橋絲式電火工品錫焊工藝分析與研究

吳濤

摘 要：本文通過分析釬焊機(jī)理與條件、錫鉛釬料的特性，提出橋絲式電火工品的使用溫度、電極材料、焊接質(zhì)量、發(fā)火電流是選擇錫鉛釬料的依據(jù)；提高焊接母材的可焊性、控制焊接溫度和時(shí)間、保證焊接部位清潔是提高橋絲式電火工品焊接質(zhì)量的工藝措施。

關(guān)鍵詞：釬焊；錫鉛釬料；焊接質(zhì)量

0 引言

橋絲是橋絲式電火工品的能量轉(zhuǎn)換元件，將它焊接在兩電極間形成一定的電阻，成為具有能量轉(zhuǎn)換功能的部件。當(dāng)電流通過這個(gè)部件時(shí)，電能轉(zhuǎn)換成熱能加熱周圍的點(diǎn)火藥以達(dá)到完成火工品功能的目的。目前錫焊是60%橋絲式電火工品選擇的連接方法，在錫焊中，連接處常常會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，包括氣孔、裂紋、虛焊、夾渣和溶蝕等等。缺陷的存在給火工品的質(zhì)量一致性帶來了不利影響，給火工品的可靠性帶來了隱患。釬焊時(shí)可使用的釬料是多樣的，不同的錫鉛釬料有不同的特性，適用于不同的火工品。

1 釬焊機(jī)理與條件

釬焊方式的利用，對于焊接對象有著嚴(yán)格的要求，如果焊件熔點(diǎn)低的金屬材料的話，往往需要對于焊件和焊料進(jìn)行加熱處理，在液態(tài)焊料潤濕的同時(shí)，使得其與被焊物之間發(fā)生擴(kuò)散效應(yīng)，并且最終達(dá)到連接的目的。釬焊根據(jù)使用焊料熔點(diǎn)的不同又可分為硬釬焊和軟釬焊。使用焊料的熔點(diǎn)高于450℃的焊接稱硬釬焊；使用焊料的熔點(diǎn)低于450℃的焊接稱軟釬焊。部分電火工品裝配工藝中所謂的“焊接”，嚴(yán)格來講，可以將其歸結(jié)為軟釬焊的類別中去，一般都是使用低熔點(diǎn)的合金材料作為焊料。

2 釬焊機(jī)理

釬焊的過程是將焊料、焊件、焊劑在錫焊熱的作用下所發(fā)生的相互間物理—化學(xué)作用的過程。整個(gè)工藝過程是緊密聯(lián)系在一起的，其機(jī)理就是焊件通過焊料結(jié)合起來的物理—化學(xué)過程。

2.1 浸潤

釬焊第一個(gè)階段就是熔化的焊料在固體金屬表面充分漫流后，產(chǎn)生潤濕，稱浸潤。

干凈清潔的金屬表面看來是光滑的，實(shí)際上用顯微鏡可以看出表面上有很多的凹凸不平的晶粒界面和傷痕。熔融的焊料沿著凹凸與傷痕就產(chǎn)生了毛細(xì)管力，引起潤濕漫流。焊劑的作用是用于溶解氧化物，或者生成氫氣、水蒸氣和其它化合物，清潔并活化固體表面，減少熔融焊料金屬表面張力，進(jìn)一步改善熔融金屬對固體金屬表面的潤濕和親合性。在錫焊中，焊件與熔融狀態(tài)的焊料的接觸角度可以表示潤濕與否和潤濕的好壞。一般把此接觸角度稱為潤濕角，用“ σ ”表示，見圖1所示。σ小于 90°，一般取在 20°左右，稱為潤濕良好，錫焊性能好。σ大于 90°和σ等于 90°稱為不潤濕或潤濕不足，焊料容易被清除掉而不留痕跡。在錫焊前常用焊料金屬潤濕焊件金屬表面，預(yù)涂錫可以使焊件表面獲得保護(hù)膜，使錫焊時(shí)兩個(gè)相鄰錫焊面更牢固的結(jié)合。

2.2 擴(kuò)散作用和合金效應(yīng)

浸潤現(xiàn)象同時(shí)產(chǎn)生的還有焊料對固體金屬的擴(kuò)散作用，在固體金屬和焊料的邊界形成一層金屬化合物層，即合金層。其成分和厚度取決于焊件、焊料之間的金屬性質(zhì)，焊劑的物理化學(xué)性質(zhì)，錫焊的工藝條件，這里工藝條件指的是釬焊溫度、時(shí)間、釬焊界面壓力等。由于擴(kuò)散作用形成合金層的物理化學(xué)過程，稱為合金效應(yīng)。如果是錫焊銅，其界面合金層為 Cu 6 Sn 5、Cu 3 Sn、Cu 31 Sn 8，厚度為 3～10μm。理想的焊錫接頭，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)該有極薄而比較嚴(yán)密的合金層，否則出現(xiàn)虛焊、假焊現(xiàn)象。

3 釬焊的條件

3.1 焊件必須具有充分的可焊性

并非所有的金屬都具有良好的可焊性，如鉻、鉬、鎢等?？珊感苑浅２?，即使一些容易焊的金屬，如紫銅、黃銅等，因?yàn)楸砻嫒菀桩a(chǎn)生氧化膜，為了規(guī)避焊接過程中可能出現(xiàn)的問題，使得其可焊性得以提升，就采用了表面鍍錫或者鍍銀的方式來處理。

3.2 釬焊表面清潔

進(jìn)行釬焊前，焊件表面的任何油污，雜質(zhì)和氧化膜必須清除，否則難以保證焊接質(zhì)量。

3.3 采用合適的焊劑

焊劑的作用是清除焊件表面的氧化膜并且減小焊料融化后的表面張力，以利潤濕。不同焊件、不同錫焊工藝選擇不同的焊劑，如鎳鉻合金、不銹鋼、鋁等材料，沒有專用的特殊焊劑是很難實(shí)現(xiàn)錫焊的。

3.4 加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?/p>

加熱過程中，不但將焊錫加熱熔化，而且將焊件加熱到熔化焊錫的溫度。只有在足夠高的溫度下（手工烙鐵錫焊溫度 280～360℃），焊料才能充分浸潤，并充分?jǐn)U散形成合金結(jié)合層。但是也需要看到的是溫度如果超過一定范圍，就會(huì)對其造成負(fù)面影響。理論上來講，焊錫的最佳溫度為250±5℃，最低也不得低于240℃，如果低于這個(gè)水平，就會(huì)出現(xiàn)冷焊點(diǎn)的情況，但是如果高于260℃的話，就會(huì)對于焊點(diǎn)的質(zhì)量造成負(fù)面影響。

4 錫鉛釬料的特性

釬料是易熔金屬，熔點(diǎn)應(yīng)低于被焊金屬。釬料熔化時(shí)，在被焊金屬表面形成合金而與被焊金屬連接到一起，目前電火工品裝配中主要使用錫鉛釬料，也稱焊錫。錫鉛釬料（錫與鉛熔合成合金）具有以下優(yōu)點(diǎn)：熔點(diǎn)低，有利于錫焊；提高機(jī)械強(qiáng)度；表面張力小，粘度下降，增大了液態(tài)流動(dòng)性；抗氧化性好；價(jià)格低廉。

4.1 錫、鉛合金的狀態(tài)曲線

圖2是錫、鉛合金的狀態(tài)圖，表示了錫鉛合金的熔化溫度隨著錫鉛的含量而變化的情況。橫坐標(biāo)是錫鉛合金質(zhì)量的百分比，縱坐標(biāo)是溫度。從圖中可以看出，只有純鉛（A點(diǎn)），純錫（C點(diǎn)），易熔合金（B點(diǎn)）是在單一溫度下熔化的，其他配比構(gòu)成則是在一個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)熔化的，A-B-C是液相線，A-D-B-E-C是一個(gè)固相線。兩個(gè)溫度區(qū)域之間的是半液體區(qū)，釬料呈稠糊狀。在B點(diǎn)合金不呈半液體狀態(tài)，可以由固體直接變成液體，B點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)。按共晶點(diǎn)的配比配制的合金稱為共晶合金。錫鉛合金焊錫的共晶點(diǎn)配比為錫63%鉛37%，這種焊錫稱為共晶焊錫，熔化溫度為183℃。

4.2 錫鉛合金的特性

錫基釬料在低溫時(shí)，錫發(fā)生同素異形變化，錫的結(jié)晶點(diǎn)陣重新排列，原子之間的空隙加大，形成一種新的結(jié)晶形態(tài)，即灰錫，灰錫已失去了金屬特性，產(chǎn)生脆性，導(dǎo)電性變差。其變化速度在-45℃時(shí)最快，所以錫基釬料不適用于低溫。

錫基釬料在高溫時(shí)蠕變特性顯著，錫釬釬料在共晶合金附近強(qiáng)度和硬度最高，其導(dǎo)電率隨著含鉛量的增大而降低。

4.3 錫鉛釬料與被焊金屬的關(guān)系

對于焊件和焊料進(jìn)行加熱處理，在液態(tài)焊料潤濕的同時(shí)，使得其與被焊物之間發(fā)生擴(kuò)散效應(yīng)，并且最終達(dá)到連接的目的。這就是釬焊的原理。在擴(kuò)散效應(yīng)發(fā)揮的過程中，錫原子和被焊金屬之間會(huì)慢慢形成合金層，這就起到了焊接的目的。以錫鉛焊料焊接銅件為例。在低溫（250～300℃）條件下，銅和焊錫的界面就會(huì)生成Cu3Sn和Cu6Sn5。若溫度超過300℃，除生成這些合金外，還要生成Cu31Sn8等金屬間化合物。在溫度適當(dāng)時(shí)，焊接會(huì)生成Cu3Sn，Cu6Sn5，當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)生成Cu31Sn8等其他合金。這是由于溫度過高而使銅熔進(jìn)過多，這對焊接部位的物理特性、化學(xué)性質(zhì)尤其對機(jī)械特性及耐腐蝕性等有很大影響。

圖3是錫鉛釬料中各種金屬的溶解速度。在焊接的溫度范圍內(nèi)，在錫鉛釬料中金的溶解速度最快，其次是銀。隨著溫度增高溶解速度增大。

5 錫鉛釬料在電火工品中的選擇原則

5.1 根據(jù)火工品使用溫度進(jìn)行選擇

武器系統(tǒng)根據(jù)使用條件都會(huì)給火工品提出使用溫度要求，作為電火工品組成的一部分，錫鉛釬料也必須滿足火工品使用溫度。由于錫基釬料的溫度敏感性，錫基釬料適用的使用溫度在-45～100℃，那么使用溫度在-45～100℃的電火工品可選用錫鉛釬料來焊接。在不考慮其他的條件下，盡可能選擇含錫量較低的錫鉛釬料。

5.2 根據(jù)火工品的電極材料來進(jìn)行選擇

電火工品常用電極有銅鍍錫、不銹鋼鍍金、銀等。根據(jù)各種金屬在熔融錫鉛釬料中的溶解速度，電極為銀的火工品不能直接采用錫鉛二元釬料來焊接，可采用加銀的錫鉛釬料來焊接或?qū)y電極進(jìn)行鍍錫處理。電極為不銹鋼鍍金的火工品盡可能采用熔點(diǎn)溫度低的錫鉛釬料來焊接并且焊接時(shí)間要短。電極為銅鍍錫的火工品可用錫鉛釬料焊接。

5.3 根據(jù)焊接質(zhì)量來選擇

當(dāng)錫的含量高于63%，熔化溫度升高，強(qiáng)度降低。當(dāng)錫的含量少于10%時(shí)，焊接強(qiáng)度差，接頭發(fā)脆，釬料潤滑能力變差。最理想的是共晶焊錫。在共晶溫度下，焊錫由固體直接變成液體，無須經(jīng)過半液體狀態(tài)。理論上來講，共晶焊錫的熔化溫度要低于非共晶焊錫，也就說在焊接的時(shí)候往往不需要太多的焊接材料，也避免出現(xiàn)各種虛焊的情況。因此，為了保證實(shí)際焊接的質(zhì)量，最好還是選擇共晶焊錫的方式。

5.4 根據(jù)火工品的發(fā)火電流來選擇

因?yàn)殂~有著較高的導(dǎo)電率，其作為焊接操作的時(shí)候，容易出現(xiàn)問題，而錫鉛合金到店能錄很差，可以規(guī)避這樣的風(fēng)險(xiǎn)。至于焊點(diǎn)的電阻，其與電阻率，焊點(diǎn)形狀，焊點(diǎn)面積都有著很大的關(guān)聯(lián)。焊點(diǎn)如有空洞，深孔等缺陷，電阻就要明顯變大。在室溫下，一般一個(gè)焊點(diǎn)的電阻通常在1～10mΩ之間。當(dāng)有大電流流過焊接部位時(shí)，就必須考慮其壓降和發(fā)熱。因此，對大電流發(fā)火的電火工品，應(yīng)選擇導(dǎo)電率較低的錫鉛釬料。

6 提高焊接質(zhì)量工藝措施

6.1 提高焊接母材的可焊性

所謂可焊性，在液態(tài)焊料與母材之間實(shí)現(xiàn)溶解的過程中，其相互溶解的程度。理論上，兩種補(bǔ)貼金屬的相互溶解的程度取決于原子半徑，元素周期表中的位置，晶體類型3個(gè)要素。對于錫鉛焊料來說，其與大多數(shù)的金屬材料都是可以實(shí)現(xiàn)溶解的，并且其溶解程度還比較理想。從這個(gè)角度來講，為了保證可焊性，采用表面鍍錫或者鍍銀的方式去處理，是很明智的選擇。

6.2 控制焊接溫度和時(shí)間

根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)的積累，認(rèn)為焊錫的最佳溫度為250±5℃，最低也不得低于240℃，如果低于這個(gè)水平，就會(huì)出現(xiàn)冷焊點(diǎn)的情況，但是如果高于260℃的話，就會(huì)對于焊點(diǎn)的質(zhì)量造成負(fù)面影響。從焊點(diǎn)表面看，過熱或時(shí)間過長會(huì)使焊料表面失去特有的金屬光澤，而使焊點(diǎn)呈灰白色，形成顆粒狀的外觀。同時(shí)，靠近合金層的焊料層，其成分發(fā)生變化，也會(huì)使焊料失去結(jié)合作用，從而使焊點(diǎn)喪失機(jī)械，電氣性能。正確的焊接時(shí)間為2～5s，且一次焊成。切忌時(shí)間過長和反復(fù)修補(bǔ)。

6.3 保證焊接部位清潔

保證良好的焊接環(huán)境，主要是處理好焊料和母材表面的清潔工作，不得有演化成，不得有污染。這是因?yàn)槿绻附迎h(huán)境不好的話，焊接部位存在污垢，就會(huì)使得金屬原子出現(xiàn)自由擴(kuò)散的情況，就難以達(dá)到對應(yīng)的潤濕效應(yīng)了，也就會(huì)影響到焊接的質(zhì)量。

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（作者單位：海軍裝備部西安地區(qū)軍事代表局）