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曹 捷 张国琦 麻树波；曹继汉；李连生 李铁生
（中科院西安光学精密机械研究所；陕西省电子学会SMT专委会；
北京鸿淼电子技术有限公司）
摘 要：本文根据近年来的生产实践和有关用户资料，对三相异步感应泵波峰焊机和机械泵波峰焊机从工作原理和实际使用效果方面进行了比较和分析，可供有关人员参考。
关键词：三相异步感应泵波峰焊机 机械泵波峰焊机 焊接效果 锡渣 节能 免维修
Comparison and analysises for wave soldering machine of using mechanical pump and Three Phase Asynchronous -magnetic Induction Pump
Cao jie Zhang guo qi Ma shu bo Cao ji han
（Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences；SMT committee for electronic community of shannxi province）
Abstract: This article according to the recent years the production practice and the concerned user material, pumped the wave ridge welding machine to the three-phase asynchronous induction pump wave ridge welding machine and the machinery has carried on the comparison and the analysis from the principle of work and the actual use effect aspect, might for the concerned personnel to refer.
Keywords: Three phase asynchronous inductive pump, Mechanical pump type wave generator, Welding effect, Oxidized soldering tin dregs, Energy conservation, Exempts the service.
近年来，随着我国电子工业的迅速发展，特别是表面组装技术的日益深入与普及，单、双波峰焊接机成了这些生产厂家越来越重要的生产设备。最早的波峰焊机以机械泵为动力源，称为机械泵波峰焊机。这种机械泵波峰焊机使人们最早实现了印制板组装件的大批量、自动化的焊接生产，不仅大大提高了生产效率，也将印制板组装件的焊接质量提高到一个崭新的阶段，为电子产品的小型化、批量化、成本降低、效率大提高做出了不可磨灭的巨大贡献。
但是，任何事物都不是完美无缺的。机械泵波峰焊机在实际使用过程中也暴露出某些缺点或不足。由于机械泵叶片在高温下（250℃左右）旋转、摩擦，出现快速磨损，一方面对焊料有污染，另一方面要定期维修，更换磨损的叶片及易损件，给用户带来不便。特别是在无铅焊料广泛应用的今天，机械泵波峰焊机使焊料更容易氧化、泵体中的运动部件加速溶蚀、维修清理频繁，使其拥有的优势部分地、逐渐地开始丧失。
感应电磁泵波峰焊机是在机械泵波峰焊机之后发明并逐步完善、投入生产使用的。它以电磁泵作为动力源，称为电磁泵波峰焊机。由于电磁泵波峰焊机发明时间短，最初使用功能不够完善，早期的电磁泵波峰焊机在焊接质量和生产效率以及生产的稳定性方面都赶不上机械泵波峰焊机。但是，近十年以来，经过设备制造厂商和印制板组装件生产厂家的共同努力，电磁泵波峰焊机经过多次的改进与完善，其技术日益成熟，功能日益完善。三相异步感应泵波峰焊机（专利962366223.9）的发明，开辟了电磁泵波峰焊机的新天地。三相异步感应电磁泵无任何转动部件，无磨损，免维护，波峰平稳光滑，锡槽表面的锡面平稳，波峰锡料无旋涡扰动，氧化渣的形成量明显下降。由于其效率高，可用来配套制造宽波峰（400mm）和超高波峰（40mm）的波峰焊机，满足了波峰焊机的各种使用要求。
经过印制板组装件生产实践的证 实，目前三相异步感应电磁泵波峰焊机生产的印制板组装件的焊接质量、生产效率以及设备本身的技术成熟度已经完全可以达到机械泵波峰焊机的水平。而在无铅应用中，设备的可维修性、减少无铅焊料氧化以及节约能源方面，感应电磁泵波峰焊机日益显示出相当的优势。
1 几种主要波峰发生器技术原理的比较
焊料波峰发生器是波峰焊接机的心脏，是波峰焊接机最具特征的部分，也是衡量一台波峰焊接机性能优劣的重要判定依据。数十年来，世界各国都花费了大量的人力、物力对其不断地进行研究改进，试图获得一种性能较好的、较为理想的结构模式。然而这种努力均属一种改良性的，在简化结构、减少磨损、增加寿命、方便维修、抑制高温焊料氧化方面，收效始终不明显。显然，要使波峰焊接系统获得较好的解决，只能另辟新径。国产《三相异步感应式电磁泵》以及与其配套的系列波峰焊机正是在这种背景下应运而生。下面将国内外几种主要波峰发生器的技术原理作一简单的比较。
1.1 机械泵式波峰发生器原理
机械泵是靠泵叶旋转时产生的推送力量来输送液态焊料的，如图1所示。被输送的液态焊料不仅存在直线向前运动的分量，而且存在着圆周旋转运动的分量。这种旋转分量造成波峰不稳，必须增加几次均压稳流才可使用。由于旋转运动和推动造成锡面不稳，形成大量氧化锡渣，使得焊接成本上升。高温下的高速转动，造成叶片和密封部件的磨损失效，必须定期停产维修。
1.2 传导式电磁泵原理
传导式电磁泵原理是：在磁场中的导体通过电流时，则导体将受到磁场的推动，三者方向相互垂直，推力的大小为F=I×B。传导电磁泵没有任何转动部件，解决了机械泵磨损问题，形成免维护的焊机。但由于与液态金属接触的大电流电极向液态金属传导电流的过程中，氧化渣再次向大电流电极上进行附着和遮蔽，使得通过大电流电极向液态金属传导的电流变得越来越小，造成焊料波峰不稳，甚至大起大落，不能稳定的生产。其工作原理图如图2所示。
图2 传导式电磁泵原理
1.3感应式电磁泵原理
它采用的原理是利用单相C型开口电磁铁，由于内外环的磁程差而产生内外环磁场的相位差，进而形成前进磁场分量，即由超前相位指向滞后相位的前进磁场分量。在前进磁场分量中的液态金属焊料切割磁力线，因此在变化的磁场中受到一个向前的感应力，达到泵送液态金属焊料向前运动的目的，如图3所示。由于利用的是磁程差产生相位差，形成前进磁场分量，其前进磁场分量非常有限，大部分为不产生前进推力的脉动磁场，要制造出宽波峰（300mm～400mm）和高波峰（40mm）存在一定难度。
图3 感应式电磁泵原理
1.4 三相异步感应式电磁泵原理与特点
三相异步感应式电磁泵的原理是利用三相电源相互相差120°的相位差，在空间分布，构成各自磁场。其合成磁场，是一个前进的磁场。液态金属焊料在前进磁场中切割磁力线，感应电流，形成前进的电磁力，如图4所示。由于直接利用三相电流固有的相位差，因而合成磁场基本无脉动磁场分量，均是产生前进力量的合成磁场，与电磁炮原理完全相同，因此向前的推力较大，运动效率较高。
由三相异步感应电磁泵构成的波峰焊机除具有其他波峰发生器波峰焊机具有的所有优点外，还具有声频微扰振动波叠加功能，具有直线向前的推动力，而避免了机械泵运转时焊料旋转前进时的旋转分量，增强了液态焊料对焊盘表面、引线表面和金属化孔的冲击力和冲刷能力，可以有效地赶出SMT焊接中由于助焊剂和粘接剂热分解所产生的遮蔽气体，消除跳焊和SMC、SMD的阴影区，满足SMT的焊接要求，提高了焊接能力和液态焊料对金属化孔的填充、爬升能力。
由三相异步感应电磁泵构成的波峰焊机波峰平稳。由于采用感应泵技术，结合稳压原理，可以达到在电网电压浮动±10%时，感应泵上的电压浮动仅为±3%，因而波峰稳定平稳。
三相异步感应电磁泵无任何转动部件，无磨损，免维护，结构简单。只要电磁泵中的线圈不损坏，电磁泵就可以长期工作下去，其使用寿命一般为机械泵的数倍。由于电磁泵的长寿命，电磁泵构成的波峰焊机的工作寿命比机械泵波峰焊机长得多。
电磁泵效率高。三相异步感应泵由于不存在脉动磁场分量，因而效率大幅度提高，产生的波峰高而有力，可获得超高波峰100mm和宽波峰400mm～500mm宽度，而三相感应泵的磁化电流仅5A左右，这是机械泵无法达到的。这样的工作条件使三相异步感应泵工作在低热和低电流负荷状态，保证了长寿命和高可靠性。
由于异步感应泵产生的是直线推力，锡面平静，液态金属焊料运动是无旋转、无涡流的层流运动，与空气的接触面积比机械泵要小得多。因而在高温条件下，产生的氧化渣大量减少，单班氧化渣量通常减少5kg左右，仅一年节约的焊料价值便可收回投资近10万元。
图4 三相异步感应式电磁泵原理
从以上几种机型的工作原理和特点的比较可以看出，感应式特别是《三相异步感应式电磁泵》波峰焊机有着它固有的特点和优势，是未来波峰焊机发展的主流方向。它将在电子装联工艺的发展中，特别在SMT混装工艺和无铅焊接工艺中，必将获得广泛的应用。
2 电磁泵波峰焊机的特点与优势
以下我们通过无铅应用和某些用户的使用报告资料来进一步说明电磁泵波峰焊机的使用特点。
2.1锡渣的产生与比较
图5为不同温度下SnO2和PbO这两种氧化物标准生成自由能G的数据对比。高锡合金氧化程度增强，例如 SnO2在 500K 时的标准吉布斯自由能差为-479.4kJ/mol，而 PbO 为-168.7 kJ/mol。相同条件下，高 Sn 含量的无铅焊料比 Sn-Pb 共晶焊料更易氧化，焊料的氧化量会更多。而无铅波峰焊较高的焊接温度使得氧化问题更为严重，从而导致熔融焊料表面形成更多的残渣(形成浮渣，主要成分是SnO2)。在使用Sn-Pb焊料时，向熔融焊料槽中加入适量的抗氧化油可有效抑制焊料氧化问题，但对于无铅焊料的波峰焊，加入适量的抗氧化油不能有效抑制焊料的氧化。
图5为不同温度下SnO2和PbO这两种氧化物标准生成自由能G的数据对比
据统计，焊料损耗量的90%成为氧化锡渣，10%的焊料才形成焊点。无铅焊料的高含锡量使焊料更容易氧化，所以，控制焊料氧化便成为无铅焊接时控制成本的重要问题。
采用机械泵原理的波峰焊机，要产生并带动前、后波峰，必须把驱动前、后波峰的两个电机驱动的叶轮放在足够大的空间里面，并留出调整前后波峰间距时足够的空间，通常大都采用容量为400～500㎏左右焊料的钛合金锡锅。
这种用于机械泵的钛合金锡锅由于焊料表面与空气接触的面积比较大，增加了焊料氧化物（锡渣）产生的机会。这种无铅波峰焊机，每天12小时生产时间的平均出渣率是4～8㎏，那么我们取一个中间值6㎏，一年365天我们按照实际生产时间一年250天的工作日计算，那么每天6㎏×一年250天工作日=就是1500㎏（锡渣）。
假设无铅新的焊锡平均价格大约是160元/㎏的话，那么我们在一年无形当中损失的是： 1500㎏锡渣×160元/㎏=24万。
假设把锡渣对外出售或兑换新锡的平均价格大约是50元/㎏的话，无形当中损失7.5万元的成本。
采用电磁泵原理的波峰焊机，省去了机械泵中间驱动的环节，所以它占用锡锅的面积较小，通常锡锅用锡量不超过250㎏。由于锡锅焊料表面与空气接触面积较小，加上我们在波峰发生器上设计有锡渣导流和分离装置，无铅波峰焊每天12小时的生产时间出渣率小于2.5㎏，且便于锡渣的清理与维护。一年365天的我们可按照实际生产时间一年250天的工作日计算，那么每天2.5㎏×一年250天工作日=就是625㎏的锡渣。
假设无铅新的焊锡平均价格大约是160元/㎏的话，那么在一年当中损失的是：625㎏锡渣×160元/㎏=10.0万。
如果我们把锡渣往外出售或兑换的平均价格大约是50元/㎏的话，那么无形当中损失只有3.125万元成本，锡渣一项就节省了机械泵波峰焊机大约一多半的成本。
2.2 波峰发生器的寿命、损耗与维修
传统的波峰焊设备的很多部件材料采用不锈钢，但是高温下高 Sn 含量的无铅焊料对 Fe 有很强的溶解能力。这一溶解反应首先是将 Sn-Fe 化合物带入熔融焊料之中。而随着时间的增长，可能最终导致部件的溶蚀损坏。传统的波峰焊机的不锈钢焊料槽及锡泵和喷口会逐渐腐蚀，特别是叶轮、喷口等更容易损坏。如果无铅焊料中含有锌（Zn），这些部件更容易氧化腐蚀。
传统的波峰焊设备普遍采用电机驱动叶轮旋转的机械泵锡锅，它是两个电机驱动两个叶轮在锡锅里旋转把融化的锡从锡锅底部打上来，形成前波峰和后波峰。
第一、两个电机在带动叶轮高速旋转把锡打上来的时候，不断增加叶轮片和锡锅内胆与高温锡之间的摩擦，产生的高温物理反应使叶轮和锡锅锅体逐渐磨损、腐蚀，其寿命逐渐缩短。这种情况在无铅焊料应用时更加严重。以下是机械泵部件磨损、腐蚀的部分实例，见图6～图13。
第二、当电机带动叶轮在高温锡锅里高速旋转的时候，由于高速旋转产生的锡旋涡流，也就是“滴水穿石的功夫”不断加速锡锅的漏洞腐蚀，使其不断溶蚀，漏洞扩大，加速寿命缩短。五年后的锡锅可以想象得到，其材质会变的怎么样，到时候维修是不可能了。如果更换一个新的锡锅，无形当中又要投入4～5万元左右的资金。
高温下高 Sn 含量的无铅焊料对Fe 有很强的溶解能力。首先形成蚀刻孔，而随着时间的延长，逐渐发展成为层状溶蚀，致使母材遭到变形、破坏，最终导致部件的溶蚀损坏。图14便是从蚀孔发展成为层状溶蚀的过程示意图。
第三、两个电机带动叶轮在在锡锅里高速旋转的时候，由于电压的不稳定和电机的老化会出现波峰不稳定，从而直接影响到焊接质量和生产效率。
第四、机械泵锡锅的其他部件，比如锡锅的发热管出现故障、前后波峰喷嘴堵塞、驱动前波和后波的电机由于锡渣的堵塞出现故障。其维修程序是必须把整个锡锅从机器里搬出来，再把整个锡锅部件拆卸、清理或更换。这种维护已经严重影响到轮班生产的生产效率。凡是使用过机械泵波峰焊机的用户都有体会：机械泵的波峰喷嘴堵塞、泵体内锡渣堆积是非常快的，要进行定期的、经常的维护和清理，这种维护和清理必需由专业的维修人员来进行。这种维修不仅影响生产，而且其维修配件的配合度(通用性)要求也比较高(通用性差)，有时难以找到合适的配件而影响维修和保养的效率。
而电磁泵原理的波峰焊机
第一、在锡锅中间无任何传动部件，结构简单、无磨损，免维护，泵体寿命长。
第二、由异步感应电磁泵构成的无铅波峰焊机，因为通入三相工频的电源，任何一相的电压、功率因素波动并不独立影响波峰高度；在三相不对称时，任一相电压的波动便可得到其他两相的补偿，从而保证了焊料波峰的稳定。
第三、由异步感应电磁泵构成的无铅波峰焊机还具有声频微扰震动叠加、液态焊料无旋转无涡流的直线运动，增强了焊接能力和孔爬升能力，保证了焊点的稳固可靠。电磁泵波峰焊机由于对焊料的推力较大，使波峰高而有力。凡是同时使用过电磁泵波峰焊机和机械泵波峰焊机的用户，均发现电磁泵波峰焊机焊接的印制板组装件，其金属化孔的焊料润湿程度远远优于机械泵波峰焊机。
第四、为了缩短设备维护时间，感应电磁泵无铅波峰焊机已经把发热管、波峰喷嘴清洗、预热发热管等需要维修的部件，采用直插式装配、更换方式。从而大大缩短了维修、清理或更换时间，提高了生产线设备的生产、维修效率。
2.3 从耗电量来计算成本：
机械泵波峰焊机的设备启动功率通常在30～45千瓦左右。从锡锅里的400～500㎏左右的焊锡完全融化后保持恒温、工作时的电功率大约在15～20千瓦。按1个月20天的工作日计算，那么每天要把400～450㎏的焊锡保持恒温工作状态，每12小时的耗电量大约是180～240千瓦时（度）。那么我们取中间值210千瓦时。工业电费一般大约是一元/千瓦时，那么：一天：210×1元/度=210元。
一月大约是：210元×一个月20天工作日计算=4000元
一年大约是：4000元×一年10个月工作日计算=4万
采用电磁泵的技术，它的锡锅容量较小，最大容积也只不过是250㎏，启动功率大约在20～25千瓦左右。250㎏锡锅里的锡，从保持在恒温、工作状态的电功率是大约在10～15千瓦，每12小时的耗电量大约有120～180度。那么我们取中间值150度。那么：一天：150度×1元/度=150元
一月大约是：150元×一个月20天工作日计算=3000元
一年大约是：3000元×一年10个月工作日计算=3万。
电能大约节省了机械泵波峰焊四分之一的成本。
如果工厂的生产时间是24小时的话，那么耗电量就是8万-6万=节省了近2万元的额外费用。
3 用户反馈的信息
北京有一家电子产品生产厂，名叫北京鸿淼电子公司，常年进行电子产品的大量生产和外协加工，每天工作12个小时。10年前购买了西安某公司生产的电磁泵波峰焊接机。该机以前使用锡铅焊料，自前年开始使用无铅焊料进行生产。
该机已经使用了10年，平时很少维修，只需日常加强保养。据该用户反映，该机还可使用10年。
从该机平时的使用效果看，该机与机械泵波峰焊机相比，确实具有焊料氧化少、免维修的特点。以下是该用户反馈的使用情况调查表。
上面叙述了电磁泵波峰焊机的特点与优势，并不是想否定机械泵波峰焊机的优点与长处。在无铅的条件下，经过适当地改进，例如加长预热区长度、采用耐腐蚀的锅体材料、采用近距离的波峰喷口设计，以及进行适当地温度补赏等措施，机械泵波峰焊机完全可以使用于并胜任无铅焊接。今后这两种波峰焊机并存的局面将长期存在，它们的相互竞争必将促进二者同步发展、同时进步。它们将在电子装联工艺的发展中，特别在SMT混装工艺和无铅焊接工艺中，必将同样获得广泛的应用。不过，电磁泵波峰焊机以它固有的先天的优势，必将成为未来波峰焊机发展的主流方向。
表1 波峰焊机使用情况调查表
参考文献
1 曹 捷,张国琦.波峰焊机用三相异步感应式电磁泵的研究[J] 电子工艺技术 1997年11月 第18卷第6期
1 曹继汉.电子组装无铅化面临的问题与对策[C]. 《中国•广东SMT学术与应用技术年会论文集》 2006年12月22-23日 中国•深圳
作者简介：曹捷，1988年毕业于长春光机学院，高级工程师。主要从事电子设备的开发与研制。
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