（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

航空傳感元器件是飛機(jī)控制系統(tǒng)中的重要零件，其制造需要將鉑電阻引線(xiàn)（直徑為0.2 mm左右的微細(xì)絲）與多股導(dǎo)線(xiàn)焊接在一起，對(duì)接頭的焊接質(zhì)量要求很高，但是多股導(dǎo)線(xiàn)與微細(xì)絲直徑差異大，所用材料為異種，微細(xì)絲極易受熱軟化，傳統(tǒng)焊接方法難以保證焊接質(zhì)量。其中，鉑電阻引線(xiàn)的材料為直徑 0.2 mm的鎳/銀絲，多股導(dǎo)線(xiàn)的材料為直徑約0.5 mm的表面鍍鎳銅絲，20股。焊后接頭最大直徑要求小于0.8 mm，強(qiáng)度達(dá)到母材的80%。

目前，對(duì)此類(lèi)零件的連接以釬焊為主，主要采用火焰釬焊及電阻釬焊等方法，火焰釬焊以人工操作為主，對(duì)焊工的水平和經(jīng)驗(yàn)要求較高，且人工操作無(wú)法在保證釬著率的同時(shí)嚴(yán)格控制接頭熱輸入，焊接結(jié)果的重復(fù)性較差。常規(guī)電阻釬焊中，由于毛細(xì)作用，釬料優(yōu)先浸潤(rùn)于多股導(dǎo)線(xiàn)自身間隙中，微細(xì)絲與多股導(dǎo)線(xiàn)之間的釬料浸潤(rùn)不佳，通過(guò)增加釬料量的方法提高焊接熱輸入，微細(xì)絲在焊接過(guò)程中受熱增多，軟化加重，焊縫性能不佳，因此，文中開(kāi)發(fā)了一種能實(shí)現(xiàn)多股導(dǎo)線(xiàn)與微細(xì)絲穩(wěn)定、可靠連接的新方法及相關(guān)裝置，主要研究航空傳感元器件中鉑電阻引線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)的連接問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置

焊接過(guò)程中采用的微細(xì)絲和多股線(xiàn)焊接的配套夾具裝置見(jiàn)圖1，該裝置包括滑臺(tái)底座、直線(xiàn)導(dǎo)軌、滑塊，左/右電極座上均設(shè)置電極，電極上連接開(kāi)設(shè)有線(xiàn)槽的蓋板，左/右電極座上的電極之間夾固有石墨電極，石墨電極上設(shè)有線(xiàn)槽，蓋板的線(xiàn)槽上方均設(shè)置有固定部件。旋轉(zhuǎn)旋鈕 28可移動(dòng)滑臺(tái) 8，進(jìn)而裝卸石墨塊。導(dǎo)電銅板上加工有尺寸合適的V形槽（29及 30），以方便放置焊接材料，利用壓爪 15固定絲材?？烧{(diào)整位置的放大鏡24可以輔助工人焊接時(shí)進(jìn)行觀察，非導(dǎo)電的塑料墊板4和8可以幫助電流僅在此裝置中通過(guò)導(dǎo)電銅板9和6以及石墨體5。

圖1 釬焊裝夾工裝Fig.1 Fixture of brazing

該夾具裝置的使用方法如下。

1)焊接前對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整第二x向滑塊26和第一x向滑塊27的位置，從而調(diào)整由第二x向滑塊26和第一x向滑塊27上的電極夾固的石墨電極5的位置，保證電阻焊機(jī)的上電極和石墨電極5在x方向上對(duì)齊；將放大鏡組件調(diào)整到石墨電極 5的上方，沿著y直線(xiàn)導(dǎo)軌11手動(dòng)調(diào)節(jié)x滑臺(tái)底座12，將石墨電極5調(diào)整到放大鏡組件的觀測(cè)區(qū)域位置，用鑷子夾取釬料片放在第三線(xiàn)槽31里，然后在第三線(xiàn)槽31內(nèi)依次放入細(xì)絲和多股線(xiàn)，同時(shí)調(diào)整多股線(xiàn)和細(xì)絲，將非焊接部分的多股線(xiàn)和細(xì)絲分別放置在第一線(xiàn)29槽、第二線(xiàn)槽30內(nèi)，使用固定部件將第一線(xiàn)槽29、第二線(xiàn)槽30內(nèi)的多股線(xiàn)和細(xì)絲固定。

2)移開(kāi)放大鏡組件，將電阻焊機(jī)的正、負(fù)電極分別接入所述左電極、右電極中的電極孔中，調(diào)節(jié)x滑臺(tái)底座 12，使電阻焊機(jī)的上電極在下壓后剛好對(duì)準(zhǔn)石墨電極5，當(dāng)觸發(fā)電阻焊機(jī)焊接按鈕時(shí)，上電極下壓在石墨電極5上，防止多股線(xiàn)和細(xì)絲在焊接時(shí)位置移動(dòng)。

3)焊接時(shí)電流從左電極流過(guò)石墨電極5，石墨電極5發(fā)熱，熔化釬料，完成多股線(xiàn)與細(xì)絲的釬焊，焊接完成后，松開(kāi)固定部件，取出零件。

4)多次焊接后若石墨電極 5受到損傷，擰松鎖緊螺栓28，更換石墨電極5。

本裝置和及裝置使用方法中的“上電極”，不同于傳統(tǒng)電阻電焊中的上電極，本發(fā)明中采用平行電極，使得電流從左（右）電極流到右（左）電極，流過(guò)石墨電極5時(shí)，石墨電極5發(fā)熱完成電阻釬焊，電流不會(huì)通過(guò)上電極，上電極只起到一個(gè)壓緊作用，即在觸發(fā)焊接按鈕時(shí)，上電極下壓到石墨電極5上，保證第三線(xiàn)槽31里的細(xì)絲和多股線(xiàn)在焊接時(shí)不會(huì)從槽里出來(lái)，且相對(duì)位置不發(fā)生變化。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)材料選取尺寸0.1 mm×0.4 mm×4 mm的固態(tài)銀基釬料片，牌號(hào) QJ101的液態(tài)釬劑，總直徑450～1500 μm的多股銅導(dǎo)線(xiàn)（其中，單股銅導(dǎo)線(xiàn)直徑30～50 μm，數(shù)量 15～30 股），直徑 100～300 μm 的鎳絲。

多股導(dǎo)線(xiàn)與釬料在凹槽內(nèi)位置關(guān)系的橫截面示意圖見(jiàn)圖 2a?？芍?，多股導(dǎo)線(xiàn)材料為銅合金，單股絲直徑為40 μm，股數(shù)約為20。首先用剝線(xiàn)鉗去除多股導(dǎo)線(xiàn)待焊端部絕緣皮，導(dǎo)線(xiàn)端部剝皮部分控制在4 mm。釬料選用銀基釬料片，厚度為0.1 mm，用美工刀裁制成0.4 mm×4 mm尺寸。采用丙酮將微細(xì)絲和處理好的多股導(dǎo)線(xiàn)、釬料放入超聲波清洗池中清洗，清洗完成后晾干。將焊接電源的輸出端子臺(tái)正極用導(dǎo)線(xiàn)連接至第一導(dǎo)電銅板，輸出端子臺(tái)負(fù)極連接至第二導(dǎo)電銅板，將帶槽石墨塊放置在兩導(dǎo)電銅板之間，旋緊緊定旋鈕確保帶槽石墨塊與兩導(dǎo)電銅板接觸良好。取一片裁制好的釬料片平放在帶槽石墨塊的凹槽中，滴入少許釬劑，將多股導(dǎo)線(xiàn)的待焊處平放在帶槽石墨塊中。設(shè)置焊接電流為0.70 kA，焊接時(shí)間為0.5 s，焊接壓力為 20 N，施加焊接信號(hào)，電流經(jīng)第一導(dǎo)電銅板傳遞至帶槽石墨塊，帶槽石墨塊的體電阻熱使釬料熔化，多股導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部間隙被釬料填充，留待備用，通過(guò)上述操作得到浸潤(rùn)后的多股導(dǎo)線(xiàn)。

浸潤(rùn)后的多股導(dǎo)線(xiàn)與微細(xì)絲在凹槽內(nèi)位置關(guān)系的橫截面示意圖見(jiàn)圖 2b。可知，取一片裁制好的釬料片平放在帶槽石墨塊的凹槽中，滴入少許釬劑，將微細(xì)絲放置在帶槽石墨塊的凹槽中，微細(xì)絲材料為純鎳，材料狀態(tài)為硬態(tài)，直徑為200 μm，抗拉力為25 N。將經(jīng)釬料浸潤(rùn)后的多股導(dǎo)線(xiàn)放置在帶槽石墨塊的凹槽中，施加焊接信號(hào)，釬料受熱熔化后包裹住微細(xì)絲和經(jīng)釬料浸潤(rùn)后的多股導(dǎo)線(xiàn)，完成焊接。

圖2 橫截面示意圖Fig.2 Cross section diagram

采用相同的實(shí)驗(yàn)材料，按照常規(guī)電阻釬焊的步驟完成多股導(dǎo)線(xiàn)與微細(xì)絲的焊接。在上述電阻釬焊實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展焊接工藝實(shí)驗(yàn)，研究預(yù)熱電流、焊接電流、緩升時(shí)間、預(yù)熱時(shí)間、冷卻時(shí)間、焊接時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)焊接成形的影響，并依據(jù)焊接接頭直徑、焊接接頭外觀質(zhì)量對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)。優(yōu)化后的精密電阻釬焊工藝參數(shù)見(jiàn)表1，優(yōu)化后的常規(guī)電阻釬焊工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行常規(guī)電阻釬焊與改良后的精密電阻釬焊對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行工藝研究、焊接接頭力學(xué)性能研究、焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)分析。

表1 優(yōu)化后的精密電阻釬焊工藝參數(shù)Tab.1 Precision resistance brazing process parameters after optimization

表2 優(yōu)化后的常規(guī)電阻釬焊工藝參數(shù)Tab.2 Conventional resistance brazing process parameters after optimization

2 結(jié)果與分析

2.1 成形對(duì)比

精密電阻釬焊新方法與常規(guī)電阻釬焊結(jié)果對(duì)比，外觀成形中常規(guī)電阻釬焊引線(xiàn)（見(jiàn)圖 3a）未被完全包裹，釬料填充不飽滿(mǎn)，成形差；改良后（見(jiàn)圖3b）熱影響區(qū)被釬料包裹，減小了應(yīng)力趨勢(shì)、釬料填充飽滿(mǎn)、成形好。

圖3 引線(xiàn)外觀成形對(duì)比Fig.3 Comparison of lead appearance forming

2.2 工藝研究

常規(guī)電阻釬焊焊接時(shí)（見(jiàn)圖4a），上電極向下壓，壓緊待焊的多股導(dǎo)線(xiàn)和鉑電極引線(xiàn)，電流通過(guò)待焊的多股導(dǎo)線(xiàn)和鉑電極引線(xiàn)，此時(shí)，電阻生熱源有鉑電阻引線(xiàn)、多股導(dǎo)線(xiàn)、釬料片以及上下電極各接觸面的接觸電阻產(chǎn)生的接觸電阻熱與鉑電阻引線(xiàn)、多股導(dǎo)線(xiàn)、釬料片的自身電阻所產(chǎn)生的體電阻熱。改進(jìn)后的精密電阻釬焊見(jiàn)圖 4b，待焊的鉑電阻引線(xiàn)和多股導(dǎo)線(xiàn)以及釬料置于帶槽石墨塊的槽中，上電極向下壓，輸出焊接信號(hào)，電流通過(guò)左導(dǎo)電銅板流經(jīng)石墨體向右導(dǎo)電銅板，此時(shí)，由于石墨體的電阻遠(yuǎn)大于其他電阻，焊接生熱源以石墨體電阻發(fā)熱為主。焊接時(shí)，石墨體像是一個(gè)加熱槽，而待焊材料自身體電阻不發(fā)熱，僅受熱，可以通過(guò)進(jìn)一步的工藝優(yōu)化減少鉑電極引線(xiàn)的受熱量。

圖4 焊接受熱對(duì)比分析Fig.4 Comparative analysis of welding heating

2.3 焊接接頭力學(xué)性能研究

焊接接頭力學(xué)性能研究中采用精密拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)采用不同工藝下獲得的焊接接頭進(jìn)行拉剪力測(cè)試，研究?jī)煞N方法對(duì)接頭拉剪力的影響。

拉剪力實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)電阻釬焊接頭斷裂位于微細(xì)絲熱影響區(qū)，平均抗拉力為21 N，強(qiáng)度系數(shù)為84%，但焊接質(zhì)量不穩(wěn)定；與之對(duì)比精密電阻釬焊，斷裂位于微細(xì)絲熱影響區(qū)，平均抗拉力達(dá)到 23 N，強(qiáng)度系數(shù)為92%，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，效率高。

2.4 焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)分析

用常規(guī)電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，可見(jiàn)，由于熱輸入量大，鉑電阻引線(xiàn)存在明顯軟化現(xiàn)象，并且因?yàn)槊?xì)作用，使得多股導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)部間隙無(wú)法被釬料填充完整。

用精密電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，可見(jiàn)，第1步的釬料熔化浸潤(rùn)以填充多股導(dǎo)線(xiàn)間隙，以避免毛細(xì)作用所導(dǎo)致釬縫填充不佳的問(wèn)題。在這一步中，鉑電阻引線(xiàn)不參與焊接，以減少其受熱軟化的程度。第2步再次加熱后，銅絲受熔蝕影響，但多股導(dǎo)線(xiàn)性能依然強(qiáng)于鉑電阻引線(xiàn)，與之形成對(duì)比的是，鉑電阻引線(xiàn)因只在第2次釬焊時(shí)加入，所以?xún)H受熱一次，鉑電阻引線(xiàn)整體形貌完整，與釬料潤(rùn)濕很好。

圖5 用常規(guī)電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of welding joint obtained by conventional resistance brazing

圖6 用精密電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of welded joint obtained by precise resistance brazing

3 結(jié)論

1)采用平行電極的思路，將帶定形槽的石墨塊放置在兩導(dǎo)電銅板的中央，通過(guò)焊接電源對(duì)帶槽石墨塊進(jìn)行通電加熱，將位于凹槽中的釬料熔化以實(shí)現(xiàn)鉑電阻引線(xiàn)與多股導(dǎo)線(xiàn)的可靠連接，獲得了成形美觀、尺寸大小合適、力學(xué)性能優(yōu)良的釬焊接頭。

2)設(shè)計(jì)了適用于微細(xì)絲和不等直徑多股導(dǎo)線(xiàn)電阻釬焊的夾具裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，裝夾可靠，提高了接頭質(zhì)量穩(wěn)定性與焊接效率。采用這種方法及裝置，解決了實(shí)際生產(chǎn)所應(yīng)用的火焰釬焊方法對(duì)焊工操作水平要求高，而且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。

3)開(kāi)發(fā)的方法操作簡(jiǎn)單，所得接頭釬料填充飽滿(mǎn)，接頭性能優(yōu)于常規(guī)電阻釬焊接頭，釬料均勻浸潤(rùn)微細(xì)絲和多股導(dǎo)線(xiàn)，避免了常規(guī)釬焊多股導(dǎo)線(xiàn)與微細(xì)絲時(shí)釬料由于毛細(xì)作用主要浸入多股導(dǎo)線(xiàn)間隙，導(dǎo)致微細(xì)絲與釬料、多股導(dǎo)線(xiàn)與釬料之間存在間隙的問(wèn)題。采用開(kāi)發(fā)的連接方法和裝置可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛控系統(tǒng)中鉑電阻鎳基引線(xiàn)和多股銅線(xiàn)的良好連接，可滿(mǎn)足產(chǎn)品尺寸、外觀、性能及穩(wěn)定性等要求。連接方法和專(zhuān)用裝置可以用于電子行業(yè)、電器行業(yè)中微細(xì)絲之間的連接。