)方案常用參數(shù)26先進(jìn)焊接與連接技術(shù)設(shè)計球形鍵合的任務(wù)方案球形鍵合的任務(wù)方案常用參數(shù)27先進(jìn)焊接與連接技術(shù)28任務(wù)4：漆包線超聲鍵合工藝流程的確定先進(jìn)焊接與連接技術(shù)漆包線的概念

漆包線是繞組線的一個主要品種,廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造和電子元器件等產(chǎn)品中。漆包線的質(zhì)量受原材料質(zhì)量，工藝參數(shù)，生產(chǎn)設(shè)備，環(huán)境等因素影響，因此，各種漆包線的質(zhì)量特性各不相同，但都具備機械性能，化學(xué)性能，電性能，熱性能四大性能。漆包線，有時也叫電磁線或絕緣線，是一種電工材料，它是在一根圓形的銅線表面加工一層薄薄的高強度聚酯絕緣層，起到與外界絕緣的作用。當(dāng)作為內(nèi)外連接的介質(zhì)時，其末端必須和金屬終端（如插片、針、箱等）實現(xiàn)電接觸，并滿足一定的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和耐溫度疲勞性能等要求。29先進(jìn)焊接與連接技術(shù)漆包線的基本焊接方法1.釬焊，其通過融化低熔點的釬料，將導(dǎo)線表面和基底充分潤濕、包裹，冷卻后形成焊點。需要中間材料釬料和助釬劑，增加了生產(chǎn)的成本。釬焊過程中會產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，容易污染環(huán)境，對人體健康也是不利。2.機械法，對于較細(xì)線徑的漆包線常釆用玻璃纖維砂輪磨去表層漆膜，而對于線徑較大的漆包線（線徑以上）則采用金屬絲砂輪機或四刃刮刀機將表層絕緣漆膜刮除。3.熱浸法，對于一些具有直接釬擇性的低焰點漆膜漆包線，可以浸入高溫搪錫槽中，使漆膜受熱裂解焊發(fā)并同時在裸線上掛錫。30先進(jìn)焊接與連接技術(shù)漆包線超聲鍵合基礎(chǔ)知識1.熱壓焊是變形焊的一種，實際上是在冷壓擇的基礎(chǔ)上發(fā)展成的一種擇接工藝。由于設(shè)備簡單、易于操作和實現(xiàn)自動化，且質(zhì)量穩(wěn)定、成本低，不需要使用焊劑，所以不會腐燭接頭，另外焊接時接頭不會產(chǎn)生特別明顯的溫升，適合某些場合對溫度敏感的材料的擇接。熱壓焊被廣泛的應(yīng)用于電氣行業(yè)、制品業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。其原理如右圖所示。2.超聲波焊接是利用超聲波的高頻機械振動能量，對工件接頭進(jìn)行內(nèi)部加熱和表面清理，同時對工件施加壓力來實現(xiàn)焊接的一種壓焊方法。31先進(jìn)焊接與連接技術(shù)漆包線超聲鍵合基礎(chǔ)知識漆包線進(jìn)行微焊接時，存在以下四個方面的難點：1.尺寸微細(xì)：當(dāng)前電子行業(yè)中使用的漆包線尺寸非常小，其線徑一般在之間，這就需要對焊接參數(shù)和工藝進(jìn)行精確的控制，并對焊接操作者提出了更高的要求。2.絕緣層的存在：由于漆包線表面存在著一層絕緣層化合物，阻礙了兩待焊件金屬表面的直接接觸。3.熱慣性?。寒?dāng)前針對漆包線的微連接工藝中，在焊接預(yù)處理階段，為避免對漆包線的機械刮傷和其他污染，多釆用熱去除的方法去除漆包線的表層絕緣層。4.焊接壓力小而精確：漆包線焊接設(shè)備中加壓機構(gòu)對于漆包線的焊接至關(guān)重要。32先進(jìn)焊接與連接技術(shù)漆包線超聲鍵合原理及焊接過程

超聲熱壓鍵合，目前在工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的應(yīng)用是引線鍵合技術(shù)，該技術(shù)是對最早的熱壓引線鍵合技術(shù)的改進(jìn)，由于超聲振動的作用，焊點形成時所必須的鍵合時間和溫度都大大降低，工作臺一般被加熱到100-250℃之間。33先進(jìn)焊接與連接技術(shù)漆包線超聲鍵合關(guān)鍵參數(shù)1.超聲功率?，F(xiàn)代超聲引線鍵合工藝中，超聲是一個很重要的因素。典型的引線鍵合機所用的超聲振動系統(tǒng)的頻率為范圍內(nèi)的一個固定頻率。2.鍵合時間。現(xiàn)代引線鍵合技術(shù)中的鍵合時間通常在之間，鍵合時間并不是越長越好，當(dāng)焊接開始時，焊點的變形量很小，隨著擇接的進(jìn)行，鍵合強度達(dá)到一定值時，超聲的作用會使金屬線發(fā)生屈服，導(dǎo)致?lián)顸c變形增大，影響焊點強度。3.鍵合溫度。鍵合溫度為鍵合過程提供了額外的能量，可以促進(jìn)擇點形成，提高鍵合效率，還有利于表面污染物的去除。4.鍵合壓力。鍵合壓力影響超聲波傳遞到鍵合點處的效率，鍵合過程中，必須對漆包線施加一定大小的壓力來保證漆包線與另一工件的緊密接觸。34先進(jìn)焊接與連接技術(shù)漆包線超聲鍵合關(guān)鍵參數(shù)漆包線超聲鍵合設(shè)備35先進(jìn)焊接與連接技術(shù)項目總結(jié)36【項目總結(jié)】微電子焊接技術(shù)是電子產(chǎn)品先進(jìn)制造技術(shù)中的關(guān)鍵，是電子產(chǎn)品制造中電氣互連的主體技術(shù)，是電子封裝與組裝技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段的代表技術(shù)，是電路模塊微間距組裝互連、微組件或微系統(tǒng)組裝互連的主要技術(shù)手段。本項目通過對激光再流焊、波峰焊、引線鍵合等微連接技術(shù)的研究，設(shè)計了典型微電子連接的工藝，分析了微連接中的常見問題，探索了微連接焊接質(zhì)量的影響，提高了學(xué)生的微電子連接工藝設(shè)計及實操能力。【復(fù)習(xí)思考題】1.什么是表面組裝技術(shù)及其特點？無鉛釬焊料設(shè)計包括哪些內(nèi)容及六個體系？ 3.焊接點失效過程和基本因素有哪些？4.軟釬焊料合金的選用基本原則？5.焊膏設(shè)計和使用原則？.6.如何確保焊點的完整性？7.QFP工藝設(shè)計的注意點有哪些？8.評價連接的可靠性的方法有哪些？先進(jìn)焊接與連接技術(shù)37項目5先進(jìn)鎢極氬弧焊技術(shù)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)38【項目導(dǎo)入】鎢極氬弧焊，簡稱TIG焊（TungstenInertGasArcWelding），可以焊接例如鎳合金、鋁合金、鈦合金等幾乎所有合金或金屬等諸多優(yōu)點，該技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)的各個領(lǐng)域。但TIG焊也有如焊接速度慢，焊接熔深淺，熔敷效率低等缺點，導(dǎo)致TIG焊只適用于薄壁制件，影響了生產(chǎn)效率，故應(yīng)用受到了限制。近年來，一些新型TIG焊接技術(shù)逐步誕生，彌補了TIG焊電弧能量分散，焊接熔深淺等缺點，例如活性鎢極氬弧焊（ActivatingFluxTIGwelding，簡稱A-TIG)、熱絲TIG焊(Hot-wireTIGwelding)、TOP-TIG焊等多種先進(jìn)鎢極氬弧焊方法。【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.能夠掌握各種先進(jìn)鎢極氬弧焊方法的基本知識。2.能夠熟悉不同的先進(jìn)鎢極氬弧焊焊接方法在實際生產(chǎn)中的優(yōu)勢和局限性。3.能夠熟悉各種先進(jìn)鎢極氬弧焊焊接設(shè)備的組成。4.能夠掌握各種先進(jìn)鎢極氬弧焊主要工藝參數(shù)以及對焊縫成形的影響。5.根據(jù)典型應(yīng)用舉例，熟悉先進(jìn)鎢極氬弧焊工藝過程。6.通過項目學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠初步掌握先進(jìn)方法的基本操作任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用先進(jìn)焊接與連接技術(shù)39任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用任務(wù)解析通過完成本任務(wù)，使學(xué)生能夠根據(jù)初步掌握A-TIG焊技術(shù)，掌握A-TIG焊接原理及優(yōu)點，熟悉A-TIG焊接的應(yīng)用情況。學(xué)生能夠根據(jù)所學(xué)知識掌握A-TIG操作方法，了解A-TIG焊接中活性劑的基本知識和成形效果，了解A-TIG熔深增強機理內(nèi)容。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)40任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用必備知識一、A-TIG焊原理、優(yōu)點及應(yīng)用(一)A-TIG焊原理所謂活性鎢極氬弧焊(ActivatingfluxTIGwelding，簡稱A-TIG)即指“活性化TIG焊”。活性化焊接是把某種物質(zhì)成分的活性劑涂敷在焊件母材焊接區(qū)，正常規(guī)范下完成焊接的新型焊接方法,使用活性劑可以使焊縫熔深比常規(guī)TIG焊增加1-2倍，單面焊雙面成形，大大提高焊接效率，降低焊接成本。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)41任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用（a）常規(guī)TIG焊（b）A-TIG焊與普通TIG焊相比，活性化焊接突出的優(yōu)點是在同等規(guī)范下能夠獲得較大的熔深，對于6mm的不銹鋼板，普通TIG焊單道焊一次焊接的熔深最多可達(dá)到3mm，而A-TIG焊能夠一次焊透，對焊接效率的提高非常明顯。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)42任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用

（a）常規(guī)TIG焊（b）A-TIG焊先進(jìn)焊接與連接技術(shù)43任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用(二)A-TIG焊優(yōu)點1.A-TIG焊的優(yōu)點（1）在A-TIG焊接工藝中可以不開設(shè)坡口，焊接時無需填加焊絲即可滿足焊接要求。（2）與傳統(tǒng)手工電弧焊、鎢極氬弧焊等方法比較，A-TIG焊具有焊縫熔深大、生產(chǎn)效率高、質(zhì)量可靠。（3）與先進(jìn)的電子束焊接、激光焊接相比，A-TIG焊因活性劑原料來源豐富、價格經(jīng)濟(jì)，不用專門購買昂貴的專用焊接設(shè)備等優(yōu)點，使其具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。（4）減少焊接變形。與傳統(tǒng)的開坡口多層多道TIG焊相比，A-TIG焊采用不開坡口直接對接焊接，焊道收縮量很小，焊后變形因而減少。對于薄板而言，A-TIG焊由于減少了熱輸入，也相應(yīng)地減小了焊接變形，如圖5-3所示。

（a）常規(guī)TIG焊（b）A-TIG焊先進(jìn)焊接與連接技術(shù)44任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用（5）消除了各爐次鋼板由于微量元素差異而造成的焊縫熔深差異。例如，傳統(tǒng)TIG焊焊接低硫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.002%）不銹鋼時，熔深通常較淺，而采用A-TIG焊，則可以獲得熔深大的焊縫。A-TIG焊得到的焊縫，其正反面熔化寬度比例更趨合理，熔寬均勻穩(wěn)定，由于焊件散熱條件或者夾具(內(nèi)漲環(huán))壓緊程度不一致所導(dǎo)致的背面出現(xiàn)蛇形焊道及不均勻熔透（或非對稱焊縫)的程度減低，對保證焊縫使用性能有利。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)45任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用(三)A-TIG焊的應(yīng)用A-TIG焊接技術(shù)作為一種新型先進(jìn)材料連接技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，己經(jīng)成功應(yīng)用在電力、汽車、船舶、航天、化工等重要工業(yè)領(lǐng)域中。目前A-TIG焊己經(jīng)可以比較成熟的用于焊接碳鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳基合金等金屬材料，尤其是焊接需要單面焊雙面成形的大厚板/管道試件，可以形成具有良好的反面成型的焊縫，這一獨特的優(yōu)點是其他常規(guī)焊接方法所不能比擬的。

1.在管道全位置焊接中的應(yīng)用情況核電、鍋爐、壓力容器等工業(yè)領(lǐng)域的管道全位置焊接包括平焊、上坡焊、下坡焊、仰焊等過程，傳統(tǒng)焊接方法由于焊縫成形條件不斷變化，焊接熔池在各點受力不均勻，易出現(xiàn)飛濺、燒損管口等缺陷，而且填充坡口所需的焊絲量較大，這成為全位置焊接發(fā)展的瓶頸。而將活性劑刷涂于待焊焊道表面，使用全位置焊機進(jìn)行焊接，可以一次焊透，突破了全位置焊機只能焊接薄壁管和焊接厚壁管時需開坡口的局限性，減小了焊絲填充量，可以高效率地實現(xiàn)全位置自動化焊接單面焊雙面成型，如圖5-4所示。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)46任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用圖5-4A-TIG焊在壓力管道全位置焊接中的應(yīng)用先進(jìn)焊接與連接技術(shù)47任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用2.在窄間隙焊接中的應(yīng)用情況隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的日趨大型化發(fā)展趨勢，厚板、超厚板焊接金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也愈來愈廣泛。壓力容器、鍋爐、重型機械、海洋結(jié)構(gòu)和造船、核電站主回路等設(shè)備制造過程中經(jīng)常需要焊接大于50mm的大厚板，窄間隙A-TIG焊接因焊接線能量小、電弧穩(wěn)定性好、焊接缺陷少、焊縫強度高等優(yōu)點，可以實現(xiàn)大幅度減小坡口間隙。目前的A-TIG焊工藝己經(jīng)可以實現(xiàn)對不銹鋼、高溫合金、易氧化的非鐵金屬及其合金、鈦及鈦合金以及難熔的活性金屬等材料的窄間隙焊接。蘭州理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、寶山鋼鐵股份有限公司等在這方面進(jìn)行了積極的探索，其科研成果在一定程度上推動了國內(nèi)TIG窄間隙活性焊接技術(shù)的進(jìn)步。而作為窄間隙焊接關(guān)鍵技術(shù)的窄間隙TIG焊槍，目前己經(jīng)可以買到性能優(yōu)良的成熟產(chǎn)品，其中比較好的廠家有法國Polysoude公司、瑞典ESAB公司、加拿大Liburdi公司及日本Babcock-Hitachi公司等，其中法國Polysoude公司的產(chǎn)品在國際市場上占有較大的份額。國內(nèi)生產(chǎn)普通的TIG焊槍的廠家眾多，但生產(chǎn)高質(zhì)量的窄間隙TIG焊槍的廠家較少，在國內(nèi)市場空間的占有率較低，如圖5-5所示。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)48任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用圖5-5A-TIG焊在核電設(shè)備窄間隙焊接中的應(yīng)用先進(jìn)焊接與連接技術(shù)49任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用3.在其他特種焊接形式中的應(yīng)用情況A-TIG焊接在連續(xù)焊接中己經(jīng)有很成功的應(yīng)用，但在點焊方面的應(yīng)用研究不多。A-TIG點焊作為一種點焊新方式，具有A-TIG焊的眾多優(yōu)點，在相同厚度下由于活性劑的熔深增加作用，所需的熱輸入減少，熱影響區(qū)小，焊接變形小，焊接質(zhì)量較高。其所需的設(shè)備簡單、耗電少、操作簡單、易于實現(xiàn)自動化，適用于焊接不銹鋼薄板結(jié)構(gòu)及對熱敏感材料的焊接，尤其適合于厚度相差非常大的焊件焊接及異種鋼種的搭接焊。蘭州理工大學(xué)將A-TIG點焊應(yīng)用于低碳鋼和不銹鋼的搭接，得出A-TIG點焊法的最佳工藝參數(shù)并制定了活性焊接工藝規(guī)程；中國第一重型機械股份公司將A-TIG點焊用于Q235A碳鋼上，探討了焊接電流、弧長和點焊時間等參數(shù)對焊點成形的影響，技術(shù)探索方面，活性點焊技術(shù)己經(jīng)在汽車工業(yè)中替代了部分電阻點焊、激光點焊等點焊方法。相信隨著將來對活性點焊法的深入研究，活性點焊法將成為航空航天、精密電子器件、汽車船舶等領(lǐng)域的一種具有廣闊應(yīng)用前景的工業(yè)制造技術(shù)。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)50任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用二、A-TIG焊中焊接活性劑的研究與應(yīng)用（一）焊接活性劑的研究目前，A-TIG焊可以用于碳素鋼、鈦合金、不銹鋼、鎳基合金、銅鎳合金的焊接，PWI還開發(fā)了相關(guān)的藥芯焊絲用于MIG焊中?；钚詣┑某煞趾团浞绞茿-TIG焊的關(guān)鍵技術(shù)。雖然活性劑在國外已有比較成熟的應(yīng)用，但由于這種技術(shù)的重要性，公開出版物上關(guān)干活性劑配方的報道很少。目前常用的活性劑成分主要有氧化物、氯化物和氟化物。不同的材料，其適用的活性劑成分不同。對于不銹鋼，一些金屬和非金屬氧化物，如SiO2、TiO2、Fe2O3和Cr2O3，都能有效地增加熔深。而對于鈦合金，一些鹵化物，如CaF2、NaF、CaCl2和AlF3，能起到相同的作用。前蘇聯(lián)也有報道，氧化物和氟化物的混合物能增加碳錳鋼的熔深，其活性劑的配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）大致為SiO2（57.3%）、NaF（6.4%）、TiO2（13.6%）、Ti粉（13.6%）、Cr2O3（9.1%）。目前，國外從事A-TIG焊商業(yè)化應(yīng)用的廠商主要有PWI和美國愛迪生焊接研究所（EWI）。PWI提供的活性劑以噴霧器形式分裝，或者為膏狀（活性劑粉末同丙酮的混合溶液）。后者可以通過刷子涂敷到焊縫的表面。EWI的活性劑是以粉末形式提供，在使用前以異丙醇稀釋，然后涂敷到焊縫表面，異丙醇揮發(fā)后留下活性劑粘附在焊件表面。EWl同樣也研制了類似于記號筆的裝置，直接將活性劑涂敷到焊縫表面。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)51任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用英國焊接研究所（TWI）于2006年也開發(fā)出了用于不銹鋼的活性劑，它摒棄了丙酮或者異丙醇溶劑，采用水溶性溶劑，降低了活性劑的應(yīng)用成本。國內(nèi)的高校，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、蘭州理工大學(xué)等也于1999年開始開展了A-T1G焊活性劑的研究與開發(fā)工作，主要針對的材料包括不銹鋼、低碳鋼、鈦合金、鎂合金、鋁合金和鎳基合金。近年來，西北工業(yè)大學(xué)在激光及激光電弧復(fù)合焊中也采用了活性劑，取得了一定的效果。

先進(jìn)焊接與連接技術(shù)52任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用圖5-6所示為各種單一成分活性劑在相同焊接參數(shù)下的熔深增加效果照片，從中可以看出，氧化物和氟化物均能增加焊縫的熔深，但熔深的增加程度不同，氧化物的作用效果更明顯。（a）無活性劑

（b）SiO2

（c）TiO2

（d）Cr2O3

（e）AlF3

（f）CaF2

（g）NaF（h）NaCl（i）CaCl2圖5-6SUS304不銹鋼單一成分A-TIG焊焊縫成形截面比較先進(jìn)焊接與連接技術(shù)53任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用（二）焊接活性劑的應(yīng)用1.不銹鋼方面哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用自行研制的不銹鋼活性劑焊接了5mm厚SUS304不銹鋼，并將此應(yīng)用到了航天產(chǎn)品的焊接中。圖5-7所示為焊接試板照片，采用填絲TIG焊，在試板右側(cè)涂敷活性劑，左側(cè)不涂敷，采用相同參數(shù)單道焊接。試驗結(jié)果表明，沒有涂敷活性劑的部位背面沒有焊透，正面熔寬比A-TIG焊熔寬大。

圖5-75mm厚SUS304不銹鋼焊接試板照片先進(jìn)焊接與連接技術(shù)54任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用

（d）AlF3（e）NaCl（f）CaCl22.鈦合金由于鈦合金高溫下對氧元素比較敏感，因此鈦合金活性劑的主要成分由鹵化物組成。圖5-8所示為各種單一成分鹵化物在相同焊接參數(shù)下對厚度為3mm的TC4鈦合金的作用效果，與不銹鋼活性劑類似，不同成分的活性劑對熔深增加程度不同。（a）無活性劑

（b）NaF

（c）CaF2圖5-83mm厚TC4鈦合金焊接焊縫成形截面比較先進(jìn)焊接與連接技術(shù)55任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用3.鎳基合金鎳基合金焊接活性劑的主要成分為氧化物，也有的活性劑采用鹵化物成分。圖5-9所示為各種單一成分活性劑在相同焊接參數(shù)下焊接鎳基合金的作用效果，不同成分的活性劑對熔深增加程度不同。（a）無活性劑

（b）CaO

（c）AlF3

（d）MgF2圖5-9單一成分活性劑在相同焊接參數(shù)下焊接鎳基合金的焊縫成形截面比較先進(jìn)焊接與連接技術(shù)56任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用（三）活性劑在其它焊接方法中的應(yīng)用包括活性劑在釬焊、激光焊、活性電子束焊以及活性等離子弧焊等在內(nèi)的其它活性焊接方法的研究，現(xiàn)階段才剛剛起步，大部分尚處于試驗研究階段。國內(nèi)有學(xué)者曾引進(jìn)美國愛迪生焊接研究所開發(fā)的SS7系列活性劑用于不銹鋼YAG激光焊接，結(jié)果顯著增加熔深，大幅減少熔寬，且獲得良好的表面成形。也有學(xué)者專門探索了氧化物活性劑對真空電子束焊的影響規(guī)律，進(jìn)而提出活性電子束焊，并開發(fā)出了以氧化物為主的低碳鋼和不銹鋼活性電子束焊活性劑，己申請國家發(fā)明專利。1.活性劑在釬焊中的應(yīng)用在陶瓷與金屬的連接技術(shù)中，采用活性金屬釬焊法可以保證連接強度、低成本和高效可靠。這種方法通常采用含有適量活性元素Ag-Cu-Ti合金的特殊釬料，在真空條件下直接連接。釬焊過程中，釬料中的活性元素在一定溫度下與陶瓷發(fā)生冶金反應(yīng)，在陶瓷/釬料界面上形成一定厚度的能被金屬釬料潤濕的過渡層，從而實現(xiàn)陶瓷與金屬的化學(xué)結(jié)合。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)57任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用2.活性劑在激光焊中的應(yīng)用在CO2激光焊接中應(yīng)用活性劑，在某種程度上可以提高焊縫熔深，使“盆碗”形狀的焊縫截面變?yōu)椤爸巍?。這說明激光焊接不銹鋼的過程中，活性劑能使更多的激光能量以接近線熱源的形式被工件吸收，在Nd:YAG激光焊接過程中，活性劑使焊縫表面寬度減小，改善焊縫成形。研究認(rèn)為，活性劑SiO2，TiO2，Cr2O3，TiC在激光焊接中使熔深增加的原因是活性劑使溫度較低光致等離子體周邊區(qū)域含有大量的Si2+,Ti2+,Cr2+大顆粒分子極易吸附中心區(qū)域自由運動的電子，因此激光作用的中心區(qū)域粒子密度趨于減少。此外由于鹵族元素化合物對電子具有很強的親和力，并且具有很好的吸熱能力，是工件得到了更多入射激光能量，導(dǎo)致焊接熔深增加。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)58任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用3.活性劑在CO2氣體保護(hù)焊中的應(yīng)用在CO2氣體保護(hù)焊中使用活性化焊絲，可以解決CO2飛濺問題。在活性化焊絲中，由于加入了K2CO3、Na2CO3、TiO2等活化劑，大大降低了混合氣體的有效電離電壓，使電弧氣氛中產(chǎn)生帶電粒子比較容易。活性劑的加入為活化焊絲噴射過渡準(zhǔn)備了條件，使得活化焊絲熔滴以細(xì)小顆粒過渡?；钚曰附z中，由于加入的活性劑含有鉀、鈉離子，而鉀和鈉蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)在2000~3000K范圍內(nèi)比CO2的導(dǎo)熱系數(shù)低1~2個數(shù)量級，這樣低的導(dǎo)熱性能大大減小了電弧徑向熱耗散，促使弧柱擴(kuò)展，表現(xiàn)在電弧形態(tài)上，電弧范圍較大弧根擴(kuò)展，熱量分布均勻。同時活性劑可降低表面張力，細(xì)化熔滴，縮短熔滴的存在時間，降低電弧氣體的有效電離電位，促進(jìn)弧根擴(kuò)展，是電弧收縮力的軸向分力變成推動熔滴過渡的力，因此活性劑不僅大幅降低飛濺率，而且使大顆粒飛濺比例下降。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)59任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用4.活性劑在電子束焊中的應(yīng)用將活性劑用在電子束焊是目前活性焊研究的一個重要分支領(lǐng)域，C.R.Heiple、S.W.Pierce、D.S.Howse等人相繼在這方面做了大量的探索工作，發(fā)現(xiàn)活性劑對電子束焊的熔深影響很顯著，活性電子束焊相比普通電子束焊有以下優(yōu)點：（1）使用活性劑可以大幅增加電子束焊的熔深，且熔池上部寬度明顯減小，使焊縫更易獲得理想成形。（2）SiO2、TiO2和Cr2O3單組元活性劑對電子束焊接熔深增加有影響。（3）由SiO2、TiO2和Cr2O3等組成的不銹鋼電子束焊活性劑，可使散焦電子束焊接熔深增加2倍多。（4）使用活性劑后，聚焦電流和束流對電子束焊熔深增加有影響。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)60任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用A-TIG焊的操作方法：（一）A-TIG焊單元組成A-TIG焊單元包括常規(guī)TIG焊設(shè)備、活性劑和輔助裝置。其中活性劑的涂覆方式包括手工刷涂法、機械噴涂法、壓力氣霧罐噴涂、活性劑藥芯焊絲或藥皮焊條，如圖5-10所示。

（a）手工刷涂法（b）機械噴涂法先進(jìn)焊接與連接技術(shù)61任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用

（c）壓力氣霧罐噴涂（d）活性藥芯焊絲先進(jìn)焊接與連接技術(shù)62任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用目前大部分商業(yè)化活性劑均以粉末形式提供。施焊之前，首先用溶劑（目前常用的溶劑種類有丙酮和異丙醇。）將活性劑粉末調(diào)成糊狀，然后將其均勻地涂在焊縫上。涂敷時，可以用刷子刷，也可以噴涂。丙酮揮發(fā)性很強，能在幾分鐘內(nèi)揮發(fā)干凈，只剩下活性劑粉末附著在焊件表面，PWl也提供了氣霧罐式噴涂方式。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了機械式氣霧噴涂裝置，并考察了噴涂參數(shù)對噴涂質(zhì)量的影響，在相同的液體濃度下，噴涂厚度隨著速度的加快而減小，隨著壓力的增加而增加。在相同的速度和壓力下，噴涂厚度隨粉末含量的增高而增大。根據(jù)噴涂厚度的要求，選用10%粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，當(dāng)噴涂壓力為0.15~0.3MPa，噴涂速度為0.8~1.5m/min時可以獲得滿足要求的噴涂厚度。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)63任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用（二）A-TIG焊手工刷涂法操作1.焊前準(zhǔn)備焊前清理：清理主要分三個步驟，首先用砂輪機對母材表面待焊區(qū)進(jìn)行打磨，直至露出金屬光澤，隨后蘸取酒精進(jìn)行反復(fù)擦拭，再用干凈的無棉布將酒精與污漬一同拭去，將清理干凈的試板在指定位置準(zhǔn)備下一步操作。活性劑調(diào)配及涂覆：不同活性劑其粉末顆粒大小存在差異，顆粒較大會影響其焊接效果。因此，首先要對活性劑進(jìn)行研磨，然后進(jìn)行篩濾，篩網(wǎng)大小采用200目。隨后將不同的活性劑保存在干燥的試劑瓶中并貼上標(biāo)簽封存。由于粉末狀的活性劑有可能會發(fā)生吸潮從而在焊接過程中引起氣孔等缺陷，因此，在使用活性劑前，若發(fā)現(xiàn)有活性劑因吸潮呈顆粒狀，可將其置于燒杯中，放入烘箱內(nèi)處于100℃溫度下烘干半小時，可反復(fù)操作，直至顆粒消失，水分盡除。取適量的活性劑放入燒杯中，加入適量無水酒精進(jìn)行攪拌使之成為漿糊狀，隨后用扁平毛刷將活性劑均勻涂覆在焊道上，活性劑涂覆厚度以覆蓋金屬表面光澤即可。在活性劑涂覆的試板上做好標(biāo)記加以區(qū)分，待酒精揮發(fā)后即可進(jìn)行焊接試驗。2.焊接過程將已經(jīng)涂覆好活性劑的試板，用TIG焊焊接設(shè)備完成焊接操作即可。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)64任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用三、A-TIG焊的熔深增加機理活性劑增加焊縫熔深機理的研究是A-TIG焊接方法研究的基礎(chǔ)，盡管目前A-TIG焊接在工業(yè)領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，并且還在不斷擴(kuò)展，但對于A-TIG焊活性劑增加焊縫熔深機理的研究工作，仍然是不夠深入和系統(tǒng)，活性劑增加熔深的機理仍然不清楚。從20世紀(jì)60年代中期S.M.Gvrevich發(fā)表第一篇關(guān)于使用活性劑來焊接鋁合金的文章以來，人們就一直對活性劑增加焊縫熔深機理進(jìn)行不懈的探索和研究，目前己成為國際上A-TIG焊領(lǐng)域的一個研究熱點，根據(jù)之前對活性劑增加鈦合金和不銹鋼熔深機理的研究，先后出現(xiàn)了不少理論，其中最有代表性的是“電弧收縮理論”和“表面張力梯度改變理論”。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)65任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用圖5-11電弧收縮結(jié)構(gòu)圖（一）電弧收縮理論

電弧收縮現(xiàn)象是烏克蘭學(xué)者在研究鈦合金活性焊時觀察到的，于是提出了一種所謂的“電弧收縮理論”，如圖5-11所示。該理論認(rèn)為：在焊接電弧的作用下，蒸發(fā)的活性劑分子通過捕捉電弧外圍區(qū)的電子而使電弧收縮。電弧收縮導(dǎo)致電弧導(dǎo)電面積減小，電流密度增加，從而使得電弧力和熔池內(nèi)的Lorentz力增加，最終導(dǎo)致焊接熔深增加。綜合不同研究者的結(jié)果認(rèn)為導(dǎo)致電弧收縮的原因主要有三方面：先進(jìn)焊接與連接技術(shù)66任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用1.在電弧中心區(qū)域，溫度高于活性劑材料分子的分解溫度，氣體和活性劑原子被電離成電子和正離子，而在仍然溫度較低的弧柱外圍區(qū)域，被蒸發(fā)的物質(zhì)仍然以分子和原子形式存在，運動速度較慢，容易捕捉電子形成負(fù)離子，使外圍區(qū)域作為主要導(dǎo)電物質(zhì)的電子數(shù)量減小，導(dǎo)電能力下降，使得電弧收縮。2.由于所使用的活性劑各組元多為多原子分子，所以在電弧氣氛下容易發(fā)生熱解離，而熱解離過程為吸熱發(fā)應(yīng)，根據(jù)最小電壓原理，使得電弧收縮。3.與金屬材料相比，活性劑材料導(dǎo)電率都很低，熔沸點很高，所以只有在電弧中心溫度較高的區(qū)域才有金屬和活性劑的蒸發(fā)，形成陽極斑點。也就是說，由于活性劑的存在，減小了陽極斑點區(qū)的面積，從而使得電弧收縮。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)67任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用（二）表面張力梯度改變理論目前國內(nèi)外焊接學(xué)者對熔池表面張力的影響進(jìn)行了大量廣泛而深入的研究，Heiple和Roper添加硒作微量活性元素研究不銹鋼GTAW焊、激光焊和電子束焊時，發(fā)現(xiàn)硒元素對GTAW和激光焊焊縫幾何形狀產(chǎn)生較大影響，對電子束焊縫幾何形狀也產(chǎn)生影響，只是跟前兩者比較起來影響較小。而在激光和電子束的穿孔型焊接中，這種影響很小，可以忽略。這一發(fā)現(xiàn)促使倆人提出一種全新的理論來解釋活性劑影響焊縫成形及熔深的機理，即所謂的“表面張力梯度改變理論”。該理論認(rèn)為：在活性焊接過程中，熔池金屬流動狀態(tài)對所形成的焊縫熔深起相當(dāng)大的作用。在TIG焊中，當(dāng)熔池表面不含氧、硫等表面活性元素時，表面張力溫度梯度為負(fù)，即dσ/dt<0，表面張力隨溫度的增加而減小，促使熔池表面形成從中心向周邊的Marangoni對流方向，從而得到寬而淺的焊縫；而當(dāng)熔池表面存在氧、硫等表面活性元素或處在活性焊接氛圍中時，表面張力將減小，表面張力溫度梯度變?yōu)檎?，也即dσ/dt>0，表面張力隨溫度的增加而增大，熔池內(nèi)的Marangoni流方向變?yōu)閺闹苓呄蛑行牧鲃?。從而得到窄而深的焊縫。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)68任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用（a）負(fù)溫度系數(shù)（b）正溫度系數(shù)圖5-12表面張力溫度系數(shù)與熔化形態(tài)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)69任務(wù)1A-TIG焊工藝的應(yīng)用任務(wù)布置了解A-TIG焊的熔深增加機理，寫出常見合金焊接過程中，對熔深效果明顯的活性成分。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)70任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用任務(wù)解析完成本任務(wù)，學(xué)生能夠根據(jù)掌握熱絲TIG焊技術(shù)，掌握熱絲TIG焊接原理及優(yōu)點，熟悉熱絲TIG焊接的應(yīng)用情況。熟悉熱絲TIG焊絲加熱方法。學(xué)生能夠根據(jù)所學(xué)知識基本熱絲TIG焊接技術(shù)，在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)71任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用必備知識一、熱絲TIG焊原理、優(yōu)點及應(yīng)用傳統(tǒng)的TIG焊由于其電極載流能力有限，電弧功率受到限制，焊縫熔深淺，焊接速度低。尤其對中等厚度的焊接結(jié)構(gòu)（10mm左右）需要開坡口和多層焊，焊接效率低的缺點更為突出。因此，很多年來許多研究都集中在如何提高TIG焊的焊接效率上。熱絲TIG焊就是為了提高TIG焊的焊接效率發(fā)展起來的新工藝之一。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)72任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用(一)熱絲TIG焊原理熱絲TIG焊是利用附加電源預(yù)先加熱填充焊絲，從而提高焊絲的熔化速度，增加熔敷金屬量，達(dá)到生產(chǎn)高效率的一種TIG焊方法。其原理5-13如圖，在普通TIG焊的基礎(chǔ)上，以與鎢極成40°~60°角從電弧的后方向熔池輸送一根焊絲，但在焊絲進(jìn)入熔池之前約100mm處由附加電源通過導(dǎo)電塊對其通電，使其產(chǎn)生電阻熱，因此能提高熱輸入量，增加焊絲熔化速度，從而提高焊接速度。圖5-13熱絲TIG焊原理先進(jìn)焊接與連接技術(shù)73任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用與普通TIG焊相比，由于熱絲TIG焊大大提高了熱量輸入，因此適合于焊接中等厚度的焊接結(jié)構(gòu)，同時又保持了TIG焊具有高質(zhì)量焊縫的特點。熱絲TIG焊明顯地提高了熔敷率，使焊絲熔化速度增加20~50g/min。在相同的電流情況下焊接速度可提高一倍以上，達(dá)到100~300mm/min。與MIG焊相比，其熔敷率相差不大，但是熱絲TIG焊的送絲速度獨立于焊接電流之外，因此能夠更好地控制焊縫成形。對于開坡口的焊縫，其側(cè)壁的熔合性比MIG焊好得多。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)74任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用(二)熱絲TIG焊優(yōu)點熱絲TIG焊的優(yōu)點如下：1.保留了電弧穩(wěn)定、焊縫性能優(yōu)良、無飛濺等TIG焊的所有優(yōu)點。2.提高了熔敷率和焊接效率。熱絲TIG焊時焊絲在被送入熔池前加熱到300~500°C，從電弧獲取的能量少，從而使熔敷效率比冷絲焊提高3~5倍，焊接效率大大提高，與MIG焊相仿。焊絲熔化速度增加達(dá)20~50g/min。在相同的電流情況下焊接速度可提高一倍以上，達(dá)到100~300mm/min。3.減少焊接變形。熱絲焊是熔化預(yù)熱后的填充金屬，總的熱輸入減少，有利于限制焊接變形。4.降低焊接缺陷。焊縫成形美觀、均勻，無氣孔、未焊透等缺陷。焊接高性能材料常因焊絲表面沾染氫氣而產(chǎn)生氣孔，熱絲焊時焊絲溫度高，其表面水分及污物被去除，使氫氣孔大大減少。熱絲TIG焊的送絲速度獨立于焊接電流，因此也就能夠更好地控制焊縫成形，對于開坡口的焊縫，其側(cè)壁熔合性比MIG焊好得多。熔池過熱度低，合金元素?zé)龘p少。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)75任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用傳統(tǒng)的熱絲TIG焊槍及導(dǎo)絲裝置一般安裝于自動焊機器人或?qū)C上。如圖5-14所示為裝夾焊機上的熱絲TIG焊焊槍。圖5-14熱絲TIG焊槍先進(jìn)焊接與連接技術(shù)76任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用（三）熱絲TIG焊存在的問題熱絲TIG焊時，由于電弧受流過焊絲的電流所產(chǎn)生磁場的影響，電弧產(chǎn)生磁偏吹，即電弧沿焊縫作縱向偏擺。為此，應(yīng)采用交流電源加熱填充焊絲以減少磁偏吹。在這種情況下，當(dāng)加熱電流不超過焊接電流的60%時，電弧擺動的幅度可以被限制在30°左右。為了使焊絲加熱電流不超過焊接電流的60%，通常焊絲最大直徑限為1.2mm。如果焊絲過粗，由于電阻小需增加加熱電流，這對防止磁偏吹是不利的。（四）熱絲TIG焊應(yīng)用熱絲TIG焊已成功地用于焊接碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鎳和鈦等。但對于高導(dǎo)電性材料如鋁和銅，由于電阻率小，需要很大的加熱電流，造成過大的磁偏吹，影響焊接質(zhì)量，則不適宜采用這種方法。表5-1是使用冷絲和熱絲兩種不同方法焊接窄間隙試件時焊接參數(shù)的比較，可以看出，熱絲TIG焊焊接速度整整提高一倍。此外熱絲法還可以減少焊縫中的裂紋?？梢灶A(yù)料，熱絲焊方法在海底管線、油氣輸送管線、壓力容器及堆焊等領(lǐng)域中的應(yīng)用將會進(jìn)一步擴(kuò)大，是一種很有發(fā)展前途的焊接方法。任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用先進(jìn)焊接與連接技術(shù)77表5-1冷絲TIG焊與熱絲TIG窄間隙焊焊接參數(shù)比較冷絲

焊層123456焊接電流/A300350350350300330焊接速度/mm·min-1100100100100100100送絲速度/m·min-11.522222.7熱絲

焊層12345

焊接電流/A300350350310310

焊接速度/mm·min-1200200200200200

送絲速度/m·min-134444先進(jìn)焊接與連接技術(shù)78任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用二、熱絲TIG焊絲加熱方法1.電阻加熱電阻加熱是熱絲TIG焊最常用的方式，用于加熱低碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料的焊絲。電阻加熱法不適用于加熱鋁和銅焊絲，它們的電阻率低，加熱焊絲需要很大的電流，電流過大會導(dǎo)致電弧偏吹。電阻加熱時，在焊件和焊絲之間存在一條與主焊接回路相鄰的熱絲電流回路，在熱絲電流回路所形成的磁場中，焊接電弧必然受到一個磁場力的作用而偏離原來的方向，產(chǎn)生磁偏吹。因此，從這個角度出發(fā)，熱絲電源通常采用交流恒壓源，以減少磁場對電弧的影響。同時，熱絲加熱電源的空載電壓不能取得過高，否則熱絲與焊件接觸處會引燃電弧，破壞穩(wěn)定的熱絲加熱過程。通過調(diào)節(jié)熱絲電源的電流值，可以調(diào)整預(yù)熱焊絲的溫度。在電阻加熱焊絲時，送絲速度必須與熱絲電流相匹配，以保證焊絲在進(jìn)入熔池時即被熔化。由于焊絲加熱電流只有在焊絲與焊件接觸時才形成，因此需要對焊絲加熱及送進(jìn)過程進(jìn)行控制，保證焊絲連續(xù)地送入熔池中兩者參數(shù)如果不匹配，會影響焊接過程。熱絲電流過高，會導(dǎo)致焊絲在送入熔池之前已經(jīng)熔化成球狀，導(dǎo)致焊絲與熔池脫離接觸，熱絲電流中斷，形成不連續(xù)焊縫；反之，熱絲電流過低，會使焊絲插入熔池，發(fā)生固態(tài)短路。熱絲過程的另一個重要參數(shù)是送絲嘴到焊件的距離，也就是焊絲電阻產(chǎn)熱部分的伸出長度。實踐中該參數(shù)通常為15~50mm。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)79任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用2.氬弧加熱預(yù)熱焊絲采用電阻加熱法預(yù)熱焊絲適用于碳鋼、不銹鋼等高電阻電阻率材料，但很難應(yīng)用于鋁、銅等電阻率低的材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的呂世雄提出了采用氬弧預(yù)熱鋁、銅等低電阻率焊絲的新方法(ZL200510009921.5)。其原理如下：采用氬氣保護(hù)的電弧作為加熱源，將輸出電流可控的TIG電源的一端接于焊槍上，另一端接于送絲機的送絲嘴處，在其間引燃電弧加熱焊絲。采用這種加熱方法，可通過調(diào)節(jié)輸出電流，將焊絲預(yù)熱到100-800°C，而且由于采用電弧作為熱源，不受材料電阻率的影響，可加熱包括鋁、銅等在內(nèi)的材料，也可加熱其他電阻加熱的材料。采用氬氣保護(hù)，避免了被加熱焊絲的氧化。根據(jù)不同的電弧輸出功率，可得到的熱絲溫度范圍比傳統(tǒng)加熱方式大大拓寬。氬弧加熱焊絲實物圖如上圖5-14所示，原理圖如圖5-15所示。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)80任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用圖5-15電弧熱絲原理圖先進(jìn)焊接與連接技術(shù)81任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用氬弧加熱預(yù)熱焊絲法的優(yōu)點如下：（1）同電阻加熱設(shè)備相比成本低。（2）熱絲加熱效率高。（3）可以同時利用陰極清理作用，去掉鋁焊絲表面的氧化膜。（4）磁場對電弧影響很小。（5）適用于所有材質(zhì)的焊絲，特別是有色金屬。（6）熱絲電流很小，能耗低。在電流為35A、送絲速度為2m/min時，加熱溫度可達(dá)920°C。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)82任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用3.高頻感應(yīng)加熱焊絲利用焊絲自身電阻產(chǎn)熱來預(yù)熱焊絲存在一些不足之處，一是焊絲的溫度不易控制，影響焊接效率和焊縫的質(zhì)量；二是在工件和焊絲之間存在一條與焊接主回路相鄰的熱絲電流回路，焊接電弧受到該回路磁場洛侖茲力的作用而偏離原來的方向，產(chǎn)生磁偏吹，對焊縫形狀和電弧的準(zhǔn)確定位產(chǎn)生不利的影響；三是對鋁及鋁合金這一類電阻率較低的焊絲，電阻加熱效率低，焊絲很難達(dá)到合適的溫度，所以傳統(tǒng)熱絲TIG焊還適合鋁、銅等合金的焊接。高頻感應(yīng)加熱焊絲，該方法采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，借助高頻交變的電磁場，在焊絲表面近層形成高密度的渦流，從而加熱焊絲。圖5-16是高頻感應(yīng)熱絲TIG焊的原理圖。

圖5-16高頻感應(yīng)熱絲TIG焊的原理圖先進(jìn)焊接與連接技術(shù)83任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用與傳統(tǒng)熱絲TIG焊接相比，高頻感應(yīng)加熱熱絲TIG焊有以下特點：（1）用高頻感應(yīng)加熱代替原有的電阻加熱的方法，通過電磁感應(yīng)對焊絲進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到提高TIG焊焊接的效率。（2）適用于各種金屬材質(zhì)的焊絲，特別是低電阻率焊絲的加熱。（3）沒有旁路電流磁場干擾，消除了磁偏吹現(xiàn)象。（4）通過對高頻輸出電流的控制可以精確地控制焊絲的溫度，通過改變輸出振蕩頻率，利用高頻感應(yīng)集膚效應(yīng)，可以控制感應(yīng)加熱的深度。（5）高頻感應(yīng)可以更好的消除焊絲表面吸附的水分對焊縫的不利影響。常規(guī)TIG焊送絲速度一般為1~3m/min，而高頻感應(yīng)熱絲TIG焊送絲速度可達(dá)6~10m/min，這較常規(guī)TIG接提高了3倍以上，大大提高了焊接效率。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)84任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用任務(wù)布置：根據(jù)實例總結(jié)熱絲TIG焊在不銹鋼厚壁管焊接中的焊接要點。1.焊接前的準(zhǔn)備焊接前應(yīng)對焊接產(chǎn)品進(jìn)行如下檢查：（1）核對焊接程序，確保焊機完好。（2）檢查焊接下件表面，確保無油污和銹蝕等缺陷。（3）核對焊接材料，確保使用驗收合格的焊材。（4）確認(rèn)焊接操作員必須持有相應(yīng)的資格證書。2.焊接坡口根據(jù)焊接工藝試驗，采用圖5-17所示的坡口形式。

圖5-17小銹鋼厚壁管的焊接坡口

圖5-18小銹鋼厚壁管焊接示意圖先進(jìn)焊接與連接技術(shù)85任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用參數(shù)設(shè)置：影響焊接性能的參數(shù)基本可以分為兩類：機械參數(shù)和工藝參數(shù)。如圖5-18所示，機械參數(shù)由焊機本身特點決定，包括焊槍傾角α、焊槍與送絲槍夾角β、焊絲伸出長度L2、鎢棒與鋼管中心距離F等。工藝參數(shù)有：焊接電流、電弧電壓、管子旋轉(zhuǎn)速度、擺動寬度與速度、擺動兩側(cè)停留時間、熱絲電流等。這其中任意一個參數(shù)變化都將影響到焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性。經(jīng)過對比和多次試驗，最終確定的機械參數(shù)和下藝參數(shù)如表5-2,5-3所示。熱絲TIG焊不銹鋼厚壁管時，每一層焊縫高度宜控制在2~4mm。項目數(shù)值焊槍傾角α/o5～10焊槍與送絲槍夾角β/o60～90焊絲伸出長度L2/mm15～18鎢棒與鋼管中心距離F/mm0～16表5-2不銹鋼管對焊的機械參數(shù)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)86任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用項目底層中間層頂層焊接電流/A200～280260～330200～260電弧電壓/V8～129～149～14熱絲電流/A15～2550～8045～70擺動寬度/mm/-1.5～2.5-1.5～2.5擺動速度/mm·min-1/1000～15001300～1600表5-3不銹鋼管對焊的工藝參數(shù)先進(jìn)焊接與連接技術(shù)87任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用3.不銹鋼厚壁管焊接時的缺陷及其預(yù)防措施熱絲TIG焊接不銹鋼厚壁管時，對坡口的加工精度和表面平整度要求較高，不然容易產(chǎn)生氣孔、咬邊和裂紋等缺陷。這些缺陷有逐漸發(fā)展成裂紋的傾向，進(jìn)而破壞焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織，降低接頭的塑性和強度，甚至使接頭失效。針對相應(yīng)的缺陷，具體預(yù)防措施如下：（1）氣孔產(chǎn)生的原因及其預(yù)防措施

不銹鋼厚壁管焊接時，當(dāng)鋼管或者焊絲表面有油污、鐵銹和水分等雜質(zhì)；氬氣流量設(shè)置不當(dāng)，保護(hù)效果不佳；或者焊接回路能量過小都能產(chǎn)生氣孔缺陷。為了預(yù)防此缺陷產(chǎn)生，焊前需加強鋼管內(nèi)外壁、焊絲的檢查清理工作，并確定合適的電弧長度，以確保焊接區(qū)域完全處在氬氣的保護(hù)范圍之內(nèi)。燒穿產(chǎn)生的原因及其預(yù)防措施。熱絲TIG焊接不銹鋼厚壁管時，若設(shè)置的焊接電流過大、焊接速度過慢、焊接坡口底部間隙過大、電弧在焊縫處停留的時間太久等都會造成鋼管被燒穿。因此焊接之前需要采取合適的焊接電流配合合適的焊接速度，盡可能減小焊縫底部的裝配間隙等措施減小鋼管被燒穿的概率。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)88任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用（2）燒穿產(chǎn)生的原因及其預(yù)防措施

熱絲TIG焊接不銹鋼厚壁管時，若設(shè)置的焊接電流過大、焊接速度過慢、焊接坡口底部間隙過大、電弧在焊縫處停留的時間太久等都會造成鋼管被燒穿。因此焊接之前需要采取合適的焊接電流配合合適的焊接速度，盡可能減小焊縫底部的裝配間隙等措施減小鋼管被燒穿的概率。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)89任務(wù)2熱絲TIG焊技術(shù)應(yīng)用（3）咬邊產(chǎn)生的原因及其預(yù)防措施熱絲TIG焊接不銹鋼厚壁管時，若焊槍擺動頻率或在焊縫兩側(cè)停留時間設(shè)置不當(dāng)、焊接熱輸入量過大、電弧過長等都可能在鋼管焊縫邊界形成凹陷或溝槽等缺陷。施焊前加強下件表面清理、匹配恰當(dāng)?shù)暮笜寯[動頻率及停留時間等都可以有效減少咬邊缺陷的出現(xiàn)。（4）未焊透產(chǎn)生的原因及其預(yù)防措施熱絲TIG焊接不銹鋼厚壁管的形式是典型的單面焊雙面成型。若設(shè)置的焊接熱輸入量過小，電弧過長，焊縫坡口不合理，都能在焊縫另一側(cè)形成焊縫余高不足的缺陷。工作中可以通過匹配焊接電流與焊接速度，合理增大裝配間隙，合理設(shè)置坡口尺寸等減少未焊透缺陷的發(fā)生。（5）焊縫表面缺陷及其預(yù)防措施熱絲TIG焊接不銹鋼厚壁管時，若焊接參數(shù)設(shè)置不合理容易在焊縫外表面產(chǎn)生凸起、凹陷等影響焊縫美觀的缺陷。凸起是由于焊接速度過慢，鋼管轉(zhuǎn)速與焊槍擺動速度不合理所致。凹陷是由于收弧過快，填充熔融金屬不足所致。合理的設(shè)置焊接電流、焊接速度等參數(shù)可以有效的防止未滿焊、焊縫余高過高等缺陷的出現(xiàn)。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)90任務(wù)3TOPTIG焊任務(wù)解析

通過完成本任務(wù)，使學(xué)生能夠根據(jù)掌握TOPTIG焊技術(shù)，掌握TOPTIG焊接原理及特點，熟悉TOPTIG焊接熔滴過渡形式。了解TOPTIG焊絲加熱方法、設(shè)備組成，熟悉TOPTIG焊的主要參數(shù)。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)91必備知識一、TOPTIG焊的原理及特點（一）TOPTIG焊的原理TOP-TIG焊接工藝是由法國AirLiquid公司開發(fā)的專利技術(shù)，其設(shè)備由傳統(tǒng)TIG焊槍改進(jìn)而成，其核心特點是送絲嘴與焊槍為一體化集成設(shè)計，是TIG焊焊接領(lǐng)域的一項重要的創(chuàng)新，其原理如圖5-19所示。開發(fā)此工藝的主要目標(biāo)是：提高機器人焊接速度；研制出適合焊接機器人的緊湊焊槍；不抑制機器人焊接性能發(fā)揮；自動更換電極，方便操作。焊絲以20°角通過氣體噴嘴送入到鎢極端部的下方。焊絲的軸線方向與鎢極端部的錐面平行，焊絲端部因此可以非?？拷u極的端部，而該區(qū)域為電弧中溫度最高的區(qū)域，電弧的高溫將焊絲迅速熔化，從而獲得很高的熔敷率和焊接速度。焊絲以20°角通過氣體噴嘴送入到鎢極端部的下方。焊絲的軸線方向與鎢極端部的錐面平行，焊絲端部因此可以非?？拷u極的端部，而該區(qū)域為電弧中溫度最高的區(qū)域，電弧的高溫將焊絲迅速熔化，從而獲得很高的熔敷率和焊接速度，TOPTIG焊槍實物如圖5-20所示。任務(wù)3TOPTIG焊先進(jìn)焊接與連接技術(shù)92任務(wù)3TOPTIG焊

圖5-19TOPTIG焊的焊槍設(shè)計1-鎢極

2-送絲嘴3-焊絲4-噴嘴5-保護(hù)氣6-電弧7-焊件先進(jìn)焊接與連接技術(shù)93任務(wù)3TOPTIG焊

圖5-20TOPTIG焊的焊槍實物先進(jìn)焊接與連接技術(shù)94任務(wù)3TOPTIG焊傳統(tǒng)的焊絲TIG焊機器人焊槍如圖5-21所示，焊絲與電極幾乎成90°，即與焊件近似平行。其缺點如下：（1）焊槍端部體積增大，定位可靠性差。（2）送絲裝置限制了機器人的靈活性和可達(dá)性。（3）對于復(fù)雜的焊件還得增加一個轉(zhuǎn)胎。（4）填絲TIG焊的電弧熱量分別用于熔化焊件和焊絲，因為電弧熱量只有約30%用于熔化焊絲，焊接速度因而無法得到進(jìn)一步的提高。因此，目前用于TIG焊的焊接機器人為了靈活性的需要通常都不填充焊絲。圖5-21傳統(tǒng)TIG焊的焊槍設(shè)計先進(jìn)焊接與連接技術(shù)95任務(wù)3TOPTIG焊（二）TOPTIG焊的優(yōu)點TOPTIG焊技術(shù)具有如下優(yōu)點：

1.靈活性好。這種特殊的送絲形式使得在機器人焊接時無需考慮焊絲的送進(jìn)方向，靈活性與MIG焊槍相同。

2.焊縫質(zhì)量好。由于該方法仍然是TIG焊，保留了TIG焊的品質(zhì)高、質(zhì)量好的特點，沒有MIG焊固有的飛濺和噪聲。

3.焊接速度快。焊接3mm厚以下的板材時，TOPTIG的焊接速度等于甚至優(yōu)于MIG焊。

4.操作簡單。對鎢極到焊件的距離不再敏感，送絲嘴固定在焊槍上，無需調(diào)整焊絲的角度和位置。正是由于TOPTIG焊技術(shù)兼具了TIG焊高質(zhì)量及MIG焊高速度的優(yōu)點，在汽車、金屬裝飾、食品等行業(yè)得到了應(yīng)用，用于焊接鍍鋅鋼板、不銹鋼、鈦合金和鎳基合金等薄板材料。目前TOPTIG焊技術(shù)僅限于直流TIG焊接，由于對鎢極端部形狀要求較嚴(yán)格，交流TIG焊中鎢極燒損會改變鎢極端部形狀，因而在鋁合金的應(yīng)用上受到限制。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)96任務(wù)3TOPTIG焊二、TOPTIG焊的熔滴過渡形式由于TOPTIG焊的送絲位置與傳統(tǒng)TIG焊有很大不同，根據(jù)送絲速度的不同，焊絲熔化后的熔滴過渡通常有兩種形式：連續(xù)接觸過渡和滴狀過渡，如圖5-22所示。2004年，日本接合技術(shù)研究所(JWRI)研究了不同熔滴過渡方式下焊接熔池表面的振蕩情況，結(jié)論是連續(xù)接觸過渡方式可以獲得良好的焊縫成形，并可最大限度地減少熔池的振蕩。（a）滴狀過渡

（b）連續(xù)接觸過渡圖5-22TOPTIG焊的熔滴過渡方式先進(jìn)焊接與連接技術(shù)97任務(wù)3TOPTIG焊1.連續(xù)接觸過渡當(dāng)焊絲速度（WireFeedSpeed，WFS）與熔化速度達(dá)到平衡時，在焊絲熔化的金屬與熔池之間形成連續(xù)接觸。這種過渡形式具有如下優(yōu)點：（1）過渡過程穩(wěn)定，熔敷率高，焊接速度快。（2）焊縫成形均勻一致。（3）減少了焊縫夾鎢風(fēng)險。（4）電弧熄火后焊絲末端仍然保持尖銳的形狀，使下次起弧更加可靠。（5）適用于所有的普通熔焊和釬焊焊絲，包括碳素鋼、不銹鋼。

先進(jìn)焊接與連接技術(shù)98任務(wù)3TOPTIG焊

2.滴狀過渡滴狀過渡的特點是焊絲熔化形成熔滴，熔滴逐漸長大，直到在重力和表面張力的作用下與焊絲端部脫離，這種過渡形式與MIG焊中的短弧長亞射流過渡相似。滴狀過渡具有如下優(yōu)點：（1）滴狀過渡的熔滴對熔池的持續(xù)沖擊力使熔池產(chǎn)生振蕩，減少了氣孔傾向，焊縫均勻一致。（2）可用于小電流和低送絲速度的焊接。（3）焊道較寬。在送絲速度較低時，熔滴尺寸較大（大約為焊絲直徑的3-4倍）。熔滴過渡的主要參數(shù)是熔滴尺寸和過渡頻率。送絲速度快時，過渡頻率高，熔滴尺寸小。先進(jìn)焊接與連接技術(shù)99任務(wù)3TOPTIG焊三、TOPTIG焊的設(shè)備組成TOPTIG焊槍安裝在機器人手臂上，通過快速接頭與推拉式送絲機相連。焊槍采用水冷方式冷卻，如果使用接近極限的電流焊接或者在散熱條件極度惡劣的環(huán)境下焊接，也可以另選配帶水冷的保護(hù)氣噴嘴。當(dāng)改變焊絲直徑或因損耗需更換導(dǎo)絲嘴時，可將導(dǎo)絲嘴從噴嘴上拆卸下來直接更換（螺紋聯(lián)接），而無需斷開水路。電極由對中電極夾夾持，并可自動更換，該焊槍的最大電流為220A（直流）、負(fù)載持續(xù)率100%，焊絲直徑為0.8~1.2mm。