擠壓速度對SAC3005錫焊料擠壓過程和應力應變影響的有限元分析*

梁華鑫，陳東東，白海龍，趙玲彥，嚴繼康

（1.云南錫業集團（控股）有限責任公司研發中心，云南 昆明 650032；2.昆明理工大學材料科學與工程學院，云南 昆明 650093；3.西南石油大學工程學院，四川 南充 637001）

焊錫絲是手工烙鐵焊接、SMT焊后補修的重要焊接材料[1]，隨著精密焊接領域的發展，電子元器件尺寸不斷減小，所需要的焊錫絲要求線徑更細、質量更高。目前焊錫絲傳統生產工藝主要是擠壓技術，包含鑄錠、擠壓、軋輥、拉絲等生產工藝[2]，但產品存在表面質量差、成分偏析大、生產效率低等問題。采用分流擠壓技術對錫焊料擠壓時，金屬流動較復雜，其變形行為研究也較為困難。為了滿足對擠壓產品高質量、高成品率等方面的要求，采用實驗與數值模擬相結合的方法研究分流擠壓變形過程受到越來越多的重視[3]，在預測產品的工藝缺陷和提高產品質量的同時，可有效減少實際調試生產所需的人力、物力及時間成本[4]。

Kargin V R等[5]通過Deform有限元軟件對熱變形過程中塑性變形區域不同截面和成品中應力和應變的分布進行了模擬分析，確定了擠壓比值對直徑500 mm至250 mm變形過程中應力-應變的影響。Zhou J等[6]利用DEFORM 3D軟件對鋁合金坯料的擠壓過程進行研究，通過對不同形狀的坯料進行擠壓，成功預測了完整的擠出壓力/柱塞位移圖，并對坯料內部的擠壓速度、有效應變和溫度的變化進行了分析，以上研究顯示了應用模擬方法的優勢。另外，在焊錫絲的擠壓制備過程中，合金的組織對后續的加工性能有很大的影響，數值模擬為工藝的改進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比關系，并建立了相應的計算公式，通過實驗證明鋁型材沿長度方向的均勻性有所提高，型材表面的粗晶環得到減少甚至消除，得到了高性能精密工業鋁型材。Asfandiyarov R N[8]等采用徑向鍛造和ECAP-Conform法相結合方法制備合金絲，通過計算機仿真研究了塑形加工中的應力-應變狀態和熱力學條件，研究發現合金的延展性提高了50%。

為了進一步提高電子焊接用焊錫絲的產品質量、優化工藝參數，本文采用DEFORM-3D有限元軟件模擬錫合金擠壓過程，對關鍵位置的應力、應變進行分析，為實際生產提供有效參考[9-13]。

1 擠壓工藝有限元模型的建立

焊錫絲在拉拔過程中需要的合金桿主要由擠壓工藝制備而來的，在擠壓過程中，焊料合金在擠壓模處開始分流，從分流孔中進入，在壓力的作用下，在焊合腔中實現焊合成桿，同時完成助焊劑的注入。本研究針對焊料合金的變形過程進行分析，變形過程不再關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程中空心管路不變形，不閉合，以便保證助焊劑連續注入空心形成有芯焊絲，為后續的輥軋、拉拔和拉絲工序提供無斷芯的錫合金桿。

本文根據實際擠壓模具的結構進行相應的幾何模型建立和有限元模型建立。采用SolidWork進行三維建模，模具主要由三個部分構成：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，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，在擠壓筒體內設置坯料，圓柱形推塊作為運動部件給坯料施加擠壓力，示意圖如圖2所示。設置坯料溫度為80℃，擠壓速度分別為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s；坯料屬性選擇根據焊錫產品開發的需要，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，其具有強韌的力學性能，在擠壓過程中不考慮凸模和擠壓模的受力情況，定義為剛性材料[14]。結合仿真模擬的實際情況，采用四面體單元來劃分網格，在擠壓過程中發生網格畸變時可以更加精確地實現網格重劃分，考量了計算的精度和計算規模將擠壓坯料網格設置劃分為100 000個單元。在實際的常規擠壓過程中，坯料與擠壓模具以及擠壓筒之間存在摩擦升溫，坯料、模具以及環境之間存在溫度差就會產生熱量的傳遞，為了簡化分析計算的過程，單純的考慮坯料溫度改變對金屬擠壓變形的影響，即對數值模擬做出了模具絕熱的假設。

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

2 結果與討論

2.1 焊合過程分析

擠壓制桿過程中，合金經過分流橋之后完成焊合，焊合質量對產品有較大的影響，現分析坯料溫度為80℃，擠壓速度分別為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s時，擠壓速度對于焊合過程中型材截面形狀的影響。如圖3所示，當擠壓進行到1.22 s時，擠壓速度為30 mm/s的分流坯料已經開始接觸，焊合即將完成，而10 mm/s、20 mm/s的模擬坯料分流才剛剛開始；如圖4所示，當擠壓進行到約1.97 s時，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時仍然處于分流的階段，在30 mm/s條件下1.31 s時型材就已經完全成型，并且截面形狀趨于理想。對比發現：在擠壓的焊合階段，擠壓速度對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間就越短，有利于提高生產效率，結合設備的負荷極限，在以上三個擠壓速度下30 mm/s為最優條件。

圖3 t=1.22s時三個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 有效應變分析

在擠壓過程坯料變形分析的基礎上，對變形過程中坯料不同位置的有效應變和有效應力進行分析。圖5是坯料不同位置的取點示意圖，本文分別對坯料與分流橋接觸的不同點P1、P7、P8、P9進行應變和應力分析。

圖5 取點示意圖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時的有效應變的變化曲線。其中圖6（a） 是點P1的有效應變曲線，在1.5 s以前，有效應變趨近于零且隨著時間沒有明顯增長變化；約在1.5 s到3.5 s間，隨著擠壓的進行有效應變的增長趨于明顯；3.5 s至4 s間，有效應變驟增，在約0.5 s的時間內，有效應變數值從幾十增長到了幾百，三個擠壓條件下的有效應變值開始趨于一致。在1.5 s至4 s有效應數值明顯增長的區間，10 mm/s條件下的坯料有效應變數值增長速率最大，有效應變值最大，30 mm/s條件下的坯料增長速率最慢，有效應變值最小，但三個擠壓速度下的坯料的有效應變值差距很小。圖6（b） 是點P7的有效應變曲線，圖6（c） 是點P8的有效應變曲線，圖6（d）是點P9的有效應變曲線，進行對比發現，在前4 s階段，三個點在不同擠壓速度下有效應變的變化與P1點變化部分相似。不同的是，在1.5 s至4 s有效應數值有明顯增長的區間，三個點在不同擠壓速度條件下的有效應變值差距更小，增長速率幾乎一致。因此，由圖6可知：在相同的坯料溫度條件下，擠壓速度變化對于坯料的有效應變影響較小。

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

2.3 有效應力分析

經過擠壓過程坯料各個位置應變的分析，不同的擠壓速度對應變影響不大，現分析坯料溫度為80℃時，比較擠壓速度10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s對有效應力的影響。圖7為坯料溫度為80℃時，不同擠壓速度10 mm/s、2 mm/s、30 mm/s條件對有效應力影響曲線。圖7（a）為點P1的有效應力曲線，從0 s開始，擠壓速度為20 mm/s、30 mm/s的坯料有效應力開始增加，0.15 s時有效應力達到最大值，擠壓速度為10 mm/s條件下的坯料有效應力變化有所延遲，約0.1 s時開始增加至0.15 s與其余兩個條件下的坯料幾乎同時達到最大值，且30 mm/s條件下的有效應力值最大，10 mm/s條件下的最小，而后應力值呈現鋸齒狀上下浮動，自1.0 s以后，數值鋸齒狀浮動現象更為密集和明顯。圖7（b） 是點P7的有效應力曲線，在0.15 s之前階段，應力變化和P1點變化一致，但之后三個條件下的有效應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附近出現幾乎達到有效應力最大值的一個值峰，30 mm/s條件值峰出現的時間為0.6 s，20 mm/s條件值峰出現的時間為0.65 s，10 mm/s條件值峰出現的時間為0.7 s，值峰后至1 s的時間段內應力值有較為明顯的下降趨勢，1 s后有效應力值呈鋸齒狀出現明顯的上升狀態，直至與最大有效應力值相接近。圖7（c） 是點P8的有效應力曲線，可以看出與點P7的有效應力曲線變化幾乎一致。圖7（d）是P9點的有效應力曲線，其總體變化規律和P1點接近，但在1 s之后的應力增加的更加平緩，相比于其他各個位置，此處的應力值達到最大。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力Fig.7 The effective stress of blank with the different extrusion speed

2.4 應力-應變分析

以上分別對各點的應變、應力進行了單獨分析，為了比較各點的應力隨著應變的變化，現對擠壓速度10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s時的應力和應變進行綜合分析。圖8為坯料溫度80℃時，不同擠壓速度條件下的擠壓過程中，坯料的應力-應變比較曲線。圖8（a） 是P1點的應力-應變曲線，圖8（b） 是P7點的應力-應變曲線，圖8（c） 是P8點的應力-應變曲線，圖8（d） 是P9點的應力-應變曲線，比較分析發現4個點的應力-應變曲線趨勢相似：自有效應變值為0 mm/mm開始，有效應力值開始增加，并且在很小的應變區間內迅速由0增長到20 MPa左右，自有效應變值15 mm/mm以后，有效應力曲線呈鋸齒狀疊加在近似拋物線上。應力-應變曲線從圖中可以分為兩個變形階段：應力-應變線性變化的彈性變形階段，平臺區數據呈現鋸齒狀波動的不均勻塑性變形階段。比較4個點在不同擠壓速度下的塑性平臺區應力，30 mm/s條件下的平臺區應力值最大，10 mm/s條件下的最小。塑性平臺區的應力值越大，材料的抗脆斷裂強度越低，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，坯料的塑性平臺區應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力-應變Fig.8 The effective stress-strain of blank with the different extrusion speed

3 結語

基于DEFORM軟件，對焊錫絲制備用焊錫桿的擠壓成型過程進行了模擬，分析了在不同的擠壓速度下合金的應力應變等變化。

1）在擠壓的模擬中發現，擠壓速度對擠壓分流的焊合影響不大；隨著擠壓速度的增加，坯料的應變在3.5 s至4 s之間劇增；

2） 坯料的有效應力在0.15 s時達到最大值，但10 mm/s條件下略有延遲；

3） 隨著擠壓速度的增加，坯料的應力-應變值增加，提高了擠壓桿脆性斷裂的風險，同時為了兼顧加工效率，20 mm/s為最佳擠壓速度。