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1、平行缝焊原理1 引言平行缝焊是熔焊方法之一。下面是与平行缝焊工艺相关的一些基本原理。写这篇材料时并不是想把它写成严谨的分析材料，而是为了帮助读者对影响本工艺最终结果所涉及的参数能够更快地领会和理解。本材料用作读者选择正确参数的方法和指南，它能节省车间工长很多时间和精力，特别是当缺少作业指导书的情况下更是如此。2 物质的三种状态普通物质有三种基本状态：固态、液态和气态。这是我们日常观察到的不争事实。另一个不争的事实是我们也观察到我们可以使大多数物质从一种状态向另一种状态转变。例如，每个人都知道水可以从它通常的固态（晶体结构）变成液态（虽然这只是在很窄的温度范围内）并最终变成气态，而且这种变化是通
2、过改变温度实现的。但大家都没有注意到，当我们保持温度不变而通过改变压强也可以使这种状态转换发生。事实上，压强在物质熔化过程中（从而在熔焊中）像温度一样起着重要的作用。关于这一点，请看图1。它是一个显示温度和压强这两个因素怎样确定一种物质处于三态中哪一种状态的两维曲线图。 图1 物质的气态-液态-固态相图该图的平面分为三个区域，即固态区、液态区和气态区。在此平面中有一个点特别重要，在图中该点标注为“TP”，即三态点。该点的坐标代表了唯一的压强和温度组合，这时物质的三态同时稳定存在，互相平衡。说点离题的话，在地球上之所以能够存在生命，仅仅是因为我们周围的温度和压强通常非常接近水的三态点（TP）。在
3、TC（临界温度）点的右边，物质除了气态外不可能存在其它的状态。但这些与熔焊又有什么关系呢？3 熔焊根据定义，熔焊是把两个零件联结成一个部件。把两个互不渗透的固体零件连成一体是很难的事。剩下的唯一办法是把两个零件的接触区域液化或气化，然后再使他们回到固态成为一个固体部件。将它们气化有许多缺点。例如：从图1我们可以看到这时需要一种低压强和高温的组合，这种组合很难操作。另外一旦材料气化，很难使它保持在我们需要的地方。将不同固体气化再使它们回到固态通常在某些行业的工艺中用来混料，但不是用在熔焊中。那么，将它们液化是剩下的唯一选项。从图1我们注意到物质维持液态的温度范围随着压强增加变得更宽。这意味着在高
4、压强下，温度控制变得不再那么关键，而且非常重要的是在实现液化前提下减少了达到沸点将材料吹跑的风险。4 枯燥但又必要的复习说到这儿，复习一下下述中学物理概念和定义对读者可能是有益的：压强：定义为施加的力与受力面积的比。在本工艺中，施加的力典型为20牛顿（4.5磅）。在电极和被焊接的部件间的接触点的典型尺寸为0.5毫米（0.0196英寸）直径或0.196平方毫米（0.0003平方英寸）面积。因此，压强在103兆帕（15000磅/平方英寸）数量级，高到足以成为一个重要参数。 能量：系统做功的能力，用焦耳测量。1焦耳是将1牛顿的力反推1米或将0.37磅的力反推1英尺所做的功。 功率：能量传递的时间速率
5、，或者说做功有多快。单位为瓦（1瓦等于1焦耳/秒，或者用英制单位0.37英尺磅/秒）。注意不要把能量同功率混淆。这种混淆很常见，并像滚雪球一样导致对熔焊工艺的错误理解。 热量：能量的诸多形式之一。像所有形式的能量一样，热量也用焦耳为单位度量。（较老的单位有BTU和卡路里，但现在不用了） 温度：一部分物质的分子随机机械振动的程度。它是以运动分子的动能和弹性力形式储存的热量的结果。当所有分子处于绝对静止状态，停止旋转、振动等运动，温度处于绝对零度。这种所有运动的完全停止发生在摄氏读数的-273。没有什么比该温度更冷的。虽然温度概念似乎很好懂，但大多数人都没有抓住它的真正含义。比如，常常听人说“真空
6、箱里的温度是300”。这揭示了缺乏对温度的正确理解，因为按照上面给出的温度定义，真空不可能有温度（虽然真空箱的壁是有温度的，但热是通过红外电磁辐射和夹具的传导传递到里面的封装上）。 如我们看到的，物体的温度是其运动的分子储存能量多寡的外在表现。顺理成章，为了提高温度，就必须成正比例地储存更多的能量。这个比例因子称为“比热”。它以每克质量的物质温度提高1度所必须储存多少焦耳的能量为单位测量。因此，式中：L需要的能量（焦耳）T温度变化（摄氏度）K比热（焦耳/度/克）M质量（克）上面所有这些结论仅当材料维持它原有状态时成立（如，固态）。但当它开始转变状态时（例如熔化）就会发生有趣的事情。直到整块材料
7、完全熔化之前，即使加入再多的能量，固熔混合体的温度也不会再提高。这些对温度升高没有贡献的额外能量叫做“熔解热”，用每克材料多少焦耳度量。简言之，为了使物质熔化，我们不仅要提供必要的能量使物质的温度提高到它的熔点温度，而且还需要额外的能量使它从固态转变成液态，这时没有任何温度变化。反之，当从一种液体里移出能量使其固化时，它的温度也不会降低，直到整个固熔混合体完全变成一个固体为止。图2画出了这些状态转变过程。 图2 热（能量）-温度-状态之间的关系下面我们继续“枯燥但又必要”的中学物理复习，现在让我们看看可以用什么具体手段传递能量实现熔化，从而实现熔焊。有多种方法可以把能量传递到系统（被熔焊的部件
8、），而且多数都有实际应用，这些方法从喷灯到高频声波（主要用来焊塑料）、激光束、电子束以及在我们的情况下用的电流。在下述解释（电气工程师免读）中，如果读者按照图3所示模型把电的流动想象为流体（如水）在闭合管路里流动将是很有用的。一些定义和类比如下述： 电压：等效于跨越水的管路高压侧和低压侧的压力差。请记住，“电压”存在于“跨越”两点之间而不是在一个点上。 电流：等效于通过水的管路的水流（如以升/分钟为单位）。这里关键字是“通过”，如同电压的关键字为“跨越”。电流是每秒钟流过电路的电荷量。电荷的单位是“库仑”（把它想象为1升电荷），电流的单位是库仑/秒，通常称为“安培”。现在我们可以方便地与水的管
9、路类比：在水的管路里，水流显然是由水泵产生的水压差和所有的阻力（水泵内部阻力和外部阻力）所确定。这种关系可以简化为： 或以电学术语： 我们刚才引入了一个新词：“欧姆”。如果一根导体两端加上1伏特电压允许1安培电流流过的话，它的电阻就是1欧姆。这个关系式称为欧姆定律，它是电路分析的基础。 图3 水路和电路的类比 现在让我们把注意力转到对于驱动水泵的马达和（或）电路里的电源产生的能量（功）有什么情况发生。 能量不能消灭，它只能从一种形式转换为另一种形式（例如阳光转换成热能，热能转换成压力蒸汽，压力蒸汽转驱动飞轮的运动，飞轮运动带动砂轮，砂轮制造火花，这样又产生了光）。 在我们水路的情况下，马达提供
10、的能量通过与受到阻力（内外阻力）的水的摩擦转换成热。注意传递到水泵的100%能量都将转换成热。 很明显，在给定的阻力下每秒钟产生的热量应该与每秒钟通过它的水量成正比，与它两侧的水的压强差成正比。用符号表示： 现在来看电路，遵循同样的思路，我们有： 每秒1焦耳的功率称为1瓦特。 该阻值里产生的热量怎样在不同的电阻器（内部电阻和外部电阻）间分配呢？ 首先，总的热量取决于两个电阻器阻值之和。其和越大，流动的电流越小，总功率将更小。然后对于存在的功率，更大的百分数将到发生在较大的电阻器上。 这时由于两个电阻器的电流大小相同（它们是串联的），在每个电阻上发生的功率的百分数将与每个电阻器两端的电压（伏特）
11、成正比。（我们记得，功率=电压电流） 从欧姆定律和功率的角度运算该公式，我们看到：a. 如果外部电阻很大，它的功率将很小，因为虽然它可以得到总功率的很大份额，但是它将极大地限制总电流，使总的功率很小。b. 如果外部电阻很小，它的功率也将很小，因为虽然它对电流的限制极小，大的电流产生大的总功率，但是这个功率将主要消耗在内部电阻上，内部电阻将获取大部分功率。图4显示了对于固定的电源电压，传递到外部电阻上的功率作为它的阻值相对于内部电阻阻值之比的函数关系。我们看到，当外部电阻的阻值与内部电阻阻值相等时，传递到外部电阻的功率达到最大值。然而在这种情况下，效率也仅为50%，因为总的功率平均分配在两个电阻
12、上。 图4 外部电阻上的功率正确地理解这个概念很重要。诸如“熔焊的电阻越大（或越小），产生的热量越多”这种绝对的说法多数情况下都是错误的。真正重要的是熔焊的阻值与电源内部电阻阻值的相对值。此外，在考虑电源内阻时，我们必须记得要将所有接线，母线条及连接界面等的电阻都考虑在内。现在是我们澄清两个常见的错误观念的时候了：错误观念1：“熔焊过程中必须监测电流，因为功率等于电流的平方乘以电阻。我们必须得有一个安培表”。错误观念2：“熔焊过程中必须监测电压，因为功率等于电压的平方除以电阻。我们必须得有一个伏特表”。正确观念：注意在一个句子里提到电阻乘以一个量，在另一个句子里提到电阻去除一个量。对于更大的阻
13、值，功率变大还是变小呢？答案是：这得看情况。如果我们注意到电流、电压或电阻与前一批熔焊时相比变大了，我们仍然不能说熔焊的功率是变大了还是变小了，除非我们知道了这三个参数中的两个参数。然后，依赖于我们知道哪两个参数，我们可以应用下述公式之一：简言之，伏特表和安培表同样有用，它们可以告诉我们与前一批熔焊相比某些东西变化了。但是那一块表独自都不能告诉我们功率变化的方向，除非我们知道我们在图4曲线的哪一侧。5 平行缝焊基础知识让我们考虑图5所示的安排。从电源一侧流出的电流流过一个电极，通过该电极与盖板间的接触点，再流过盖板本体，到另一个接触点，到另一个电极，最后返回电源。注：部分来自电极的电流穿透盖板
14、到达封装底座然后返回另一侧的盖板，没有通过盖板的中心。如果接线和电源的尺寸处理合适，整个环路最大电阻的位置在电极和盖板的接触点上；特别是当电极的斜面很锐利时。记住我们前面关于功率在电路里所有电阻间是如何分布的讨论，很明显总的热量的大部分将在该接触点处产生。 图5 平行缝焊示意图5.1 电极形状更锐利角度（直到45）的电极倾向于把热量集中在封装外壳的边缘处，而较浅的角度将把热量更均匀地分布在整个盖板上，从而需要更大的总功率才能实现熔焊。原因如下：a. 当对电极施加同样的压力时，较浅的电极角度意味着较大的接触面积，较低的压强，从而导致某些材料有更高的熔点，而另一些材料有更低的熔点，这样就需要不同的
15、温度（见图1），即不同的能量。b. 较大的接触面积还使熔融金属区域尺寸加大，从而增加了对更多能量的需求。c. 较大的面积降低了接触点的电阻，从而减小了对电源提供的总能量的分享份额，该分享的能量转换成需要点（见图5）处的热量，从而使熔焊针脚处的热量减少。重要的一点是要认识到：取决于工作在图4曲线的哪一侧，在熔焊针脚处消耗的能量可能上升也可能下降，但是在盖板中心区域或系统中其它地方产生的废热将随着电极角度变浅肯定要增加。典型的电极斜面的角度可以从7（当需要很宽的焊道而且对外壳的最终温度要求不太苛刻时）到45（当有相反要求时）。典型的折中角度是12，这对大多数封装外壳都适用。5.2 电极压力增加压力的某些效果想必读者已经知道。增加压力时，发生下述情况：a. 材料保持熔化状态的温度范围变得更宽，使得对温度的控制变得不那么重要了。b.
