擠壓速度對(duì)SAC3005錫焊料擠壓過(guò)程和應(yīng)力應(yīng)變影響的有限元分析*

梁華鑫，陳東東，白海龍，趙玲彥，嚴(yán)繼康

（1.云南錫業(yè)集團(tuán)（控股）有限責(zé)任公司研發(fā)中心，云南 昆明 650032；2.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3.西南石油大學(xué)工程學(xué)院，四川 南充 637001）

焊錫絲是手工烙鐵焊接、SMT焊后補(bǔ)修的重要焊接材料[1]，隨著精密焊接領(lǐng)域的發(fā)展，電子元器件尺寸不斷減小，所需要的焊錫絲要求線徑更細(xì)、質(zhì)量更高。目前焊錫絲傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝主要是擠壓技術(shù)，包含鑄錠、擠壓、軋輥、拉絲等生產(chǎn)工藝[2]，但產(chǎn)品存在表面質(zhì)量差、成分偏析大、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。采用分流擠壓技術(shù)對(duì)錫焊料擠壓時(shí)，金屬流動(dòng)較復(fù)雜，其變形行為研究也較為困難。為了滿足對(duì)擠壓產(chǎn)品高質(zhì)量、高成品率等方面的要求，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究分流擠壓變形過(guò)程受到越來(lái)越多的重視[3]，在預(yù)測(cè)產(chǎn)品的工藝缺陷和提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，可有效減少實(shí)際調(diào)試生產(chǎn)所需的人力、物力及時(shí)間成本[4]。

Kargin V R等[5]通過(guò)Deform有限元軟件對(duì)熱變形過(guò)程中塑性變形區(qū)域不同截面和成品中應(yīng)力和應(yīng)變的分布進(jìn)行了模擬分析，確定了擠壓比值對(duì)直徑500 mm至250 mm變形過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變的影響。Zhou J等[6]利用DEFORM 3D軟件對(duì)鋁合金坯料的擠壓過(guò)程進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)不同形狀的坯料進(jìn)行擠壓，成功預(yù)測(cè)了完整的擠出壓力/柱塞位移圖，并對(duì)坯料內(nèi)部的擠壓速度、有效應(yīng)變和溫度的變化進(jìn)行了分析，以上研究顯示了應(yīng)用模擬方法的優(yōu)勢(shì)。另外，在焊錫絲的擠壓制備過(guò)程中，合金的組織對(duì)后續(xù)的加工性能有很大的影響，數(shù)值模擬為工藝的改進(jìn)提供了更加便捷的手段。張君[7]等采用理論分析和有限元模擬結(jié)合的方法，研究了3種不同擠壓工藝中擠壓力、擠壓筒受力與擠壓行程的曲線對(duì)比關(guān)系，并建立了相應(yīng)的計(jì)算公式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明鋁型材沿長(zhǎng)度方向的均勻性有所提高，型材表面的粗晶環(huán)得到減少甚至消除，得到了高性能精密工業(yè)鋁型材。Asfandiyarov R N[8]等采用徑向鍛造和ECAP-Conform法相結(jié)合方法制備合金絲，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真研究了塑形加工中的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)和熱力學(xué)條件，研究發(fā)現(xiàn)合金的延展性提高了50%。

為了進(jìn)一步提高電子焊接用焊錫絲的產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化工藝參數(shù)，本文采用DEFORM-3D有限元軟件模擬錫合金擠壓過(guò)程，對(duì)關(guān)鍵位置的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供有效參考[9-13]。

1 擠壓工藝有限元模型的建立

焊錫絲在拉拔過(guò)程中需要的合金桿主要由擠壓工藝制備而來(lái)的，在擠壓過(guò)程中，焊料合金在擠壓模處開(kāi)始分流，從分流孔中進(jìn)入，在壓力的作用下，在焊合腔中實(shí)現(xiàn)焊合成桿，同時(shí)完成助焊劑的注入。本研究針對(duì)焊料合金的變形過(guò)程進(jìn)行分析，變形過(guò)程不再關(guān)注助焊劑的注入情況。以直徑80 mm的圓柱形擠壓錠制備直徑12 mm的空心錫桿，保證空心錫桿擠壓過(guò)程中空心管路不變形，不閉合，以便保證助焊劑連續(xù)注入空心形成有芯焊絲，為后續(xù)的輥軋、拉拔和拉絲工序提供無(wú)斷芯的錫合金桿。

本文根據(jù)實(shí)際擠壓模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的幾何模型建立和有限元模型建立。采用SolidWork進(jìn)行三維建模，模具主要由三個(gè)部分構(gòu)成：擠壓模、模芯和下模，如圖1所示。

圖1 擠壓模具三維模型Fig.1 3D model of extrusion mould

有限元模型建立時(shí)，將分流上模、模芯和擠壓下模與擠壓筒相配合成為擠壓模具，在擠壓筒體內(nèi)設(shè)置坯料，圓柱形推塊作為運(yùn)動(dòng)部件給坯料施加擠壓力，示意圖如圖2所示。設(shè)置坯料溫度為80℃，擠壓速度分別為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s；坯料屬性選擇根據(jù)焊錫產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的需要，選定為Sn-Ag3.0-Cu0.5，定義為彈塑性材料；模具、擠壓筒、擠壓推塊選用H13鋼，其具有強(qiáng)韌的力學(xué)性能，在擠壓過(guò)程中不考慮凸模和擠壓模的受力情況，定義為剛性材料[14]。結(jié)合仿真模擬的實(shí)際情況，采用四面體單元來(lái)劃分網(wǎng)格，在擠壓過(guò)程中發(fā)生網(wǎng)格畸變時(shí)可以更加精確地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格重劃分，考量了計(jì)算的精度和計(jì)算規(guī)模將擠壓坯料網(wǎng)格設(shè)置劃分為100 000個(gè)單元。在實(shí)際的常規(guī)擠壓過(guò)程中，坯料與擠壓模具以及擠壓筒之間存在摩擦升溫，坯料、模具以及環(huán)境之間存在溫度差就會(huì)產(chǎn)生熱量的傳遞，為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算的過(guò)程，單純的考慮坯料溫度改變對(duì)金屬擠壓變形的影響，即對(duì)數(shù)值模擬做出了模具絕熱的假設(shè)。

圖2 擠壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of extrusion

2 結(jié)果與討論

2.1 焊合過(guò)程分析

擠壓制桿過(guò)程中，合金經(jīng)過(guò)分流橋之后完成焊合，焊合質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品有較大的影響，現(xiàn)分析坯料溫度為80℃，擠壓速度分別為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s時(shí)，擠壓速度對(duì)于焊合過(guò)程中型材截面形狀的影響。如圖3所示，當(dāng)擠壓進(jìn)行到1.22 s時(shí)，擠壓速度為30 mm/s的分流坯料已經(jīng)開(kāi)始接觸，焊合即將完成，而10 mm/s、20 mm/s的模擬坯料分流才剛剛開(kāi)始；如圖4所示，當(dāng)擠壓進(jìn)行到約1.97 s時(shí)，20 mm/s條件下的擠壓模擬焊合完成，型材基本成型，而10 mm/s條件下的模擬在2.01 s時(shí)仍然處于分流的階段，在30 mm/s條件下1.31 s時(shí)型材就已經(jīng)完全成型，并且截面形狀趨于理想。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在擠壓的焊合階段，擠壓速度對(duì)于截面形狀的影響是不明顯的，但是擠壓速度越快，型材擠壓完成所需要的時(shí)間就越短，有利于提高生產(chǎn)效率，結(jié)合設(shè)備的負(fù)荷極限，在以上三個(gè)擠壓速度下30 mm/s為最優(yōu)條件。

圖3 t=1.22s時(shí)三個(gè)擠壓速度條件下的的焊合情況Fig.3 Seaming situation with three extrusion speed conditions when t=1.22 s

圖4 不同擠壓速度條件下的的焊合情況Fig.4 Seaming situation with different extrusion speed conditions

2.2 有效應(yīng)變分析

在擠壓過(guò)程坯料變形分析的基礎(chǔ)上，對(duì)變形過(guò)程中坯料不同位置的有效應(yīng)變和有效應(yīng)力進(jìn)行分析。圖5是坯料不同位置的取點(diǎn)示意圖，本文分別對(duì)坯料與分流橋接觸的不同點(diǎn)P1、P7、P8、P9進(jìn)行應(yīng)變和應(yīng)力分析。

圖5 取點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of sampling point

圖6是在相同的坯料溫度下，擠壓速度分別為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s時(shí)的有效應(yīng)變的變化曲線。其中圖6（a） 是點(diǎn)P1的有效應(yīng)變曲線，在1.5 s以前，有效應(yīng)變趨近于零且隨著時(shí)間沒(méi)有明顯增長(zhǎng)變化；約在1.5 s到3.5 s間，隨著擠壓的進(jìn)行有效應(yīng)變的增長(zhǎng)趨于明顯；3.5 s至4 s間，有效應(yīng)變驟增，在約0.5 s的時(shí)間內(nèi)，有效應(yīng)變數(shù)值從幾十增長(zhǎng)到了幾百，三個(gè)擠壓條件下的有效應(yīng)變值開(kāi)始趨于一致。在1.5 s至4 s有效應(yīng)數(shù)值明顯增長(zhǎng)的區(qū)間，10 mm/s條件下的坯料有效應(yīng)變數(shù)值增長(zhǎng)速率最大，有效應(yīng)變值最大，30 mm/s條件下的坯料增長(zhǎng)速率最慢，有效應(yīng)變值最小，但三個(gè)擠壓速度下的坯料的有效應(yīng)變值差距很小。圖6（b） 是點(diǎn)P7的有效應(yīng)變曲線，圖6（c） 是點(diǎn)P8的有效應(yīng)變曲線，圖6（d）是點(diǎn)P9的有效應(yīng)變曲線，進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在前4 s階段，三個(gè)點(diǎn)在不同擠壓速度下有效應(yīng)變的變化與P1點(diǎn)變化部分相似。不同的是，在1.5 s至4 s有效應(yīng)數(shù)值有明顯增長(zhǎng)的區(qū)間，三個(gè)點(diǎn)在不同擠壓速度條件下的有效應(yīng)變值差距更小，增長(zhǎng)速率幾乎一致。因此，由圖6可知：在相同的坯料溫度條件下，擠壓速度變化對(duì)于坯料的有效應(yīng)變影響較小。

圖6 不同擠壓速度下的坯料的有效應(yīng)變Fig.6 The effective stress-strain of blank with the different extrusion speed

2.3 有效應(yīng)力分析

經(jīng)過(guò)擠壓過(guò)程坯料各個(gè)位置應(yīng)變的分析，不同的擠壓速度對(duì)應(yīng)變影響不大，現(xiàn)分析坯料溫度為80℃時(shí)，比較擠壓速度10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s對(duì)有效應(yīng)力的影響。圖7為坯料溫度為80℃時(shí)，不同擠壓速度10 mm/s、2 mm/s、30 mm/s條件對(duì)有效應(yīng)力影響曲線。圖7（a）為點(diǎn)P1的有效應(yīng)力曲線，從0 s開(kāi)始，擠壓速度為20 mm/s、30 mm/s的坯料有效應(yīng)力開(kāi)始增加，0.15 s時(shí)有效應(yīng)力達(dá)到最大值，擠壓速度為10 mm/s條件下的坯料有效應(yīng)力變化有所延遲，約0.1 s時(shí)開(kāi)始增加至0.15 s與其余兩個(gè)條件下的坯料幾乎同時(shí)達(dá)到最大值，且30 mm/s條件下的有效應(yīng)力值最大，10 mm/s條件下的最小，而后應(yīng)力值呈現(xiàn)鋸齒狀上下浮動(dòng)，自1.0 s以后，數(shù)值鋸齒狀浮動(dòng)現(xiàn)象更為密集和明顯。圖7（b） 是點(diǎn)P7的有效應(yīng)力曲線，在0.15 s之前階段，應(yīng)力變化和P1點(diǎn)變化一致，但之后三個(gè)條件下的有效應(yīng)力值呈拋物線的形狀有一定程度的下降和回升，回升至0.65 s附近出現(xiàn)幾乎達(dá)到有效應(yīng)力最大值的一個(gè)值峰，30 mm/s條件值峰出現(xiàn)的時(shí)間為0.6 s，20 mm/s條件值峰出現(xiàn)的時(shí)間為0.65 s，10 mm/s條件值峰出現(xiàn)的時(shí)間為0.7 s，值峰后至1 s的時(shí)間段內(nèi)應(yīng)力值有較為明顯的下降趨勢(shì)，1 s后有效應(yīng)力值呈鋸齒狀出現(xiàn)明顯的上升狀態(tài)，直至與最大有效應(yīng)力值相接近。圖7（c） 是點(diǎn)P8的有效應(yīng)力曲線，可以看出與點(diǎn)P7的有效應(yīng)力曲線變化幾乎一致。圖7（d）是P9點(diǎn)的有效應(yīng)力曲線，其總體變化規(guī)律和P1點(diǎn)接近，但在1 s之后的應(yīng)力增加的更加平緩，相比于其他各個(gè)位置，此處的應(yīng)力值達(dá)到最大。因此，由圖7可知，在相同的坯料溫度條件下，隨著擠壓速度的增加有效應(yīng)力值有所上升，但影響值不大。

圖7 不同擠壓速度下的坯料的有效應(yīng)力Fig.7 The effective stress of blank with the different extrusion speed

2.4 應(yīng)力-應(yīng)變分析

以上分別對(duì)各點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力進(jìn)行了單獨(dú)分析，為了比較各點(diǎn)的應(yīng)力隨著應(yīng)變的變化，現(xiàn)對(duì)擠壓速度10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行綜合分析。圖8為坯料溫度80℃時(shí)，不同擠壓速度條件下的擠壓過(guò)程中，坯料的應(yīng)力-應(yīng)變比較曲線。圖8（a） 是P1點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖8（b） 是P7點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖8（c） 是P8點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖8（d） 是P9點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，比較分析發(fā)現(xiàn)4個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢(shì)相似：自有效應(yīng)變值為0 mm/mm開(kāi)始，有效應(yīng)力值開(kāi)始增加，并且在很小的應(yīng)變區(qū)間內(nèi)迅速由0增長(zhǎng)到20 MPa左右，自有效應(yīng)變值15 mm/mm以后，有效應(yīng)力曲線呈鋸齒狀疊加在近似拋物線上。應(yīng)力-應(yīng)變曲線從圖中可以分為兩個(gè)變形階段：應(yīng)力-應(yīng)變線性變化的彈性變形階段，平臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)的不均勻塑性變形階段。比較4個(gè)點(diǎn)在不同擠壓速度下的塑性平臺(tái)區(qū)應(yīng)力，30 mm/s條件下的平臺(tái)區(qū)應(yīng)力值最大，10 mm/s條件下的最小。塑性平臺(tái)區(qū)的應(yīng)力值越大，材料的抗脆斷裂強(qiáng)度越低，即材料的脆性越大，塑性越小。因此，由圖8可知，在相同的坯料溫度條件下，隨著擠壓速度的增加，坯料的塑性平臺(tái)區(qū)應(yīng)力值即屈服極限值有所增大，坯料塑性越差，加工性能越差。

圖8 不同擠壓速度下的坯料的應(yīng)力-應(yīng)變Fig.8 The effective stress-strain of blank with the different extrusion speed

3 結(jié)語(yǔ)

基于DEFORM軟件，對(duì)焊錫絲制備用焊錫桿的擠壓成型過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了在不同的擠壓速度下合金的應(yīng)力應(yīng)變等變化。

1）在擠壓的模擬中發(fā)現(xiàn)，擠壓速度對(duì)擠壓分流的焊合影響不大；隨著擠壓速度的增加，坯料的應(yīng)變?cè)?.5 s至4 s之間劇增；

2） 坯料的有效應(yīng)力在0.15 s時(shí)達(dá)到最大值，但10 mm/s條件下略有延遲；

3） 隨著擠壓速度的增加，坯料的應(yīng)力-應(yīng)變值增加，提高了擠壓桿脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為了兼顧加工效率，20 mm/s為最佳擠壓速度。