觸點(diǎn)焊接面結(jié)構(gòu)對(duì)電觸頭釬焊質(zhì)量的影響

李 俐, 周海銘, 高玉保, 張 揚(yáng), 王岳化, 卞 健

(浙江正泰電器股份有限公司, 浙江 溫州 325603)

0 引 言

從生產(chǎn)的成本和市場(chǎng)考慮,目前斷路器中具有導(dǎo)電功能的金屬零件通常采用焊接的方法組成部件,以保證該部件接頭處具有良好的導(dǎo)電性能,減少零件間接觸電阻,降低斷路器的發(fā)熱[1]。焊縫的連接質(zhì)量直接影響低壓電器產(chǎn)品的使用性能與工作壽命,是低壓電器領(lǐng)域技術(shù)人員以及客戶關(guān)注的重點(diǎn)。因此針對(duì)電觸頭的焊接技術(shù)開展了廣泛的研究,其中釬焊技術(shù)在電觸頭焊接方面得到了較好的實(shí)際應(yīng)用。目前,在低壓電器領(lǐng)域電觸頭的研究中,現(xiàn)有關(guān)于焊接方面的研究主要針對(duì)焊接方法、焊接材料、焊接檢測(cè)等方面。顧章平等人[2]利用有限元分析方法,模擬了釬焊工藝連接電觸頭過程溫度場(chǎng)的變化。當(dāng)焊接時(shí)間增加,釬料完全熔化而母材不熔化,進(jìn)一步驗(yàn)證了釬焊在低壓電器觸頭焊接領(lǐng)域的可行性。何高明等人[3]從焊接材料等角度進(jìn)行研究,提出純銅作為接觸板,同時(shí)采用高銀含量的焊料進(jìn)行焊接,以此得到優(yōu)良的釬焊接頭,保證觸頭質(zhì)量。朱世良[4]針對(duì)釬焊電觸頭釬著率的檢測(cè)提出了快速無損檢測(cè)方法。這些研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中釬焊電觸頭有較大的參考價(jià)值,同時(shí)為解決相應(yīng)工藝技術(shù)問題提供了思路。

電觸頭工作面的設(shè)計(jì)原則通常采用圓弧形動(dòng)觸點(diǎn)、平面形靜觸點(diǎn),故對(duì)于自動(dòng)化而言,區(qū)分焊接面和工作面是有必要的。為方便自動(dòng)化焊接的識(shí)別,通常會(huì)將觸點(diǎn)的焊接面設(shè)計(jì)成凹凸不平的網(wǎng)格、圓環(huán)、花紋或條形等形狀。在實(shí)際的生產(chǎn)中,發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)焊接面結(jié)構(gòu)對(duì)電觸頭釬焊質(zhì)量有較大的影響。

本文針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中釬焊電觸頭存在的問題,進(jìn)行了釬焊原理分析,并在此基礎(chǔ)上提出了工藝改進(jìn)措施,以提升電觸頭的焊接質(zhì)量,為低壓電器產(chǎn)品焊接生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

材料選用:①觸點(diǎn)材料為AgW55,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8320—2017要求;②接觸板材料為T2,符合GB/T 5231—2012,觸頭搭接設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。最下端為接觸板待焊部位,中間層為均勻涂覆釬劑的BAg50CuZn釬料,最上端為觸點(diǎn);③焊片選用符合 GB/T 10046—2018的BAg50CuZn;④釬劑采用的是以硼砂、硼酸和氟化物為主要組分的FB101,符合JB/T 6045—2017。

圖1 觸頭搭接設(shè)計(jì)示意圖

不同觸點(diǎn)焊接面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 不同觸點(diǎn)焊接面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用4種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的觸點(diǎn)進(jìn)行釬焊。焊后利用超聲成像檢測(cè)輔以金相觀察和剪切力試驗(yàn)的方式對(duì)釬焊試樣進(jìn)行接頭釬焊質(zhì)量好壞的評(píng)判。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外觀分析

按試驗(yàn)方法進(jìn)行電觸頭釬焊,焊后首先進(jìn)行外觀檢測(cè)。采用不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的焊后外觀圖如圖3所示。4種不同結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的電觸頭外觀尺寸均符合質(zhì)量要求,但采用平面狀、條紋狀觸點(diǎn)電觸頭溢出焊料的有效面積較采用網(wǎng)格狀、半網(wǎng)格狀觸點(diǎn)的電觸頭略多,其釬角更加飽滿圓滑。

圖3 采用不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的焊后外觀圖

2.2 釬著率檢測(cè)及分析

使用JTUIS-V超聲成像檢測(cè)儀對(duì)不同焊接面結(jié)構(gòu)的電觸頭進(jìn)行釬著率檢測(cè),各觸頭取5只做釬著率檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù),求取平均值和波動(dòng)范圍。用每種結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的典型圖作為分析依據(jù),不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

采用網(wǎng)格狀觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電觸頭釬著率范圍為(68.62±3.24)%,在釬焊接頭的中心位置有大面積的紅色影像,這是超聲波反射遇到缺陷反射信號(hào)強(qiáng)烈導(dǎo)致?？梢郧逦乜吹饺毕菝黠@并且呈網(wǎng)格狀規(guī)則排列。因此可以初步判斷觸點(diǎn)焊接面的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)利于接頭缺陷的生成,而不利于形成優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭。

半網(wǎng)格狀觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電觸頭,其觸點(diǎn)焊接面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一半是網(wǎng)格結(jié)構(gòu),一半是平面結(jié)構(gòu)。采用半網(wǎng)格狀觸點(diǎn)的釬著率為(82.12±3.53)%,較網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)有了明顯提高,但仍然大概率低于質(zhì)量要求的85%。由表1中釬著率典型圖可以看到,接頭的超聲成像圖片明顯被分成了左右兩個(gè)不同的部分。其中一半與網(wǎng)格狀影像中的缺陷類似;而另一半雖然也存在缺陷,但缺陷的密度、缺陷面積較右側(cè)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)偏小且其排列為無規(guī)則排列。其結(jié)果說明,該觸點(diǎn)網(wǎng)格部分釬焊質(zhì)量較平面部分更差,進(jìn)一步驗(yàn)證了網(wǎng)格狀不利形成優(yōu)質(zhì)釬焊接頭。

采用平面狀觸點(diǎn)釬焊得到的電觸頭釬著率范圍為(92.87±3.73)%,高于采用網(wǎng)格狀、半網(wǎng)格狀觸點(diǎn)的釬著率,并且已經(jīng)完全滿足質(zhì)量要求。從典型圖中可以看到,只存在少許的無規(guī)則紅色缺陷,接頭總體釬著情況良好。

采用條紋狀觸點(diǎn)的電觸頭是4組試樣中釬著率最高的一組。條紋狀結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的釬著率范圍為(95.11±3.66)%,滿足高于質(zhì)量要求的85%,從其影像中可以看到總體呈深藍(lán)色,只存在條紋狀淺藍(lán)色印花以及零星的細(xì)小紅色缺陷。因此可以說明,采用條紋狀結(jié)構(gòu)的觸點(diǎn)較采用網(wǎng)格狀更利于釬焊形成優(yōu)質(zhì)的電觸頭接頭。

2.3 金相分析

鑒于超聲波檢測(cè)曲面和復(fù)雜物體的測(cè)試結(jié)果存在輕微失真的局限性,為清晰了解不同焊接面結(jié)構(gòu)下焊縫的形貌特點(diǎn),決定對(duì)各組樣品進(jìn)行焊接接頭金相觀察和分析。從4種焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的焊接樣品中各取1件,沿觸點(diǎn)中心剖切開、鑲嵌、磨拋并按GB/T 26871—2011標(biāo)準(zhǔn)的3#試劑腐蝕,用Zeiss Axioscope 5正置顯微鏡觀察,不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的釬焊金相圖如圖4 ～圖7所示。

圖4 網(wǎng)格狀焊接面觸點(diǎn)的釬焊金相圖

由圖可見,圖4樣品因網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)存在的自鎖效果,釬劑、釬料無法自由流動(dòng)填縫,會(huì)形成較大、較多的孔洞缺陷。圖5樣品因網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)減半,釬劑、釬料量比較多時(shí),可以在局部填平網(wǎng)格后再實(shí)現(xiàn)自由流動(dòng)填縫,從而形成無明顯缺陷、圓潤(rùn)飽滿的焊縫,但整體上存在釬劑和釬料填充量不足的風(fēng)險(xiǎn)。圖6和圖7樣品焊接面結(jié)構(gòu)分別為平面狀和條紋狀,無明顯缺陷并有圓潤(rùn)飽滿的焊縫。

圖5 半網(wǎng)格狀焊接面觸點(diǎn)的釬焊金相圖

圖6 平面狀焊接面觸點(diǎn)的釬焊金相圖

圖7 條紋狀焊接面觸點(diǎn)的釬焊金相圖

2.4 剪切力檢測(cè)及分析

通過對(duì)各組試樣進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)采用條紋狀結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的電觸頭剪切強(qiáng)度最高,采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的剪切力最差。在剪切測(cè)試之后對(duì)試樣切口進(jìn)行了觀察分析,發(fā)現(xiàn)采用條紋狀、半網(wǎng)格狀、平面狀結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的電觸頭點(diǎn)與接觸板連接緊密。而采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的電觸頭在剪切測(cè)試下,觸點(diǎn)完好,但觸點(diǎn)與接觸板連接接頭處開裂(接頭中心區(qū)開裂),斷面較為平整,這與其釬著率差和釬縫中心區(qū)存在孔洞有關(guān)。不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示;不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)焊后釬著率和剪切強(qiáng)度如圖8所示。

表2 不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)焊后釬著率和剪切強(qiáng)度

3 觸點(diǎn)焊接面潤(rùn)濕不良分析

異種材料間的冶金連接是在釬焊時(shí)經(jīng)歷釬料的填隙過程和釬料與母材結(jié)合過程而形成的釬焊接頭。釬焊時(shí)液態(tài)釬料之所以能自動(dòng)填滿接頭的間隙,主要依靠的是毛細(xì)管作用在縫隙中流動(dòng)[5-7]。首先液態(tài)釬料與母材具有良好的潤(rùn)濕性,其次釬焊接頭設(shè)計(jì)和裝配必須根據(jù)釬料和母材特點(diǎn)選擇最佳的間隙,以確保間隙內(nèi)氣體和釬劑可順利排出。張東亞[8]等人研究表明,當(dāng)釬料與母材間相互作用較弱的情況下,母材表面較粗糙可改善潤(rùn)濕性,較粗糙表面上縱橫交錯(cuò)的細(xì)槽可促進(jìn)液態(tài)釬料沿母材表面以特殊的毛細(xì)作用進(jìn)行鋪展。因此,釬料的鋪展?jié)櫇衲芰陀|點(diǎn)焊接面形狀設(shè)計(jì)對(duì)形成優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭有著關(guān)鍵作用,接頭質(zhì)量好壞可以用超聲無損檢測(cè)的釬著率進(jìn)行評(píng)判。在實(shí)際生產(chǎn)中,焊縫通常要求85%以上的釬著率,以保證電觸頭的質(zhì)量。從釬焊原理分析,母材焊接面狀態(tài)磨削溝槽深些可更有利于釬料的鋪展?jié)櫇褚约懊?xì)作用。為防止釬料在焊接過程中流散過快,可將觸點(diǎn)設(shè)計(jì)為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。但上述試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),采用網(wǎng)格狀的觸點(diǎn)釬焊得到的電觸頭質(zhì)量不穩(wěn)定。

其結(jié)果表明缺陷一般由內(nèi)圍繞網(wǎng)格而形成。在上述試驗(yàn)的超聲波檢測(cè)和金相分析中,結(jié)合釬焊原理對(duì)其釬著過程進(jìn)行了分析。

一般使用釬劑的釬焊接頭形成包括兩個(gè)過程,首先釬劑去氧化膜增加液態(tài)釬料潤(rùn)濕性,使其可以填滿全部接頭間隙;其次釬料與母材之間的相互作用。前者為釬焊創(chuàng)造條件,后者是能否獲得牢固釬焊縫的關(guān)鍵。過程中,釬劑隨著溫度增加而熔化發(fā)揮作用,去掉母材焊接面的氧化膜并流走。同時(shí)液態(tài)釬料隨著溫度增加而開始填縫、潤(rùn)濕并逐步和母材發(fā)生溶解和擴(kuò)散等相互作用。但采用網(wǎng)格狀焊接面觸點(diǎn)焊接時(shí),網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)不僅會(huì)阻礙氧化物殘?jiān)呐懦?影響潤(rùn)濕效果,且產(chǎn)生未釬透和夾渣等焊接缺陷,還會(huì)因網(wǎng)格空間內(nèi)存在的氣體產(chǎn)生氣孔缺陷,造成未釬透和氣孔等缺陷。

綜上,基于超聲波檢測(cè)和剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,結(jié)合釬焊原理的釬焊過程分析,總結(jié)不同焊接面結(jié)構(gòu)的觸點(diǎn)在釬焊電觸頭中的按焊接的好壞效果排序:依次是條紋狀、平面狀、半網(wǎng)格狀、網(wǎng)格狀。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)電觸頭釬焊過程中出現(xiàn)的觸點(diǎn)焊接面結(jié)構(gòu)影響釬焊質(zhì)量的問題進(jìn)行了試驗(yàn)并分析探討。通過工藝改進(jìn)驗(yàn)證了觸點(diǎn)焊接面結(jié)構(gòu)對(duì)釬焊電觸頭質(zhì)量的影響,以及其在釬焊電觸頭領(lǐng)域的適用性,得出以下結(jié)論:

(1) 觸點(diǎn)焊接面出現(xiàn)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)不利于電觸頭的釬焊,包括半網(wǎng)格狀或網(wǎng)格狀,易阻礙釬料和釬劑流動(dòng)而生成大量孔洞焊接缺陷,影響電觸頭的釬焊質(zhì)量。

(2) 采用平面狀、條紋狀結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)的電觸頭,其釬焊質(zhì)量良好,滿足產(chǎn)品性能要求。

(3) 采用條紋狀結(jié)構(gòu)的觸點(diǎn)釬焊電觸頭性能最優(yōu),其兼顧網(wǎng)格狀釬料易被自動(dòng)化識(shí)別和平面狀釬料易鋪展?jié)櫇竦膬?yōu)勢(shì)。焊接剪切強(qiáng)度達(dá)到(140.1±3.6)MPa,釬著率達(dá)到(95.11±3.66)%。