(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(直徑為0.2 mm左右的微細(xì)絲)與多股導(dǎo)線焊接在一起,對接頭的焊接質(zhì)量要求很高,但是多股導(dǎo)線與微細(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,鉑電阻引線的材料為直徑 0.2 mm的鎳/銀絲,多股導(dǎo)線的材料為直徑約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,對此類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,對焊工的水平和經(jīng)驗(yàn)要求較高,且人工操作無法在保證釬著率的同時嚴(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)先浸潤于多股導(dǎo)線自身間隙中,微細(xì)絲與多股導(dǎo)線之間的釬料浸潤不佳,通過增加釬料量的方法提高焊接熱輸入,微細(xì)絲在焊接過程中受熱增多,軟化加重,焊縫性能不佳,因此,文中開發(fā)了一種能實(shí)現(xiàn)多股導(dǎo)線與微細(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與導(dǎo)線的連接問題。
焊接過程中采用的微細(xì)絲和多股線焊接的配套夾具裝置見圖1,該裝置包括滑臺底座、直線導(dǎo)軌、滑塊,左/右電極座上均設(shè)置電極,電極上連接開設(shè)有線槽的蓋板,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)有線槽,蓋板的線槽上方均設(shè)置有固定部件。旋轉(zhuǎn)旋鈕 28可移動滑臺 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方向上對齊;將放大鏡組件調(diào)整到石墨電極 5的上方,沿著y直線導(dǎo)軌11手動調(diào)節(jié)x滑臺底座12,將石墨電極5調(diào)整到放大鏡組件的觀測區(qū)域位置,用鑷子夾取釬料片放在第三線槽31里,然后在第三線槽31內(nèi)依次放入細(xì)絲和多股線,同時調(diào)整多股線和細(xì)絲,將非焊接部分的多股線和細(xì)絲分別放置在第一線29槽、第二線槽30內(nèi),使用固定部件將第一線槽29、第二線槽30內(nèi)的多股線和細(xì)絲固定。
2)移開放大鏡組件,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滑臺底座 12,使電阻焊機(jī)的上電極在下壓后剛好對準(zhǔn)石墨電極5,當(dāng)觸發(fā)電阻焊機(jī)焊接按鈕時,上電極下壓在石墨電極5上,防止多股線和細(xì)絲在焊接時位置移動。
3)焊接時電流從左電極流過石墨電極5,石墨電極5發(fā)熱,熔化釬料,完成多股線與細(xì)絲的釬焊,焊接完成后,松開固定部件,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,流過石墨電極5時,石墨電極5發(fā)熱完成電阻釬焊,電流不會通過上電極,上電極只起到一個壓緊作用,即在觸發(fā)焊接按鈕時,上電極下壓到石墨電極5上,保證第三線槽31里的細(xì)絲和多股線在焊接時不會從槽里出來,且相對位置不發(fā)生變化。
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 QJ101的液態(tài)釬劑,總直徑450~1500 μm的多股銅導(dǎo)線(其中,單股銅導(dǎo)線直徑30~50 μm,數(shù)量 15~30 股),直徑 100~300 μm 的鎳絲。
多股導(dǎo)線與釬料在凹槽內(nèi)位置關(guān)系的橫截面示意圖見圖 2a??芍喙蓪?dǎo)線材料為銅合金,單股絲直徑為40 μm,股數(shù)約為20。首先用剝線鉗去除多股導(dǎo)線待焊端部絕緣皮,導(dǎo)線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、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正極用導(dǎo)線連接至第一導(dǎo)電銅板,輸出端子臺負(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,焊接時間為0.5 s,焊接壓力為 20 N,施加焊接信號,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)線內(nèi)部間隙被釬料填充,留待備用,通過上述操作得到浸潤后的多股導(dǎo)線。
浸潤后的多股導(dǎo)線與微細(xì)絲在凹槽內(nèi)位置關(guān)系的橫截面示意圖見圖 2b??芍?,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)釬料浸潤后的多股導(dǎo)線放置在帶槽石墨塊的凹槽中,施加焊接信號,釬料受熱熔化后包裹住微細(xì)絲和經(jīng)釬料浸潤后的多股導(dǎo)線,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)線與微細(xì)絲的焊接。在上述電阻釬焊實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開展焊接工藝實(shí)驗(yàn),研究預(yù)熱電流、焊接電流、緩升時間、預(yù)熱時間、冷卻時間、焊接時間等工藝參數(shù)對焊接成形的影響,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)見表1,優(yōu)化后的常規(guī)電阻釬焊工藝參數(shù)見表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
精密電阻釬焊新方法與常規(guī)電阻釬焊結(jié)果對比,外觀成形中常規(guī)電阻釬焊引線(見圖 3a)未被完全包裹,釬料填充不飽滿,成形差;改良后(見圖3b)熱影響區(qū)被釬料包裹,減小了應(yīng)力趨勢、釬料填充飽滿、成形好。
圖3 引線外觀成形對比Fig.3 Comparison of lead appearance forming
常規(guī)電阻釬焊焊接時(見圖4a),上電極向下壓,壓緊待焊的多股導(dǎo)線和鉑電極引線,電流通過待焊的多股導(dǎo)線和鉑電極引線,此時,電阻生熱源有鉑電阻引線、多股導(dǎo)線、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、多股導(dǎo)線、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圖 4b,待焊的鉑電阻引線和多股導(dǎo)線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,電流通過左導(dǎo)電銅板流經(jīng)石墨體向右導(dǎo)電銅板,此時,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,石墨體像是一個加熱槽,而待焊材料自身體電阻不發(fā)熱,僅受熱,可以通過進(jìn)一步的工藝優(yōu)化減少鉑電極引線的受熱量。
圖4 焊接受熱對比分析Fig.4 Comparative analysis of welding heating
焊接接頭力學(xué)性能研究中采用精密拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對采用不同工藝下獲得的焊接接頭進(jìn)行拉剪力測試,研究兩種方法對接頭拉剪力的影響。
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。
用常規(guī)電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)見圖5,可見,由于熱輸入量大,鉑電阻引線存在明顯軟化現(xiàn)象,并且因?yàn)槊?xì)作用,使得多股導(dǎo)線內(nèi)部間隙無法被釬料填充完整。
用精密電阻釬焊得到的焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)見圖6,可見,第1步的釬料熔化浸潤以填充多股導(dǎo)線間隙,以避免毛細(xì)作用所導(dǎo)致釬縫填充不佳的問題。在這一步中,鉑電阻引線不參與焊接,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)線性能依然強(qiáng)于鉑電阻引線,與之形成對比的是,鉑電阻引線因只在第2次釬焊時加入,所以僅受熱一次,鉑電阻引線整體形貌完整,與釬料潤濕很好。
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
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,通過焊接電源對帶槽石墨塊進(jìn)行通電加熱,將位于凹槽中的釬料熔化以實(shí)現(xiàn)鉑電阻引線與多股導(dǎo)線的可靠連接,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)線電阻釬焊的夾具裝置,裝置結(jié)構(gòu)簡單,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焊工操作水平要求高,而且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。
3)開發(fā)的方法操作簡單,所得接頭釬料填充飽滿,接頭性能優(yōu)于常規(guī)電阻釬焊接頭,釬料均勻浸潤微細(xì)絲和多股導(dǎo)線,避免了常規(guī)釬焊多股導(dǎo)線與微細(xì)絲時釬料由于毛細(xì)作用主要浸入多股導(dǎo)線間隙,導(dǎo)致微細(xì)絲與釬料、多股導(dǎo)線與釬料之間存在間隙的問題。采用開發(fā)的連接方法和裝置可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛控系統(tǒng)中鉑電阻鎳基引線和多股銅線的良好連接,可滿足產(chǎn)品尺寸、外觀、性能及穩(wěn)定性等要求。連接方法和專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。