程方杰，馬兆龍，楊立軍，肖 鑫，楊俊香，武云龍

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300072)

隨著通訊技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)正式啟動(dòng)新一代的3G 通訊網(wǎng)絡(luò)．3G 網(wǎng)絡(luò)使用的信號(hào)頻率更高，其傳輸頻段從原來(lái) 2G 網(wǎng)絡(luò)的 800～960,MHz 和1,700 ～ 1,900,MHz 提 高 到 1,885 ～ 2,200,MHz 和2,300～2,400,MHz[1]，這就對(duì)同軸電纜的信號(hào)衰減和屏蔽效果提出了更高的要求．在此背景下，高性能的半柔性同軸電纜得到了迅猛發(fā)展．

半柔性同軸電纜其外導(dǎo)體是采用鍍錫的細(xì)銅線編織成的金屬網(wǎng)．在金屬編織網(wǎng)外導(dǎo)體上再進(jìn)行整體鍍錫是目前國(guó)內(nèi)外制造半柔性同軸電纜的通用技術(shù)[2-4]．這種半柔性同軸電纜具有使用溫度范圍寬、使用頻率高、衰減低、駐波系數(shù)小、屏蔽性能好等優(yōu)異性能[2]．同時(shí)，與金屬管型同軸電纜相比，其具有良好的彎曲變形能力；與柔性電纜(金屬編制的外導(dǎo)體上不鍍錫)相比，其具有良好的形狀保持能力，在狹窄的空間內(nèi)布線時(shí)排列十分整齊美觀．基于以上優(yōu)點(diǎn)，這種半柔性同軸電纜特別適合于在狹小空間內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜的布線，有利于通訊設(shè)備的小型化和功能的日趨復(fù)雜化．目前這種外導(dǎo)體整體鍍錫的半柔性同軸電纜廣泛應(yīng)用于 3G 通訊基站內(nèi)部的信號(hào)傳輸，是3G 通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的關(guān)鍵材料之一．

1 垂直鍍錫新工藝原理

目前，國(guó)內(nèi)外線纜行業(yè)大多是采用圖1 所示的水平鍍錫工藝．

在鍍錫過(guò)程中，同軸電纜通過(guò)導(dǎo)向壓輪從錫鍋的一端壓入鍍錫槽中的錫液，然后經(jīng)導(dǎo)向輪后離開(kāi)鍍錫槽．因?yàn)樵谠摴に囘^(guò)程中，電纜進(jìn)出錫槽都是經(jīng)過(guò)錫液上表面，為區(qū)別于文中所提出的工藝方法，稱(chēng)為水平鍍錫工藝．這種傳統(tǒng)的水平鍍錫工藝對(duì)工藝參數(shù)要求很苛刻，容易出現(xiàn)針孔缺陷和鍍層附著力不足等質(zhì)量問(wèn)題，因此經(jīng)常需要鍍 2 遍，對(duì)內(nèi)部絕緣層的熱損傷嚴(yán)重，而且鍍錫效率低．其中，針孔缺陷是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在．

圖1 同軸電纜水平鍍錫工藝原理Fig.1 Schematic diagram of coaxial cable horizontal tinplating process

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電纜經(jīng)過(guò)高溫錫液時(shí)，助焊劑活性成分的分解、殘留溶劑和水分的汽化等原因?qū)е略诰幙椌W(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，形成很高的內(nèi)部氣體壓力，當(dāng)電纜剛剛離開(kāi)錫液面的瞬間，這些氣體沖破尚未凝固的錫鍍層從而形成針孔，這是產(chǎn)生針孔缺陷的主要原因[5]．因此，為減少針孔缺陷的發(fā)生，需要盡量縮短電纜在錫液中的停留時(shí)間以及浸入錫液內(nèi)的長(zhǎng)度．

在傳統(tǒng)的水平鍍錫工藝中，電纜浸入錫液的長(zhǎng)度一般超過(guò) 400,mm，在錫液中的停留時(shí)間超過(guò) 6,s，因此容易產(chǎn)生針孔缺陷．為了縮短電纜浸入錫液的長(zhǎng)度和縮短在錫液中的停留時(shí)間，筆者提出了垂直鍍錫新工藝，并已獲取國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)[6]．

垂直鍍錫工藝的基本原理是：將經(jīng)過(guò)涂覆助焊劑、烘干預(yù)熱等前處理的同軸電纜通過(guò)一個(gè)位于鍍錫槽底部的導(dǎo)入管從錫液的底部進(jìn)入并垂直穿過(guò)錫液完成鍍錫的，其原理見(jiàn)圖2．

圖2 同軸電纜垂直鍍錫工藝原理Fig.2 Schematic diagram of coaxial cable vertical tinplating process

在該工藝過(guò)程中，電纜是從錫液的底部垂直進(jìn)入錫液然后從其表面穿出離開(kāi)鍍槽的，本文中稱(chēng)其為垂直鍍錫工藝．為了控制錫液面的高度，從而控制電纜在錫液中的浸入長(zhǎng)度，需要在錫槽上部設(shè)置一個(gè)可以升降的空心金屬盒．在非鍍錫狀態(tài)時(shí)，該金屬盒從錫液中提出，使錫液面下降到電纜導(dǎo)入管上表面以下，從而避免錫液從導(dǎo)入孔中泄露出來(lái)；準(zhǔn)備鍍錫時(shí)，首先將待鍍錫電纜穿過(guò)導(dǎo)入孔并經(jīng)過(guò)牽引機(jī)后纏繞到收線機(jī)上，然后開(kāi)啟牽引機(jī)進(jìn)行收線，同時(shí)將金屬盒慢慢壓入到已經(jīng)加熱到合適溫度的錫液中，抬升錫液面；當(dāng)錫液面超過(guò)導(dǎo)入管的上表面后便浸潤(rùn)電纜，開(kāi)始鍍錫．通過(guò)調(diào)整金屬盒壓下的深度可以方便地調(diào)節(jié)電纜浸入錫液的長(zhǎng)度．很顯然，與傳統(tǒng)的水平鍍錫工藝相比，垂直鍍錫工藝可以大幅度縮短電纜浸入錫液的深度，一般可以控制在 10～100,mm．配合相應(yīng)的牽引速度，電纜在高溫錫液中的停留時(shí)間則可以縮短到1.0,s 以下．

在垂直鍍錫過(guò)程中，錫液溫度、電纜在錫液內(nèi)的停留時(shí)間、電纜浸入錫液的長(zhǎng)度以及電纜的送進(jìn)速度是影響鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)．

2 垂直鍍錫過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)

2.1 錫液溫度對(duì)鍍層質(zhì)量的影響

為了分析研究錫液溫度對(duì)鍍錫層質(zhì)量的影響，分別在240,℃、260,℃和280,℃ 3 個(gè)溫度下采用本課題開(kāi)發(fā)的垂直鍍錫工藝進(jìn)行了鍍錫實(shí)驗(yàn)．電纜在錫液中的停留時(shí)間為 2.0,s，使用自行配制的低發(fā)氣量、無(wú)鹵素有機(jī)助焊劑．所用的同軸電纜編織密度為 96%、外徑為3.30,mm、型號(hào)為STV50-3．

液態(tài)金屬的黏度和表面張力一般都是隨著溫度的升高而變小[7-8]．因此，溫度越低，錫液的黏度越高，表面張力越大，錫液的流動(dòng)性和滲透能力也就越低，從而影響在整體鍍錫過(guò)程中向金屬編織網(wǎng)內(nèi)部的滲透作用．首先，為觀察錫液的滲透情況，將鍍錫后的編織網(wǎng)用剪刀剪開(kāi)，從內(nèi)部觀察了錫液的滲入效果，結(jié)果如圖3 所示．

圖3 不同溫度下錫液向編織網(wǎng)內(nèi)部的滲透結(jié)果Fig.3 Penetration effect of molten tin to the inner side of braids at different temperatures

由圖 3(a)可以發(fā)現(xiàn)，在 240,℃時(shí)，編織網(wǎng)內(nèi)側(cè)很干凈，幾乎看不到錫液滲入的跡象．260,℃時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)有大量的錫液滲透進(jìn)了編織網(wǎng)的內(nèi)部，凝固后將編織網(wǎng)牢固地連接成一個(gè)整體，如圖3(b)所示．隨著錫液溫度繼續(xù)升高到280,℃時(shí)，可以看到滲入到編織網(wǎng)內(nèi)部的錫量又有所減少，如圖 3(c)所示．通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以知道，溫度對(duì)錫液向編織網(wǎng)內(nèi)部的滲透能力有重要的影響．對(duì)上述結(jié)果分析如下：錫液溫度過(guò)低時(shí)(240,℃，僅僅超過(guò)其熔點(diǎn) 8,℃)，一方面錫液的黏度太高，其通過(guò)毛細(xì)作用向內(nèi)滲透的能力不足；另一方面，這個(gè)溫度下液態(tài)錫與編織線之間的界面冶金反應(yīng)較慢，其通過(guò)界面冶金反應(yīng)驅(qū)動(dòng)(反應(yīng)潤(rùn)濕)向內(nèi)部滲透的能力也不足．這兩方面的原因使得其不能有效地滲透到編織網(wǎng)的內(nèi)部．這種情況下，鍍錫層只是附著在了編織網(wǎng)的外表面，其結(jié)合強(qiáng)度不足，特別是在折彎過(guò)程中，錫層很容易發(fā)生開(kāi)裂和剝落現(xiàn)象．當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)(280,℃)，錫液的黏度大大下降，流動(dòng)性增強(qiáng)，這有利于通過(guò)毛細(xì)作用向內(nèi)部的滲透；但是這個(gè)溫度下，助焊劑的多個(gè)有效成分分解嚴(yán)重，在編織網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣體并形成很高的內(nèi)部氣壓，氣體壓力會(huì)阻礙液體釬料向內(nèi)部的滲入，而且容易形成針孔缺陷．這兩方面作用的綜合結(jié)果是溫度過(guò)高時(shí)，錫液的滲透能力有所下降．因此，要獲得足夠的滲透能力，必須有一個(gè)合適的溫度，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致錫液的滲透能力下降甚至不能滲透到編織網(wǎng)的內(nèi)部去．

錫液溫度還對(duì)鍍錫層厚度和氣孔缺陷有著重要的影響．為了觀察錫層的厚度及內(nèi)部氣孔情況，對(duì)上述3 種溫度下焊接的試樣的橫截面進(jìn)行了金相分析，其金相圖片如圖4 所示，表1 則給出了鍍錫前后電纜直徑的變化情況．

圖4 不同溫度下鍍錫外導(dǎo)體橫截面金相圖Fig.4 Cross-section metallographs of outer conductors after tin-plating at different temperatures

表1 不同溫度下同軸電纜鍍錫后直徑變化Tab.1 Change of diameters of coaxial cable after tinplating at different temperatures

由圖 4(a)可以看出，當(dāng)鍍錫溫度為 240,℃時(shí)，其鍍錫層明顯偏厚，超過(guò)了300,μm．而且錫釬料只黏附在編織網(wǎng)外層的銅線上，內(nèi)層銅線多數(shù)處在游離狀態(tài)，沒(méi)被釬料包覆住，這與圖 3(a)從內(nèi)側(cè)看不到鍍錫層的結(jié)果是一致的．當(dāng)鍍錫溫度為 260,℃時(shí)，根據(jù)圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，錫釬料已經(jīng)完全填滿了編織網(wǎng)銅線的所有縫隙，將整個(gè)編織網(wǎng)固化為一體，鍍層密實(shí)，內(nèi)部基本沒(méi)有氣孔缺陷，其厚度約為 100,μm，從外觀上看鍍層光亮、均勻、飽滿．如果將鍍錫溫度提高到280,℃，可以發(fā)現(xiàn)鍍錫層進(jìn)一步變薄，大部分地方的厚度在 20,μm 以下．從外觀上看，錫層不飽滿，未能填平銅線的間隙．在鍍層內(nèi)部還可以發(fā)現(xiàn)有很多的氣孔存在，這主要是由釬劑分解產(chǎn)生的氣體所形成的．根據(jù)表 1 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以知道：從錫層的厚度和氣孔缺陷的角度來(lái)講，錫液溫度過(guò)高和過(guò)低都會(huì)產(chǎn)生不良影響，260,℃左右是一個(gè)理想的溫度，在該溫度下獲得的鍍層厚度適中，內(nèi)部密實(shí)，沒(méi)有氣孔缺陷．

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，鍍錫溫度一般控制在 255～265,℃，能得到對(duì)內(nèi)層編織網(wǎng)滲透良好、厚度均勻適中、表面光亮飽滿、內(nèi)部密實(shí)無(wú)氣孔的優(yōu)良鍍層．

2.2 電纜的浸錫長(zhǎng)度和送進(jìn)速度對(duì)鍍錫質(zhì)量的影響

電纜在錫液中的停留時(shí)間(t)取決于電纜浸入錫液中的長(zhǎng)度(L)和電纜的送進(jìn)速度(v)二者的配合．三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

為了研究電纜的浸錫長(zhǎng)度和停留時(shí)間對(duì)鍍錫質(zhì)量的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了如表 2 所示的工藝實(shí)驗(yàn)方案．錫液溫度為 260,℃，采用自制的低發(fā)氣量專(zhuān)用助焊劑．對(duì)鍍完錫的電纜截面制成金相試樣觀察錫層內(nèi)部的質(zhì)量，結(jié)果如圖5 所示．

表2 浸錫長(zhǎng)度、停留時(shí)間對(duì)鍍錫層質(zhì)量影響的工藝實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Experimental scheme about effects of immerg-ing length and time on the coating qualities

從圖5 中可以看出，當(dāng)電纜在錫液中的停留時(shí)間超過(guò)1.2,s 時(shí)，鍍錫層明顯變薄，內(nèi)部氣孔缺陷顯著增多，同時(shí)編織網(wǎng)內(nèi)側(cè)的銅線上很少有錫液滲入，說(shuō)明鍍錫速度過(guò)低或者在錫液中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)降低錫液對(duì)編織網(wǎng)內(nèi)部的滲透能力，如圖 5(a)～(b)所示．當(dāng)停留時(shí)間在 0.5～0.8,s 范圍內(nèi)時(shí)，從圖 5(c)～(e)可以看出，鍍錫層內(nèi)部氣孔缺陷很少，鍍錫層厚度適中，表面光滑，同時(shí)對(duì)內(nèi)層編織網(wǎng)有良好的滲透效果，整個(gè)編織網(wǎng)被鍍錫層固化為一體，具有優(yōu)良的綜合性能．進(jìn)一步縮短在錫液中的停留時(shí)間或者提高電纜的送進(jìn)速度，錫鍍層內(nèi)氣孔缺陷很少，錫液對(duì)編織網(wǎng)的滲透作用也很強(qiáng)，但是鍍錫層厚度會(huì)明顯增加，如圖 5(f)所示．這主要是因?yàn)楫?dāng)送進(jìn)速度太高時(shí)，當(dāng)電纜離開(kāi)錫液面時(shí)表面會(huì)黏附帶走更多的錫液，這些錫液凝固后就使鍍層厚度增加，而且鍍層的厚度也不均勻，這既造成錫釬料的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鍍錫后電纜重量的增加，生產(chǎn)中一般是不允許的．

圖5 不同工藝參數(shù)的鍍錫層金相圖片(具體工藝參數(shù)見(jiàn)表2)Fig.5 Metallographs of tin coating at different tin-plating parameters(shown in Tab.2)

綜上所述，電纜在錫液中的停留時(shí)間是決定錫鍍層質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，合適的停留時(shí)間可以有效消除鍍錫層上的氣孔缺陷，同時(shí)提高鍍層的整體質(zhì)量．更進(jìn)一步，在保證鍍錫時(shí)間的前提下，對(duì)電纜的送進(jìn)速度也有一定的范圍限制．送進(jìn)速度不能太快，在本實(shí)驗(yàn)條件下，如果超過(guò)了 8,m/min，鍍錫層厚度將顯著增加．

綜合考慮，為了獲得高質(zhì)量的整體鍍錫層，電纜在錫液中的停留時(shí)間控制在 0.5～1.0,s，電纜送進(jìn)速度在4～6,m/min，浸入深度在40～80,mm 之間，采用本文提出的垂直鍍錫工藝一遍即可獲得無(wú)氣孔缺陷、組織致密、表面光滑的整體鍍錫層．

3 結(jié) 論

(1) 本文提出的垂直鍍錫新工藝將同軸電纜浸入錫液的長(zhǎng)度縮短至 10～100,mm，停留時(shí)間減少到1.0,s 以下，顯著減少了氣孔缺陷的發(fā)生，同時(shí)提高了鍍錫層的附著強(qiáng)度和生產(chǎn)效率．

(2) 當(dāng)錫液溫度在 255～265,℃，電纜在錫液內(nèi)的停留時(shí)間為 0.5～1.0,s，電纜浸入錫液的長(zhǎng)度在40～80,mm，電纜的送進(jìn)速度為 4～6,m/min 時(shí)，采用垂直鍍錫工藝一遍即可獲得無(wú)氣孔缺陷、組織致密、厚度適中、表面光滑的整體鍍錫層．

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