密集型母線銅排冷壓接分支技術(shù)研究

李 飛

(鎮(zhèn)江西門子母線有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212200)

密集型母線銅排冷壓接分支技術(shù)研究

李 飛

(鎮(zhèn)江西門子母線有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212200)

利用銅排硬化工藝，加工硬度高于普通T2銅的專用樁頭，用壓機(jī)將樁頭與銅排本體壓接為一體，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體分接的功能。鎮(zhèn)江西門子母線有限公司和中科院沈陽金屬所合作研究硬化樁頭在導(dǎo)電能力、機(jī)械強(qiáng)度等方面與焊接工藝的差異，為進(jìn)一步應(yīng)用于母線工業(yè)生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。

高硬度；冷壓接；紅外成像；載荷位移

傳統(tǒng)的密集型母線分接單元的連接技術(shù)一般包括焊接樁頭插接和本體拍彎直接插接。采用焊接樁頭插接技術(shù)，耗能較高，對(duì)操作者技能要求高，容易出現(xiàn)焊接缺陷，如漏焊、氣孔等；而采用本體拍彎直接插接技術(shù)，使得在插口處母線由密集型變成了空氣絕緣型結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了母線阻抗增大。

本文采用冷壓接工藝，通過增大分支銅母排的硬度，將分支母排用壓機(jī)壓入母排本體，實(shí)現(xiàn)分接的功能[1]。采用該工藝方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)不用額外焊劑，無污染，壓接過程中壓力是唯一的外加能量，不需加熱、填料，不會(huì)引入其他雜質(zhì)[2]；2)通過特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合面呈現(xiàn)復(fù)雜的峰谷和犬牙交錯(cuò)的空間形態(tài)，接觸面大，所以接頭的導(dǎo)電性優(yōu)良；3)使用設(shè)備簡(jiǎn)單，節(jié)省能源，易于操作和自動(dòng)化，壓接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，成本低；4)銅排組織部不會(huì)由于焊接產(chǎn)生的大量熱量發(fā)生再結(jié)晶和軟化、退火現(xiàn)象，力學(xué)性能不會(huì)降低。

1 銅排壓接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

銅排壓接示意圖如圖1所示。銅排分支和銅排本體之間采用過盈配合，銅排分支采用了特殊的軋制工藝，硬度較普通銅排高40%～60%，能夠很好地保證分支端部鋸齒壓入母排本體，增加了有效結(jié)合面積。

圖1 銅排壓接示意圖

為對(duì)比研究焊接與插接銅排分支引入的雜質(zhì)元素對(duì)其導(dǎo)電性的影響，對(duì)壓接插件、焊接插件及焊接接口分別做成分分析[3]。結(jié)果表明，銅排及壓接與焊接銅排分支純度分別為99.96%、99.97%和99.95%。對(duì)其進(jìn)行雜質(zhì)含量分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)電阻影響較大的元素磷、砷和鐵等元素含量差別不大，但錫含量差別較大，分別為0.01%、0.02%和0.04%?？梢姌悠芳兌炔顒e不大，但焊接后其純度略有下降，特別是錫含量明顯增加。

2 溫升研究

在母線運(yùn)行過程中，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控溫升，為此筆者進(jìn)行了焊接分支和壓接分支的對(duì)比溫升試驗(yàn)。

為了更好地對(duì)比各個(gè)部位的溫升情況，使用熱成像儀(FLUKE Ti400)記錄了銅分支整體溫度分布(見圖2和圖3)。

圖2 壓接分支紅外成像 圖3 焊接分支紅外成像

通過觀察發(fā)現(xiàn)，壓接銅排分支沿接觸面有明顯的局部溫升，焊接銅排分支在中間焊點(diǎn)間的縫隙處有明顯的沿接觸面局部溫升，但壓接銅排分支的接觸面局部溫升略高。

3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

根據(jù)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的載荷變形曲線如圖4所示。由圖4可知，壓接件結(jié)合力小于焊接件，約為焊接銅排分支的55%；當(dāng)載荷>1.1 kN時(shí)，壓接銅排分支開始塑性變形。壓接與焊接銅排分支的力學(xué)性能見表1。

圖4 壓接與焊接銅排分支三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)載荷位移曲線

類別屈服載荷/kN最大載荷/kN焊接12.0>5焊接22.0>5壓接11.12.0壓接21.42.8

4 銅排分支壓接與焊接的接觸面評(píng)估

選擇2個(gè)壓接件(1#和2#)和1個(gè)焊接件進(jìn)行研究。從樣品表面下1 mm處截取樣品后進(jìn)行平面SEM觀察，以分析接觸點(diǎn)內(nèi)部接觸情況。1#壓接銅排分支接觸點(diǎn)SEM形貌如圖5a所示，觀察發(fā)現(xiàn)，在接觸點(diǎn)內(nèi)部觸頭壓入銅排，并與銅排嚴(yán)密接觸；焊接銅排分支焊接點(diǎn)的SEM形貌如圖5b所示，觀察發(fā)現(xiàn)，焊接后插件與銅排融合。

圖5 接觸點(diǎn)內(nèi)部SEM形貌圖

為了獲得樣品表面內(nèi)部的詳細(xì)接觸點(diǎn)形貌特征，對(duì)壓接及焊接的銅排分支分別在上、下表面及距離上、下表面1 mm深處進(jìn)行SEM觀察。

焊接銅排分支的SEM觀察(見圖6)表明，焊接后接觸面主要集中在左、右2個(gè)焊接點(diǎn)，并且接觸面寬度各點(diǎn)差別較大(2.5～10 mm)，明顯呈焊接面端寬、另一面窄的分布，平均每層接觸面2個(gè)焊點(diǎn)接觸長(zhǎng)度約為16.9 mm。

圖6 焊接銅排分支接觸面不同深度的SEM觀察

1#和2#壓接銅排分支接觸面的4個(gè)觀察面的SEM特征[4]分別如圖7和圖8所示。由圖7可知，8個(gè)主要接觸點(diǎn)都接觸良好，每個(gè)接觸點(diǎn)寬度為1.3～2.3 mm，平均寬度約為1.38 mm，有一個(gè)接觸點(diǎn)在內(nèi)部有裂縫，這有可能是沖壓過程中，制備的接觸齒不完整造成的，其他接觸點(diǎn)均接觸良好，基本沿厚度方向貫通。由圖8可知，8個(gè)主要接觸點(diǎn)都接觸良好，個(gè)別接觸點(diǎn)附近有裂縫，每個(gè)接觸點(diǎn)寬度為1.0～1.6 mm，平均寬度約為1.2 mm，平均每層8個(gè)接觸點(diǎn)總長(zhǎng)度約為11.1 mm。觀察發(fā)現(xiàn)，1#及2#樣品壓接后的接觸面沒有明顯的區(qū)別。

圖7 1#壓接銅排分支接觸面不同深度的SEM觀察

圖8 2#壓接銅排分支接觸面不同深度的SEM觀察

5 討論與分析

通過上述試驗(yàn)研究，對(duì)比2種樣品可知：1)壓接接觸點(diǎn)貫穿良好(見圖9a)，但個(gè)別接觸點(diǎn)有裂縫，統(tǒng)計(jì)表明，壓接后接觸面總長(zhǎng)約為11.1 mm；2)壓接銅排分支長(zhǎng)50 mm，接觸面長(zhǎng)占22.2%，而焊接后焊點(diǎn)呈焊接面寬、另一端窄的形狀(見圖9b)，統(tǒng)計(jì)表明，焊接后接觸面長(zhǎng)約16.9 mm，焊接銅排分支長(zhǎng)60 mm，接觸面長(zhǎng)約占27.5%，焊接后接觸面較寬，但差別不大，壓接件接觸電阻大于焊接件；3)在溫升試驗(yàn)中觀察到，壓接件接觸面有明顯局部較高溫升[5]。

圖9 壓接與焊接接觸面形狀示意圖

考慮雜質(zhì)元素對(duì)導(dǎo)電性的影響，根據(jù)成分分析結(jié)果可知，錫元素的含量差別最大，在含量較小時(shí)，錫元素含量對(duì)銅電學(xué)性能的影響基本呈線性規(guī)律，純銅電阻率為1.68 μΩ·cm。根據(jù)Smithells Metals Reference Book，Cu-5%Sn的電阻率為9.5 μΩ·cm，估算焊接件比壓接件電阻率高0.03%。焊口附近的整體電阻率上升導(dǎo)致焊接后電阻略高于壓接件；因此，在溫升試驗(yàn)中可以觀察到，焊口附近區(qū)域的整體溫升普遍略高(見圖3)。

6 結(jié)語

通過上述研究，得出結(jié)論如下。

1)壓接銅排分支與焊接銅排分支雜質(zhì)含量略有不同，錫含量差別較大(估算焊接件比壓接件電阻率高0.03%)，導(dǎo)致溫升試驗(yàn)中焊口附近的溫升普遍略高。

2)力學(xué)性能測(cè)試表明，壓接件結(jié)合力小于焊接件，約為焊接銅排分支的55%；當(dāng)載荷>1.1 kN時(shí)，壓接銅排分支開始塑性變形。

3)銅排分支壓接的接觸點(diǎn)接觸良好，接觸面長(zhǎng)度約為插件長(zhǎng)度的22.2%，銅排分支硬度對(duì)接觸面影響不明顯。焊接后，接觸面長(zhǎng)度約為插件長(zhǎng)度的27.5%，焊接后接觸面略寬，二者差別不大；壓接件的接觸面電阻高于焊接件接觸電阻，導(dǎo)致壓接件接觸面在溫升試驗(yàn)中沿接觸面局部出現(xiàn)較高溫升。

[1] 亢世江，呂玉坤，陸軍芳. 金屬冷壓焊結(jié)合機(jī)理的試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1999(2)：36-39.

[2] 白海明，亢世江，王海龍，等.冷壓焊接頭形式及其連接性能研究[C]∥創(chuàng)新裝備技術(shù)給力地方經(jīng)濟(jì)——第三屆全國(guó)地方機(jī)械工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)暨海峽兩岸機(jī)械科技論壇論文集. 三亞：海南省機(jī)械工程學(xué)會(huì)，2013.

[3] 郝長(zhǎng)嶺，亢世江，陳學(xué)廣.不斷發(fā)展的固態(tài)焊接技術(shù)[J]. 焊接技術(shù)，2002(10)：18-20.

[4] 李云濤，杜則裕，馬成勇.金屬冷壓焊界面結(jié)合機(jī)理探討[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(7)：516-520.

[5] Pan Q S, Lu Q H, Lu L. Fatigue behavior of columnar-grained Cu with preferentially oriented nanoscale twins[J]. Acta Materialia, 2013(61):1383-1393.

責(zé)任編輯 鄭練

Research of Copper Branch Cold Pressure Welding on Sandwich Busbar

LI Fei

(Zhenjiang Siemens Busbar Trunking Systems Co., Ltd., Zhenjiang 212200, China)

Use press machine to press the copper branch which is made with the new hardening process and harder than normal T2 into the copper bar to accomplish the tap-off function. We do the research on the difference such as conductive ability, mechanical strength between normal welding and cold pressure welding under the cooperation with the Chinese Academy of Sciences (Shenyang Metal Institute) to lay the foundation for further application in busbar industrial production.

high hardness, cold reassures welding, infrared imaging, load displacement

TG 376.3

A

李飛(1981-)，男，大學(xué)本科，主要從事機(jī)械、自動(dòng)化等方面的研究。

2016-07-26