平衡力繼電器定位針真空爐釬焊工藝研究

朱世良

(廈門宏發(fā)密封繼電器有限公司，福建 廈門)

序言

平衡力繼電器底板結(jié)構(gòu)具有一定的對稱性，為了避免繼電器在生產(chǎn)制造和使用過程中因?yàn)榈图夊e(cuò)誤導(dǎo)致的質(zhì)量損失，特意在繼電器底板上增加一個(gè)定位針。

繼電器定位針（4J29）與底板（4J29）采用的是電阻點(diǎn)焊的焊接方法，該工序點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)如圖1 所示，目前主要問題是焊后的尺寸不滿足要求、焊接強(qiáng)度低。電阻點(diǎn)焊過程中定位針端部和底板接觸的部位電流密度最為集中，產(chǎn)熱也最為集中，在電阻熱和電極壓力的作用下，不可避免的會產(chǎn)生大量的塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致定位針和底板接觸部位尺寸變大。

圖1 定位針點(diǎn)焊形變過程

以某型號平衡力繼電器為例，定位針焊前直徑為1.5 mm，焊后端部熔瘤直徑實(shí)際值約為1.8-1.9 mm，無法滿足裝配要求（小于1.7 mm）。如果通過減小焊接工藝參數(shù)的方式來減小端部熔瘤尺寸，焊接強(qiáng)度會大幅度下降，焊接接頭斷開的力值甚至不足80 N（力值標(biāo)準(zhǔn)為不小于100 N）。

為了徹底解決該工序焊接強(qiáng)度和焊后尺寸的問題，本文決定從根本上改變此種焊接方式，采用釬焊[1-2]的方法對定位針和底板進(jìn)行焊接，并從釬料選擇、釬焊工藝參數(shù)優(yōu)化、界面元素?cái)U(kuò)散等方面對釬焊工藝進(jìn)行研究。

1 繼電器底座部分工藝路線制定

平衡力繼電器底座部分制作工藝主要包含底板與定位針釬焊、底座玻璃燒結(jié)兩部分。

釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的一種焊接方法。

底座玻璃燒結(jié)是將組裝好的玻璃胚與預(yù)氧化后的4J29 底座在特定的保護(hù)氣氛和溫度（最高溫度約為980 ℃，高溫持續(xù)時(shí)間約為20 min）曲線下進(jìn)行高溫熔封，使具有兩種特性不同的材料形成具有一定熱穩(wěn)定性和耐壓絕緣性能的氣密封接體[3]。

本文如果采用釬焊的方法對定位針和底板進(jìn)行焊接，首先就需要對釬焊和玻璃燒結(jié)的工藝先后順序進(jìn)行分析，具體分析如下：

方案一：先玻璃燒結(jié)后釬焊。玻璃的軟化溫度約為450 ℃，如果在玻璃燒結(jié)之后進(jìn)行釬焊，就需要選擇熔點(diǎn)低于450 ℃的釬料。熔點(diǎn)低于450 ℃的釬料為軟釬焊焊料，強(qiáng)度較低（一般不超過40 MPa）。

方案二：玻璃燒結(jié)和釬焊同時(shí)進(jìn)行。如果釬焊和燒結(jié)在同一道工序進(jìn)行，就需要所選擇釬料的熔點(diǎn)低于底座玻璃燒結(jié)溫度（約980 ℃），在保證釬焊強(qiáng)度的條件下，可供選擇的釬料主要為Ag 基釬料。但是，燒結(jié)工序的保溫時(shí)間比較長（至少20 min）容易導(dǎo)致釬料溢流嚴(yán)重。因此，玻璃燒結(jié)和釬焊工序同時(shí)進(jìn)行的方案是存在較大風(fēng)險(xiǎn)的。

方案三：先釬焊后玻璃燒結(jié)。如果在釬焊之后進(jìn)行玻璃燒結(jié)，最主要的是保證釬焊工序中熔化的釬料在燒結(jié)工序不會重新熔化（釬料重新熔化容易導(dǎo)致繼電器絕緣耐壓不良），這就需要釬料的熔化溫度超過燒結(jié)溫度（約980 ℃）且低于母材熔化溫度（約1 400℃）。此方案具有一定的可行性。

通過以上三種工藝方案的對比分析，本文決定采用方案三（先釬焊后玻璃燒結(jié)）進(jìn)行工藝攻關(guān)。

2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

2.1 釬料選擇

該工序釬焊母材定位針和底板材質(zhì)均為4J29 可伐合金（主要成分Ni 為28.5～29.5%，Co 為16.8～17.8%，余量為Fe，其物理性能如表1 所示），釬焊性能良好。當(dāng)采用方案三（先釬焊后燒結(jié)）進(jìn)行工藝攻關(guān)，主要可供選擇的釬料為Cu 基、Mn 基、Ni 基等焊料。

表1 4J29 物理性能參數(shù)

綜合考慮成本等方面的因素，本文選用純銅作為釬焊焊料進(jìn)行工藝研究[4-5]，焊料為環(huán)狀，定位針為為雙頭SR 形狀，此種形式的定位針加工成本極低，而且熔融釬料更容易填充釬焊縫隙。選擇的銅絲直徑為0.2 mm，銅環(huán)內(nèi)徑1.5 mm（定位針直徑為1.5 mm，銅環(huán)內(nèi)徑需要與定位針直徑相匹配）。

2.2 釬焊設(shè)備及工藝參數(shù)

釬焊設(shè)備采用VJS-60 真空釬焊爐，將銅釬料環(huán)放置在定位針之后，放入真空爐進(jìn)行釬焊，試驗(yàn)初定工藝參數(shù)為900 ℃保溫30 min，1 000 ℃保溫10 min，釬焊溫度為1 090 ℃，時(shí)間為2 min。釬焊前后工件外觀如圖2 所示。由圖可知，釬料已經(jīng)完全潤濕定位針和底板，釬焊效果良好。

圖2 定位針和底板釬焊前后外觀

此外，為了避免熔化的液態(tài)釬料流至玻璃孔（會影響后續(xù)的玻璃燒結(jié)），還需要優(yōu)化出合理的釬焊工藝參數(shù)范圍，進(jìn)而滿足釬料鋪展?jié)櫇窬嚯x的要求。將試驗(yàn)釬焊溫度設(shè)定為1 090-1 130 ℃，時(shí)間為2-5 min。7 組不同工藝參數(shù)條件下，釬料的溢流情況如表2 所示。由表可知，當(dāng)釬焊溫度為1 090 ℃，釬焊溫度少于4 min 時(shí)，釬料不會溢流至玻璃孔；當(dāng)釬焊溫度為1 110 ℃，釬焊溫度少于3 min 時(shí)，釬料不會溢流至玻璃孔；當(dāng)釬焊溫度為1 130 ℃，釬焊時(shí)間即使減少至2 min，釬料也會溢流至玻璃孔。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，合適的工藝參數(shù)范圍為釬焊溫度1 090-1 110℃，釬焊時(shí)間2-3 min。

表2 不同工藝參數(shù)條件下釬料溢流情況

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 釬焊界面分析

釬焊接頭金相和不同區(qū)域元素分析結(jié)果如圖3和表3 所示。由圖3 可知，釬料已經(jīng)潤濕鋪展整個(gè)焊縫，沒有任何空洞、虛焊等缺陷。由表4 電鏡元素分析結(jié)果可知，定位針和底板母材4J29 中的Fe、Ni、Co 元素均已經(jīng)擴(kuò)散至釬料中，釬料中的Cu 元素也已經(jīng)沿晶擴(kuò)散至母材4J29。

表3 元素分析結(jié)果（%）

圖3 電鏡分析

由分析結(jié)果可以推測，在釬焊過程中4J29（底板和定位針）中Fe、Ni、Co 元素向釬焊焊縫不斷的擴(kuò)散，釬料熔點(diǎn)會不斷的升高。當(dāng)釬料熔點(diǎn)超過釬焊設(shè)定溫度后，釬料開始等溫凝固，停止鋪展，在一定溫度范圍內(nèi)更有利于控制釬料的流動(dòng)，避免釬料流進(jìn)玻璃封接孔。

3.2 釬焊和電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能對比

對釬焊和電阻點(diǎn)焊的定位針焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能測試，如圖4 所示。對于釬焊接頭（釬焊溫度1 090 ℃，釬焊時(shí)間2 min），力值達(dá)到188 N 時(shí)，定位針彎曲變形，釬焊接頭依然沒有脫開；對于電阻點(diǎn)焊（焊后接頭端部熔瘤直徑實(shí)際值約為1.83 mm，已經(jīng)超出設(shè)計(jì)1.7 mm 尺寸要求）接頭，力值達(dá)到137 N 時(shí)，焊接接頭完全脫開。

圖4 HF9515 定位針釬焊型接頭焊接力值測量

對20 組釬焊接頭（釬焊溫度1 090 ℃，釬焊時(shí)間2 min）和點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測試統(tǒng)計(jì)，點(diǎn)焊接頭力值最小值107 N，最大值167 N，均值127 N；釬焊接頭最小力值157 N，最大值197 N，均值177 N。由此說明，定位針釬焊接頭的力學(xué)性能要優(yōu)于點(diǎn)焊接頭。

此外，在釬焊過程中，定位針和底板并沒有發(fā)生變形，所以并不用考慮焊接后釬焊接頭不滿足產(chǎn)品尺寸要求的問題。

4 結(jié)論

本文采用釬焊代替電阻焊的方法對定位針和底板進(jìn)行焊接，并從釬料選擇、釬焊接頭設(shè)計(jì)、釬焊工藝參數(shù)優(yōu)化等方面展開研究，得到以下結(jié)論：

（1）采用T2 銅釬料對4J29 底板和定位針釬焊，當(dāng)釬焊溫度1 090 ℃、釬焊時(shí)間2 min 時(shí)，釬焊接頭力值可以達(dá)到197 N。

（2）采用釬焊代替電阻點(diǎn)焊對定位針和底板進(jìn)行焊接，徹底解決了定位針和底板焊后尺寸和焊接強(qiáng)度的問題。