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加熱工藝技術常識題目

更新时间:2019-12-02 02:41人气:4919
由於加熱工藝不當常而產生的缺陷有幾種常見的 由於加熱不當所產生的缺陷可分為:(1)由於介質影響使坯料外層組織化學狀況變化而引發的缺陷,如氧化、脫碳、增碳和滲硫、滲銅等。(2)由內部組織結構的異常變化引發的缺陷,如過熱 、過燒和未熱透等。(3)由於溫度在坯料內部分布不均,引發內應力(如溫度應力 、組織應力)過大而產生的坯料開裂等 。下麵就給大家先容其中幾種常見的缺陷。 加熱工藝的發展方向和存在的題目 *** 惰性氮氣回流焊 雙麵回流焊 穿孔回流焊 無鉛回焊 垂直爐技術 汙染題目 冷卻題目 設備的使用和優化 由於不斷尋求元件的小型化和增加引腳數目和要求間距更密,因此產生了新型元件設計,象球柵陣列(BGA)、板上芯片(COB) 、芯片尺寸封裝(CSP)、多芯片模塊(MCM)和倒裝芯片等技術就是這類趨勢的結果。另外,很多人都在使用免清洗及低殘留物焊錫膏以降低本錢 ,其中一些相關工藝更適合在氮氣環境下使用。手持式及方便易用產品將繼續是電子市場背後的推動力,封裝技術也將向前發展以滿足產品的要求。是以更小更快更輕的產品、更短的產品市場生命周期、更多I/O數和更密間距和更高的工作頻率 ,都在推動對於加熱工藝的要求,這將會更進一步使得必須改進工藝控製和進行設備優化 。針對這些各種推動力,已研究出了多種加熱工藝方法以響應這些挑戰。 惰性氮氣回流焊 在回流焊工藝中使用惰性氣體(通常是氮氣)已有一段時間了,但對於本錢效益的評估還有很多爭辯。在回流焊工藝中,惰性氣體環境能減少氧化 ,而且可以降低焊膏內助焊劑的活性,這一點對一些低殘留物或免洗焊膏的有效性能來講,或者在回流焊工藝中需要經過多次的時候(比如雙麵板) ,可能是必須的。假如涉及到多個加熱過程,帶OSP的板子也會受益,由於在氮氣裏底層銅線的可焊性會得到比較好的保護。氮氣工藝其它好處還包括較高表麵張力 ,可以擴寬工藝窗口(特別對超細間距器件) 、改善焊點外形和降低覆層材料變色的可能性。另一個方麵是本錢,在一個特定的工廠裏氮氣的本錢根據地理位置和用量的不同差別很大。嚴格的構成本錢研究通常都顯示出,在將生產率和質量改善的本錢效益進行分解後 ,氮氣的本錢就不是一個首要的身分了。在沒有強製對流同時氣流又呈薄片狀的爐內,控製氣體的消耗量(圖1)相對比較輕易。有幾種方法可用來減少氮氣的消耗,包括減小爐子兩真個開口大小,使用空缺檔板、渦形簾子或其它類似的設置將進口和出口的孔縫沒有效到的部分擋住等 。用檔板或簾子隔開的區域可以用來控製流出爐子的氣流,並盡量減少與外部空氣的混和。另一種方法利用回流爐改進技術,它利用熱的氮氣會在空氣上麵形成一個氣層,而兩層氣體不會混和的道理。在爐子的設計中加熱室比爐子的進口和出口都要高,如許氮氣會自然形成一個氣層,可以減少為維持一定氣體純度所需輸進的氣體數目。 雙麵回流焊 雙麵板正變得更加普遍並日趨複雜,它使PCB可用空間達到最大 ,而且有助於降低本錢 。直到比來,雙麵板的裝配通常都還是將上麵過回流焊而把底麵過波峰焊 。如今的趨勢是朝向雙麵回流焊,但這類工藝本身也不是沒有題目。質量較大的底麵元件會在第二次過回流焊時掉落 ,另外底麵的焊點在此過程中會局部從頭熔解,可能會對焊點的可靠性造成危害 。已研究出了幾種方法可以完成雙麵回流焊 。一個方法是將第一麵的元件粘在裝配組件上,如許在反轉過來過第二次時就會留在原位,這是一種常用的方法,但要牽涉到額外的步驟和設備。還可以在頂部和底部用具有不同熔點的合金,在第二次過的時候,用低熔點材料 。在很多場適用這類方法會有一些嚴重的題目,比如所用合金的熔點相對終究產品的工作溫度而言可能會過低,而另外一類合金可能需要更高的回焊溫度又會在回焊過程中對元件或者底板造成損壞。對很多元件來講,在焊點上熔化的金屬表麵張力足夠將底麵元件托住,其可靠性非常高。可以用元件的重量和引腳/焊盤接觸麵積的比來確定是否可以用這類方法成功地裝上底麵的元件 ,而不需要對每個元件都往做實驗 ,30克/平方英寸是一個比較守舊的比率數字,可將其納進線路板設計規範中。另外一種方法使用的道理是在組裝件底麵吹進冷風,使得在過第二次回流焊時底麵焊點的溫度保持在液相點以下,這裏的缺點是由於上麵和底麵溫度的差異會造成潛伏應力。 穿孔回流焊 穿孔回流焊(又稱為插進式回流焊)已逐步變得普通起來,由於它可以取消波峰焊或者選擇性焊接工藝步驟。這類方法的一個首要好處是可以在利用表麵安裝製造工藝優點的同時,使用能提供穿孔焊點機械完整性的穿孔型連接器。 盡管用穿孔回焊可得到良好的工藝效果,但還是存在一些工藝題目 。在穿孔回焊過程中焊膏的用量比較大,由於助焊劑揮發物質的沉積會增加對機器的汙染,因此有效的助焊劑治理係統是很首要的;此外,很多穿孔元件特別是連接器沒有設計可以承受回焊溫度。大風量強製對流爐更適合在這類場合中使用,它具有較高熱量傳遞率,不需要很高的IR發射管溫度(象純粹紅外(IR)爐那樣)。必須要保證穿孔內焊膏的所有部分都會經曆回焊良好的精確熱量曲線,盡管熱沉積和遮擋會影響一些元件。 無鉛回焊 固然電子產業產生的鉛不到四周環境所含鉛的1%,但一些觀察家們還是在考慮假如采用立法措施來限製焊接中鉛的使用,可能就會找到可靠經濟的無鉛替換品 。很多替換合金的液相溫度比錫-鉛焊料大約要高40℃,這就意味著回流焊接必須在更高的溫度下進行。就增加基板材料氧化和老化程度而言,惰性的氮氣可用來部分彌補高溫的影響。 最新的回流爐設計可以工作在300℃以上,不過,對於生產BGA、雙麵板及厚膜電路,無鉛焊料和非共晶焊料的回焊需要更高的爐溫。這些新工藝中有些經常需要高峰區的對流溫度為350℃到400℃,是以必須更改爐子裏的熱敏感機械元件以滿足這些要求。 垂直爐技術 市場對減小尺寸的推動增加了用在直接芯片粘接(DCA)中倒裝芯片的使用。將芯片倒裝再用焊接突起將其直接連接在基板上可以得到更快的信號速度和更小的占地麵積。芯片和基板之間的縫隙再用底部灌封劑加強焊點的強度 ,以克服由於矽***片和基板間熱膨脹不匹配而釀成的應力。此外 ,還需要用到glob-top或閉合填充技術,在表麵塗敷環氧樹脂材料,以保護***露的矽片。很多這類材料都需要較長的固化時間,而這對在線式爐子來說就做不到。垂直爐在這方麵則略勝一籌,它在把板子送出到生產線之前,用一個傳送帶係統作為垂直緩衝器/存儲器,如許可以在小麵積的爐內保持較長的停留時間。 汙染題目 機器汙染繼續給回焊爐造成極大題目。焊錫膏中揮發性物質會在爐內較冷的表麵從頭凝聚而汙染機器,在帶有內部冷卻區的空氣受控爐內,這個題目更加嚴重。通過抽風係統往除這些揮發物在這裏是不可以用的,由於要滿足將爐內氣體消耗量減至最少的需要。是以設計了一種助焊劑治理係統從爐內抽出助焊劑的揮發物,它將揮發物質流經一個外部組件,經過凝聚和過濾,再把清潔的空氣送回工藝腔內。這類方法大大減少了在冷卻部分及爐內其它地方凝聚的助焊劑殘餘物,使得機器的維護和汙染擦除不一定非要在停產狀況下進行。還可以將助焊劑治理係統送出的冷氣流送回到冷卻區內 ,正好有益於高於液相溫度時的降溫,並降低PCB出來的溫度。另外一種作法是直接將返回的氣流送到工藝腔的其它部分以得到其它特性,比如區與區溫度隔離或頂部與底部產生溫差等。 冷卻題目 在自然空氣條件下工作的回流焊爐利用四周的空氣作為冷卻媒介,如許能以較低的本錢使用大量的氣體,並有效地使板子冷卻。在惰性氣體環境下 ,冷卻過程必須在一個受控的環境下履行,是以情況是非常不同的。必須要從係統中排出熱,通常采用熱交換器,利用氣體或液體作為熱交換媒介,冷卻的氣流還要在爐內循環,以減少惰性氣體(一般用氮氣)的整體消耗 。目前這部分的設計,是利用風扇使空氣通過熱交換器到達板子而得到冷卻的,由於助焊劑會沉積在風扇和熱交換器上,是以這類冷卻方法需要定期作機器的維護(固然這個題目的嚴重性可通過使用助焊劑治理係統而大大降低)。本公司已開發出一種稱為NitroCool(圖2)的係統,利用加強的空氣風刀產生高速氣流,作為熱交換介質。風刀產生的循環氣流橫向吹過板子而不通過熱交換器 ,減少了可能發生的阻塞,另外加強空氣風刀內還具有本身清潔循環裝配,在氣流變質之前從風刀中除往助焊劑的沉積物。該係統可提供一致的冷卻效果,而不會在性能方麵有什麽改變,不象熱交換器和風扇在維護期內逐步變髒而常見的那樣。NitroCool還可以利用內置助焊劑治理係統送回的氣體,更進一步加強冷卻的性能和效率。 延長式冷卻組件可使PCB離開爐子時的溫度通常在35℃到50℃,如許可使板子無需緩衝就可直接進進下道工序,而且還許可PCB經過後續的焊接工藝而不會損害到可焊性保護層,這對於印刷線路板的可焊性是用OSP而不是熱風整平方式進行保護時特別首要。 設備的使用和優化 組裝本錢正成為製造商們最為關心的一件事 ,由於生產場地都非常寶貴 ,有效利用處地空間正在逐步成為一個首要的題目。一般來講,為達到高產量而加快生產線的速度會需要一個加熱區較長的回焊爐,采用雙軌道工藝,就是有兩個較小但可以充分調節的傳送帶在爐內運行 ,可以很有效地增加產量而不用增大爐子的占地麵積。 1. 脫碳 脫碳是指金屬在高溫下表層的碳被氧化,使得表層的含碳量較內部有明顯降低的現象。 脫碳層的深度與鋼的成分、爐氣的成分、溫度和在此溫度下的保溫時間有關。采用氧化性氣氛加熱易發生脫碳,高碳鋼易脫碳,含矽量多的鋼也易脫碳。 脫碳使零件的強度和疲憊性能下降,磨損抗力減弱。 2. 增碳 經油爐加熱的鍛件,經常在表麵或部分表麵發生增碳現象。有時增碳層厚度達1.5~1.6mm ,增碳層的含碳量達1%(質量分數)擺布,局部點含碳量甚至超過2%(質量分數) ,出現萊氏體組織。 這首要是在油爐加熱的情況下 ,當坯料的位置靠近油爐噴嘴或者就在兩個噴嘴交叉噴射燃油的區域內時,由於油和空氣混合得不太好 ,因此燃燒不完全,結果在坯料的表麵形成還原性的滲碳氣氛,從而產生表麵增碳的效果。 增碳使鍛件的機械加工性能變壞,切削時易打刀。 3. 過熱 過熱是指金屬坯料的加熱溫度過高,或在規定的鑄造與熱處理溫度範圍內停留時間太長,或由於熱效應使溫升過高而引發的晶粒粗大現象。 碳鋼(亞共析或過共析鋼)過熱以後往往出現魏氏組織 。馬氏體鋼過熱以後,往往出現晶內織構 ,工模具鋼往往以一次碳化物角狀化為特征判定過熱組織 。鈦合金過熱後,出現明顯的β相晶界和平直細長的魏氏組織。合金鋼過熱後的斷口會出現石狀斷口或條狀斷口。過熱組織,由於晶粒粗大,將引發力學性能降低 ,特別是衝擊韌度 。 一般過熱的結構鋼經過正常熱處理(正火、淬火)以後,組織可以改善,性能也隨之恢複,這類過熱常被稱之為不穩定過熱;而合金結構鋼的嚴重過熱經一般的正火(包括高溫正火)、退火或淬火處理後,過熱組織不能完全消除,這類過熱常被稱之為穩定過熱。 4. 過燒 過燒是指金屬坯料的加熱溫度過高或在高溫加熱區停留時間過長,爐中的氧及其它氧化性氣體滲透到金屬晶粒間的空隙,並與鐵、硫、碳等氧化,形成了易熔的氧化物的共晶體,破壞了晶粒間的聯係,使材料的塑性急劇降低。過燒嚴重的金屬 ,撤粗時輕輕一擊就裂,拔長時將在過燒處出現橫向裂紋 。 過燒與過熱沒有嚴格的溫度界線。一般以晶粒出現氧化及熔化為特征來判定過燒。對碳鋼來說 ,過燒時晶界熔化、嚴重氧化工模具鋼(高速鋼、Cr12型鋼等)過燒時,晶界因熔化而出現魚骨狀萊氏體。鋁合金過燒時出現晶界熔化三角區和複熔球等 。鍛件過燒後,往往無法拯救,隻好報廢。 5. 加熱裂紋 在加熱截麵尺寸大的大鋼錠和導熱性差的高合金鋼和高溫合金坯料時,假如低溫階段加熱速度過快,則坯料因內外溫差較大而產生很大的熱應力。加之此時坯料由於溫度低而塑性較差,若熱應力的數值超過坯料的強度極限,就會產生由中間向四周呈輻射狀的加熱裂紋,使全部斷麵裂開 。 6. 銅脆 銅脆在鍛件表麵上呈龜裂狀。高倍觀察時,有淡黃色的銅(或銅的固溶體)沿晶界分布。 坯料加熱時,如爐內殘存氧化銅屑,在高溫下氧化鋼還原為自由銅 ,熔融的鋼原子沿奧氏體晶界擴展,削弱了晶粒間的聯係。另外,鋼中含銅量較高[>2%(質量分數)]時,如在氧化性氣氛中加熱,在氧化鐵皮下形成富銅層,也引發鋼脆。

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