李 俐, 周海銘, 高玉保, 張 揚, 王岳化, 卞 健

(浙江正泰電器股份有限公司, 浙江 溫州 325603)

0 引 言

從生產(chǎn)的成本和市場考慮,目前斷路器中具有導電功能的金屬零件通常采用焊接的方法組成部件,以保證該部件接頭處具有良好的導電性能,減少零件間接觸電阻,降低斷路器的發(fā)熱[1]。焊縫的連接質(zhì)量直接影響低壓電器產(chǎn)品的使用性能與工作壽命,是低壓電器領(lǐng)域技術(shù)人員以及客戶關(guān)注的重點。因此針對電觸頭的焊接技術(shù)開展了廣泛的研究,其中釬焊技術(shù)在電觸頭焊接方面得到了較好的實際應(yīng)用。目前,在低壓電器領(lǐng)域電觸頭的研究中,現(xiàn)有關(guān)于焊接方面的研究主要針對焊接方法、焊接材料、焊接檢測等方面。顧章平等人[2]利用有限元分析方法,模擬了釬焊工藝連接電觸頭過程溫度場的變化。當焊接時間增加,釬料完全熔化而母材不熔化,進一步驗證了釬焊在低壓電器觸頭焊接領(lǐng)域的可行性。何高明等人[3]從焊接材料等角度進行研究,提出純銅作為接觸板,同時采用高銀含量的焊料進行焊接,以此得到優(yōu)良的釬焊接頭,保證觸頭質(zhì)量。朱世良[4]針對釬焊電觸頭釬著率的檢測提出了快速無損檢測方法。這些研究對實際生產(chǎn)中釬焊電觸頭有較大的參考價值,同時為解決相應(yīng)工藝技術(shù)問題提供了思路。

電觸頭工作面的設(shè)計原則通常采用圓弧形動觸點、平面形靜觸點,故對于自動化而言,區(qū)分焊接面和工作面是有必要的。為方便自動化焊接的識別,通常會將觸點的焊接面設(shè)計成凹凸不平的網(wǎng)格、圓環(huán)、花紋或條形等形狀。在實際的生產(chǎn)中,發(fā)現(xiàn)觸點焊接面結(jié)構(gòu)對電觸頭釬焊質(zhì)量有較大的影響。

本文針對實際生產(chǎn)中釬焊電觸頭存在的問題,進行了釬焊原理分析,并在此基礎(chǔ)上提出了工藝改進措施,以提升電觸頭的焊接質(zhì)量,為低壓電器產(chǎn)品焊接生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

材料選用:①觸點材料為AgW55,滿足國家標準GB/T 8320—2017要求;②接觸板材料為T2,符合GB/T 5231—2012,觸頭搭接設(shè)計示意圖如圖1所示。最下端為接觸板待焊部位,中間層為均勻涂覆釬劑的BAg50CuZn釬料,最上端為觸點;③焊片選用符合 GB/T 10046—2018的BAg50CuZn;④釬劑采用的是以硼砂、硼酸和氟化物為主要組分的FB101,符合JB/T 6045—2017。

圖1 觸頭搭接設(shè)計示意圖

不同觸點焊接面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 不同觸點焊接面結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 試驗方法

試驗采用4種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的觸點進行釬焊。焊后利用超聲成像檢測輔以金相觀察和剪切力試驗的方式對釬焊試樣進行接頭釬焊質(zhì)量好壞的評判。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 外觀分析

按試驗方法進行電觸頭釬焊,焊后首先進行外觀檢測。采用不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點的焊后外觀圖如圖3所示。4種不同結(jié)構(gòu)觸點的電觸頭外觀尺寸均符合質(zhì)量要求,但采用平面狀、條紋狀觸點電觸頭溢出焊料的有效面積較采用網(wǎng)格狀、半網(wǎng)格狀觸點的電觸頭略多,其釬角更加飽滿圓滑。

圖3 采用不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點的焊后外觀圖

2.2 釬著率檢測及分析

使用JTUIS-V超聲成像檢測儀對不同焊接面結(jié)構(gòu)的電觸頭進行釬著率檢測,各觸頭取5只做釬著率檢測并記錄數(shù)據(jù),求取平均值和波動范圍。用每種結(jié)構(gòu)觸點的典型圖作為分析依據(jù),不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點的超聲波檢測數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點的超聲波檢測數(shù)據(jù)結(jié)果

采用網(wǎng)格狀觸點對應(yīng)的電觸頭釬著率范圍為(68.62±3.24)%,在釬焊接頭的中心位置有大面積的紅色影像,這是超聲波反射遇到缺陷反射信號強烈導致?？梢郧逦乜吹饺毕菝黠@并且呈網(wǎng)格狀規(guī)則排列。因此可以初步判斷觸點焊接面的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)利于接頭缺陷的生成,而不利于形成優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭。

半網(wǎng)格狀觸點對應(yīng)的電觸頭,其觸點焊接面結(jié)構(gòu)設(shè)計為一半是網(wǎng)格結(jié)構(gòu),一半是平面結(jié)構(gòu)。采用半網(wǎng)格狀觸點的釬著率為(82.12±3.53)%,較網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)有了明顯提高,但仍然大概率低于質(zhì)量要求的85%。由表1中釬著率典型圖可以看到,接頭的超聲成像圖片明顯被分成了左右兩個不同的部分。其中一半與網(wǎng)格狀影像中的缺陷類似;而另一半雖然也存在缺陷,但缺陷的密度、缺陷面積較右側(cè)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)偏小且其排列為無規(guī)則排列。其結(jié)果說明,該觸點網(wǎng)格部分釬焊質(zhì)量較平面部分更差,進一步驗證了網(wǎng)格狀不利形成優(yōu)質(zhì)釬焊接頭。

采用平面狀觸點釬焊得到的電觸頭釬著率范圍為(92.87±3.73)%,高于采用網(wǎng)格狀、半網(wǎng)格狀觸點的釬著率,并且已經(jīng)完全滿足質(zhì)量要求。從典型圖中可以看到,只存在少許的無規(guī)則紅色缺陷,接頭總體釬著情況良好。

采用條紋狀觸點的電觸頭是4組試樣中釬著率最高的一組。條紋狀結(jié)構(gòu)觸點的釬著率范圍為(95.11±3.66)%,滿足高于質(zhì)量要求的85%,從其影像中可以看到總體呈深藍色,只存在條紋狀淺藍色印花以及零星的細小紅色缺陷。因此可以說明,采用條紋狀結(jié)構(gòu)的觸點較采用網(wǎng)格狀更利于釬焊形成優(yōu)質(zhì)的電觸頭接頭。

2.3 金相分析

鑒于超聲波檢測曲面和復雜物體的測試結(jié)果存在輕微失真的局限性,為清晰了解不同焊接面結(jié)構(gòu)下焊縫的形貌特點,決定對各組樣品進行焊接接頭金相觀察和分析。從4種焊接面結(jié)構(gòu)觸點的焊接樣品中各取1件,沿觸點中心剖切開、鑲嵌、磨拋并按GB/T 26871—2011標準的3#試劑腐蝕,用Zeiss Axioscope 5正置顯微鏡觀察,不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點的釬焊金相圖如圖4 ～圖7所示。

圖4 網(wǎng)格狀焊接面觸點的釬焊金相圖

由圖可見,圖4樣品因網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)存在的自鎖效果,釬劑、釬料無法自由流動填縫,會形成較大、較多的孔洞缺陷。圖5樣品因網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)減半,釬劑、釬料量比較多時,可以在局部填平網(wǎng)格后再實現(xiàn)自由流動填縫,從而形成無明顯缺陷、圓潤飽滿的焊縫,但整體上存在釬劑和釬料填充量不足的風險。圖6和圖7樣品焊接面結(jié)構(gòu)分別為平面狀和條紋狀,無明顯缺陷并有圓潤飽滿的焊縫。

圖5 半網(wǎng)格狀焊接面觸點的釬焊金相圖

圖6 平面狀焊接面觸點的釬焊金相圖

圖7 條紋狀焊接面觸點的釬焊金相圖

2.4 剪切力檢測及分析

通過對各組試樣進行剪切強度測試,發(fā)現(xiàn)采用條紋狀結(jié)構(gòu)觸點的電觸頭剪切強度最高,采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)觸點的剪切力最差。在剪切測試之后對試樣切口進行了觀察分析,發(fā)現(xiàn)采用條紋狀、半網(wǎng)格狀、平面狀結(jié)構(gòu)觸點的電觸頭點與接觸板連接緊密。而采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)觸點的電觸頭在剪切測試下,觸點完好,但觸點與接觸板連接接頭處開裂(接頭中心區(qū)開裂),斷面較為平整,這與其釬著率差和釬縫中心區(qū)存在孔洞有關(guān)。不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點的剪切強度測試數(shù)據(jù)如表2所示;不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點焊后釬著率和剪切強度如圖8所示。

表2 不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點的剪切強度測試數(shù)據(jù)

圖8 不同焊接面結(jié)構(gòu)觸點焊后釬著率和剪切強度

3 觸點焊接面潤濕不良分析

異種材料間的冶金連接是在釬焊時經(jīng)歷釬料的填隙過程和釬料與母材結(jié)合過程而形成的釬焊接頭。釬焊時液態(tài)釬料之所以能自動填滿接頭的間隙,主要依靠的是毛細管作用在縫隙中流動[5-7]。首先液態(tài)釬料與母材具有良好的潤濕性,其次釬焊接頭設(shè)計和裝配必須根據(jù)釬料和母材特點選擇最佳的間隙,以確保間隙內(nèi)氣體和釬劑可順利排出。張東亞[8]等人研究表明,當釬料與母材間相互作用較弱的情況下,母材表面較粗糙可改善潤濕性,較粗糙表面上縱橫交錯的細槽可促進液態(tài)釬料沿母材表面以特殊的毛細作用進行鋪展。因此,釬料的鋪展?jié)櫇衲芰陀|點焊接面形狀設(shè)計對形成優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭有著關(guān)鍵作用,接頭質(zhì)量好壞可以用超聲無損檢測的釬著率進行評判。在實際生產(chǎn)中,焊縫通常要求85%以上的釬著率,以保證電觸頭的質(zhì)量。從釬焊原理分析,母材焊接面狀態(tài)磨削溝槽深些可更有利于釬料的鋪展?jié)櫇褚约懊氉饔?。為防止釬料在焊接過程中流散過快,可將觸點設(shè)計為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。但上述試驗中發(fā)現(xiàn),采用網(wǎng)格狀的觸點釬焊得到的電觸頭質(zhì)量不穩(wěn)定。

其結(jié)果表明缺陷一般由內(nèi)圍繞網(wǎng)格而形成。在上述試驗的超聲波檢測和金相分析中,結(jié)合釬焊原理對其釬著過程進行了分析。

一般使用釬劑的釬焊接頭形成包括兩個過程,首先釬劑去氧化膜增加液態(tài)釬料潤濕性,使其可以填滿全部接頭間隙;其次釬料與母材之間的相互作用。前者為釬焊創(chuàng)造條件,后者是能否獲得牢固釬焊縫的關(guān)鍵。過程中,釬劑隨著溫度增加而熔化發(fā)揮作用,去掉母材焊接面的氧化膜并流走。同時液態(tài)釬料隨著溫度增加而開始填縫、潤濕并逐步和母材發(fā)生溶解和擴散等相互作用。但采用網(wǎng)格狀焊接面觸點焊接時,網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)不僅會阻礙氧化物殘渣的排出,影響潤濕效果,且產(chǎn)生未釬透和夾渣等焊接缺陷,還會因網(wǎng)格空間內(nèi)存在的氣體產(chǎn)生氣孔缺陷,造成未釬透和氣孔等缺陷。

綜上,基于超聲波檢測和剪切強度測試結(jié)果,結(jié)合釬焊原理的釬焊過程分析,總結(jié)不同焊接面結(jié)構(gòu)的觸點在釬焊電觸頭中的按焊接的好壞效果排序:依次是條紋狀、平面狀、半網(wǎng)格狀、網(wǎng)格狀。

4 結(jié) 語

本文通過對電觸頭釬焊過程中出現(xiàn)的觸點焊接面結(jié)構(gòu)影響釬焊質(zhì)量的問題進行了試驗并分析探討。通過工藝改進驗證了觸點焊接面結(jié)構(gòu)對釬焊電觸頭質(zhì)量的影響,以及其在釬焊電觸頭領(lǐng)域的適用性,得出以下結(jié)論:

(1) 觸點焊接面出現(xiàn)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)不利于電觸頭的釬焊,包括半網(wǎng)格狀或網(wǎng)格狀,易阻礙釬料和釬劑流動而生成大量孔洞焊接缺陷,影響電觸頭的釬焊質(zhì)量。

(2) 采用平面狀、條紋狀結(jié)構(gòu)觸點的電觸頭,其釬焊質(zhì)量良好,滿足產(chǎn)品性能要求。

(3) 采用條紋狀結(jié)構(gòu)的觸點釬焊電觸頭性能最優(yōu),其兼顧網(wǎng)格狀釬料易被自動化識別和平面狀釬料易鋪展?jié)櫇竦膬?yōu)勢。焊接剪切強度達到(140.1±3.6)MPa,釬著率達到(95.11±3.66)%。