焊接電流對漆包線銅箔點焊接頭質(zhì)量的影響

王 健，李遠波，于兆勤，郭鐘寧

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

0 前言

漆包線是一種表面涂覆有絕緣漆的金屬導線，廣泛應用于繼電器、微特電機、電子變壓器、電磁閥等電子元器件的生產(chǎn)中。在這些電子元器件中，漆包線末端必須與元件金屬終端（如針、箔等）實現(xiàn)電氣連接，經(jīng)常會通過焊接的方式來完成，同時，其中有些元器件往往會因空間限制只能進行單面焊接，并且焊接能量需要精確控制，需采用精密電阻點焊電源[1]。對于漆包線與銅箔單面點焊，張書浩等[2]采用特殊的回路結(jié)構電極，結(jié)合逆變焊接電源對焊接能量的精密控制，實現(xiàn)了對銅箔漆包線的直接單面焊接，但他們沒有對其焊接工藝及連接機理方面做深入研究。

對于這種微型件焊接，焊接質(zhì)量主要通過接頭抗拉強度和外觀質(zhì)量來評估[3]，接頭抗拉強度通過接頭拉斷力來體現(xiàn)，而外觀質(zhì)量的評估并沒有統(tǒng)一標準。本研究將通過測量焊點寬度、焊點長度和觀察接頭表面狀況來評估外觀質(zhì)量。

焊接電流是微型電阻焊中最具影響力的參數(shù)[4]。為了研究漆包線銅箔單面點焊工藝及連接機理，在此將進行0.1 mm漆包線和0.2 mm銅箔單面點焊試驗，在固定焊接時間、電極壓力不變的情況下，探究不同的焊接電流對接頭拉斷力、焊點寬度、焊點長度和接頭表面狀況四個質(zhì)量指標的影響。

1 試驗條件

（1）焊件材料。漆包線選用P155p級改性聚氨酯漆包線，其中導體材料為電解純銅，裸線直徑為0.10 mm，漆膜材料為改性聚氨酯，厚度15 μm，具有直焊性，常用于繼電器、儀表、微型變壓器、小型馬達等場合。銅箔選用工業(yè)級磷青銅箔，尺寸18 mm×7 mm×0.20 mm（長×寬×厚），化學成分為：w（Sn）=5.6%、w（P）=0.16%、w（Fe）=0.008%、w（Pb）=0.007%、余量為Cu，焊前磷青銅箔用丙酮超聲清洗。

（2）電極材料。為了實現(xiàn)單面點焊，電極必須具備自熱的功能，同時銅和高電導率的銅合金點焊時必須防止大量散熱，所以采用特殊回路的鎢電極，如圖1所示。

圖1 電極示意

（3）試驗方法。將漆包線和銅箔以如圖2所示搭接形式制作樣本，當電極壓力FE達到設定值時，焊接觸發(fā)，實現(xiàn)單面熱壓焊接。焊接電流為單脈沖直流波形，如圖3所示。

焊接電源提供焊接所需的熱量，由于微型件的焊接熱慣性小[5]，要求電源能夠?qū)敵瞿芰亢洼敵霾ㄐ芜M行精確控制。本試驗采用廣東工業(yè)大學自行研制的精密逆變點焊機[1]。其中逆變電源最大輸出電流1 kA，電流調(diào)節(jié)精度1 A，逆變頻率4 kHz，焊接時間調(diào)節(jié)精度1 ms，可精確控制焊接能量。加壓機構采用彈簧隨動腳踏式加壓機構，電極壓力0～30 N連續(xù)可調(diào)。

焊接質(zhì)量通過接頭抗拉強度和外觀質(zhì)量來評估[3]。其中接頭抗拉強度使用90°拉開試驗中測得的最大拉斷力來表示（見圖4），拉力試驗在CMT8501萬能試驗機上進行，拉伸速度10 mm/min，接頭與試驗機線夾間的長度為100 mm。拉伸試驗時，接頭失效模式主要有兩種：從接合界面斷裂；從線材斷裂，如圖5所示。采用光學顯微鏡（VHX-600，Keyence Corporation，Japan）觀察接頭外觀質(zhì)量，主要觀察接頭表面狀況和測量焊點寬度W和長度L，如圖6所示。

圖2 焊接示意

圖3 單脈沖電流波形

圖4 拉開試驗示意

圖5 接頭失效模式

圖6 焊點外觀

2 試驗和結(jié)果分析

2.1 試驗

設定焊接時間為38 ms，電極壓力固定為13 N，焊接電流從365 A增加到410 A進行點焊，每組試驗重復五次，所得的接頭拉斷力、焊點寬度和焊點長度取五次試驗平均值，如表1所示。使用Origin軟件對所得結(jié)果進行曲線擬合，得到焊接電流與接頭拉斷力、焊點寬度、焊點長度關系擬合曲線，如圖7~圖9所示。

由圖7可知，當焊接電流從365 A增加到405 A時，接頭拉斷力與焊接電流呈拋物線函數(shù)關系，在395 A時達到峰值；繼續(xù)增加焊接電流，接頭拉斷力開始減小，在電流為405 A時達到一個極小值；在電流為410 A時，接頭拉斷力有所增大。焊接電流從365～380 A時，接頭失效形式基本是從接合界面斷裂，從385 A以后，接頭失效形式都是從線材斷裂。

由圖8可知，焊接電流從365～375 A，焊點寬度增長緩慢，之后，隨著焊接電流的增加，焊點寬度幾乎呈指數(shù)增長。

表1 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

圖7 焊接電流對接頭拉斷力的影響

圖8 焊接電流對焊點寬度的影響

由圖9可知，焊接電流從365 A開始，隨著焊接電流的增加，焊點長度變化并不明顯，當電流大于390 A時，隨著焊接電流的增加，焊點長度有小幅增大。

2.2 結(jié)果分析

在分析上述三個質(zhì)量指標的變化規(guī)律之前，先觀察不同焊接電流下接頭的表面狀況，如圖10所示。

圖9 焊接電流對焊點長度的影響

從圖中可見，漆膜被擠在焊點上下兩邊，隨著電流的增大，焊點上下兩邊的漆膜變少，同時由于焊接熱量的增大，線材上被碳化的漆膜也越來越多。隨著電流的增加，焊點周圍發(fā)烏現(xiàn)象越來越嚴重。當電流達到400 A時銅線表面開始出現(xiàn)熔化。進一步增加電流至410 A，銅線熔化嚴重，同時發(fā)生嚴重的電極粘連現(xiàn)象。

圖10 不同焊接電流下的接頭外觀

由圖7~圖9可知，隨著焊接電流的增大，接頭拉斷力、焊點寬度和焊點長度有不同的變化規(guī)律。在此做出如下分析：

（1）由圖 7可知，焊接電流從 365～395 A，接頭拉斷力是不斷增大的，并在395 A時達到最大值。這是因為隨著焊接電流的增加，焊接熱量也逐漸增大，使得銅線與銅箔的鍵合強度增強，從而增大接頭拉斷力。而繼續(xù)增加電流，接頭拉斷力反而減小了。電流為400A時，每個點的數(shù)據(jù)普遍比電流為395 A時的小，還有兩個數(shù)值較小的點，查看試驗記錄，發(fā)現(xiàn)這兩個點的樣品的銅線出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。

研究認為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象與鍵合強度和線材熱影響區(qū)軟化之間的競爭有關[6]。接頭拉斷力可以表示為

式中 F為接頭拉斷力；σ為鍵合強度；A為鍵合面積。

當電流較小時，鍵合強度較低，接頭從界面斷裂；隨著電流的上升，鍵合強度增加（焊接熱量增大使接頭結(jié)合更緊密）或者鍵合面積增加（焊點寬度的增加），接頭拉斷力逐漸增大，同時銅線靠近接頭趾部的熱影響區(qū)由于退火軟化作用，其拉伸強度會不斷下降，當鍵合強度大于拉伸強度時，接頭失效模式從界面斷裂變?yōu)榫€材斷裂。進一步增加焊接電流，銅線軟化程度加劇，雖然鍵合強度還在繼續(xù)增強，但銅線的拉伸強度繼續(xù)下降，導致接頭拉斷力反而下降，這也就解釋了出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因。

從圖7可以看到，焊接電流為405A和410A時，分別有一個較小值的點，試驗測得值分別為0.5077N和0.2322N，查看試驗記錄發(fā)現(xiàn)，這兩個樣品都出現(xiàn)了電極粘連現(xiàn)象（見圖10f），此時銅線已經(jīng)壓得很薄，如果拿樣品測試時銅線有徑向晃動，接頭容易松脫，這兩個點可能是因為測試時接頭已有破壞，導致測得的接頭拉斷力值很小。

另外，從圖7中還可看到，焊接電流為410 A時，大部分拉斷力值比焊接電流為395 A的測得值還要高一些，似乎與線材軟化理論相矛盾。查看試驗記錄，發(fā)現(xiàn)焊接電流為410 A時的樣品都發(fā)生了嚴重的電極粘連現(xiàn)象。在做拉力試驗時觀察到，發(fā)生電極粘連的樣品均是分段拉開的，圖11為其中一個樣品的力和位移關系圖。此時，起主要作用是鍵合強度，銅線在接頭趾部的熱影響區(qū)也與銅箔緊密鍵合，圖上一小段下降的曲線便是銅線在接頭趾部的熱影響區(qū)連接松開了，此時焊點并未全部拉開，焊點連接部分繼續(xù)由鍵合強度在起作用，而隨著電流的增加，鍵合強度是在不斷增強的，所以出現(xiàn)了接頭拉斷力反而增大的現(xiàn)象，與之前的理論并不矛盾。雖然接頭拉斷力有所增大，但發(fā)生電極粘連現(xiàn)象時，表面發(fā)烏嚴重，外觀質(zhì)量差，由于接合部分過薄，容易碰掉，接頭質(zhì)量很不穩(wěn)定，并且電極損耗大，嚴重縮短電極壽命，實際生產(chǎn)中應避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

圖11 接頭拉斷力和位移關系

（2）由圖8可以看到，隨著焊接電流的增加，焊點寬度呈指數(shù)級增大。從焊接熱量公式來解釋，即

式中 Q為產(chǎn)熱量；I為焊接電流；R為電阻；t為焊接時間。

電阻基本不變，焊接時間已固定，所以影響熱量的主要因素是焊接電流。由于焊接產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，隨著熱量的迅速增大，銅線軟化加劇，電極壓力更易使銅線擠壓變形，所以呈現(xiàn)出焊點寬度迅速增大的趨勢。

當電流達到400 A時，開始出現(xiàn)銅線熔化現(xiàn)象，焊點寬度增大不明顯。對比405A和410A的數(shù)據(jù)可以看到，焊點寬度已無明顯增長。需要說明的是，銅線熔化現(xiàn)象在電子元器件焊接時是不被允許的，因為銅線熔化往往會伴隨著飛濺，這對電子元器件的性能將有較大的影響。因此，在焊接過程中應嚴格控制焊接電流的大小，避免過熱導致銅線熔化。

需要指出的是，試驗結(jié)果中沒有給出焊接電流為410 A時的焊點寬度數(shù)據(jù)，因為在這組參數(shù)下，全部樣品都出現(xiàn)電極粘連現(xiàn)象（見圖10f），銅線熔化嚴重，測量焊點寬度已無意義。

由圖9可知，焊接電流的增大對焊點長度的影響不明顯，這是因為線材的軸向約束作用使其不能向線材軸向擴張，其值的大小主要由電極尖端的尺寸決定；而電流大于390 A后，焊點長度有小幅增大，這是因為焊接熱量增大，線材軟化增強導致的。

接頭質(zhì)量是通過接頭抗拉強度和外觀質(zhì)量綜合決定的，生產(chǎn)中希望接頭抗拉強度越大越好，同時又要求外觀質(zhì)量良好。從本試驗數(shù)據(jù)看，電流為385~395A時，接頭拉斷力分別為1.181 28 N、1.19204N、1.274 72 N，相當于漆包線自身最大拉斷力（2 N）的60%，這在電子元器件的生產(chǎn)中是滿足要求的，同時它們的焊點寬度分別為 207.054 μm、221.938 μm、239.56 μm，相當于漆包線自身線徑的2.1~2.4倍，并且焊點未出現(xiàn)銅線熔化、電極粘連等焊接缺陷。生產(chǎn)中希望能迅速判斷焊點質(zhì)量的好壞，通過焊點寬度的大小能夠快速反映出所需信息，這對生產(chǎn)有重要的指導意義。

3 結(jié)論

（1）隨著焊接電流的增大，接頭抗拉強度不斷增強，在395 A時達到最大值；繼續(xù)增大電流，由于線材熱影響區(qū)軟化的原因，接頭抗拉強度變?nèi)?。當電流增加?10 A時，發(fā)生嚴重的電極粘連現(xiàn)象。

（2）焊接電流較小時，接頭失效形式是接合界面斷裂；當電流大于385 A時，接頭失效形式是線材斷裂。

（3）銅線開始出現(xiàn)熔化現(xiàn)象前，焊點寬度隨焊接電流的增加呈指數(shù)增大；銅線出現(xiàn)熔化現(xiàn)象后，焊點寬度無明顯增長。

（4）焊點長度主要由電極尖端尺寸決定，焊接電流的變化對其影響較小。

（5）本試驗條件下，適宜選取的電流為385~395 A，395 A為最佳值，其接頭拉斷力為1.274 7 N，焊點寬度為239.56 μm。

[1]李遠波，楊仕桐，郭鐘寧.基于SOC的精密軟開關逆變點焊電源[J].電力電子技術，2010，44（2）：74-76.

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