鉑電阻傳感器引線與不等直徑異質多股導線連接新技術及焊接裝置

（南昌航空大學 焊接工程系，南昌 330063）

航空傳感元器件是飛機控制系統(tǒng)中的重要零件，其制造需要將鉑電阻引線（直徑為0.2 mm左右的微細絲）與多股導線焊接在一起，對接頭的焊接質量要求很高，但是多股導線與微細絲直徑差異大，所用材料為異種，微細絲極易受熱軟化，傳統(tǒng)焊接方法難以保證焊接質量。其中，鉑電阻引線的材料為直徑 0.2 mm的鎳/銀絲，多股導線的材料為直徑約0.5 mm的表面鍍鎳銅絲，20股。焊后接頭最大直徑要求小于0.8 mm，強度達到母材的80%。

目前，對此類零件的連接以釬焊為主，主要采用火焰釬焊及電阻釬焊等方法，火焰釬焊以人工操作為主，對焊工的水平和經(jīng)驗要求較高，且人工操作無法在保證釬著率的同時嚴格控制接頭熱輸入，焊接結果的重復性較差。常規(guī)電阻釬焊中，由于毛細作用，釬料優(yōu)先浸潤于多股導線自身間隙中，微細絲與多股導線之間的釬料浸潤不佳，通過增加釬料量的方法提高焊接熱輸入，微細絲在焊接過程中受熱增多，軟化加重，焊縫性能不佳，因此，文中開發(fā)了一種能實現(xiàn)多股導線與微細絲穩(wěn)定、可靠連接的新方法及相關裝置，主要研究航空傳感元器件中鉑電阻引線與導線的連接問題。

1 實驗

1.1 裝置

焊接過程中采用的微細絲和多股線焊接的配套夾具裝置見圖1，該裝置包括滑臺底座、直線導軌、滑塊，左/右電極座上均設置電極，電極上連接開設有線槽的蓋板，左/右電極座上的電極之間夾固有石墨電極，石墨電極上設有線槽，蓋板的線槽上方均設置有固定部件。旋轉旋鈕 28可移動滑臺 8，進而裝卸石墨塊。導電銅板上加工有尺寸合適的V形槽（29及 30），以方便放置焊接材料，利用壓爪 15固定絲材?？烧{整位置的放大鏡24可以輔助工人焊接時進行觀察，非導電的塑料墊板4和8可以幫助電流僅在此裝置中通過導電銅板9和6以及石墨體5。

圖1 釬焊裝夾工裝Fig.1 Fixture of brazing

該夾具裝置的使用方法如下。

1)焊接前對位置進行調整，調整第二x向滑塊26和第一x向滑塊27的位置，從而調整由第二x向滑塊26和第一x向滑塊27上的電極夾固的石墨電極5的位置，保證電阻焊機的上電極和石墨電極5在x方向上對齊；將放大鏡組件調整到石墨電極 5的上方，沿著y直線導軌11手動調節(jié)x滑臺底座12，將石墨電極5調整到放大鏡組件的觀測區(qū)域位置，用鑷子夾取釬料片放在第三線槽31里，然后在第三線槽31內依次放入細絲和多股線，同時調整多股線和細絲，將非焊接部分的多股線和細絲分別放置在第一線29槽、第二線槽30內，使用固定部件將第一線槽29、第二線槽30內的多股線和細絲固定。

2)移開放大鏡組件，將電阻焊機的正、負電極分別接入所述左電極、右電極中的電極孔中，調節(jié)x滑臺底座 12，使電阻焊機的上電極在下壓后剛好對準石墨電極5，當觸發(fā)電阻焊機焊接按鈕時，上電極下壓在石墨電極5上，防止多股線和細絲在焊接時位置移動。

3)焊接時電流從左電極流過石墨電極5，石墨電極5發(fā)熱，熔化釬料，完成多股線與細絲的釬焊，焊接完成后，松開固定部件，取出零件。

4)多次焊接后若石墨電極 5受到損傷，擰松鎖緊螺栓28，更換石墨電極5。

本裝置和及裝置使用方法中的“上電極”，不同于傳統(tǒng)電阻電焊中的上電極，本發(fā)明中采用平行電極，使得電流從左（右）電極流到右（左）電極，流過石墨電極5時，石墨電極5發(fā)熱完成電阻釬焊，電流不會通過上電極，上電極只起到一個壓緊作用，即在觸發(fā)焊接按鈕時，上電極下壓到石墨電極5上，保證第三線槽31里的細絲和多股線在焊接時不會從槽里出來，且相對位置不發(fā)生變化。

1.2 實驗過程

實驗材料選取尺寸0.1 mm×0.4 mm×4 mm的固態(tài)銀基釬料片，牌號 QJ101的液態(tài)釬劑，總直徑450～1500 μm的多股銅導線（其中，單股銅導線直徑30～50 μm，數(shù)量 15～30 股），直徑 100～300 μm 的鎳絲。

多股導線與釬料在凹槽內位置關系的橫截面示意圖見圖 2a。可知，多股導線材料為銅合金，單股絲直徑為40 μm，股數(shù)約為20。首先用剝線鉗去除多股導線待焊端部絕緣皮，導線端部剝皮部分控制在4 mm。釬料選用銀基釬料片，厚度為0.1 mm，用美工刀裁制成0.4 mm×4 mm尺寸。采用丙酮將微細絲和處理好的多股導線、釬料放入超聲波清洗池中清洗，清洗完成后晾干。將焊接電源的輸出端子臺正極用導線連接至第一導電銅板，輸出端子臺負極連接至第二導電銅板，將帶槽石墨塊放置在兩導電銅板之間，旋緊緊定旋鈕確保帶槽石墨塊與兩導電銅板接觸良好。取一片裁制好的釬料片平放在帶槽石墨塊的凹槽中，滴入少許釬劑，將多股導線的待焊處平放在帶槽石墨塊中。設置焊接電流為0.70 kA，焊接時間為0.5 s，焊接壓力為 20 N，施加焊接信號，電流經(jīng)第一導電銅板傳遞至帶槽石墨塊，帶槽石墨塊的體電阻熱使釬料熔化，多股導線內部間隙被釬料填充，留待備用，通過上述操作得到浸潤后的多股導線。

浸潤后的多股導線與微細絲在凹槽內位置關系的橫截面示意圖見圖 2b?？芍∫黄弥坪玫拟F料片平放在帶槽石墨塊的凹槽中，滴入少許釬劑，將微細絲放置在帶槽石墨塊的凹槽中，微細絲材料為純鎳，材料狀態(tài)為硬態(tài)，直徑為200 μm，抗拉力為25 N。將經(jīng)釬料浸潤后的多股導線放置在帶槽石墨塊的凹槽中，施加焊接信號，釬料受熱熔化后包裹住微細絲和經(jīng)釬料浸潤后的多股導線，完成焊接。

圖2 橫截面示意圖Fig.2 Cross section diagram

采用相同的實驗材料，按照常規(guī)電阻釬焊的步驟完成多股導線與微細絲的焊接。在上述電阻釬焊實驗基礎上開展焊接工藝實驗，研究預熱電流、焊接電流、緩升時間、預熱時間、冷卻時間、焊接時間等工藝參數(shù)對焊接成形的影響，并依據(jù)焊接接頭直徑、焊接接頭外觀質量對工藝參數(shù)進行調整，得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)。優(yōu)化后的精密電阻釬焊工藝參數(shù)見表1，優(yōu)化后的常規(guī)電阻釬焊工藝參數(shù)見表2。

用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行實驗，進行常規(guī)電阻釬焊與改良后的精密電阻釬焊對比實驗，并進行工藝研究、焊接接頭力學性能研究、焊接接頭微觀組織結構分析。

表1 優(yōu)化后的精密電阻釬焊工藝參數(shù)Tab.1 Precision resistance brazing process parameters after optimization

表2 優(yōu)化后的常規(guī)電阻釬焊工藝參數(shù)Tab.2 Conventional resistance brazing process parameters after optimization

2 結果與分析

2.1 成形對比

精密電阻釬焊新方法與常規(guī)電阻釬焊結果對比，外觀成形中常規(guī)電阻釬焊引線（見圖 3a）未被完全包裹，釬料填充不飽滿，成形差；改良后（見圖3b）熱影響區(qū)被釬料包裹，減小了應力趨勢、釬料填充飽滿、成形好。

圖3 引線外觀成形對比Fig.3 Comparison of lead appearance forming

2.2 工藝研究

常規(guī)電阻釬焊焊接時（見圖4a），上電極向下壓，壓緊待焊的多股導線和鉑電極引線，電流通過待焊的多股導線和鉑電極引線，此時，電阻生熱源有鉑電阻引線、多股導線、釬料片以及上下電極各接觸面的接觸電阻產(chǎn)生的接觸電阻熱與鉑電阻引線、多股導線、釬料片的自身電阻所產(chǎn)生的體電阻熱。改進后的精密電阻釬焊見圖 4b，待焊的鉑電阻引線和多股導線以及釬料置于帶槽石墨塊的槽中，上電極向下壓，輸出焊接信號，電流通過左導電銅板流經(jīng)石墨體向右導電銅板，此時，由于石墨體的電阻遠大于其他電阻，焊接生熱源以石墨體電阻發(fā)熱為主。焊接時，石墨體像是一個加熱槽，而待焊材料自身體電阻不發(fā)熱，僅受熱，可以通過進一步的工藝優(yōu)化減少鉑電極引線的受熱量。

圖4 焊接受熱對比分析Fig.4 Comparative analysis of welding heating

2.3 焊接接頭力學性能研究

焊接接頭力學性能研究中采用精密拉伸實驗機對采用不同工藝下獲得的焊接接頭進行拉剪力測試，研究兩種方法對接頭拉剪力的影響。

拉剪力實驗中，常規(guī)電阻釬焊接頭斷裂位于微細絲熱影響區(qū)，平均抗拉力為21 N，強度系數(shù)為84%，但焊接質量不穩(wěn)定；與之對比精密電阻釬焊，斷裂位于微細絲熱影響區(qū)，平均抗拉力達到 23 N，強度系數(shù)為92%，且焊接質量穩(wěn)定，效率高。

2.4 焊接接頭微觀組織結構分析

用常規(guī)電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結構見圖5，可見，由于熱輸入量大，鉑電阻引線存在明顯軟化現(xiàn)象，并且因為毛細作用，使得多股導線內部間隙無法被釬料填充完整。

用精密電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結構見圖6，可見，第1步的釬料熔化浸潤以填充多股導線間隙，以避免毛細作用所導致釬縫填充不佳的問題。在這一步中，鉑電阻引線不參與焊接，以減少其受熱軟化的程度。第2步再次加熱后，銅絲受熔蝕影響，但多股導線性能依然強于鉑電阻引線，與之形成對比的是，鉑電阻引線因只在第2次釬焊時加入，所以僅受熱一次，鉑電阻引線整體形貌完整，與釬料潤濕很好。

圖5 用常規(guī)電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結構Fig.5 Microstructure of welding joint obtained by conventional resistance brazing

圖6 用精密電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結構Fig.6 Microstructure of welded joint obtained by precise resistance brazing

3 結論

1)采用平行電極的思路，將帶定形槽的石墨塊放置在兩導電銅板的中央，通過焊接電源對帶槽石墨塊進行通電加熱，將位于凹槽中的釬料熔化以實現(xiàn)鉑電阻引線與多股導線的可靠連接，獲得了成形美觀、尺寸大小合適、力學性能優(yōu)良的釬焊接頭。

2)設計了適用于微細絲和不等直徑多股導線電阻釬焊的夾具裝置，裝置結構簡單，操作方便，裝夾可靠，提高了接頭質量穩(wěn)定性與焊接效率。采用這種方法及裝置，解決了實際生產(chǎn)所應用的火焰釬焊方法對焊工操作水平要求高，而且焊接質量不穩(wěn)定的問題。

3)開發(fā)的方法操作簡單，所得接頭釬料填充飽滿，接頭性能優(yōu)于常規(guī)電阻釬焊接頭，釬料均勻浸潤微細絲和多股導線，避免了常規(guī)釬焊多股導線與微細絲時釬料由于毛細作用主要浸入多股導線間隙，導致微細絲與釬料、多股導線與釬料之間存在間隙的問題。采用開發(fā)的連接方法和裝置可實現(xiàn)飛機飛控系統(tǒng)中鉑電阻鎳基引線和多股銅線的良好連接，可滿足產(chǎn)品尺寸、外觀、性能及穩(wěn)定性等要求。連接方法和專用裝置可以用于電子行業(yè)、電器行業(yè)中微細絲之間的連接。