一種塑殼斷路器動(dòng)觸頭元件焊接工藝研究

申志剛，胡均高，程 霞，王 東，何 斌，王新民

（福達(dá)合金材料股份有限公司，浙江溫州 325025）

引言

焊接觸頭元件是塑殼斷路器中最重要的接觸元件之一，其焊接質(zhì)量在很大程度上決定了電器開關(guān)的壽命，即觸頭元件故障將導(dǎo)致電氣開關(guān)壽命提前結(jié)束。通過大量電器開關(guān)失效案例分析，動(dòng)觸點(diǎn)元件故障比相對(duì)靜觸點(diǎn)元件故障比要大得多。

AgW材質(zhì)的動(dòng)觸頭在塑殼斷路器開關(guān)中較為常見，加工工藝都是采用粉末冶金方法，其具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電性、高耐磨性及高耐電弧侵蝕性能，但可焊性相對(duì)較差[1,2]。目前國內(nèi)外大多數(shù)電器開關(guān)制造企業(yè)或其配套企業(yè)在動(dòng)觸頭元件焊接時(shí)通常采用的工藝主要有電阻釬焊（石墨電極或是金屬電極）和感應(yīng)釬焊等。由于焊接熔點(diǎn)較低、填縫能力強(qiáng)、潤濕性好、接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，Ag-Cu-Zn或Ag-Cu-P被作為一般常用的釬焊材料。早些年也有不少企業(yè)采用火焰釬焊工藝，但由于其焊接效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，漸漸被其他工藝替代。

本研究的塑殼斷路器動(dòng)觸頭元件焊接工藝，是不采用任何釬料的電阻點(diǎn)焊工藝，卻同樣可以獲得良好的焊接強(qiáng)度，滿足客戶苛刻的分?jǐn)嘣囼?yàn)要求。因此，對(duì)AgW觸頭和TU2觸橋（紫銅亦可）的電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料與方法

動(dòng)觸頭材質(zhì)為AgW65，規(guī)格為5.5 mm×3 mm×2.33 mm，在觸頭熔滲后觸頭焊接面會(huì)殘留一層厚度為0.05～0.2 mm的銀層，同時(shí)觸點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)其焊接面有3個(gè)凸起的齒形，如圖1所示，其物理和力學(xué)性能列于表1。動(dòng)觸橋材質(zhì)為TU2無氧銅，狀態(tài)為Y態(tài)，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2所示。

表1 AgW65觸頭材料的物理、力學(xué)性能

表2 接觸橋的化學(xué)成分與性能

圖1 觸點(diǎn)金相照片

試驗(yàn)使用的焊接設(shè)備為165 kVA高精密逆變電阻焊機(jī)，采用的工藝為電阻點(diǎn)焊工藝，上電極材質(zhì)為CuW70，下電極材質(zhì)為鉬鋼，焊接設(shè)備采用上電極通電，下電極兩側(cè)通電的加熱方式，焊接熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

產(chǎn)品焊接前，先把上電極安裝于電阻焊機(jī)的上電極臂中，下電極安裝于下電極焊接裝置中，調(diào)好上下電極的行程，使上電極弧度與動(dòng)觸頭工作面弧度相匹配，動(dòng)觸橋與定位塊相匹配，調(diào)試好焊接參數(shù)，開始產(chǎn)品焊接。

2 電阻點(diǎn)焊工藝分析

電阻點(diǎn)焊工藝中，在待焊工件表面狀態(tài)及上下焊接電極材料相同的情況下，焊接壓力、焊接電流與焊接時(shí)間是影響產(chǎn)品點(diǎn)焊質(zhì)量最關(guān)鍵的三要素，因此，研究這3個(gè)工藝參數(shù)與點(diǎn)焊質(zhì)量的關(guān)系就顯得非常重要。同時(shí)，根據(jù)焦耳定律，可推斷出焊接電流、焊接時(shí)間、焊接壓力這3個(gè)工藝參數(shù)中對(duì)產(chǎn)品的焊接質(zhì)量影響最大的是焊接電流，其次是焊接時(shí)間，影響最小的是焊接壓力。在低壓電器行業(yè)焊接觸頭元件產(chǎn)品中，剪切力測試是比較常見的焊接質(zhì)量判定手段。

2.1 焊接電流對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的影響

在AgW65和TU2動(dòng)觸橋的電阻點(diǎn)焊工藝過程中，在焊接壓力、焊接時(shí)間一定的條件下，其點(diǎn)焊質(zhì)量（焊接剪切力）與焊接電流之間的關(guān)系如圖2所示，從圖2中可以觀察到，焊接電流過大或過低，產(chǎn)品焊接剪切力都會(huì)有所降低。根據(jù)焦耳定律可知焊接熱量與焊接電流是平方數(shù)的關(guān)系，若點(diǎn)焊電流過大，焊縫區(qū)域熱量持續(xù)上升，會(huì)造成AgW觸點(diǎn)焊接面銀層的流失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成觸頭的過度燒損，甚至觸頭基體組織開裂，進(jìn)而導(dǎo)致焊接剪切力降低；而點(diǎn)焊電流過低，焊縫區(qū)域所產(chǎn)生的熱量不夠，觸點(diǎn)焊接面的純銀層與TU2觸橋銅層的合金化程度不充分，其焊接剪切力降低。本試驗(yàn)點(diǎn)焊電流在7.8～8.0 kA的范圍內(nèi)，可獲得最高的焊接剪切力。

圖2 焊接剪切力與點(diǎn)焊電流的關(guān)系

2.2 焊接時(shí)間對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的影響

在焊接壓力、焊接電流一定的條件下，產(chǎn)品點(diǎn)焊焊接剪切力與焊接時(shí)間之間的關(guān)系如圖3所示，點(diǎn)焊時(shí)間過長或太短，其焊接剪切力都會(huì)有所降低。點(diǎn)焊時(shí)間過長，焊縫區(qū)域的熱量將大幅增加，溫度過高會(huì)造成觸點(diǎn)焊接面的銀層流失，進(jìn)而導(dǎo)致焊接剪切力降低；反之如點(diǎn)焊時(shí)間太短，焊縫區(qū)域產(chǎn)生的熱量不足，觸點(diǎn)焊接面的純銀層與TU2觸橋銅層之間的合金化程度偏弱，其焊接剪切力就會(huì)降低。本試驗(yàn)點(diǎn)焊時(shí)間在180～200 ms可獲得最高的焊接剪切力。

圖3 焊接剪切力與點(diǎn)焊時(shí)間的關(guān)系

2.3 焊接壓力對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的影響

焊接壓力是電阻點(diǎn)焊工藝中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，它對(duì)焊接時(shí)接觸電阻（包括工件與電極之間的電阻及工件與工件之間的電阻）有很大的影響，是影響焊接質(zhì)量的重要因素。圖4為動(dòng)觸頭元件焊接剪切力和焊接壓力的關(guān)系，在焊接電流和焊接時(shí)間一定的情況下，焊接剪切力隨著焊接壓力的增加而提高，當(dāng)壓力達(dá)到某一值時(shí)，剪切力達(dá)到最大值；若繼續(xù)增加壓力，在壓力的作用下觸點(diǎn)焊接面的純銀層會(huì)有一部分被擠出，減弱其與觸橋間的相互作用，當(dāng)壓力繼續(xù)增大到一定程度時(shí)，觸點(diǎn)焊接面的銀層將全部流失，而AgW觸點(diǎn)基體與TU2無氧銅觸橋幾乎無潤濕性，兩者的可焊性很差，這將導(dǎo)致產(chǎn)品點(diǎn)焊失敗。若壓力過小，待焊工件間的焊縫區(qū)域處于點(diǎn)接觸狀態(tài)，兩者間的接觸電阻劇增，導(dǎo)致局部熱量過大并產(chǎn)生打火現(xiàn)象，焊縫區(qū)域?qū)?huì)被嚴(yán)重?zé)龘p。試驗(yàn)表明，焊接壓力在0.25～0.4 MPa可獲得最高的焊接剪切力。

圖4 剪切力與焊接壓力的關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊接外觀

采用本焊接工藝，產(chǎn)品焊接后外觀熔體（銀銅合金）溢出均勻，產(chǎn)品熱影響區(qū)小，如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品焊接外觀

3.2 金相顯微分析

將焊接后的產(chǎn)品用工具鉗剪切到一定尺寸，再用金相鑲嵌機(jī)制備金相樣塊，樣塊經(jīng)過打磨、研磨、拋光等處理后，用基恩士超景深數(shù)碼顯微鏡對(duì)其焊接金相進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，動(dòng)觸頭與觸橋的焊縫區(qū)域無明顯縫隙，動(dòng)觸頭已嵌入到觸橋內(nèi)部，兩者既有銀銅合金化的相互作用，又有較大的塑性變形量的物理結(jié)合，從而獲得了較高質(zhì)量的接頭強(qiáng)度。

圖6 動(dòng)觸頭元件焊接金相

3.3 剪切力試驗(yàn)

使用NASA萬能試驗(yàn)機(jī)檢測動(dòng)觸頭元件剪切力，記錄其剪切力實(shí)測值的大小，隨機(jī)抽檢10只產(chǎn)品（20個(gè)觸點(diǎn)），剪切力測試結(jié)果如表3所示。

表3 焊接產(chǎn)品剪切力測試結(jié)果

按剪切強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可計(jì)算出該動(dòng)觸頭元件焊縫所能承受的剪切強(qiáng)度為1923/5.5/2=175 N/mm2（剪切力取實(shí)測值的最小值，觸點(diǎn)長度5.5 mm，銅件寬度2 mm）。動(dòng)觸點(diǎn)被剝離后，AgW觸點(diǎn)上有肉眼可見的明顯的銅層殘留，TU2觸橋上有肉眼可見的明顯的銀層殘留,說明動(dòng)觸頭焊接面的銀層與觸橋的銅層發(fā)生了良好的銀銅合金化反應(yīng)。就剪切強(qiáng)度及觸點(diǎn)與觸橋的合金化程度而言，說明該試驗(yàn)獲得了良好的接頭質(zhì)量。

3.4 焊縫組織及分析

由于AgW65觸頭材料的焊接面上有一定厚度的純銀層，在動(dòng)觸頭元件的電阻點(diǎn)焊過程中，焊接的本質(zhì)就是純銀金屬與TU2無氧銅的合金化反應(yīng)，因此，焊縫組織成分理論上應(yīng)該為Ag-Cu二元合金。

同時(shí)，采用高精密掃描電鏡能譜分析儀對(duì)制備的動(dòng)觸頭元件焊接試樣的焊縫區(qū)域及近縫區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7、圖8所示，由于AgW65焊接面的純銀層和TU2無氧銅觸橋之間的合金化作用，在焊縫及近縫區(qū)都掃描到了Ag和Cu元素，這與理論推斷相一致。

圖7 焊縫區(qū)域電鏡能譜掃描結(jié)果

圖8 近縫區(qū)域電鏡能譜掃描結(jié)果

電工觸頭的電阻釬焊與電阻焊的原理類似，在上下電極壓力的作用下將觸點(diǎn)、觸橋及釬料三者壓緊密，然后對(duì)待焊工件釋放焊接電流，依靠釬料與觸點(diǎn)及觸橋組成的釬焊區(qū)的接觸電阻產(chǎn)生的電阻熱來熔化釬料，再在熱量和壓力的雙重作用下形成釬焊接頭。如AgW65動(dòng)觸頭與TU2觸橋的焊接采用電阻釬焊工藝，焊料選擇常用的Ag-Cu-Zn釬料，則會(huì)在焊縫區(qū)域及近縫區(qū)形成Ag-Cu-Zn三元合金，銀銅鋅三元合金具有優(yōu)良的性能，電阻釬焊形成的三元合金相與電阻點(diǎn)焊形成的Ag-Cu二元合金相相比，熔點(diǎn)更低，采用點(diǎn)焊工藝焊接的動(dòng)觸頭元件能夠更好地滿足電器開關(guān)苛刻的分?jǐn)嘣囼?yàn)，這在客戶端得到有效驗(yàn)證。

4 結(jié)論

AgW動(dòng)觸頭與TU2無氧銅動(dòng)觸橋采用電阻點(diǎn)焊工藝，操作方便，焊接效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)。