釬焊材料對AgSnO2觸頭焊接質(zhì)量影響的研究

秦 琳，陳柏安，張 登，蔣德志，盧 菲

（桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防以及日常用電部門中，目前大多數(shù)采用低壓供電，作為維持低壓供電系統(tǒng)正常運作及可靠性的低壓電器，在整個供電、用電系統(tǒng)中起著極為重要的作用，而觸頭組件又是低壓電器的關(guān)鍵部件，負擔(dān)著接通、分斷、導(dǎo)流和隔離電流的任務(wù)，其性能決定整個電器的通斷容量、使用壽命及運行的可靠性[1]。

觸頭組件由觸頭和觸橋焊接或鉚接而成，對于焊接組件加工，為了實現(xiàn)觸頭和觸橋的有效連接，提高焊接質(zhì)量，大多數(shù)焊接組件的釬焊加工都需要添加釬焊材料。因此，釬焊質(zhì)量的好壞對電器操作的可靠性和觸頭的通斷能力、抗電弧燒損及使用壽命等性能起到?jīng)Q定作用[2]。在AgSnO2觸頭組件焊接中，使用不同類型釬焊材料（焊膏及焊料片）進行感應(yīng)焊接，分析焊接后觸頭組件的釬著率、金相及剪切力，研究釬焊材料對釬焊質(zhì)量的影響情況。

1 試驗

1.1 試驗方法

選取的釬焊材料主要信息如表1所示；選取尺寸為10 mm×2 mm的AgSnO2片狀觸頭；選取長寬厚尺寸為20 mm×10 mm×3 mm、材料為H65的觸橋，采用感應(yīng)焊接方式，并使用紅外測溫控制焊接溫度進行焊接；根據(jù)釬焊材料固液相溫度并結(jié)合紅外測溫的特點，焊接溫度分別選取750℃、830℃。檢測焊接后組件的釬著率、金相及剪切力，確認焊接質(zhì)量。

表1 釬焊材料信息

1.2 性能檢測

采用超聲波無損探傷儀測量焊接組件釬著率[3]；采用金相制樣并使用金相顯微鏡觀察焊接組件焊接縫隙；采用拉力試驗機檢測焊接組件焊接強度。目前，采用超聲波無損探傷儀檢測時，通常規(guī)定焊接釬著率達80%以上，視為滿足焊接質(zhì)量要求。金相檢驗作為一種破壞性檢驗手段，能觀察裂紋、未焊透、氣孔和夾雜等幾乎所有內(nèi)部缺陷情況，但只能對剖面情況進行分析，對焊接質(zhì)量的判斷采用的是以線代面的方式，給以參考性信息。剪切力檢驗同為破壞性檢驗手段，用以鑒定焊接組件的強度、塑性和韌性等是否滿足相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)要求，能通過剪切力定量得到焊接強度數(shù)據(jù)，通過觀察剪切斷面得到焊接內(nèi)部缺陷情況，但受限于觸頭材料本身強度、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性、剪切位置、焊料溢出堆積料及剪切工裝等因素，同樣僅能提供參考性信息。因此，對組件焊接質(zhì)量分析需要三種方式結(jié)合進行。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 AgSnO2焊接組件釬著率結(jié)果及分析

表2為750℃不同釬焊材料焊接后組件釬著率典型圖及數(shù)據(jù)。對比1號、2號、3號焊膏焊接的樣品，采用主成分為Ag、Cu、Zn的1號、2號焊膏焊接樣品平均釬著率達到80%以上；采用主成分為Ag、Cu、P的3號焊膏焊接樣品釬著率極低，平均值僅為9.31%，說明在此溫度下主成分為Ag、Cu、Zn的焊膏焊接的釬著率明顯高于主成分為Ag、Cu、P的焊膏焊接的釬著率。對比兩種成分的焊膏性能，由于Ag、Cu、Zn成分的焊膏可形成三元共晶合金，具有良好的可焊性，而銀含量增加，焊料的熔化溫度降低，焊料鋪展率提高，潤濕時間逐漸縮短[4]，且其液相線相對Ag、Cu、P成分的焊膏略低，因此，在相同溫度情況下，Ag、Cu、Zn成分的焊膏焊接時的流動性更好，能更好地達到焊接效果，釬著率更高。

表2 750℃不同釬焊材料焊接組件釬著率典型圖片及數(shù)據(jù)

對比2號焊膏焊接與4號焊料片焊接的樣品，在主成分皆為Ag、Cu、Zn時，2號焊膏焊接的樣品平均釬著率為82.41%，而4號樣品平均釬著率只有13.38%，說明主成分為Ag、Cu、Zn時，焊膏焊接組件釬著率優(yōu)于焊料片焊接組件釬著率。焊料片在焊接時，需要輔助添加助焊劑，而助焊劑通常會配置成懸濁液，焊料片通過粘取或浸泡在助焊劑中，再取出使用，因此焊料片粘取助焊劑的多少、焊接過程中焊接件的固定方式、大量水分受熱蒸發(fā)時產(chǎn)生的焊件抖動等，都會對焊接質(zhì)量造成影響，且焊料片流動性低于由粉體制備的焊膏，這就造成了焊膏焊接釬著率優(yōu)于焊料片焊接釬著率的原因。

3號、5號樣品由于固液相線較高，在750℃焊接溫度下，焊料未達到完全熔化的狀態(tài)，這是其焊接的組件釬著率低于主成分為Ag、Cu、Zn焊料焊接的組件釬著率的主要原因。

2.2 AgSnO2焊接組件金相結(jié)果及分析

圖1為焊接溫度750℃時焊接組件典型金相結(jié)果。通過圖1可見，使用1號、2號釬焊材料焊接的組件焊接面只有少量獨立的焊接小氣孔；使用3號、4號釬焊材料焊接的組件焊接面存在明顯的連續(xù)焊接氣孔，焊接面閉合不良；使用5號釬焊材料的焊接組件焊接面左右兩端有連續(xù)的焊接小氣孔，但中間部位閉合良好。金相結(jié)果與釬著率結(jié)果相符，且1號、2號、5號釬焊材料焊接的組件均滿足常規(guī)質(zhì)量要求，但5號焊接組件結(jié)合面仍可見明顯的釬焊材料層，顯示釬焊材料熔化不充分。

圖1 750℃焊接后組件典型金相

2.3 AgSnO2焊接組件剪切力結(jié)果及分析

在焊接溫度為750℃，5種釬焊材料焊接組件剪切力測試典型結(jié)果如表3。1號、2號、3號、4號釬焊材料焊接的組件剪切力數(shù)據(jù)及剪切后典型金相表明，剪切力結(jié)果與釬著率、金相結(jié)果相符；1號、2號釬焊材料焊接的組件剪切力數(shù)據(jù)均為9 500 N以上；3號、4號釬焊材料焊接的組件剪切力數(shù)據(jù)極低，可以判斷其為虛焊狀態(tài)。5號釬焊材料焊接的組件剪切力值略高，但仍遠低于1號及2號焊接組件，結(jié)合金相圖片可以確認，焊料片未完全熔化，未能在焊接結(jié)合面形成合金組織，觸頭及觸橋僅粘合在一起，同樣處于虛焊狀態(tài)，這也說明，釬著率檢測的局限性，難以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)此類粘合在一起但無焊接強度的焊接質(zhì)量缺陷。

表3 750℃不同釬焊材料焊接組件剪切力測試典型結(jié)果

綜合焊接組件釬著率、金相及剪切力結(jié)果，在焊接溫度為750℃時，使用高銀含量的1號釬焊材料焊接的組件，其焊接質(zhì)量最優(yōu)；且主成分元素為Ag、Cu、Zn的焊膏焊接質(zhì)量優(yōu)于其它類型釬焊材料。

2.4 830℃焊接試驗及結(jié)果分析

考慮到釬焊材料固液相線溫度，結(jié)合750℃條件下焊接質(zhì)量情況，將焊接溫度提高至830℃，驗證各釬焊材料焊接的組件焊接質(zhì)量情況。表4為各組件平均釬著率及剪切力數(shù)據(jù)，圖2為焊接后典型金相圖。

圖2 830℃焊接后組件典型金相

表4 830℃不同釬焊材料焊接組件平均釬著率及平均剪切力數(shù)據(jù)

釬著率結(jié)果表明，焊接溫度提高后，1號、2號、3號釬焊材料焊接的組件釬著率均達到90%以上，且明顯高于4#、5#樣品；金相結(jié)果表明焊接面閉合良好，僅3號有少量獨立小氣孔，但4號、5號金相焊接面仍有可見的釬焊材料層；相對于750℃條件下焊接組件剪切力數(shù)據(jù)，830℃條件下焊接組件的剪切力值皆有所提升，1號、2號、3號釬焊材料焊接的組件剪切力均達到10 000 N以上。

隨著焊接溫度的提高，完全熔化的液態(tài)釬焊材料表面張力及其與母材的界面張力都呈線性下降，使液態(tài)釬焊材料的流動性、潤濕性顯著增強，加快了液態(tài)釬焊材料在縫隙中的鋪展過程[5]，因此，適當(dāng)提高焊接溫度有助于焊膏焊接組件金相的改善及釬著率、剪切力的提高。

圖3及圖4分別為兩種溫度條件下平均釬著率及平均剪切力的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，提高焊接溫度后，各焊接組件焊接質(zhì)量相對提升，但焊料片焊接質(zhì)量與焊膏焊接質(zhì)量相差較遠，原因是由于助焊劑的均勻性、片狀焊料熔化速度相對較慢以及焊料流動性不良等因素的存在，使得在此溫度下，焊料片仍未能完全熔化成為液態(tài)；而釬焊時需要釬焊材料完全熔化，在觸頭和觸橋的間隙或者表面潤濕，增強毛細流動，填充間隙，并與觸橋相互作用，冷卻凝固后形成牢固的合金層[6]，故在此溫度下焊料片焊接質(zhì)量仍不滿足要求。

圖3 兩種溫度條件下平均釬著率折線圖

圖4 兩種溫度條件下平均剪切力折線圖

3 結(jié)論

（1）大規(guī)格AgSnO2觸頭組件焊接中，釬焊材料主成分元素為Ag、Cu、Zn的焊膏焊接后釬著率、金相及剪切力均優(yōu)于主成分元素為Ag、Cu、Zn的焊料片及主成分元素為Ag、Cu、P的釬焊材料。

（2）使用釬焊材料主成分元素為Ag、Cu、Zn的焊膏焊接，可以在較低的溫度獲得較好的焊接質(zhì)量。

（3）適當(dāng)提高焊接溫度，通過改善液態(tài)釬焊材料的流動性可提高焊膏焊接效果，并可提高焊料片焊接效果。