王 健，李遠(yuǎn)波，于兆勤，郭鐘寧

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 前言

漆包線也叫電磁線，廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)療器具和半導(dǎo)體的生產(chǎn)中（如傳感器、變壓器、芯片互連引線等），充當(dāng)內(nèi)部元件的一部分，或作為元件內(nèi)外連接的導(dǎo)體介質(zhì)。當(dāng)作為內(nèi)外連接的導(dǎo)體介質(zhì)時(shí)，漆包線的末端必須與金屬終端（如針、箔等）實(shí)現(xiàn)電接觸，并滿足一定的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和耐溫度循環(huán)疲勞性能等要求[1]。鑒于漆包線的廣泛應(yīng)用，在此對(duì)漆包線與銅箔連接[2]這一應(yīng)用形式進(jìn)行研究。

釬焊是漆包線最常見(jiàn)的焊接方法，先將漆膜去除，然后用焊錫等釬料焊在基底（箔片、引針等）上，這種方式既降低了生產(chǎn)效率，又增加了成本。因此，本研究采用不需預(yù)先除漆無(wú)釬料的單面逆變點(diǎn)焊的方式進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

逆變點(diǎn)焊的主要工藝參數(shù)有焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力，若直接進(jìn)行全面試驗(yàn)，則工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，采用正交試驗(yàn)?zāi)軠p少試驗(yàn)次數(shù)，簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)分析的計(jì)算[3]。運(yùn)用正交試驗(yàn)法對(duì)0.1 mm漆包線與0.2 mm銅箔焊接的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定各影響因素的主次關(guān)系，找到較優(yōu)參數(shù)組合，為今后進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備、方法及焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）焊件材料。漆包線選用P155p級(jí)改性聚氨酯漆包線，其裸線直徑0.1 mm，漆膜厚度15 μm，具有直焊性，拉伸后無(wú)針孔，常用于繼電器、儀表、微型變壓器、小型馬達(dá)等場(chǎng)合。銅箔選用工業(yè)級(jí)磷青銅箔，尺寸18mm×7mm×0.20mm，化學(xué)成分如表1所示。焊前磷青銅箔用丙酮超聲清洗。

表1 磷青銅箔的化學(xué)成分 %

（2）電極材料。為了實(shí)現(xiàn)單面點(diǎn)焊，電極必須具備自熱功能，同時(shí)銅和高電導(dǎo)率的銅合金點(diǎn)焊時(shí)必須防止大量散熱，所以采用特殊回路的鎢電極，如圖1所示。

圖1 電極示意

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

焊接電源提供焊接所需的熱量，由于微型件的焊接熱慣性小[4]，要求電源能夠精確控制輸出能量和輸出波形。試驗(yàn)采用精密逆變直流點(diǎn)焊機(jī)（見(jiàn)圖2）。其中逆變電源最大輸出電流為1 kA，電流調(diào)節(jié)精度1 A，逆變頻率4 kHz，因此焊接時(shí)間控制精度可達(dá)0.25 ms，實(shí)際調(diào)節(jié)精度1 ms，可對(duì)焊接能量進(jìn)行精確控制。加壓機(jī)構(gòu)采用彈簧隨動(dòng)腳踏式加壓機(jī)構(gòu)，電極壓力0～30 N連續(xù)可調(diào)。

采用某公司生產(chǎn)的型號(hào)為CMT8501微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖3），1級(jí)準(zhǔn)確度，最大試驗(yàn)力50 N，試驗(yàn)力測(cè)量范圍0.2%~100%FS，橫梁速度調(diào)節(jié)范圍0.001~500 mm/min，有效拉伸空間500 mm。用于測(cè)試接頭的抗拉強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)方法

將漆包線和銅箔以搭接接頭形式制作樣本，當(dāng)電極壓力FE達(dá)到設(shè)定值時(shí)，焊接觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)熱壓焊接，如圖4所示。

焊接電流為單脈沖直流波形，如圖5所示。

1.4 焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

圖2 精密逆變直流點(diǎn)焊機(jī)

圖3CMT8501微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

圖4 焊接示意

圖5 單脈沖電流波形

焊接質(zhì)量通過(guò)接頭抗拉強(qiáng)度和外觀質(zhì)量來(lái)評(píng)估[5]。其中接頭抗拉強(qiáng)度使用90°拉伸試驗(yàn)中測(cè)得的最大拉斷力來(lái)表示，如圖6所示，拉力試驗(yàn)在CMT8501材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度10 mm/min，接頭與試驗(yàn)機(jī)線夾間長(zhǎng)度100 mm。接頭外觀質(zhì)量通過(guò)光學(xué)顯微鏡（VHX-600，Keyence Corporation，Japan）進(jìn)行觀察，主要觀察焊接過(guò)程中有無(wú)飛濺、電極粘連、打火、線材炸斷、銅箔焊穿等焊接缺陷，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中這些焊接缺陷出現(xiàn)的次數(shù)，以良品率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（良品率=1－焊接缺陷發(fā)生次數(shù)／該組試驗(yàn)總次數(shù)）。

2 試驗(yàn)和結(jié)果分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖6 拉開(kāi)試驗(yàn)示意

根據(jù)電阻焊原理及大量點(diǎn)焊試驗(yàn)，本試驗(yàn)考察逆變點(diǎn)焊的三種主要影響因素，即焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力。為充分調(diào)查各水平的影響，取5水平做正交試驗(yàn)，因素水平表如表2所示。

正交試驗(yàn)的指標(biāo)按上述焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，將接頭最大拉斷力和良品率作為試驗(yàn)指標(biāo)。為了減小試驗(yàn)誤差，提高試驗(yàn)準(zhǔn)確度，每組試驗(yàn)進(jìn)行了5次重復(fù)試驗(yàn)，最大拉斷力取5次試驗(yàn)平均值，統(tǒng)計(jì)每組試驗(yàn)焊接缺陷次數(shù)，計(jì)算良品率。

表2 因素與水平

本實(shí)驗(yàn)為3因素5水平實(shí)驗(yàn)，因不考慮交互作用，故選擇正交試驗(yàn)表L25(56)最合適，有3列空列，作為誤差分析。正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

通常采用極差分析法和方差分析法兩種方法分析正交試驗(yàn)結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2.1 極差分析

極差分析方法是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出正交表中每列的極差R值來(lái)判斷影響因素的主次關(guān)系，尋找較優(yōu)的水平組合，具體計(jì)算為

式中 i為水平號(hào)；Ki為任一列上水平號(hào)為時(shí)所對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果之和；s為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)；ki為任一列上因素取水平i時(shí)所得試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值；R 為極差值；ki（max）為 ki中的最大值；ki（min）為 ki中的最小值。

由于本試驗(yàn)有接頭抗拉強(qiáng)度和接頭外觀質(zhì)量?jī)深惪疾熘笜?biāo)，因此需要分別對(duì)兩類指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)上述的極差分析原理，兩個(gè)指標(biāo)的極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 極差分析結(jié)果

為了便于觀察分析，做出三個(gè)因素趨勢(shì)圖，如圖7所示。

由極差分析結(jié)果可知，對(duì)于接頭抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，A因素（焊接電流）：k4>k3>k2>k5>k1，B因素（焊接時(shí)間）：k3>k2>k4>k5>k1，C因素（電極壓力）：k5>k2>k1>k3>k4；對(duì)于外觀質(zhì)量指標(biāo)，A因素：k1>k2>k3>k4=k5，B因素：k1>k2>k3>k4>k5，C 因素：k2>k1>k3=k4>k5。就各因素影響力而言，對(duì)于抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，由RA>RC>RB，所以影響力大?。篈>C>B；對(duì)于外觀質(zhì)量指標(biāo)，由RC>RB>RA，所以影響力大?。篊>B>A。

圖7 趨勢(shì)

從趨勢(shì)圖可以看到，對(duì)于抗拉強(qiáng)度指標(biāo)，A因素從1~3水平，最大拉斷力大幅增大，3~4水平變化較小，在4水平時(shí)達(dá)到一個(gè)極大值，4~5水平又大幅減小；B因素從1~3水平，最大拉斷力大幅增大，在3水平時(shí)達(dá)到一個(gè)極大值，3~5水平又大幅減??；C因素在2水平時(shí)，最大拉斷力達(dá)到一個(gè)極大值，在5水平達(dá)到最大值，其他三個(gè)水平最大拉斷力的值接近。對(duì)于外觀質(zhì)量指標(biāo)，A因素從1~3水平，良品率大幅變小，3~5水平繼續(xù)變小，但幅度變小；B因素從1~5水平呈大幅下降趨勢(shì)；C因素在2水平達(dá)到一個(gè)極大值，之后呈大幅下降趨勢(shì)。

由上述可知，考慮抗拉強(qiáng)度，A因素是主要因素，應(yīng)選取最大拉斷力值最大的4水平，但同時(shí)考慮到外觀質(zhì)量隨電流增大而變差，所以電流可選擇最大拉斷力相差不大的3水平作為最佳值；B因素為次要因素，從接頭強(qiáng)度看，選取3水平，從外觀質(zhì)量看，可選1~3水平，綜合考慮，3水平最好；對(duì)于C因素，雖然在接頭強(qiáng)度指標(biāo)上，5水平最好，2水平其次，但在外觀質(zhì)量指標(biāo)上，5水平為0，不適合選取，同時(shí)在外觀質(zhì)量指標(biāo)上，它是主要因素，應(yīng)取其最好的2水平，所以綜合考慮，2水平最佳。

綜上可得，通過(guò)極差分析的較優(yōu)方案是A3B3C2，也就是焊接電流420 A，焊接時(shí)間46 ms，電極壓力12 N。

2.2.2 方差分析

極差分析法具有簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，但極差分析法不能估計(jì)誤差的大小，不能精確地估計(jì)各因素的試驗(yàn)結(jié)果影響的重要程度，如果對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，就能彌補(bǔ)直觀分析法的這些不足。

方差分析是將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分，構(gòu)造F統(tǒng)計(jì)量，作F檢驗(yàn)，即可判斷因素作用是否顯著。由于本試驗(yàn)有接頭抗拉強(qiáng)度和接頭外觀質(zhì)量?jī)深惪疾熘笜?biāo)，因此需要分別對(duì)兩類指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行分析。方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 極差分析結(jié)果

由表5可知，從抗拉強(qiáng)度指標(biāo)看，三個(gè)因素均不顯著，從其偏差平方和SS可以看出因素的主次順序是A>C>B，這與極差分析的結(jié)果是一致的，所以這里以極差分析的結(jié)果為準(zhǔn)；對(duì)于外觀質(zhì)量指標(biāo)，從F值可以看出各因素的主次順序?yàn)锽>C>A，三個(gè)因素都有顯著影響，且焊接時(shí)間和電極壓力更為顯著，所以選取各個(gè)因素的值的時(shí)候要充分考慮外觀質(zhì)量，特別是選取焊接時(shí)間和電極壓力時(shí)要尤為注意，前面做極差分析時(shí)已經(jīng)充分考慮了外觀質(zhì)量指標(biāo)，得出的結(jié)論可靠。

綜上所述，得出較優(yōu)方案A3B3C2，其工藝參數(shù)是焊接電流420 A、焊接時(shí)間46 ms、電極壓力12 N。

2.2.3 正交試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)

取較優(yōu)方案的工藝參數(shù)（即焊接電流420 A、焊接時(shí)間46 ms、電極壓力12 N）進(jìn)行同等條件試驗(yàn)，做五個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)試各個(gè)樣品的最大拉斷力，計(jì)算得其均值為1.426 N，其值與極差分析結(jié)果中的最大值較為接近，抗拉強(qiáng)度高。觀察其中一個(gè)樣品的接頭外觀（見(jiàn)圖8），可以看到接頭較美觀。

圖8 樣品接頭照片

3 結(jié)論

通過(guò)焊接能量的精密控制和特殊回路的電極，對(duì)0.1 mm漆包線與0.2 mm磷青銅箔進(jìn)行單面逆變點(diǎn)焊試驗(yàn)。運(yùn)用正交試驗(yàn)法初步優(yōu)化工藝參數(shù)，確定了各影響因素的主次關(guān)系：在接頭抗拉強(qiáng)度指標(biāo)上，A（焊接電流）>C（電極壓力）>B（焊接時(shí)間），在外觀質(zhì)量指標(biāo)上，B>C>A；得出了較優(yōu)參數(shù)組合：焊接電流420 A、焊接時(shí)間46 ms、電極壓力12 N，在這一參數(shù)組合下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明接頭抗拉強(qiáng)度與外觀質(zhì)量均較優(yōu)。

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