電線電阻焊接參考

蔡 洋，張紅兵，李桂軍，韓紅寬，段 斌

（天海電子，河南 鶴壁 458000）

汽車線束中關(guān)于電線與端子的連接方式多種多樣，電阻焊接作為新應(yīng)用到線束行業(yè)的工藝，目前還沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)來界定。本文淺析電阻焊接的應(yīng)用范圍并給出一些參考的建議，以供后續(xù)有需要時(shí)可以參照比對(duì)使用。

1 材料的選擇

1.1 電線與端子基材材質(zhì)的選擇

電線基材普遍采用E-Cu ETP1（T2）銅，Cu ETP有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和加工性能，可以焊接和釬焊。含降低導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的雜質(zhì)較少，微量的氧對(duì)導(dǎo)電、導(dǎo)熱和加工等性能影響不大，但易引起“氫病”，不宜在高溫（如＞370℃）還原性氣氛中加工（退火、焊接等）和使用。

有的地方使用退火銅，原因?yàn)椋孩俳档陀捕?，改善切削加工性；②消除殘余?yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；③細(xì)化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷；④均勻材料組織和成分，改善材料性能或?yàn)橐院鬅崽幚碜鼋M織準(zhǔn)備。銅退火的主要目的是將其軟化。當(dāng)需要對(duì)其進(jìn)行折彎時(shí)為了防止斷裂及縮孔，需要退火。在一些裸銅線（如搭鐵線）時(shí)會(huì)使用。

關(guān)于電線結(jié)構(gòu)的選擇，在現(xiàn)有A、B、C等結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電線中銅絲的單根絲徑及螺旋纏繞方式不同，在電阻焊接時(shí)其表現(xiàn)也不一樣。相較來說，B、C結(jié)構(gòu)的電線單根絲徑較小，在小平方（小于6mm）焊接時(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，焊接后剖面效果更好。在選用電線結(jié)構(gòu)時(shí)可以都驗(yàn)證下不同類型電線的焊接效果以保證可以得到更好的選擇。

端子焊接基材普遍采用T2紫銅，要求使用C1020（Oxygen Free Copper）無氧銅，能夠避免焊接中的“氫病”，減少焊接后裂紋的產(chǎn)生。

1.2 電線及端子鍍層選擇

電線基材普遍采用裸銅進(jìn)行焊接，有的需要使用鍍錫線。鍍錫線能夠有效提升電阻焊焊接后拉力和撕拉力的數(shù)值（如果為歐洲項(xiàng)目，鍍錫層的選用應(yīng)該考慮ROSH的符合性）。

端子鍍層多采用鍍錫或裸銅。有文獻(xiàn)顯示鍍鎳可能會(huì)對(duì)電阻焊接產(chǎn)生不利影響。端子鍍層有一層預(yù)鍍工藝，在一定組成的溶液中或一定操作條件下沉積出金屬薄膜，用以改善隨后的鍍層與基體結(jié)合力的方法。電鍍時(shí)，鍍層材料很容易沉積在基體表面，造成鍍層疏松，結(jié)合力差，預(yù)鍍的目的就是在基體表面預(yù)先鍍結(jié)合力好的過渡層，之后的鍍層才能與基體結(jié)合力好。在關(guān)注端子鍍層時(shí)也應(yīng)該關(guān)注預(yù)鍍時(shí)是否使用鎳打底（鍍層的選擇有一定要求，在PCB端焊接不允許含有Pb，在變速器中使用不允許含有Si等）。有鍍層金屬焊接時(shí)，電流應(yīng)該增大，鍍層熔點(diǎn)越低，增加得越多，電極壓力也需要增大。

關(guān)于鍍錫層問題，為什么超聲波焊接銅（鋁）線不能焊接帶有鍍錫的金屬？①錫的晶體結(jié)構(gòu)與銅、鋁（面心立方結(jié)構(gòu)，有良好的延展性）不同，在形成固溶體時(shí)需要更大的能量來完成該操作；②同時(shí)，錫的同素異形體較多，在不同溫度下的脆性不同，導(dǎo)致如果與銅或鋁連接時(shí)的粘合力不穩(wěn)定，需要在高溫熔融并加壓情況下使焊接區(qū)域的錫融化并被擠出連接區(qū)域，使銅與銅連接來保證穩(wěn)定性。

2 端子及電線設(shè)計(jì)

2.1 電阻焊的焊接原理

線束中電阻焊接的原理就是當(dāng)電流通過電線及端子或插針時(shí)產(chǎn)生的電阻熱將局部加熱，同時(shí)施加壓力進(jìn)行焊接。其中的主要原理公式為：

式中：——焊接部位產(chǎn)生的焦耳熱；——通過的電流；——焊接部位電阻，包括電線電阻、端子（插針）電阻、接觸電阻；——通過電流的時(shí)間。

電流和時(shí)間可以通過焊接機(jī)進(jìn)行調(diào)整，而電阻由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及選擇材料等決定。

當(dāng)然，電阻焊接不僅要考慮以上因素，還應(yīng)該考慮材料的導(dǎo)電（與電阻有關(guān)）、導(dǎo)熱（導(dǎo)熱性越好越不利于電阻焊接）、熱膨脹系數(shù)（熱膨脹系數(shù)越大，越容易產(chǎn)生裂紋、縮孔等缺陷）、材料的熔點(diǎn)（熔點(diǎn)越高，需要的能量越大）等。焊接電流對(duì)焊接強(qiáng)度的影響要大于焊接時(shí)間的影響。圖1為電阻焊接簡(jiǎn)圖。

圖1 電阻焊接簡(jiǎn)圖

2.2 焊接材料的電阻

表1為常見金屬和合金的熱物理性能（在293K條件下）。

表1 常見金屬和合金的熱物理性能（在293K條件下）

從以上信息可以得出理論結(jié)論：電阻焊接時(shí)，鋁及鋼的焊接效果會(huì)更好（在較小的能量下即能得到很好的焊接效果）。

而銅材在電阻焊接時(shí)由于電阻小、散熱快、熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，一般情況下不推薦電阻焊接（如果有鍍層或者焊接電線截面較小需要再驗(yàn)證），可以使用超聲波焊接或者釬焊等其他方式。

焊接過程中壓力的選擇也很重要。焊接前需要壓力保證焊接部位的接觸，在焊接過程和冷卻過程中又需要足夠的電極壓力來壓縮熔核體積，補(bǔ)償因此產(chǎn)生的收縮。一般金屬加熱的溫度越低，實(shí)現(xiàn)焊接所需的壓力就越大。電極施加壓力的大小會(huì)影響到焊接區(qū)域的加熱程度和塑性變形程度。電機(jī)壓力的增大，將會(huì)導(dǎo)致接觸電阻變小，電流密度降低，使得加熱的速度變緩，導(dǎo)致焊核減小，焊接強(qiáng)度降低。但當(dāng)壓力過小時(shí)，將影響到焊接品質(zhì)的穩(wěn)定性。因此如果增大電極壓力，就需要同時(shí)適當(dāng)延長焊接通電時(shí)間或者增加焊接電流，從而使焊點(diǎn)強(qiáng)度的分散性降低，焊點(diǎn)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

2.3 端子設(shè)計(jì)

端子的設(shè)計(jì)除了應(yīng)該考慮端子選擇的基材及鍍層，端子結(jié)構(gòu)也應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)考慮。

考慮到電阻焊接的特點(diǎn)，電線與端子連接時(shí)應(yīng)該盡量保證在連接部位電阻大，同時(shí)電流主要集中在接觸部位，焊接熔核區(qū)域在電線與端子的連接部位，同時(shí)保證上下兩電極的對(duì)中性和在焊接區(qū)域的電流密度。所以端子在設(shè)計(jì)時(shí)，推薦使用凸點(diǎn)或凹槽來減少電線與端子的接觸面積，增加接觸電阻和焊接區(qū)域的電流密度。圖2～圖5為端子設(shè)計(jì)的參考方案。

圖2 正常端子

圖3 端子帶凹槽

圖4 端子帶凸點(diǎn)

圖5 端子帶凸點(diǎn)（反面）

端子選擇具體哪種形狀，可以參考現(xiàn)有的焊頭形狀，也可以根據(jù)電線線徑的大小進(jìn)行選擇。

2.4 電線設(shè)計(jì)

電線的設(shè)計(jì)主要是為了考慮避免焊核形成位置沒有位于電線與端子的連接部位。所以盡量在焊接前將需要焊接的電線整形為一個(gè)整體，減少電線中的空隙形成。圖6、圖7為焊接電線與端子（插針）的簡(jiǎn)圖。

如圖6所示，電線不經(jīng)過整形直接進(jìn)行焊接，由于電線中每根銅絲的間隙不均勻，導(dǎo)致在電線中的接觸電阻大于電線與端子的接觸電阻，電流集中并產(chǎn)生融化，導(dǎo)致焊核形成部位位于電線內(nèi)部，造成焊接不良產(chǎn)生。如圖7所示，先進(jìn)行電線的整形焊接再進(jìn)行與端子的連接焊接，電線內(nèi)部已經(jīng)被焊成一個(gè)整體，可以使電阻大部分集中在電線與端子的接觸電阻上，焊核在連接部位形成，保證焊接的可靠性。

圖6 電線直接焊接端子（插針）

圖7 電線整形后焊接端子（插針）

電阻焊在焊接兩個(gè)部件時(shí)，不僅會(huì)施加電流，同時(shí)會(huì)對(duì)焊接區(qū)域施加壓力，電線整形焊接后的品質(zhì)對(duì)后續(xù)焊接端子（插針）的品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用，所以在電線整形后進(jìn)行抗壓力檢驗(yàn)可以減少焊接銅絲散開引起的后續(xù)使用時(shí)短路或焊接不良問題。先確定后續(xù)焊接的壓力，然后確定焊接的面積就可以得出后續(xù)焊接插針時(shí)施加在焊接部位的力，試驗(yàn)時(shí)在后續(xù)的焊接部位使用壓力機(jī)施加至少大于該力的2倍進(jìn)行驗(yàn)證是否會(huì)散開以及壓后的寬度變化不允許超過端子（插針）面，高度也不能變化過于大（必要時(shí)測(cè)量壓力后的剖面是否還符合要求）。

整形尺寸的大小也應(yīng)該進(jìn)行控制，根據(jù)JASO D609標(biāo)準(zhǔn)中，使用冒煙曲線進(jìn)行不同線徑、類型的電線過電流值的測(cè)定，電線的線徑與應(yīng)用環(huán)境及通過電流的大小有關(guān)系。不同線徑與類型的冒煙曲線如圖8所示。

圖8 過電流條件下，不同線徑不同電流的開始冒煙時(shí)間

整形后電線的尺寸將會(huì)變小，焊接到對(duì)應(yīng)端子后更小。在焊接區(qū)域和焊接與未焊的過渡區(qū)域會(huì)產(chǎn)生“縮頸延展”的問題，導(dǎo)致此區(qū)域的導(dǎo)電截面積變小，溫升異常。不同厚度同種材料進(jìn)行焊接時(shí)，最高溫度肯定會(huì)偏向厚板，引起熔核的核心偏移，凸點(diǎn)通常設(shè)置在較厚的零件上。

如果整形后的壓縮比過大，在后續(xù)的電阻焊接端子時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)焊接面炸開的現(xiàn)象。如圖9所示。

圖9 電線與端子焊接后的焊接狀態(tài)

關(guān)于電線以及端子的清潔度在焊接時(shí)也有要求，電線及端子表面不允許有油污、雜質(zhì)，不同使用部位的清潔度視具體情況而定。

3 焊接測(cè)試

應(yīng)用在線與端子焊接領(lǐng)域的電阻焊接，其各項(xiàng)性能測(cè)試的要求、需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)在汽車其它應(yīng)用方法已進(jìn)行定義，關(guān)于電線與端子的焊接，目前已有可參考的標(biāo)準(zhǔn)為USCAR-38（超聲波焊接電線端子規(guī)范）。而本文介紹的電阻焊接與超聲波焊接雖然在原理與應(yīng)用方面有些差別，但是最后得到的焊接效果應(yīng)該是類似的，所以電阻焊接電線與端子的測(cè)試規(guī)范可以參考USCAR-38的要求進(jìn)行測(cè)試，但是也有以下不同點(diǎn)。

因?yàn)殡娮韬附拥囊粋€(gè)使用環(huán)境是在鍍錫端子或鍍錫線上，錫本身的強(qiáng)度不大，并且熔點(diǎn)較低，銅絲與錫連接或者錫與錫連接的強(qiáng)度不大[3]。在測(cè)試電阻焊接后的拉力及撕拉力時(shí)，不僅要考慮焊接后的拉力及撕拉力值，還應(yīng)該在完成破壞性拉力試驗(yàn)后查驗(yàn)端子表面是否有殘余銅絲（此問題在文章材料選擇時(shí)已說明，電線銅絲與端子銅基帶連接，其電性能與機(jī)械性能較與錫連接更好）。圖10、圖11為測(cè)試過拉力及撕拉力后的圖片。

圖10 焊接后拉脫圖片

圖11 焊接后拉脫圖片

測(cè)試過撕拉力后，銅絲未與底材接觸（即使拉力、撕拉力合格也不可接受）。

在測(cè)試撕拉力與拉力時(shí)端子被拉斷，如果拉力及撕拉力已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)則判定為合格，如果在達(dá)到要求前被拉斷，則可能為電阻焊能量太大破壞原有的端子結(jié)構(gòu)，也可能為端子本身設(shè)計(jì)問題，這兩種情況都視為不合格需要重新調(diào)整。

因?yàn)殡娮韬附訒r(shí)為了保證加熱的能量可以使電線銅絲穿過鍍錫層與底材接觸，加熱、加壓能量較大會(huì)使銅絲的在軸向的延展性變大，導(dǎo)致剖面積變小，同時(shí)融化的錫會(huì)填充到銅絲與端子（插針）連接的空隙，導(dǎo)致剖面積變大。綜上，電阻焊的剖面標(biāo)準(zhǔn)在剖面百分比相較于USCAR-38標(biāo)準(zhǔn)的上極限會(huì)變大，下極限會(huì)變小。

4 結(jié)語

隨著電子產(chǎn)品在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)汽車線束中工藝及設(shè)計(jì)也會(huì)變得更加多樣化。電阻焊作為電子行業(yè)及鈑金行業(yè)的工藝也逐步在往線束行業(yè)延伸，對(duì)于這種傳統(tǒng)工藝延伸至傳統(tǒng)行業(yè)中的情況，就需要我們博采眾長，多多擴(kuò)展我們的眼界及知識(shí)面，跳出自己所在的行業(yè)局限去探索和解決遇到的問題。不只是學(xué)科交叉在日益的頻繁，各個(gè)行業(yè)的技術(shù)也是在不斷碰撞，碰撞中可能會(huì)讓一個(gè)成熟的技術(shù)迸發(fā)出年輕的姿態(tài)，推動(dòng)我們更加向前發(fā)展。