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150AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺焊接热循环曲线测试技术的研究进展孔李毅 董文轩 杨钰莹 周汶燕 张伟陕西理工大学 材料科学与工程学院 陕西省汉中市 723000摘 要： 焊接热循环曲线的测定一直是研究焊接接头质量的主要途径，曲线本身的优劣性直接影响研究者对组织的进一步研究。
因此，本文结合了目前两种方法中较为突出的几种焊接热循环曲线测量手段，总结了几种焊接热循环测量手段的优缺点，并在此基础上对将来焊接热循环曲线测量发展方向进行了展望。
关键词：焊接热循环 HAZ 直接测量法 间接测量法1 引言焊接热循环包括以下四个特征参数：加热速度(ωH )、最高加热温度T max 在相变温度以上停留时间(t H )、冷却速度（ωC )和冷却时间(t 8/5、t 8/3、t 100)。
焊接热循环参数是分析HAZ 组织和性能的重要数据[1]，及焊接工艺的开发、评价和优化[2]。
焊接热影响区的材料结构和性能受材料组成和焊接热循环的影响[3]。
利用这些信息，可以分析焊接冷却过程的相变机理和新材料的SH-CCT 图，创建并验证HAZ 热循环参数的计算模型。
因此，焊接热循环的测试、计算和分析具有十分重要的理论意义和实际价值。
目前，大多数实验室都采用焊接热模拟，将试样置于热模拟装置中，经历与焊接相同的热过程；而热电偶是焊接热循环现场测量中常用的测温元件。
本文综述直接测量法和间接测量法现有的可靠研究与其应用，并对其发展方向进行了总结与分析。
2 直接测量法直接测量法焊接热循环曲线是依靠热电偶测温方法实现，由于热电偶可以直接接触测量局部温度甚至测量“点”温度，这一点较热电阻有较大优势，所以热电偶一直是很好的测温元件。
[4]热电偶最先使用的是背打孔插入的方式，如黄錫鎬[5]利用温差热电偶测量近缝区焊接热循环曲线时，这种方式往往需要对焊板提前进行钻孔，工作量大、操作麻烦且对板材造成一定的浪费，而且热电偶置于内部无法观察其状态。
通过对回流焊温度曲线的分段描述，理解焊膏各成分在回流炉中不同阶段所发生的变化，给出获得最佳温度曲线的一些基本数据，并分析不良温度曲线可能造成的回流焊接缺陷。
在SMT生产流程中，回流炉参数设置的好坏是影响焊接质量的关键，通过温度曲线，可以为回流炉参数的设置提供准确的理论依据，在大多数情况下，温度的分布受组装电路板的特性、焊膏特性和所用回流炉能力的影响。
为充分理解焊膏在回流焊接的不同阶段会发生什么，产生的温度分布对焊膏组成成分的影响，以下先介绍焊膏的组成成分及其特性，再介绍获得温度曲线的方法，然后对温度曲线进行较为详细的分段简析，最后列表分析不良温度曲线可能造成的回流焊接缺陷。
(1)冷却段这一段焊膏中的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被焊接表面，快速度地冷却会得到明亮的焊点并有好的外形及低的接触角度，缓慢冷却会使板材溶于焊锡中，而生成灰暗和毛糙的焊点，并可能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。
(2)回流焊接段这一段把电路板带入铅锡粉末熔点之上，让铅锡粉末微粒结合成一个锡球并让被焊金属表面充分润湿。
结合和润湿是在助焊剂帮助下进行的，温度越高助焊剂效率越高，粘度及表面张力则随温度的升高而下降，这促使焊锡更快地湿润。
但过高的温度可能使板子承受热损伤，并可能引起铅锡粉末再氧化加速、焊膏残留物烧焦、板子变色、元件失去功能等问题，而过低的温度会使助焊剂效率低下，可能使铅锡粉末处于非焊接状态而增加生焊、虚焊发生的机率，因此应找到理想的峰值与时间的最佳结合，一般应使曲线的尖端区覆盖面积最小。
曲线的峰值一般为210℃－230℃，达到峰值温度的持续时间为3－5秒，超过铅锡合金熔点温度183℃的持续时间维持在20－30秒之间。
(3)保温段溶剂的沸点在125－150℃之间，从保温段开始溶剂将不断蒸发，树脂或松香在70－100℃开始软化和流动，一旦熔化，树脂或松香能在被焊表面迅速扩散，溶解于其中的活性剂随之流动并与铅锡粉末的表面氧化物进行反应，以确保铅锡粉末在焊接段熔焊时是清洁的。
焊接热循环曲线焊接热循环曲线是指在金属焊接过程中，热量的传递过程所形成的曲线。
焊接热循环曲线可以用来描述焊接时金属的温度和热应力的变化规律，帮助焊接工程师确定更优化的焊接过程参数。
下面，我们将详细说明焊接热循环曲线的步骤：第一步，准备工作。
在进行焊接热循环曲线的绘制之前，需要对各种材料进行充分的准备工作，包括焊接材料、辅助材料、焊接设备等。
第二步，测量温度。
在焊接过程中，需要测量工件的表面温度，以确定热循环曲线。
温度可通过红外测温仪、热电偶、焊后无损检测等方法进行测量。
第三步，收集数据。
在测量温度的同时，还需要收集与焊接相关的各种数据，如焊接电流、电压、焊条直径、断裂功、硬度变化等。
这些数据有助于更好地分析焊接过程和把握动态过程。
第四步，绘制曲线。
在准备工作和数据分析后，可以对焊接热循环曲线进行绘制。
一般来说，热循环曲线包括焊接前、焊接期间和冷却期间三个阶段。
通过绘制曲线，可以清晰地反映出焊接过程中金属温度的变化规律以及应力的大小和方向。
第五步，分析曲线。
绘制好焊接热循环曲线后，还需要对曲线进行分析。
根据曲线的形态和数据，可以确定出影响焊接的主要因素，如焊接电流和电压、热输入、焊接速度、焊条直径等。
通过这些数据，可以进一步优化焊接工艺参数，以提高焊接质量和效率。
综上所述，焊接热循环曲线对于焊接工程师来说非常重要。
通过绘制热循环曲线，可以更好地了解焊接过程中金属的温度和应变情况，从而进行更优化的焊接工艺设计，提高焊接质量和效率。
焊接热循环曲线的测定
一、实验目的
（一）了解焊接热循环曲线的特征和主要参数；
（二）了解焊接规范对热循环曲线的影响；
（三）掌握测定焊接热循环曲线的方法。
二、实验装置及实验材料
（一）钨极氩弧焊机1台
(二）电容储能式热电偶焊机1台
（三）镍铬—镍硅或铂铑—铂热电偶丝(φ0.3~0.5mm)1对
（四）氩气1瓶
（五）X—Y／函数记录仪1台
（六）试件300×200×20mm低碳钢板2块（可用A3、A5、09Mn、16Mn等材料）
（七）0～300(A)直流电流表、秒表、φ5mm钻头、φ5mm平头铰刀、深度尺等
三、实验原理
焊接热循环是指焊件上某点经历焊接过程时的温度变化，它可以用Ｔ＝ｆ（ｔ）这一函
图１低合金钢手弧堆焊时焊缝附近各点的热循环
（ｔ－从电弧通过测温点正上方时开始算起的时间）
数关系来描述。
按此关系所画出的曲线称为该点的热循环曲线。
焊接过程中，焊件上直接被热源加热的部位将被熔化形成熔池。
连续相接的熔池冷却凝固后即成为焊缝。
焊缝以远的部位则保持固态，焊件上各点由于在焊件上所处位置不同，受到焊接热的作用不同而经历着不同的热循环，它们的热循环曲线也就不同。
图l为低合金钢手弧焊时焊件上热影响区不同点的焊接热循环曲线。
从该图可以看出：离焊缝熔合线越近的点，加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大，并且所有各点的加热速度都比冷却速度要大得多。
这表示焊接接头热影响区的金属都经历了一个自发的、特殊的热处理过程，产生了相变、晶粒长大、应力和变形等变化，从而对焊件金属的组织和性能发生强烈的影响。
因此，测量并正确控制焊接热循环对于控制接头热影响区金属的组织和性能具有重要意义。
焊接热循环曲线固然可以借助焊接热过程的理论公式Ｔ＝ｆ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）计算出来，但由于计算时所采用的假定条件与实际焊接条件出入较大，计算所得的理论热循环曲线对比实际测得的曲线仍有很大误差，故在实际上多用实测的方法来获得热循环曲线。
测定焊接热循环的方法，大体上可分为接触式和非接触式两类。
在非接触式测定法中，
近年来发展了红外测温及热成象技术。
这种方法的实质是从弧焊熔他的背面，摄取温度场的热象(红外辐射能量分布图)，然后把热象分解成许多象素，通过电子束扫描实现光电和电光转换，在显象管屏幕上获得灰度等级不同的点构成的图象，该图象间接反映了焊接区的温度场变化，经过计算机图象处理和换算，便可得出某一瞬间或动态过程的真实温度场。
这种测定方法的优点是测定装置不直接接触被测物体，不会搅动和破坏被测物体的温度和热平衡，响应时间快、灵敏度高，并且可以连续测温和自动记录。
目前在国内已开展了这方面的研究，但由于这种测定法需要较复杂的设备和技术，所以尚未大量推广。
另一种方法为接触式测温，例如目前最常用的热电偶测温。
它是建立在热电偶两端由于温度差而产生热电势的基础上。
测温时把热电偶的热结点焊在被测点上，热电偶的另一端接在X－Y函数记录仪上，焊接时由于热结点受热产生热电势，并把这个电势作为X－Y函数记录仪的输入信号，经放大后由记录仪表笔自动记录下来，然后利用热电势温度换算表进行换算，即可得到被测点的热循环曲线。
这种测温方法由于热电偶的联接，会影响到被测物体的温度及热平衡，有时将降低测温的精确度，而且由于记录仪的机械惰性等原因，对于微小体积的快速温度变化响应速度也慢。
但是，它的突出优点是简单、直观、测出的温度有一定的精确性，因而仍是目前最主要的测温方法，本实验也是利用热电偶测温方法来获得热循环曲线。
四、实验方法及步骤
（一）实验方法
焊接热循环的测定方法如图２所示。
测定前，把热电偶丝的端头焊入试件背面的测
图２焊接热循环曲线测定方法示意图
１－弧焊整流器；２－电压表；３－电流表；４－试件；５－测温孔；６－ＴＩＧ焊炬；
７－热电偶；８－Ｘ－Ｙ函数记录仪。
温孔，当TIG电弧在试件表面上移动时，在X—Y函数记录仪上即可绘出工件上离熔合线不同距离的A、B两点的“热循环”曲线。
他们实际上为热电势－时间曲线。
第一个测温小孔离起弧处的距离应不小于80ｍｍ，以便测定时该点已处于准稳定状态的温度场。
测温孔的深度越大，表示该点离熔合线越近，则该点在焊接过程中所达到的最高温度也越高。
表1给出了采用手工电弧焊时离熔合线不同距离的各点所达到的最高温度T m℃，以供参考。
表１钢焊接时测温点位置与最高温度的关系
焊接规范：板厚20mm，焊接电流170A，电弧电压28V，焊接速度2.5mm/s，焊条直径φ4mm。
（二）实验步骤
1．焊接热电偶分别把每对镍铬—镍硅或铂铑—铂热电偶丝的端头用电容储能式热电偶焊机
焊合，以形成热结点。
然后将对热电偶的热结点分别焊到测温孔A、B的底部（如能将热电偶一端的两根单丝分别焊在被测点上十分挨近的位置，则其测温结果比焊在一起的热结点时更为准确），要仔细检查焊接点的质量，务必保证焊牢。
热电偶的正负极之间要隔开，以防短路影响测量。
2．接X—Y函数记录仪把热电偶的另一端分别接到X—Y记录仪上，注意把镍铬丝或铂姥丝接正极，镍硅丝或铂丝接负极。
镍硅丝有磁性，可用磁铁或磁性材料加以鉴别。
铂铑丝比铂丝更硬，略加弯曲便可以区分开来。
注意选择函数记录仪各旋钮所置定的量程及走纸速度。
3．焊接规范的调节建议采用表2所列的焊接方法及规范参数。
施焊时当焊接电弧经过被测点正上方时，即可先后得到某焊接电流下离熔合线不同距离的A、B两点的“热循环”曲线。
表２测温用的焊接方法和规范参数
五、实验结果的整理与分析，
根据记录纸上获得的两条“热循环”曲线，查热电势—温度换算表，把纵坐标所代表的电势换算成温度，经过整理将有关数据记入表中。
画出以温度—时间为坐标轴的A、B两点的热循环曲线。
应该注意：在用X—Y函数记录仪记录热电偶的热电势时，因为热电偶的冷端受环
境温度的影响，往往达不到0℃，因而对所测得的热电势应该进行修正。
本实验采用了补偿导线的方法进行了修正。
附录热电势与温度对照表
A B两点的焊接热循环曲线。
