专利名称：用于波峰焊接或镀锡机的气体供给设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于波峰焊接/钎焊或镀锡机的惰性气体供给设备。
背景技术：
这种波峰焊接或镀锡机尤其用于对诸如电子电路之类的支承体上的电子元件进 行焊接或者用于为电子元件的终端镀锡。波峰焊接机设计成使待焊接的电路或待镀锡的零件与一个或多个液态焊料波峰 接触，所述焊料波峰通过经由喷嘴泵送包含在焊料池内的焊料浴液获得。一般预先在机器的上游区域对零件涂覆助焊剂(flukes)，其主要为了使金属表 面脱氧以更易于焊料接下来对金属表面的润湿，在涂覆助焊剂操作之后是预热操作，执行 所述预热操作是为了活化预先在电路上沉积的助焊剂(flux)并在电路和元件达到热焊接 区之前对其进行预热。喷嘴的几何结构决定了获得的焊料波峰的形状。大部分波峰焊接机通常具有两个 波峰，即，“湍流”第一波峰和“层流”第二波峰，此第二种类型的波峰具有相对较大的平坦上 表面。在机器内不存在待焊接的或待镀锡的零件时，液态的焊料在此层流波峰内以极低 的速度向机器的上游端流动。当零件到达而与层流波峰接触时，焊料合金流内产生部分回 流，此合金的一部分向机器的下游端流动。因此，所述机器通常设有可称为“(溢流)堰”的系统，其高度使得能够调节朝向下 游端的焊料的流量。此堰系统可非常简单地由金属板或导槽构成，用于导引焊料落回到周 围的浴内。应指出的是，在此层流波峰内的合金流的流量和方向对获得的焊接的质量具有关 键的影响。还应指出的是，某些用户为了满足其产品的非常特殊的性质，极大地限制焊料向 下游流动的现象，优选具有非常少的或甚至几乎没有焊料向下游的溢流。波峰焊接或镀锡机通常向周围的大气环境敞开。在这种机器的用户遇到的问题 中，值得一提的是焊料浴的表面由于暴露在空气中而在其上形成有称为浮渣的氧化物层， 其造成不可忽略的焊料损失和需要定期地清洁浴。例如，一平均尺寸的机器每运行一小时 可形成一千克以上的浮渣。如果我们现在考虑层流波峰的特殊情况，很容易理解，焊料向下游的为零的或极 小的溢流存在严重的缺陷，这是由于持久在波峰的平坦表面上形成的浮渣不能有效地去除 并因此会在零件上沉积，其严重损害了获得的焊接或镀锡的质量。这里描述的在波峰焊接机的层流波峰的平坦表面情况下的浮渣的影响总是在“死 的”浴(静止的液态浴)的平坦表面情况下存在。为试图防止浴液受周围的空气氧化，迄今已提出各种技术方案。这些方案可分为
三类
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a)第一类方案在于至少在焊料浴之上，并有时也在机器的其余部位提供一封闭的 保护气氛。目前，具有从一开始就设计成密封通道的完全受惰性气体保护的机器。文献US-5 161 727描述了一种罩盖系统，该系统用于在向大气敞开的、常规的现有机器上提供至少覆 盖焊料浴的氮覆盖物；b)第二类方案在于经由位于焊料波峰附近的喷射器提供非封闭的保护气氛，而波 峰上方的空间不封闭。在第二类方案中，值得一提的是文献WO 93/11653中所公开的设备； 和c)第三类解决浮渣形成问题的方案在于在层流波峰表面上采用具有高覆盖能力 的油膜。基于油的保护系统具有使用油所常见的缺点(特别是当存在高温源时)，具体来 说是，油在板卡上的沉积经常需要进行困难的和不彻底的清洁操作，并且由于焊料浴内油 的堆积，必须对机器进行频繁的周期性维护，而油蒸气的散发无疑对环境，无论对设备还是 对人，造成了损害。在包括2003 年 1 月 27 日的欧洲指令 2002/95/CE, "relative alalimitation de 1 ‘ utilisation de certaines substances dangereuses dans Ies equipements electriques et Slectroniques (关于限制某些危险物质在电力和电子设备中的使用)”， 在内的新的环境条例中，特别禁止了在焊料合金中使用铅。常规的铅基焊料合金的熔点比替代合金的熔点低。例如，常规的锡-铅合金Sn63/ Pb37的熔点大约为183°C，而Sn Ag3/Cu0. 5 (锡/银/铜)合金的熔点大约为217°C。这些新合金的使用需要修改整个波峰焊接方法。这些新合金为执行波峰焊接方法 增加了新的限制和问题，例如，较高的预热温度、较高的焊接温度或者甚至较多的氧化。较高的预热温度和焊接温度造成了电路在波峰焊接机的整个长度上前进的过程 中保持电路温度的问题，特别是在预热端和到达第一焊接波峰之间，以及两个焊接波峰之 间。在电路行进中的这两点产生温度的下降，这对焊接质量有害。机器内的惰性气体的喷 射加剧了此温度的下降，所述机器装配有位于焊料浴内的惰化系统。对焊接有害的另一点 与第二波峰的出口有关，在该出口处，冷却速度较快，因而产生很大的热冲击(在机器在此 第二波峰的正下游具有气体喷射的情况下)。对于不具有喷射前加热气体的系统的机器，用户不得不通过使焊料浴过热从而对 这种温度下降进行补偿。这对焊接有害并且还可能损坏电子元件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使焊接机适于使用新的较高熔点合金的技术方案。因此，本发明涉及一种用于波峰焊接或镀锡机的气体供给设备，所述机器能够产 生至少一个焊料波峰，该设备包括-气体入口管道；-浸没在焊接或镀锡机的焊料浴内的一组N个次级管道；和_向所述至少一个波峰附近的至少一个喷射装置供给气体的喷射管道，各次级管道的入口端与入口管道连接，出口端与喷射管道连接，所述设备特征在于，次级管道的数量N等于或大于1，并且次级管道的内径d和入口管道内的气体流量Qtl选择为使次级管道内的气体的流动为湍流状态。有利地且令人惊讶地，在次级管道内建立湍流状态能够使气体和焊料浴之间进行 较好的热交换。因此，使次级管道的长度和数量有利地减小。根据本发明的设备还可包括下面的一个或多个可选的特征，这些特征可单独考虑 或以任何可能的组合考虑·次级管道的数量N、入口管道内以Nm3 · s—1为单位的气体流量Qtl (在0 °C和 1013mbar的“标准”m3)和次级管道以米为单位的内径d满足如下的关系式(称为在次级管 道出口处的“雷诺”关系式)(4 P。Q0)/(μ s Π N d)彡 2500，并且优选(4P 0Q0) / ( μ s Π N d)彡 4000，其中P Q是以kg ·πΓ3为单位的气体密度(在0°C和1013mbar的“标准”状态下)， μ s是在浸入的管道出口处以Pa · s为单位的气体动力粘度；·设备满足“速度限制”关系式Q0 ^ (ps Π d2N 170) / (4 P 0)，并且优选Qtl 彡(Ps Π d2N 200) / (4 P 0)，其中ρ s是浸入的管道出口处以kg · m_3为单位的气体密度； 设备满足下面的“长度”关系式(“最大长度”关系式)L/d彡275，其中L是以 米为单位的其中一个次级管道的长度； 设备满足下面的“长度”关系式(“最小长度”关系式)L/d彡100，其中L是以 米为单位的其中一个次级管道的长度；·次级管道具有IOmm或更小的内径；以及·入口管道内的气体流量Qtl小于或等于15Nm3 · h—1，优选小于或等于IONm3 · h—1， 和/或大于或等于INm3 ΙΓ1。对本领域技术人员显而易见的是，采用的浸入管道长度是对浸入管道出口处的气 体温度以及浴液温度和此出口温度之间的较大差别产生影响的参数之一。如上所述，采用比率L/d彡100，并且优选L/d彡275是有利的，当然，过度地增加 浸入的长度没有意义(在一定的浸入的长度之外不发生对气体进一步的加热)是公知的。本发明也涉及一种包括根据本发明的气体供给设备的波峰焊接或镀锡机。本发明还涉及一种设计根据本发明的气体供给设备的方法，所述方法包括如下连 续的步骤_估算向入口管道供给气体所需的以Nm3 · S"1为单位的流量Qtl ；-确定能够在次级管道内产生湍流并满足所述“速度限制”关系式的一个(N，d)对 或多个(N, d)对；-对于每个(N，d)对，确定能够满足所述长度关系式(100^ L/d，并且优选L/ d ( 275)的所述N个次级管道的长度L ；和-选择(三个为)一组(N，d，L)，所述一组(N，d，L)随所述气体供给设备将要安 装于其上的波峰焊接或镀锡机的几何形状/几何结构而变化。应注意的是，根据所寻求的技术目标，流量Qtl可仅通过经验估算(因为等效系统 已经建立，或者通过对论及的机器的具体试验)。
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例如，为了使浴内的剩余氧含量低于限制含量，可以确定没有根据本发明的预热 系统情况下的流量，同时考虑到对浸入的管道内的气体加热会导致体积膨胀，从而可估算 考虑了系统出口处温度的较低的流量。换言之，将根据寻求的目标来确定流量如果用户的首要目标是使气体的消耗最 小，则其需要尽量考虑体积膨胀的影响；如果该首要目标是热量的目标(保持在波峰之间 的板卡温度、降低冷却速度等)，则其可忽略体积膨胀的影响。本发明还涉及一种波峰焊接或镀锡方法，在所述方法中，使待焊接或镀锡的零件 与至少一个液态焊料波峰接触，其中，通过气体喷射装置将气体导引至所述至少一个波峰 的至少一部分上，并且通过根据本发明的供给设备为该气体喷射装置供给气体。
通过阅读参照附图仅作为示例给出的如下描述会更好地理解本发明，其中-图1是常规的波峰焊接机的结构的示意性图示；-图2是穿过具有双波峰——一湍流波峰和一层流波峰——的结构的示意性局部 横截面图，示出许多可设想选择中气体喷射装置的某些位置；-图3是处于零件未到达状态下的层流波峰(焊料向上游端流动)的示意性图示；-图4是处于焊接状态的层流波峰(部分焊料回流，即，部分焊料通过溢出至导槽 10内而向下游端流动)的示意性图示；-图5是根据本发明的机器的局部示意性图示；以及-图6是根据本发明的气体供给设备的示意图。为了清晰起见，附图中所示的各种元件没有一定按比例示出。
具体实施例方式在本发明的上下文中，术语“气体”理解为表示任何类型的气体，不论所述气体是 诸如氮的惰性气体——不管其生产方法和纯度如何，还是诸如惰性气体/还原气体混合物 的活性气体。在图1中示意性地描述的波峰焊接机包括三个区涂覆助焊剂(fluxage)区I，零 件1在其中由诸如喷雾类型的助焊剂涂覆系统3涂覆助焊剂；预热区II，被涂覆助焊剂的零 件在其中由装置4预热，该装置例如由红外线灯构成；以及实际的焊接区III，零件1在这里 与单个焊料波峰8相遇，所述焊料波峰通过经由焊料喷嘴6泵送7焊料浴9获得。通过由诸如“棘爪/指状物”链式传送器构成的传送系统2沿着机器的各个区传 送板卡1。图2提供了焊料浴9形成双波峰结构情况的局部示意性截面图，所述双波峰结构 即由于喷嘴6A的结构获得的、具有相对陡峭结构的湍流第一波峰8A，和由于喷嘴6B的结构 获得的、提供相对较大范围的平坦上表面的层流第二波峰8B。该附图示出了在波峰8A，8B 中的一个或另一个附近的气体喷射装置19的若干示例。图3和图4分别图示了在诸如设置有溢流板或导槽的机器之类的情况下，层流焊 料波峰8B在零件未到达的状态下以及在焊接板卡1的状态下的流动。图3图示了零件未到达的状态，焊料在此状态下流向机器的上游端。这里所示的
7机器包括对位于波峰正下游的堰系统10的使用，所述堰系统采用导向导槽的形式，并且可 以通过调整堰系统的高度调节焊料向下游端的溢流速度，在此处这种情况下没有或几乎没 有向下游的流动。图4图示了向下游的部分溢流效果。零件1到达层流波峰使液态焊料产生部分回 流，使得焊料向机器的下游端，即向前部，流动，向前的溢流速度通过调整导槽系统10的高 度调节。使用这样的导槽而不是简单的附装在喷嘴6B上的板件还允许焊料溢流更好地导 入和返回浴9。图5部分地、示意性地图示了根据本发明的波峰焊接或镀锡机的一个实施例，该 描述是局部的，因为其着重在层流波峰/喷射器/导槽/裙部的布局上。此图所示的波峰处于零件未到达的状况，具有朝向上游端的流动。图5因此示出了固定在导槽系统10上的浸入的裙部11，以及面对裙部和导槽系统 设置的气体喷射器19，所述气体喷射器具有包括两组孔15和16的面或壁17。应当理解，在图5中选择用两条不同的线表示导槽和附装在所述导槽上的裙部以 使附图更易于理解。裙部和导槽可不必为两个连接在一起的单独的零件，其取决于机器。还 可以从一开始就使用浸入的导槽。两组孔15和16分别定位成能够将第一气体射流导引至层流波峰8B的平坦表面 上和将第二气体射流引入浸入的裙部11内。浸入的裙部和在该裙部内的第二气体射流对 防止层流波峰的平坦表面上的任何空气夹带效应特别有效。应当注意的是，在喷射器19内部具有多孔管14，所述多孔管由根据本发明的气体 供给设备的喷射管道供给气体，所述管分配由喷射器19的体部所构成的膨胀腔内的这种 气体。图6是根据本发明的气体供给设备的示意性图示。图6示出的气体供给设备20包括气体入口管道22、由两个浸入焊接或镀锡机的焊 料浴9内的次级管道24组成的管道组(在机器内选择的合适位置处，考虑论及的机器的几 何结构以及其中的可用空间)，以及供给至少一个气体喷射器——诸如图5所示的喷射器 14，或者图2所示的一个或多个喷射器19/14——的喷射管道26。所述两个次级管道24的入口端与入口管道22相连，出口端与喷射管道26相连。选择次级管道的内径d和入口管道内的气体流量Qtl从而使次级管道内的气体流 动处于湍流状态(并且满足上面提到的雷诺关系式)。发明人发现根据本发明的气体供给设备的起始处的气体温度取决于诸如以下参 数管道内气体的流动状态、入口管道内的气体流量Qtl、次级管道的直径或者次级管道浸入 的长度。实际上，入口管道22内的气体流量Qtl有利地等于或大于INm3化―1，优选大于或等 于5Nm3 · IT1和/或小于或等于15Nm3 · h—1，优选小于或等于IONm3 · h—1。令人惊奇地，发明人还发现当次级管道内的气体流动为湍流状态时热交换是最优 的(然而，本应该相反地期望最好在管道内采用极低的速度从而延长热交换)。为避免过多的噪音和过多的压力下降，优选满足上面提到的速度关系式。实际上，给定气体入口管道内的气体流量和波峰焊接机的几何结构，次级管道的 内径优选小于或等于10mm。
浸入焊料浴内的次级管道优选由惰性材料制成，例如由钛或者不锈钢制成。有利地，通过材料的选择，一方面可以实现较好的热交换，而另一方面可以实现更 长的次级管道寿命，特别是在腐蚀性的无铅合金情况下。发明人发现，通过向如图6所示的设备内注入氮，其中所述两个次级管道的内径d 大约为4mm，入口管道内的气体流量Qtl大约为5m3/h，次级管道的长度大约为1. lm，则喷射 管道内氮的温度大约为焊料浴温度的99%。有利地，入口管道内的气体流量Qtl的可能值的范围越宽，波峰焊接机的性能越不 受入口管道内的气体流动稳定性的约束(换言之，对于给定的流量Qtl,可以有若干对(N， d)——因此有利于选择具有最宽范围的满足雷诺关系式和速度关系式的流量的对(N，d))。本发明还涉及设计根据本发明的供给设备的方法，所述方法包括如下连续的步 骤-估算必须向入口管道22供给的以Nm3· s—1为单位的气体流量Qtl ；_确定能够在次级管道24内产生湍流并满足所述“速度限制”关系式的一个(N， d)对或多个(N, d)对；和-根据气体供给设备将要安装于其上的波峰焊接或镀锡机的几何形状选择三个组 成的一组(N, d，L)。对于各个(N，d)对，确定次级管道的长度L从而使L/d彡100，并且优选L/ d 彡 275。
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权利要求
一种用于波峰焊接或镀锡机的气体供给设备(20)，所述机器能够产生至少一个焊料波峰，所述设备包括 气体入口管道(22)； 由N个浸入焊接或镀锡机的焊料浴(9)内的次级管道(24)组成的管道组；和 向所述至少一个波峰(8A，8B)附近的至少一个喷射装置(14，19)供给气体的喷射管道(26)，所述各次级管道(24)的入口端与所述入口管道(22)连接，其出口端与所述喷射管道(26)连接，其特征在于，所述次级管道(24)的数量N等于或大于1，并且所述次级管道(24)的内径d和所述入口管道(22)内的气体流量Q0选择为使所述次级管道(24)内的气体的流动为湍流状态。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述次级管道(24)的数量N、所述入口管道 (22)内以Nm3 · s—1为单位的气体流量Qtl和所述次级管道以米为单位的内径d满足如下的 关系式(称为在所述次级管道出口处的“雷诺”关系式)(4 P 0Q0) / ( μ s Π N d)彡 2500，并且优选(4 P 0Q0) / ( μ s Π N d)彡 4000，其中P Q是以kg · m_3为单位的气体密度(在0°C和1013mbar的“标准”状态下)，μ s 是在所述各次级管道出口处以Pa · s为单位的气体动力粘度。
3.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备满足如下的关系式(称 为“速度限制”关系式)Q0 ^ ( P s Π d2N 170)/(4 P0),并且优选 Qtl 彡(P s Π d2N 200)/(4 Ρ ο),其中P s是所述浸入的管道出口处以kg · πΓ3为单位的气体密度。
4.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，L/d^ 100，其中L是所述N个次 级管道(24)的以米为单位的长度，d是所述次级管道的以米为单位的内径。
5.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，L/d< 275，其中L是所述N个次 级管道(24)的以米为单位的长度，d是所述次级管道的以米为单位的内径。
6.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述次级管道(24)具有IOmm或小 于IOmm的内径do
7.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述入口管道(22)内的气体流量 Q0小于或等于15Nm3 · r1和/或大于或等于INm3 · IT1。
8.一种包括如前述任一项权利要求所述的设备的波峰焊接或镀锡机。
9.一种设计如权利要求1-7中任一项所述的设备的方法，所述方法包括如下连续的步骤-估算必须向所述入口管道(22)供给的以Nm3 · S"1为单位的气体流量Qtl ；-确定能够在所述次级管道(24)内产生湍流并满足所述“速度限制”关系式的一个(N， d)对或多个(N, d)对；-对于每个(N，d)对，确定能够满足所述长度关系式(100彡L/d彡275)的所述N个 次级管道(24)的长度L ；和_根据所述气体供给设备将要安装于其上的波峰焊接或镀锡机的几何形状选择三个组 成的一组(N, d，L)。
10. 一种波峰焊接或镀锡方法，在所述方法中，使待焊接或镀锡的零件(1)与至少一个 液态焊料波峰(8A，8B)接触，其中，通过气体喷射装置(19，14)将气体导引至所述波峰的至 少一部分上，其特征在于，通过如权利要求1-7中任一项所述的供给设备(20)为所述气体 喷射装置供给气体。
全文摘要
本发明涉及一种用于向波峰焊接或镀锡机供给气体的供给设备(20)，其中，所述机器能够产生至少一个焊料波峰，所述供给设备包括气体入口管道(22)、由N个浸入焊接或镀锡机的焊料浴(9)内的次级管道(24)组成的管道组，以及供应至少一个喷射装置(14，19)的喷射管道(26)，所述喷射装置用于在所述至少一个波峰(8A，8B)附近喷射气体，各次级管道(24)的入口端与入口管道(22)连接，出口端与喷射管道(26)连接，其特征在于，次级管道(24)的数量N等于或大于1，并且次级管道(24)的内径d和入口管道(22)内的气体流量Q0选择为使次级管道(24)内的气体流动为湍流状态。
文档编号B23K1/08GK101909800SQ200980101963
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年1月10日
发明者A·普瓦里耶, M·勒蒂尔迈 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司