程方杰，馬兆龍，楊立軍，肖 鑫，楊俊香，武云龍

(1. 天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；2. 天津市現代連接技術重點試驗室，天津 300072)

隨著通訊技術的快速發(fā)展，我國已經正式啟動新一代的3G 通訊網絡．3G 網絡使用的信號頻率更高，其傳輸頻段從原來 2G 網絡的 800～960,MHz 和1,700 ～ 1,900,MHz 提 高 到 1,885 ～ 2,200,MHz 和2,300～2,400,MHz[1]，這就對同軸電纜的信號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體是采用鍍錫的細銅線編織成的金屬網．在金屬編織網外導體上再進行整體鍍錫是目前國內外制造半柔性同軸電纜的通用技術[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、駐波系數小、屏蔽性能好等優(yōu)異性能[2]．同時，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，在狹窄的空間內布線時排列十分整齊美觀．基于以上優(yōu)點，這種半柔性同軸電纜特別適合于在狹小空間內進行復雜的布線，有利于通訊設備的小型化和功能的日趨復雜化．目前這種外導體整體鍍錫的半柔性同軸電纜廣泛應用于 3G 通訊基站內部的信號傳輸，是3G 通訊網絡建設中的關鍵材料之一．

1 垂直鍍錫新工藝原理

目前，國內外線纜行業(yè)大多是采用圖1 所示的水平鍍錫工藝．

在鍍錫過程中，同軸電纜通過導向壓輪從錫鍋的一端壓入鍍錫槽中的錫液，然后經導向輪后離開鍍錫槽．因為在該工藝過程中，電纜進出錫槽都是經過錫液上表面，為區(qū)別于文中所提出的工藝方法，稱為水平鍍錫工藝．這種傳統的水平鍍錫工藝對工藝參數要求很苛刻，容易出現針孔缺陷和鍍層附著力不足等質量問題，因此經常需要鍍 2 遍，對內部絕緣層的熱損傷嚴重，而且鍍錫效率低．其中，針孔缺陷是影響產品質量的關鍵所在．

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

實驗發(fā)現，當電纜經過高溫錫液時，助焊劑活性成分的分解、殘留溶劑和水分的汽化等原因導致在編織網內產生大量氣體，形成很高的內部氣體壓力，當電纜剛剛離開錫液面的瞬間，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間以及浸入錫液內的長度．

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

垂直鍍錫工藝的基本原理是：將經過涂覆助焊劑、烘干預熱等前處理的同軸電纜通過一個位于鍍錫槽底部的導入管從錫液的底部進入并垂直穿過錫液完成鍍錫的，其原理見圖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

在該工藝過程中，電纜是從錫液的底部垂直進入錫液然后從其表面穿出離開鍍槽的，本文中稱其為垂直鍍錫工藝．為了控制錫液面的高度，從而控制電纜在錫液中的浸入長度，需要在錫槽上部設置一個可以升降的空心金屬盒．在非鍍錫狀態(tài)時，該金屬盒從錫液中提出，使錫液面下降到電纜導入管上表面以下，從而避免錫液從導入孔中泄露出來；準備鍍錫時，首先將待鍍錫電纜穿過導入孔并經過牽引機后纏繞到收線機上，然后開啟牽引機進行收線，同時將金屬盒慢慢壓入到已經加熱到合適溫度的錫液中，抬升錫液面；當錫液面超過導入管的上表面后便浸潤電纜，開始鍍錫．通過調整金屬盒壓下的深度可以方便地調節(jié)電纜浸入錫液的長度．很顯然，與傳統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．配合相應的牽引速度，電纜在高溫錫液中的停留時間則可以縮短到1.0,s 以下．

在垂直鍍錫過程中，錫液溫度、電纜在錫液內的停留時間、電纜浸入錫液的長度以及電纜的送進速度是影響鍍層質量的關鍵工藝參數．

2 垂直鍍錫過程中的關鍵工藝參數

2.1 錫液溫度對鍍層質量的影響

為了分析研究錫液溫度對鍍錫層質量的影響，分別在240,℃、260,℃和280,℃ 3 個溫度下采用本課題開發(fā)的垂直鍍錫工藝進行了鍍錫實驗．電纜在錫液中的停留時間為 2.0,s，使用自行配制的低發(fā)氣量、無鹵素有機助焊劑．所用的同軸電纜編織密度為 96%、外徑為3.30,mm、型號為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，錫液的流動性和滲透能力也就越低，從而影響在整體鍍錫過程中向金屬編織網內部的滲透作用．首先，為觀察錫液的滲透情況，將鍍錫后的編織網用剪刀剪開，從內部觀察了錫液的滲入效果，結果如圖3 所示．

圖3 不同溫度下錫液向編織網內部的滲透結果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，在 240,℃時，編織網內側很干凈，幾乎看不到錫液滲入的跡象．260,℃時，可以發(fā)現有大量的錫液滲透進了編織網的內部，凝固后將編織網牢固地連接成一個整體，如圖3(b)所示．隨著錫液溫度繼續(xù)升高到280,℃時，可以看到滲入到編織網內部的錫量又有所減少，如圖 3(c)所示．通過上述實驗現象可以知道，溫度對錫液向編織網內部的滲透能力有重要的影響．對上述結果分析如下：錫液溫度過低時(240,℃，僅僅超過其熔點 8,℃)，一方面錫液的黏度太高，其通過毛細作用向內滲透的能力不足；另一方面，這個溫度下液態(tài)錫與編織線之間的界面冶金反應較慢，其通過界面冶金反應驅動(反應潤濕)向內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的內部．這種情況下，鍍錫層只是附著在了編織網的外表面，其結合強度不足，特別是在折彎過程中，錫層很容易發(fā)生開裂和剝落現象．當溫度過高時(280,℃)，錫液的黏度大大下降，流動性增強，這有利于通過毛細作用向內部的滲透；但是這個溫度下，助焊劑的多個有效成分分解嚴重，在編織網內部產生大量的氣體并形成很高的內部氣壓，氣體壓力會阻礙液體釬料向內部的滲入，而且容易形成針孔缺陷．這兩方面作用的綜合結果是溫度過高時，錫液的滲透能力有所下降．因此，要獲得足夠的滲透能力，必須有一個合適的溫度，過高或過低都會導致錫液的滲透能力下降甚至不能滲透到編織網的內部去．

錫液溫度還對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部氣孔情況，對上述3 種溫度下焊接的試樣的橫截面進行了金相分析，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，當鍍錫溫度為 240,℃時，其鍍錫層明顯偏厚，超過了300,μm．而且錫釬料只黏附在編織網外層的銅線上，內層銅線多數處在游離狀態(tài)，沒被釬料包覆住，這與圖 3(a)從內側看不到鍍錫層的結果是一致的．當鍍錫溫度為 260,℃時，根據圖4(b)可以發(fā)現，錫釬料已經完全填滿了編織網銅線的所有縫隙，將整個編織網固化為一體，鍍層密實，內部基本沒有氣孔缺陷，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)現鍍錫層進一步變薄，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．在鍍層內部還可以發(fā)現有很多的氣孔存在，這主要是由釬劑分解產生的氣體所形成的．根據表 1 的統計結果可以知道：從錫層的厚度和氣孔缺陷的角度來講，錫液溫度過高和過低都會產生不良影響，260,℃左右是一個理想的溫度，在該溫度下獲得的鍍層厚度適中，內部密實，沒有氣孔缺陷．

經過反復實驗，鍍錫溫度一般控制在 255～265,℃，能得到對內層編織網滲透良好、厚度均勻適中、表面光亮飽滿、內部密實無氣孔的優(yōu)良鍍層．

2.2 電纜的浸錫長度和送進速度對鍍錫質量的影響

電纜在錫液中的停留時間(t)取決于電纜浸入錫液中的長度(L)和電纜的送進速度(v)二者的配合．三者之間的數學關系為

為了研究電纜的浸錫長度和停留時間對鍍錫質量的影響規(guī)律，設計了如表 2 所示的工藝實驗方案．錫液溫度為 260,℃，采用自制的低發(fā)氣量專用助焊劑．對鍍完錫的電纜截面制成金相試樣觀察錫層內部的質量，結果如圖5 所示．

表2 浸錫長度、停留時間對鍍錫層質量影響的工藝實驗方案Tab.2 Experimental scheme about effects of immerg-ing length and time on the coating qualities

從圖5 中可以看出，當電纜在錫液中的停留時間超過1.2,s 時，鍍錫層明顯變薄，內部氣孔缺陷顯著增多，同時編織網內側的銅線上很少有錫液滲入，說明鍍錫速度過低或者在錫液中停留時間過長都會降低錫液對編織網內部的滲透能力，如圖 5(a)～(b)所示．當停留時間在 0.5～0.8,s 范圍內時，從圖 5(c)～(e)可以看出，鍍錫層內部氣孔缺陷很少，鍍錫層厚度適中，表面光滑，同時對內層編織網有良好的滲透效果，整個編織網被鍍錫層固化為一體，具有優(yōu)良的綜合性能．進一步縮短在錫液中的停留時間或者提高電纜的送進速度，錫鍍層內氣孔缺陷很少，錫液對編織網的滲透作用也很強，但是鍍錫層厚度會明顯增加，如圖 5(f)所示．這主要是因為當送進速度太高時，當電纜離開錫液面時表面會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，同時也會導致鍍錫后電纜重量的增加，生產中一般是不允許的．

圖5 不同工藝參數的鍍錫層金相圖片(具體工藝參數見表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間是決定錫鍍層質量的一個關鍵參數，合適的停留時間可以有效消除鍍錫層上的氣孔缺陷，同時提高鍍層的整體質量．更進一步，在保證鍍錫時間的前提下，對電纜的送進速度也有一定的范圍限制．送進速度不能太快，在本實驗條件下，如果超過了 8,m/min，鍍錫層厚度將顯著增加．

綜合考慮，為了獲得高質量的整體鍍錫層，電纜在錫液中的停留時間控制在 0.5～1.0,s，電纜送進速度在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氣孔缺陷、組織致密、表面光滑的整體鍍錫層．

3 結 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度縮短至 10～100,mm，停留時間減少到1.0,s 以下，顯著減少了氣孔缺陷的發(fā)生，同時提高了鍍錫層的附著強度和生產效率．

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

［1］李恩銘. 第三代移動通信(3G)的發(fā)展與射頻同軸電纜[J]. 通信世界，2007(23)：25.Li Enming. The development of 3,rd generation telecommunication and radio-frequency coaxial cables[J].Communications World，2007(23)：25(in Chinese).

［2］范 強. 半柔性同軸電纜整體鍍錫工藝的研究[J]. 光纖與電纜及其應用技術，2010(2)：25-28.Fan Qiang. Process of overall tin-plating on semi-flexible coaxial cable[J].Optical Fiber and Electric Cable and Their Applications，2010(2)：25-28(in Chinese).

［3］楊延安. 整體鍍錫外導體半柔同軸電纜[J]. 光纖與電纜及其應用技術，2005(4)：9-22.Yang Yanan. Semi-flexible coaxial cable with overalltinned outer conductor[J].Optical Fiber and Electric Cable and Their Applications，2005(4)：9-22(in Chinese).

［4］鐘秀清. 一種新型結構的同軸電纜：整體鍍錫半軟同軸電纜[J]. 光纖與電纜及其應用技術，1999(4)：35-37.Zhong Xiuqing. A new coaxial cable：The SFX type semiflexible coaxial cable with tin dipped braid[J].Optical Fiber and Electric Cable and Their Applications，1999(4)：35-37(in Chinese).

［5］Cheng Fangjie，Xiao Xin，Sun Guizheng，et al. Control of pinhole defects formation in semi-flexible coaxial cable by vertical tin-plating process[J].Transactions of Tianjin University，2011，17(5)：320-323.

［6］程方杰. 用于半柔性同軸電纜屏蔽層的垂直鍍錫設備及其鍍錫方法：中國，CN101603166A[P]2009-12-16.Cheng Fangjie. The Equipment and Its Operational Method of Vertical Tin-Plating Process for the Shielded Layer of Semi-Flexible Coaxial Cable ： China ，CN101603166A[P]2009-12-16(in Chinese).

［7］袁章福，柯家駿，李 晶. 金屬及合金的表面張力[M]. 北京：科學出版社，2006.Yuan Zhangfu，Ke Jiajun，Li Jing.The Surface Tension of Metal and Its Alloy[M]. Beijing：Science Press，2006(in Chinese).

［8］冼愛平，王連文. 液態(tài)金屬的物理性能[M]. 北京：科學出版社，2005.Xian Aiping，Wang Lianwen.The Physical Properties of Liquid Metals[M]. Beijing：Science Press，2005(in Chinese).