焊接橋

焊接橋是通過焊接的方法使鋼樑組合成橋的一種橋體。焊接橋橋殼總成在台架試驗時發生早期斷裂。該橋殼本體材質為 16MnL 鋼板衝壓焊接成型，板托材質為 ZG270 － 480H，正火處理。通過對斷裂橋殼的巨觀檢查，對斷口形貌、化學成分、硬度和金相組織進行分析，同時結合有限元受力分析，以找出其斷裂原因。

基本介紹

• 中文名：焊接橋
• 外文名：welded bridge
• 拼音：hàn jiē qiáo
• 所屬類別：土木工程
• 缺陷產生因素：焊膏印刷 、焊接
• 作用：焊接

焊接橋橋殼

焊接橋殼總成在台架試驗時發生早期斷裂。該橋殼本體材質為 16MnL 鋼板衝壓焊接成型，板托材質為 ZG270 － 480H，正火處理; 板托與橋殼的連線採用 CO2 氣體保護焊，為保證焊接質量，採用機器人焊接。由於橋殼是汽車行駛安全性和可靠性的重要部件，如發生意外斷裂，會導致嚴重後果。通過對斷裂橋殼的巨觀檢查，對斷口形貌、化學成分、硬度和金相組織進行分析，同時結合有限元受力分析，以找出其斷裂原因，並提出改進措施，從而為次此失效的分析提供借鑑。

焊接橋橋殼試驗過程與結果

斷口巨觀觀察

斷裂發生於橋殼一端，從橋殼的下方斷裂( 為了便於拍照和觀察，) ，斷裂部位位於橋殼下方板托( 簡稱“下板托”) 的內側。斷裂部位的外表面未見明顯的損傷或缺陷。斷口占橋殼整體截面的1 /2，斷面上存在 2 個光滑區域( 區域 A、B) 為疲勞擴展區，分別位於橋殼兩側，各約占斷口總面積的 1 /6 而在橋殼下方呈纖維狀 為瞬斷區 。2 個疲勞擴展區的裂紋均從焊縫處起源，並且有多處起源。

斷口微觀觀察

將橋殼斷口經超音波清洗後，在掃描電子顯微鏡下進行觀察。在焊縫根部區域比較粗糙，存在未焊透原始缺陷。沿著未焊透缺陷方向及其表面產生疲勞裂紋，為線源特徵; 擴展區主要位於橋殼本體上，該區域比較光滑且擴展充分，有明顯的疲勞條帶特徵 ; 瞬斷區的微觀形貌為韌窩特徵。

化學成分分析

分別從橋殼和下板托基體上取樣進行化學成分分析。可見，橋殼和板托的化學成分分別滿足GB / T 3273—2005 和GB / T 7659—2010 中對16MnL、ZG270 －480H 的要求。

硬度檢測

沿垂直於焊縫方向，在靠近斷口處取樣，經過制樣→打磨→拋光，再用4% (體積分數)硝酸酒精溶液浸蝕2 ～3 s 後，採用顯微硬度計進行硬度測試。檢測橋殼本體、橋殼側熱影響區、焊縫、下板托熱影響區、下板托本體的顯微硬度，分別測量3個點取其平均值，結果見表2。由表可以看到，橋殼和板托基體的硬度正常，焊縫和熱影響未見高硬度區，各項硬度均滿足企業標準要求。

金相檢驗

在靠近斷口處垂直於焊縫取樣，磨製金相樣品，經4% (體積分數)硝酸酒精浸蝕後，在金相顯微鏡下觀察，發現裂紋多出現在橋殼側的熔合線及過渡區 ;對焊縫在稍遠離斷口處取樣，採取與上述相同的方法磨拋、浸蝕後觀察，可以看到一條較寬的裂縫，裂縫兩側較粗糙，為原始缺陷，其形成原因是焊接時母材金屬( 橋殼與板托) 之間應該熔合而未焊上的部分，產生在焊縫根部，為未焊透缺陷。沿著未焊透形成的裂縫一端向里衍生疲勞裂紋，裂紋較細且兩側光滑，是使用過程中產生的 。可以認為，主裂紋是從焊縫的未焊透缺陷裂縫的尖端產生，沿著熔合線方向擴展;主裂紋處衍生次級裂紋，向焊縫和橋殼本體方向擴展，由於橋殼的硬度( 或強度) 較低，因此向橋殼本體擴展的速率較快 。

橋殼基體金相組織為細晶粒鐵素體和珠光體，呈帶狀分布; 板托基體金相組織為均勻的鐵素體和珠光體組織，為正火態; 焊縫組織為柱狀晶組織，熱影響區為珠光體、鐵素體和粒狀貝氏體混合組織。

焊接橋橋連試驗材料和方法

試驗使用焊膏印刷設備為 Speedline公司 SPM型半自動焊膏印刷機 ,器件貼裝、焊接設備為 OK公司 MetcalAPR-5000型熱風返修台 ,焊膏漏印模板材料是厚度分別為 76 μm、125 μm、150 μm(僅用於增加焊膏量 )聚醯亞胺。印刷圖形是間距為 0.5 mm的細間距 QFP器件對應的焊盤 , 焊盤寬度為0.3 mm,模板開口尺寸為2 mm×0.3 mm×0.125 mm,實驗選用的焊膏為樂泰公司SN63CR37AGS89.5,其成分 。

每一項實驗的印製板數量為20塊,使這些印刷參數的重複性得到檢驗。將貼裝完器件的印製板放入熱風返修台焊接。試驗件100%用體式顯微鏡視覺檢查。試驗如下。

(1)在保證焊膏分配後不橋連的情況下, 通過增加模板厚度來增大焊膏的分配量, 比較在熔融後的橋連情況。

(2)保持焊膏量不變(模板厚度為125μm),通過控制印刷工藝分別做出焊膏橋連如圖2所示。接觸長度大約為焊膏總長度的三分之一以及接觸長度大約為焊膏總長度的五分之一的情況, 在熔融後比較橋連情況。

(3)為了研究在焊盤縱向的引線位置對焊接橋連的影響,在給定的焊料體積3.9×10m(模板厚度為125 μm)下,保持焊盤寬度和焊盤總的長度不變,分別從垂直、水平方向上改變器件引線在焊盤上的貼裝位置,比較焊膏熔融後的橋連情況,在實驗過程中,與探討的方向相垂直的引線被嚴格放在焊盤的中心。

(4)在電鍍過錫鉍的印製板表面印刷焊膏, 分別設定熱板爐溫度為215 ℃、220 ℃、225 ℃、230℃、235 ℃,待達到預置溫度後保溫10 s,然後測量熔融後的面積,觀察鋪展面積的變化。

(5)保持焊膏體積為3.9×10m(模板厚度為125 μm),分別改變升溫速率、焊接溫度,將印刷、貼裝器件後焊膏仍良好的的印製板放入熱風返修台焊接,比較焊接後的橋連情況。

焊接橋橋連試驗結果及分析

如果焊點焊料體積從一個很小的值逐漸增大,可以看見處於平衡中的橋連的焊料會逐漸變厚。上述實驗結果說明:焊料體積直接影響焊接橋連的產生, 當焊料體積低於某一臨界值時, 焊接後不會橋連, 當達到維持穩定橋連的臨界焊料體積後,將會形成一個穩定的橋連,並且橋連隨著焊膏量的繼續增大而變粗。對特定器件的焊點有一個臨界焊料體積Vc去避免焊接橋連,這個臨界焊料體積可以被用作評價器件焊點防止橋連的能力, 所以為了避免焊接橋連,應保持焊料體積小於臨界體積。在本例中,臨界體積為3.9 ×10m。

在保持焊膏體積為臨界體積時 (模板厚度為 125 μm), 當有焊膏橋連缺陷時 ,橋連線觸面積小的 (接觸長度大約為焊膏總長度的五分之一 ), 在焊料熔融時, 橋連會斷開, 而橋連線觸面積大的 (接觸長度大約為焊膏總長度的三分之一 ),焊接後仍會橋連;這說明 , 相鄰焊膏橋連後的接觸面積 (長度 )是影響焊接後是否橋連的重要因素 ,在焊膏體積小於臨界體積時 ,相鄰的焊膏仍有橋連的可能。所以為了避免焊接橋連, 應保持焊接前焊膏橋連長度小於焊膏總長度的五分之一。在鍍有錫鉍的印製板上的焊料, 溫度每上升5℃, 鋪展面積都隨之明顯增大 。這說明:焊料的鋪展面積隨著溫度升高而增大。溶劑蒸發、流淌很激烈,伴隨著焊料隨焊膏流淌,相鄰焊膏接觸橋連,造成有的焊膏不橋連的引線焊接後會橋連;當升溫速率緩慢處於焊接特性曲線要求時,溶劑蒸發平緩,流淌面積比較小, 沒有因流淌造成的焊膏橋連,焊接後就無橋連;在較高的焊接溫度(遠高於焊膏特性曲線規定的焊接溫度)時, 熔融焊料的鋪展較大,相鄰的焊膏就會由不橋連變成橋連,橋連會增多, 從而使焊接後易形成橋連,而處於焊膏特性曲線規定的焊接溫度範圍時, 焊接後無橋連缺陷。這個實驗說明:在焊膏印刷、器件貼裝後無橋連缺陷的條件下,升溫速率、焊接溫度是影響焊接橋連的重要因素, 要防止焊接過程產生橋連, 應當使升溫速率、焊接溫度在焊膏特性範圍之內。產生上述現象的原因在於:在再流焊過程中, 在印製板從室溫升至熔融溫度的過程中, 焊膏中的焊劑會在受熱後蒸發、流淌,如果這個過程的升溫速率很快, 比較激烈, 則焊劑中的溶劑就會帶著焊膏粉末流動, 造成相鄰的焊膏之間橋連,在達到熔融溫度以後,焊料粉末就會熔融成液態,液態的金屬原子可以更加容易地自由移動,因而液態的金屬的鋪展面積更大,相鄰的焊料之間有更大的融合,在表面張力、焊料自身重力以及金屬原子之間金屬鍵的作用下,熔融焊料達到了動態平衡, 焊點外形就固定下來,就形成了穩定的橋連。

從上述分析可知 ,造成焊接後橋連的因素有:焊膏體積、焊膏接觸面積、引線在焊盤上的位置及焊接過程中的升溫速率、焊接溫度。這些因素有一個共同的特點:相鄰焊料熔融後都有較大量的相互融合 。這說明 ,熔融後相鄰焊料的融合量是造成焊接橋連的根本原因。

焊點的成形過程是由再流焊過程中瞬間熱機械負載條件、焊料合金材料性能、材料體積、潤濕特性、焊盤和引線的組織結構以及其它製造情況所決定。焊料表面能要求局部總能量最小, 焊點的總能量包括表面能(表面張力)、重力勢能和其它與外力相關的勢能 。就焊點來說 ,通常 ,表面能比其它能更占主要地位 。所以,焊點的成形是由表面效應 (例如 ,表面張力 、潤濕現象等)決定的 。根據能量最低原理, 焊點的形狀是當焊點系統能量最小時處於平衡時的形狀 ,所以焊料有收縮到最小面積的趨勢 ,因而 ,表面張力總是呈收縮狀態 ,球形是能量最小的形態, 故液態的焊料在表面張力作用下,有形成球形的趨勢, 但在焊料自身重力的影響下,焊點凝固後最終會變成外表光滑的橢球形。如果熔融焊料已橋連且接觸面積較大,表面張力小於金屬離子之間的金屬鍵與重力的合力,焊接後就會橋連;如果熔融焊料雖然橋連,但接觸面積較小,表面張力大於金屬離子之間的金屬鍵與重力的合力, 橋連就會斷開。

當升溫速率太快,將會造成溶劑激烈流淌蒸發,焊膏塌陷,焊料隨著溶劑流淌與相鄰的焊料連線起來, 待到焊料熔融焊接後, 就會形成橋連;當升溫速率比較平緩時,溶劑緩慢蒸發, 僅向周圍微量流淌,因而,相鄰引線的焊料不會橋連。但焊膏量較大時,雖然溶劑蒸發緩慢,微量流淌,但由於焊料自身的重量, 仍會向周圍擴展, 形成橋連, 於是在焊接後形成焊接橋連,這就是為什麼焊膏量大時,即使印刷工序不產生焊膏橋連,焊接後仍然會橋連的原因。