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延长无铅手工焊接工艺中烙铁头的寿命
2010-7-20    共阅 [7196] 次

      烙铁头在正常使用过程中会不断腐蚀,这是众所周知的常识。但是无铅焊合金 (与其配合使用的助焊剂) 还会加速这种腐蚀,使烙铁头的更换更加频繁。这便会增加烙铁的拥有成本,因为设备的采购成本高及利用率低。解决这个问题的关键在于降低烙铁头的最高和平均温度,并同时提高焊接操作的效率。

无铅焊接和烙铁头腐蚀
      烙铁头有两个主要的腐蚀机理。一是因为锡是一种比铁更活跃的金属,自然容易侵蚀烙铁头的铁镀层。二是因为无铅助焊剂的腐蚀性比那些配合普通SnPb焊合金使用的助焊剂更强。当然,锡现在是无铅SAC (锡-银-铜) 焊合金的主要成分。因此,采用无铅焊接会加快烙铁头的腐蚀。
      与此同时,由于SAC合金的熔化温度比SnPb合金高,因此人们总是试图提高烙铁头温度,以加快焊点的成型。一般都相信,焊锡的熔化温度提高了 (从180°C升到 217°C),就必需相应地提高烙铁头的温度。但正如图1所示,事实并非如此。该图比较了使用SnPb焊锡和使用无铅SAC合金的工艺窗口。形成SnPb焊接点的最佳温度范围要窄得多,但是这一温度范围的上限对两种情况都相同。超过这一上限温度对焊接点加热有可能导致焊接残次,会使焊盘脱层。就烙铁头寿命来说,增加烙铁头温度反而会对腐蚀烙铁头的化学反应起到强大的催化作用。
      
因此,在使用SAC合金时提高焊接温度可能损坏组件和增加烙铁头的更换频率,而且从工艺的角度看,也没必要。
      提高烙铁温度还容易烧焦烙铁头上的助焊剂,从而削弱热传导。助焊剂烧焦后有两个后果,都会缩短烙铁头的寿命。首先,操作人员会在烙铁上用更大的力度来补偿传热效果的降低,从而增加了烙铁头损坏的可能性;其次,清洁烙铁头的强度和频率会因此提高,这也会加快铁镀层的腐蚀,从而增加烙铁头的更换频率。

对策
     
应当坚持对烙铁头进行最基本的维护,包括保持烙铁头的吃锡状态良好。虽然,良好的维护会减缓助焊剂化学反应引起的腐蚀,但对SAC无铅焊合金中高锡含量引起的腐蚀却无能为力。
      增加烙铁头上的铁镀层厚度当然能延长烙铁头的寿命。然而,这会带来一些不良后果,包括降低焊接处与烙铁头间的热传导率,从而降低焊接作业的产能。铁镀层加厚还会增加烙铁头的尺寸,不适合当今焊脚间的精细间距、密集的布局设计和微小的焊盘尺度。而且还有更深层面的问题需要解决。

选择合适的烙铁头温度
      选择合适的烙铁头温度 (包括焊接时的温度和闲置时的温度) 非常关键,能防止烙铁头过热。事实上,无铅焊接点在业界可接受的润湿速度下就可以形成,无需提高烙铁头的温度至超过在SnPb焊锡上采用的温度。
     
关键在于选择合适的烙铁头温度,并配合采用经优化的烙铁头形状,能最大限度地提高加热器至焊接处之间的热传导。图2比较了烙铁头的温度特征与加热器和电路焊盘的温度特征。标称烙铁头温度为720°F,与采用SnPb合金的手工焊接的推荐温度相同。形成无铅焊接点的温度为433°F,焊盘的温度随着烙铁头传来热能的累积而迅速提高。
     
大多数的烙铁都在机头体内内置了一个陶瓷加热器,并在加热器与烙铁头间配有一个温度传感器。检测传感器的输出就可以控制陶瓷加热器的温度,从而使烙铁头维持某一恒定温度。然而,要将温度传感器放到烙铁头与工件接触处是不切实际的。因此,加热控制器并不是在响应实际的烙铁头温度。这样无可避免要产生控制响应的后滞。当加热控制器接收开启加热的信号时,烙铁头的温度已经落到优化焊接温度范围之外。其后,当加热器开启时,烙铁头温度将在传感器指示需要关闭加热前,就已冲过所希望的设置温度点。这种过冲会助长对烙铁头的腐蚀,而且还有可能超过焊接工艺窗口,导致部件或焊盘损坏。
     
为烙铁头量身定制的感应加热技术自然能限制烙铁头的最大温度,无需温度传感和控制电路。当有热负载时,它还能自动快速地作出响应,维持烙铁头的温度。

无传感器热控制
      感应加热是电流通过绕在磁芯上的线圈后的一种物理效应。感应加热器适合于装有铜管的烙铁,该铜管表面设有磁性材料,磁性材料外绕有通电的线圈。选择磁性镀层的磁性,使铜管温度在磁性材料达到其居里 (Curie) 温度时达到烙铁的最大预设温度。当温度到达居里温度,磁性材料不再具有磁性。因此,在该温度下感应加热不再继续。当铜管温度低于该居里温度 (如开始焊接时),磁性镀层的磁性恢复,加热重新开始。由于加热元件深嵌于烙铁中,且靠近烙铁头,因此能够实现对烙铁头温度的真正稳定调节。
     
这种加热器技术的最大优点是烙铁的温度绝不会超过由磁性镀层厚度和材料所决定的最大温度,也排除了人为擅自更改烙铁头温度的可能性 (如操作人员企图擅自提高无铅焊接温度)。
     
众所周知,720°F或380°C左右的烙铁头温度已足以满足使用无铅合金和配套助焊剂完成焊接的要求,且润湿速度合适,焊点成型质量高。由于该技术能预设温度,且无温度过冲,因此能大幅度减缓高锡含量焊材对烙铁头的腐蚀。助焊剂碳化也将得到缓解,从而减小操作人员焊接时对焊点的施力以及清洁烙铁头的频率。

闲置温度
      降低烙铁头闲置时的温度对减缓无铅合金和配套助焊剂对烙铁头的腐蚀也有很大作用。烙铁使用寿命周期的很大部分处于闲置状态。大幅度降低烙铁头在这个时间内的温度,可进一步缓减各种侵蚀对烙铁头寿命的影响。
     
对于感应加热的烙铁,可用休眠烙铁架来放置闲置中的烙铁 (如图片1)。烙铁架采用了休眠支架 (对操作人员不会有影响) 来减少部分的感应加热效应,并在烙铁闲置时将温度降低到300°F (149°C)。从图1可见,闲置温度被降低到无铅助焊剂的有源温度范围之下,这样就可防止助焊剂损坏烙铁头的镀层。闲置时也不再有助焊剂碳化发生;因而在烙铁从支架取下后,无需立即清洁烙铁头。
     
这样,闲置时烙铁头镀层的腐蚀将大大减缓。可休眠支架可让烙铁的操作温度迅速恢复,只要烙铁一离开支架就能恢复,而且不会过冲所设置的温度点。在实际应用中,只需将闲置温度降到300°F,烙铁头的寿命就可延长40%。
     
除降低烙铁头的更换频率外,还有其它好处,包括降低功耗和烟气;这对于许多焊接工位都集中在一个组装区域的情况,效益非常可观。

优化烙铁头特性
      采用无铅材料进行焊接的操作员应注意烙铁头与焊接点形状大小的匹配,这样才能在不增加烙铁头温度的情况下获得最佳的润湿速率。使用尺寸正确的烙铁头可让焊接点与烙铁头间有最大的接触面,从而提高热传导率。最理想的情况是烙铁头和目标焊接点的尺寸相同。

结论
      虽然,无铅焊接点的形成所需要的温度比SnPb焊接点高,但就业界通常的产能要求来说,没有必要通过提高烙铁的温度来实现无铅焊接。不过,需要改进加热器的控制,消除温度过冲,提高到焊接点的热传导效率,降低烙铁闲置温度。还必须配合更优化的烙铁头形状以避免过高的温度,否则烙铁头将加速腐蚀,从而增加烙铁头更换成本和延长烙铁停工时间。

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