工件堿性鍍錫后焊接性差的原因分析

李飛*，張國(guó)范，楊亞波，李惠豐，李弘凌

（淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046012）

導(dǎo)彈、子彈及引信產(chǎn)品電路部件中，接電片/柱、鉚釘、接線柱等小零件鍍錫非常常見，這些鍍錫零件除應(yīng)具備良好的導(dǎo)電性外，還應(yīng)有優(yōu)異的焊接性。但近幾年，筆者所在單位多次得到客戶反饋，鍍錫零件存在不掛錫、焊接性較差的現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，承擔(dān)的鍍錫零件有200 余種，曾出現(xiàn)焊接性差的零件有10 種，占5%，問題相當(dāng)嚴(yán)重。因此立即開展了工件堿性鍍錫后焊接性差的原因分析。

1 工藝流程

鍍前處理─鍍銅(CuCN 15～35 g/L，NaCN 20～45 g/L)─水洗2 道─活化(HCl 60～100 g/L)─水洗2道─堿性鍍錫(Na2SnO3·3H2O 20～30 g/L，NaOH 10～16 g/L)─熱水洗(60～100°C)─冷水洗─硫酸中和(H2SO440～60 g/L)─純水洗2道─吹干、烘干─包裝。

鋼件鍍錫按上述流程進(jìn)行，銅及銅合金零件鍍錫不需進(jìn)行鍍銅和活化。

2 原因分析

從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)六方面對(duì)焊接性問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

(1)人員方面。操作過程中，操作人員沒有嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，可能會(huì)影響鍍錫層焊接性，主要表現(xiàn)為操作人員為省時(shí)、省力，堿性鍍錫完畢后，不進(jìn)行硫酸中和工序，使零件表面殘留鍍液，造成鍍錫層污染，影響鍍錫層焊接性。

(2)材料方面。所用化工材料純度不高時(shí)，雜質(zhì)與錫共沉積，造成鍍錫層雜質(zhì)含量過高，也會(huì)影響鍍錫層的焊接性。

(3)工藝方面。對(duì)統(tǒng)計(jì)的10 種問題零件進(jìn)行整理后，發(fā)現(xiàn)焊接性差的零件材料均為H62(Cu 60.5%～63.5%，Zn 余量)和HPb59-1(Cu 60.5%～63.5%，Pb 0.8%～1.9%，Zn 余量)，其他材料(包括紫銅和鋼)的零件沒有焊接性差的現(xiàn)象。從工藝流程看，銅與銅合金零件的工藝流程完全相同，前處理后直接鍍錫，而鋼件鍍錫前需鍍厚度為2 μm 以上的紫銅，并且鍍錫層厚度因零件不同而各異，因此當(dāng)零件材料為H62 和HPb59-1 時(shí)，中間層和鍍錫層厚度均可能影響鍍錫層的焊接性。

(4)環(huán)境方面。零件電鍍完畢并非馬上進(jìn)行裝配，因此貯存環(huán)境和時(shí)間也可能使焊接性降低。

(5)設(shè)備和測(cè)量方面。生產(chǎn)過程中用到的設(shè)備、儀器儀表均鑒定合格，在有效期內(nèi)，對(duì)焊接性不會(huì)造成影響，焊接性與測(cè)量之間的關(guān)系也不大。

因此，焊接性的影響因素主要有：中間鍍層，鍍錫層厚度，中和，化工材料品質(zhì)，以及貯存環(huán)境和時(shí)間。針對(duì)上述5 種原因，通過實(shí)驗(yàn)使問題再現(xiàn)，以準(zhǔn)確尋找原因。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)原因分析，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定為六方面：中間鍍層、鍍錫層厚度、中和、化工材料品質(zhì)、長(zhǎng)貯性及最后的焊接性驗(yàn)證。選用H62 為研究對(duì)象。

3.1.1 考察有無中間鍍層的影響

從原因分析里不難看出，銅和鋼件鍍錫后，錫層與紫銅直接接觸，而銅合金零件鍍錫后，錫鍍層直接與銅合金接觸。因此，針對(duì)銅合金零件材料，在鍍錫前增加銅鍍層，并與實(shí)際生產(chǎn)過程中無中間鍍層時(shí)的情況進(jìn)行對(duì)比，考察中間鍍層對(duì)焊接性的影響。

3.1.2 考察鍍錫層厚度的影響

根據(jù)圖紙和標(biāo)準(zhǔn)要求，鍍錫零件的錫層厚度一般控制在2～5 μm 范圍內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)選取鍍層厚度的上限和下限進(jìn)行對(duì)比，考察鍍錫層厚度對(duì)焊接性的影響。

3.1.3 考察中和的影響

在其他參數(shù)和方法均相同的情況下，將零件分成2 組，一組嚴(yán)格按照工藝流程進(jìn)行中和工序，另一組特意省去中和工序，兩者進(jìn)行對(duì)比，考察中和工序?qū)附有缘挠绊憽?/p>

3.1.4 考察化工材料品質(zhì)的影響

工藝中用到的化工材料主要有錫酸鈉、氫氧化鈉及陽極錫錠，均有原廠合格證，并經(jīng)過入廠驗(yàn)收，符合電鍍級(jí)使用標(biāo)準(zhǔn)；但陽極錫錠必須進(jìn)行二次加工，澆鑄成錫條后不再理化分析，直接投入生產(chǎn)。因此，對(duì)生產(chǎn)使用的兩批錫條進(jìn)行取樣分析。

3.1.5 考察貯存時(shí)間的影響

主要考察不同工藝狀態(tài)下，貯存時(shí)間對(duì)焊接性的影響。

3.1.6 焊接性驗(yàn)證

通過分析，找出影響鍍錫層焊接性的因素，再在不同條件下制成實(shí)物，最后通過問題再現(xiàn)方式，驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性，得出影響因素中的主要因素、次要因素及無關(guān)因素。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

3.2.1 方案設(shè)計(jì)

考慮到各因素之間的關(guān)聯(lián)性，將分析出的4 種影響因素設(shè)計(jì)成16 種試驗(yàn)方案(化工材料品質(zhì)除外)，具體見圖1。

圖1 工件鍍錫后焊接性差的原因分析試驗(yàn)方案Figure 1 Experiment scheme for cause analysis on poor weldability of tin-plated workpiece

3.2.2 方案編碼

為消除主觀因素干擾，在焊接性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)之前，先對(duì)16 種方案進(jìn)行編碼，具體見表1。

表1 鍍錫工件焊接實(shí)驗(yàn)方案編碼Table 1 Coding of welding experiment schemes for tin-plated workpiece

3.2.3 焊接性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)1：聘請(qǐng)高級(jí)焊工進(jìn)行手工導(dǎo)線焊接性試驗(yàn)，見圖2。

實(shí)驗(yàn)2：按照GB/T 16745–1997《金屬覆蓋層產(chǎn)品釬焊性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行焊接性試驗(yàn)，裝置見圖3。

圖2 手工焊接導(dǎo)線試件Figure 2 Manually welded wire samples

3.3 數(shù)據(jù)分析

理化分析結(jié)果表明，錫錠經(jīng)二次加工后所得錫條的錫含量分別為95%和98%，遠(yuǎn)低于GB/T 2056–2005《電鍍用銅、鋅、鎘、鎳、錫陽極板》的要求(Sn2 中錫含量不低于99.8%，Sn3 中錫含量不低于99.5%)。因此，現(xiàn)場(chǎng)使用的兩批錫條不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，電鍍錫層中夾雜了較多異金屬雜質(zhì)。

圖3 釬焊性試驗(yàn)裝置Figure 3 Apparatus for solderability test

將2 種不同的焊接試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總、分析，并評(píng)選出優(yōu)、差。95%以上試驗(yàn)面的焊料覆蓋層附著牢固、光亮、平滑、均勻?yàn)閮?yōu)，反之為差。具體結(jié)果見表2。

表2 焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of welding experiment

對(duì)表2 的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理、分析，見表3、和圖4(圖中的優(yōu)、差是2 組不同焊接性實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和)。

表3 焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of welding experiment results

圖4 不同因素對(duì)錫層焊接性的影響Table 4 Effects of different factors on weldability of tin coating

4 結(jié)語

(1)錫條陽極不符合標(biāo)準(zhǔn)要求是導(dǎo)致焊接性差的原因之一。應(yīng)購(gòu)買符合標(biāo)準(zhǔn)的陽極錫條并直接使用，盡量不要二次加工。若必須進(jìn)行二次加工，則一定要將熔錫爐和模具清洗干凈。

(2)對(duì)基體材料為H62、HPb59-1 等黃銅類零件而言，中間鍍層是影響其焊接性能的主要因素。電鍍錫之前，應(yīng)鍍2.5 μm 厚以上的紫銅為底層。

(3)鍍錫層厚度為5 μm時(shí)的焊接性明顯優(yōu)于厚度為2 μm 的錫鍍層，鍍錫后有焊接要求的零件，鍍錫層厚度在5 μm 以上較好。因此，錫鍍層厚度也是影響焊接性的主要因素。

(4)中和與否對(duì)焊接性的影響較小，可以認(rèn)為中和是影響焊接性的次要因素。

(5)貯存時(shí)間在3 個(gè)月內(nèi)，對(duì)焊接性的影響不明顯。因此貯存時(shí)間是影響焊接性的次要因素。