薄壁殼體安裝件電阻釬焊技術(shù)

韋明彰，鄧星權(quán)，李北華，唐宏基，秦琰磊

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

繼電器在整機(jī)型號中廣泛應(yīng)用于自動、遙測、遙控、通訊及電力系統(tǒng)等裝置，執(zhí)行電源控制、切換和信號傳遞等功能，繼電器的性能穩(wěn)定是各整機(jī)型號成功運(yùn)行的有力保障，而繼電器薄壁殼體安裝件的焊接牢固程度影響其穩(wěn)定性能。點(diǎn)焊是利用電阻熱熔化母材金屬而形成接頭的電阻焊方法，焊點(diǎn)強(qiáng)度主要取決于熔核尺寸、熔核及其周圍熱影響區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)。某型號繼電器薄壁殼體安裝件為外殼與安裝耳點(diǎn)焊連接，見圖1。外殼與安裝耳材料為B19，其材料特性見表1，其中安裝耳點(diǎn)焊處預(yù)留有5個凸包。

表1 薄壁殼體安裝件的外殼與安裝耳零件材料特性

圖1 繼電器薄壁殼體安裝件點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)

薄壁殼體安裝件點(diǎn)焊強(qiáng)度主要依靠凸包點(diǎn)焊形成的較小熔核保證，整體剛性稍差。為提升組件整體剛性，薄壁殼體安裝件在點(diǎn)焊連接后還需要對外殼與安裝耳接觸面周邊進(jìn)行焊錫加固，該焊錫處焊縫外觀較差，不夠均勻、飽滿(見圖2)，并且焊縫強(qiáng)度較低。電阻釬焊接頭為面接觸，具有連接牢固、加熱溫度低、對母材金屬熱影響小、焊接成形美觀等一系列優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步提高該型號繼電器薄壁殼體安裝件的連接強(qiáng)度，并保證連接部位成形美觀，故對薄壁殼體安裝件進(jìn)行電阻釬焊技術(shù)研究，以替代原點(diǎn)焊+焊錫工藝。

圖2 點(diǎn)焊+焊錫結(jié)構(gòu)薄壁殼體安裝件焊縫形貌

圖3 電阻釬焊示意圖

電阻釬焊是利用釬焊電極使焊接電流通過焊件，利用釬焊區(qū)電阻產(chǎn)生的電阻熱使釬料熔化并流入固態(tài)母材之間的間隙，并依靠毛細(xì)作用保持在間隙內(nèi)并滲透進(jìn)母材，冷卻凝固而形成釬焊接頭的一種釬焊方法[1]。為進(jìn)行薄壁殼體安裝件電阻釬焊工藝方法研究，首先需對合適的釬料、釬劑進(jìn)行選擇。

2 釬料、釬劑的選擇

2.1 釬料選擇

根據(jù)本型號繼電器薄壁殼體安裝件的外殼及安裝耳材料特性(見表1)，適合選用熔點(diǎn)低于母材，并且抗拉強(qiáng)度等各性能較優(yōu)的銀基釬料和銅磷釬料。通過對該兩類釬料進(jìn)行性能分析，最后確定選用最合適的BCu80AgP釬料與BAg50CuZnSnNi釬料進(jìn)行分析對比。兩種釬劑均為薄片狀，厚度為0.1mm，其化學(xué)成分及機(jī)械性能見表2。

表2 BCu80AgP釬料、BAg50CuZnSnNi釬料的化學(xué)成分和機(jī)械性能

BCu80AgP釬料屬自釬劑焊料，該釬料因添加Ag使其熔點(diǎn)降低，并增大了流動性、抗腐蝕性、韌性和加工性[2]。該釬料的不足之處是熔點(diǎn)稍高，釬焊過程需要較高的釬焊溫度與較長的釬焊時(shí)間。同時(shí)，在釬焊銅鎳合金時(shí)，釬焊料中的磷與白銅B19材料的Cu、Ni會生成磷化鎳、磷化銅脆性金屬間化合物，焊縫容易開裂，焊接強(qiáng)度降低。同時(shí)，釬焊后薄壁殼體安裝件在電鍍前的表面預(yù)處理酸洗時(shí)，焊料中的Ag、P與酸洗溶液會發(fā)生反應(yīng)生成磷及黑色氯化銀沉淀物會殘留在焊縫表面，降低電鍍后鍍層結(jié)合力，易導(dǎo)致鍍層起皮。

在銀基釬料BAg50CuZnSnNi中，最主要的合金元素是Cu，添加Cu可降低Ag的熔化溫度，又不會生產(chǎn)脆性相。添加Zn可降低釬料熔化溫度。添加Sn后能進(jìn)一步降低該釬料熔化溫度[3]，改善釬料的潤濕性，并且可提升接頭強(qiáng)度。該焊料熔點(diǎn)較低，適合釬焊白銅合金，焊時(shí)釬料流動性好，焊縫表面光潔，接頭強(qiáng)度、韌性、抗腐蝕性均較好。

根據(jù)兩類釬料對比分析結(jié)果及薄壁殼體安裝件實(shí)際釬焊效果，使用BAg50CuZnSnNi焊料的釬焊性能、外觀等均優(yōu)于BCu80AgP釬料，最終確定薄壁殼體安裝件釬焊使用BAg50CuZnSnNi釬料。

2.2 釬劑選擇

釬劑的作用主要是焊前去除釬焊面的金屬表面膜和釬焊過程中防止釬焊面金屬再次氧化，同時(shí)能改善釬料對母材的潤濕性能，促進(jìn)界面活化，使其能順利實(shí)現(xiàn)釬焊過程并獲得致密的釬焊接頭。釬焊去膜過程是“破膜-溶解-滲透-潤濕-鋪展-凝固”相互作用的過程。

由于與BAg50CuZnSnNi焊料配合使用的釬劑需保證其最低活化溫度低于釬料熔化溫度(650～690)℃，才能保證釬劑發(fā)揮其作用，并且在釬焊溫度約(690～800)℃時(shí)，使用的釬劑仍然能保持較高的活性。釬劑分為糊狀與粉末狀兩種類型，糊狀釬劑具有去膜率強(qiáng)、滲透性優(yōu)、鋪展性好、使用方便、操作效率高、勞動條件好、儲存時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，故最終確定釬焊溫度范圍較合適的QJ112糊狀銀釬劑。QJ112銀釬劑化學(xué)成分及用途見表3。

表3 QJ112的化學(xué)成分及用途

3 電阻釬焊設(shè)備、電極的選擇

薄壁殼體安裝件釬焊設(shè)備選用330KVA中頻逆變直流焊機(jī)，該設(shè)備電氣部分復(fù)雜，釬焊電流的控制精度較高，反饋控制頻率為1kHz。該設(shè)備可根據(jù)不同工件實(shí)際焊接需要實(shí)現(xiàn)多段焊接功能，包括焊前預(yù)熱、多段焊接、焊后回火功能等。

在電阻釬焊中，電極的主要作用包括導(dǎo)電、發(fā)熱、傳熱、散熱、加壓。因外殼組電阻釬焊接頭面積較大，需要更多熱量輸入，除了依靠焊件、釬料的體電阻及接觸電阻發(fā)熱外，釬焊電極的發(fā)熱和傳熱對釬焊質(zhì)量有重要影響。因此，電極除了具備耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的性能外，還應(yīng)具備較高電阻率及一定的熱導(dǎo)率。

常用的電阻釬焊電極材料包括鉻鋯銅、鎢銅、石墨等。鉻鋯銅材料電極導(dǎo)熱性好，易于加工，但電阻率較低，并且工作溫度過高時(shí)電極強(qiáng)度降低，易與焊件發(fā)生粘接。石墨電極具有升溫迅速、傳熱快，但存在不耐磨等缺點(diǎn)，可以通過2500℃以上的高溫處理可提高石墨電極的耐磨性。鎢銅材料比較耐磨，具有釬焊時(shí)不易變形，不易與焊件粘連，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

因繼電器封殼后附著在外殼內(nèi)腔的石墨粉脫落會造成多余物隱患，所以與外殼內(nèi)腔釬焊部位接觸的下電極采用強(qiáng)化處理石墨與鎢銅組合電極(見圖4)，上電極選用強(qiáng)化處理石墨材料。

圖4 電阻釬焊下電極

4 電阻釬焊工藝參數(shù)的選擇

4.1 電阻釬焊工藝參數(shù)的影響因素分析

釬焊工藝參數(shù)主要為釬焊電流、時(shí)間、壓力，參數(shù)的選擇對薄壁殼體安裝件釬焊質(zhì)量的影響極其重要。

當(dāng)釬焊電流小時(shí)，焊接處獲得的熱量小，因此焊接區(qū)溫度較低，釬劑的活性較差，進(jìn)而妨礙釬料對母材的潤濕以及向母材擴(kuò)散，導(dǎo)致釬著率與接頭強(qiáng)度偏低。提高電流可增大熱輸入，使釬料充分熔化并利于其向母材浸潤和填滿焊處縫隙。若電流過大，使焊接區(qū)溫度過高，會造成釬料產(chǎn)生較大飛濺，焊件出現(xiàn)較嚴(yán)重的氧化情況和較大的焊接變形。只有選擇合適的焊接電流時(shí)，才能獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭。

當(dāng)釬焊時(shí)間短時(shí)，輸入的熱量少，焊接區(qū)溫度低導(dǎo)致釬劑的活性不足，影響氧化膜的去除，使釬料未能充分熔化與擴(kuò)散，因而不能浸潤與填滿焊縫。當(dāng)焊接時(shí)間過長時(shí)，過大的熱量會使釬料與母材作用劇烈，焊縫處易形成脆性化合物，并且會產(chǎn)生較大的焊接變形。故選擇合適的焊接時(shí)間尤為重要。

當(dāng)釬焊壓力過小時(shí)，釬焊電極與焊件、焊件與釬料接觸不緊密，接觸電阻過大，易使釬料迅速熔化導(dǎo)致較大飛濺，不利于接頭成形。當(dāng)電極壓力過大時(shí)，釬焊過程焊件可能會產(chǎn)生較大的變形；同時(shí)，釬焊壓力過大會導(dǎo)致部分熔化的釬料被擠出焊接面，影響釬料和母材的相互浸潤和擴(kuò)散，從而導(dǎo)致釬著率與接頭強(qiáng)度較低。故需選擇合適的釬焊壓力，一定的釬焊壓力會使焊接結(jié)合面能夠在電阻熱作用下產(chǎn)生一定量的熱塑性變形，以使該處氧化膜破裂，從而使釬劑能夠從氧化膜破裂處深入至母材與氧化膜之間，通過氧化膜的剝離和溶解達(dá)到去膜的目的，利于釬料對母材的潤濕與擴(kuò)散，形成優(yōu)質(zhì)接頭。

4.2 電阻釬焊工藝參數(shù)的仿真優(yōu)化

通過對以上各工藝參數(shù)進(jìn)行分析并結(jié)合工藝試驗(yàn)，得出電阻釬焊單段焊工藝參數(shù)：釬焊壓力120N，釬焊電流14KA，釬焊時(shí)間11s。但在實(shí)際釬焊生產(chǎn)過程，使用該釬焊參數(shù)的組件外殼口部易出現(xiàn)釬料漫流問題(見圖5)，對產(chǎn)品封殼后的激光封焊造成極大影響，易導(dǎo)致繼電器出現(xiàn)密封性失效。為判斷使用該工藝參數(shù)的電阻釬焊效果，并尋求組件外殼口部漫流問題的解決方案，進(jìn)行電阻釬焊仿真分析。仿真結(jié)果顯示，釬焊片在釬焊最后時(shí)刻的溫度場云圖見圖6，釬料片在釬焊過程中的溫度變化曲線見圖7，釬焊過程組件達(dá)到溫度峰值時(shí)的溫度分布云圖見圖8，外殼口部出現(xiàn)溫度超過650℃的區(qū)域。

圖5 存在釬料漫流問題的焊縫形貌

圖6 單段焊模式下釬焊片在釬焊11s時(shí)的溫度場云圖

圖7 釬焊片在釬焊過程中的溫度變化曲線

圖8 釬焊過程溫度峰值時(shí)的溫度分布云圖

由圖6、7可知，電阻釬焊過程的釬焊溫度上升迅速，并在7.5s時(shí)，釬料片溫度最高處率先達(dá)到適宜釬焊溫度，后該溫度上升速率仍未放緩，最終在通電的最后時(shí)刻(釬焊時(shí)間11s)，釬焊面釬焊溫度達(dá)到峰值913.41℃，釬料片各處的溫度范圍為(789.73～913.41)℃，釬料片可完全熔化，但釬焊過程峰值溫度過高，遠(yuǎn)超過釬焊溫度適宜范圍，易造成焊件出現(xiàn)溶蝕、燒損、氧化嚴(yán)重、變形較大的情況。由圖8可知，外殼口部局部區(qū)域溫度達(dá)到650℃以上，超過釬料片的軟化溫度，該區(qū)域極易出現(xiàn)釬料漫流現(xiàn)象，與實(shí)際釬焊情況基本吻合。

針對以上問題進(jìn)行電阻釬焊仿真優(yōu)化。通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)(在厚度不變的基礎(chǔ)上增大下電極截面積)并使用雙段焊接模式進(jìn)行電阻釬焊仿真分析。釬焊參數(shù)為--釬焊壓力：120N，焊接段1電流/時(shí)間：14KA/7.5s，焊接段2電流/時(shí)間：10KA/6.5s。以滿足第1焊接段升溫情況與單段焊(0～7.5)s時(shí)的焊接過程接近，使釬焊前期溫度快速上升使釬料熔化并達(dá)到適宜釬焊溫度；第2焊接段保證一定的熱輸入使釬焊后期溫度上升速率減緩，防止峰值溫度過高導(dǎo)致釬焊變形過大，并保證足夠的釬焊時(shí)間使釬料填滿釬縫間隙，以獲得較好的釬焊接頭。仿真結(jié)果顯示，釬焊片在釬焊最后時(shí)刻的溫度場云圖見圖9，釬焊過程組件達(dá)到峰值溫度時(shí)的溫度分布云圖見圖10，外殼口部未出現(xiàn)溫度超過650℃的區(qū)域。

圖9 雙段焊模式下釬焊片在釬焊14s時(shí)的溫度場云圖

圖10 釬焊片在釬焊過程中的溫度變化曲線

由圖9、10可知，在釬焊過程的初期溫度上升情況與單段焊仿真過程接近，在7.5s時(shí)，釬料片溫度最高處率先達(dá)到適宜釬焊溫度，后溫度上升速率放緩，并在14s時(shí)達(dá)到峰值816.79℃，釬料片各處的溫度范圍為(721.08～816.79)℃，釬料片可完全熔化，該峰值溫度不會造成焊件出現(xiàn)溶蝕、燒損，釬焊變形過大的情況。在釬焊過程后期的(7.5～14)s時(shí)，通過一段時(shí)間較均勻的保溫可使釬焊片均勻熔化、鋪展、浸潤并填滿焊縫間隙。同時(shí)由圖11可知，外殼口部沒有出現(xiàn)650℃以上的溫度區(qū)域，釬焊過程不會出現(xiàn)焊料漫流問題。

圖11 雙段焊模式下釬焊過程溫度峰值時(shí)的溫度分布云圖

最終通過電阻釬焊仿真分析得出最優(yōu)釬焊工藝參數(shù)--釬焊壓力：120N，焊接段1電流/時(shí)間：14KA/7.5s，焊接段2電流/時(shí)間：10KA/6.5s。

4.3 最優(yōu)工藝參數(shù)試驗(yàn)過程確認(rèn)

分別將10件外殼、20件安裝耳進(jìn)行去除油污、去除氧化膜的焊前處理后，與釬料進(jìn)行定位點(diǎn)焊，將釬料固定于外殼、安裝耳之間的釬焊部位，涂上釬劑后將裝配好的焊件使用最優(yōu)釬焊工藝參數(shù)、改進(jìn)后電極進(jìn)行電阻釬焊。焊后使用檸檬酸溶液對焊件進(jìn)行酸洗以去除殘留釬劑，然后使用清水將焊件表面的檸檬酸液清洗干凈，最后用酸液去除焊件表面氧化層后進(jìn)行電鍍Ni，電鍍后薄壁殼體安裝件樣件的外觀見圖12，焊縫形貌見圖13。

圖12 釬焊結(jié)構(gòu)薄壁殼體安裝件外觀

圖13 電阻釬焊焊縫形貌

由圖12、13可知，電阻釬焊后薄壁殼體安裝件變形小，釬焊部位釬料熔化均勻，并且外殼、安裝耳表面完全浸潤，焊縫飽滿、光潔，外殼口部無釬料漫流問題，釬焊質(zhì)量較好。組件焊接后將5件試焊件進(jìn)行切割處理，切割出焊縫處樣件進(jìn)行X射線檢測(見圖14)，焊件釬焊面釬著率平均值約為90%，釬著率較高，表明焊縫質(zhì)量較優(yōu)。

圖14 薄壁殼體安裝件釬焊面X射線檢測

后取剩余5件薄壁殼體安裝件試焊件進(jìn)行正拉力測試，測力過程均為組件非釬焊部位外殼的母材處撕裂，如圖15所示。測力后進(jìn)行顯微鏡檢查，焊縫處牢固、無裂紋。最后取點(diǎn)焊+焊錫薄壁殼體安裝件樣件進(jìn)行正拉力測試，均為焊縫處拉裂、拉脫，見圖16。兩者焊接強(qiáng)度對比情況見表4。

圖15 釬焊結(jié)構(gòu)薄壁殼體安裝件測力后形貌

圖16 點(diǎn)焊+錫焊結(jié)構(gòu)薄壁殼體安裝件測力后形貌

表4 薄壁殼體安裝件焊接強(qiáng)度對比

由表4可知，薄壁殼體安裝件電阻釬焊強(qiáng)度均明顯大于點(diǎn)焊+焊錫焊接強(qiáng)度，所以電阻釬焊薄壁殼體安裝件焊縫處外觀質(zhì)量、焊接強(qiáng)度均優(yōu)于點(diǎn)焊+焊錫薄壁殼體安裝件。

5 生產(chǎn)應(yīng)用情況

通過研究后，將電阻釬焊工藝應(yīng)用于本型號繼電器試驗(yàn)批產(chǎn)品，該批產(chǎn)品在薄壁殼體安裝件釬焊生產(chǎn)過程無異常情況出現(xiàn)，并且在裝配提交后的試驗(yàn)過程各參數(shù)性能均滿足技術(shù)條件要求。后將電阻釬焊工藝方法應(yīng)用于本型號繼電器的11個批次共4512只產(chǎn)品，產(chǎn)品性能參數(shù)穩(wěn)定，均滿足技術(shù)條件要求。

6 結(jié)論

(1)通過電阻釬焊機(jī)理分析，并結(jié)合某型號繼電器薄壁殼體安裝件的外殼及安裝耳結(jié)構(gòu)、尺寸、材料特性，確定薄壁殼體安裝件釬焊使用BAg50CuZnSnNi釬料、QJ112釬劑。

(2)通過研究確定電阻釬焊設(shè)備類型、最優(yōu)電極組合，并通過進(jìn)行電阻釬焊工藝參數(shù)影響因素分析和仿真優(yōu)化確定了最優(yōu)釬焊工藝參數(shù)。

(3)通過電阻釬焊技術(shù)研究，薄壁殼體安裝件電阻釬焊焊接強(qiáng)度、焊縫外觀質(zhì)量均優(yōu)于點(diǎn)焊+焊錫組件，電阻釬焊技術(shù)已在軍用密封繼電器上得到成功應(yīng)用。