申志剛，胡均高，程 霞，王 東，何 斌，王新民

（福達(dá)合金材料股份有限公司，浙江溫州 325025）

引言

焊接觸頭元件是塑殼斷路器中最重要的接觸元件之一，其焊接質(zhì)量在很大程度上決定了電器開關(guān)的壽命，即觸頭元件故障將導(dǎo)致電氣開關(guān)壽命提前結(jié)束。通過大量電器開關(guān)失效案例分析，動觸點元件故障比相對靜觸點元件故障比要大得多。

AgW材質(zhì)的動觸頭在塑殼斷路器開關(guān)中較為常見，加工工藝都是采用粉末冶金方法，其具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電性、高耐磨性及高耐電弧侵蝕性能，但可焊性相對較差[1,2]。目前國內(nèi)外大多數(shù)電器開關(guān)制造企業(yè)或其配套企業(yè)在動觸頭元件焊接時通常采用的工藝主要有電阻釬焊（石墨電極或是金屬電極）和感應(yīng)釬焊等。由于焊接熔點較低、填縫能力強、潤濕性好、接頭強度高等優(yōu)點，Ag-Cu-Zn或Ag-Cu-P被作為一般常用的釬焊材料。早些年也有不少企業(yè)采用火焰釬焊工藝，但由于其焊接效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，漸漸被其他工藝替代。

本研究的塑殼斷路器動觸頭元件焊接工藝，是不采用任何釬料的電阻點焊工藝，卻同樣可以獲得良好的焊接強度，滿足客戶苛刻的分?jǐn)嘣囼炓?。因此，對AgW觸頭和TU2觸橋（紫銅亦可）的電阻點焊工藝進(jìn)行研究具有一定的實用價值。

1 試驗材料與方法

動觸頭材質(zhì)為AgW65，規(guī)格為5.5 mm×3 mm×2.33 mm，在觸頭熔滲后觸頭焊接面會殘留一層厚度為0.05～0.2 mm的銀層，同時觸點設(shè)計時其焊接面有3個凸起的齒形，如圖1所示，其物理和力學(xué)性能列于表1。動觸橋材質(zhì)為TU2無氧銅，狀態(tài)為Y態(tài)，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2所示。

表1 AgW65觸頭材料的物理、力學(xué)性能

表2 接觸橋的化學(xué)成分與性能

圖1 觸點金相照片

試驗使用的焊接設(shè)備為165 kVA高精密逆變電阻焊機，采用的工藝為電阻點焊工藝，上電極材質(zhì)為CuW70，下電極材質(zhì)為鉬鋼，焊接設(shè)備采用上電極通電，下電極兩側(cè)通電的加熱方式，焊接熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

產(chǎn)品焊接前，先把上電極安裝于電阻焊機的上電極臂中，下電極安裝于下電極焊接裝置中，調(diào)好上下電極的行程，使上電極弧度與動觸頭工作面弧度相匹配，動觸橋與定位塊相匹配，調(diào)試好焊接參數(shù)，開始產(chǎn)品焊接。

2 電阻點焊工藝分析

電阻點焊工藝中，在待焊工件表面狀態(tài)及上下焊接電極材料相同的情況下，焊接壓力、焊接電流與焊接時間是影響產(chǎn)品點焊質(zhì)量最關(guān)鍵的三要素，因此，研究這3個工藝參數(shù)與點焊質(zhì)量的關(guān)系就顯得非常重要。同時，根據(jù)焦耳定律，可推斷出焊接電流、焊接時間、焊接壓力這3個工藝參數(shù)中對產(chǎn)品的焊接質(zhì)量影響最大的是焊接電流，其次是焊接時間，影響最小的是焊接壓力。在低壓電器行業(yè)焊接觸頭元件產(chǎn)品中，剪切力測試是比較常見的焊接質(zhì)量判定手段。

2.1 焊接電流對點焊質(zhì)量的影響

在AgW65和TU2動觸橋的電阻點焊工藝過程中，在焊接壓力、焊接時間一定的條件下，其點焊質(zhì)量（焊接剪切力）與焊接電流之間的關(guān)系如圖2所示，從圖2中可以觀察到，焊接電流過大或過低，產(chǎn)品焊接剪切力都會有所降低。根據(jù)焦耳定律可知焊接熱量與焊接電流是平方數(shù)的關(guān)系，若點焊電流過大，焊縫區(qū)域熱量持續(xù)上升，會造成AgW觸點焊接面銀層的流失，嚴(yán)重時會造成觸頭的過度燒損，甚至觸頭基體組織開裂，進(jìn)而導(dǎo)致焊接剪切力降低；而點焊電流過低，焊縫區(qū)域所產(chǎn)生的熱量不夠，觸點焊接面的純銀層與TU2觸橋銅層的合金化程度不充分，其焊接剪切力降低。本試驗點焊電流在7.8～8.0 kA的范圍內(nèi)，可獲得最高的焊接剪切力。

圖2 焊接剪切力與點焊電流的關(guān)系

2.2 焊接時間對點焊質(zhì)量的影響

在焊接壓力、焊接電流一定的條件下，產(chǎn)品點焊焊接剪切力與焊接時間之間的關(guān)系如圖3所示，點焊時間過長或太短，其焊接剪切力都會有所降低。點焊時間過長，焊縫區(qū)域的熱量將大幅增加，溫度過高會造成觸點焊接面的銀層流失，進(jìn)而導(dǎo)致焊接剪切力降低；反之如點焊時間太短，焊縫區(qū)域產(chǎn)生的熱量不足，觸點焊接面的純銀層與TU2觸橋銅層之間的合金化程度偏弱，其焊接剪切力就會降低。本試驗點焊時間在180～200 ms可獲得最高的焊接剪切力。

圖3 焊接剪切力與點焊時間的關(guān)系

2.3 焊接壓力對點焊質(zhì)量的影響

焊接壓力是電阻點焊工藝中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，它對焊接時接觸電阻（包括工件與電極之間的電阻及工件與工件之間的電阻）有很大的影響，是影響焊接質(zhì)量的重要因素。圖4為動觸頭元件焊接剪切力和焊接壓力的關(guān)系，在焊接電流和焊接時間一定的情況下，焊接剪切力隨著焊接壓力的增加而提高，當(dāng)壓力達(dá)到某一值時，剪切力達(dá)到最大值；若繼續(xù)增加壓力，在壓力的作用下觸點焊接面的純銀層會有一部分被擠出，減弱其與觸橋間的相互作用，當(dāng)壓力繼續(xù)增大到一定程度時，觸點焊接面的銀層將全部流失，而AgW觸點基體與TU2無氧銅觸橋幾乎無潤濕性，兩者的可焊性很差，這將導(dǎo)致產(chǎn)品點焊失敗。若壓力過小，待焊工件間的焊縫區(qū)域處于點接觸狀態(tài)，兩者間的接觸電阻劇增，導(dǎo)致局部熱量過大并產(chǎn)生打火現(xiàn)象，焊縫區(qū)域?qū)粐?yán)重?zé)龘p。試驗表明，焊接壓力在0.25～0.4 MPa可獲得最高的焊接剪切力。

圖4 剪切力與焊接壓力的關(guān)系

3 試驗結(jié)果分析

3.1 焊接外觀

采用本焊接工藝，產(chǎn)品焊接后外觀熔體（銀銅合金）溢出均勻，產(chǎn)品熱影響區(qū)小，如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品焊接外觀

3.2 金相顯微分析

將焊接后的產(chǎn)品用工具鉗剪切到一定尺寸，再用金相鑲嵌機制備金相樣塊，樣塊經(jīng)過打磨、研磨、拋光等處理后，用基恩士超景深數(shù)碼顯微鏡對其焊接金相進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，動觸頭與觸橋的焊縫區(qū)域無明顯縫隙，動觸頭已嵌入到觸橋內(nèi)部，兩者既有銀銅合金化的相互作用，又有較大的塑性變形量的物理結(jié)合，從而獲得了較高質(zhì)量的接頭強度。

圖6 動觸頭元件焊接金相

3.3 剪切力試驗

使用NASA萬能試驗機檢測動觸頭元件剪切力，記錄其剪切力實測值的大小，隨機抽檢10只產(chǎn)品（20個觸點），剪切力測試結(jié)果如表3所示。

表3 焊接產(chǎn)品剪切力測試結(jié)果

按剪切強度經(jīng)驗計算公式，可計算出該動觸頭元件焊縫所能承受的剪切強度為1923/5.5/2=175 N/mm2（剪切力取實測值的最小值，觸點長度5.5 mm，銅件寬度2 mm）。動觸點被剝離后，AgW觸點上有肉眼可見的明顯的銅層殘留，TU2觸橋上有肉眼可見的明顯的銀層殘留,說明動觸頭焊接面的銀層與觸橋的銅層發(fā)生了良好的銀銅合金化反應(yīng)。就剪切強度及觸點與觸橋的合金化程度而言，說明該試驗獲得了良好的接頭質(zhì)量。

3.4 焊縫組織及分析

由于AgW65觸頭材料的焊接面上有一定厚度的純銀層，在動觸頭元件的電阻點焊過程中，焊接的本質(zhì)就是純銀金屬與TU2無氧銅的合金化反應(yīng)，因此，焊縫組織成分理論上應(yīng)該為Ag-Cu二元合金。

同時，采用高精密掃描電鏡能譜分析儀對制備的動觸頭元件焊接試樣的焊縫區(qū)域及近縫區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7、圖8所示，由于AgW65焊接面的純銀層和TU2無氧銅觸橋之間的合金化作用，在焊縫及近縫區(qū)都掃描到了Ag和Cu元素，這與理論推斷相一致。

圖7 焊縫區(qū)域電鏡能譜掃描結(jié)果

圖8 近縫區(qū)域電鏡能譜掃描結(jié)果

電工觸頭的電阻釬焊與電阻焊的原理類似，在上下電極壓力的作用下將觸點、觸橋及釬料三者壓緊密，然后對待焊工件釋放焊接電流，依靠釬料與觸點及觸橋組成的釬焊區(qū)的接觸電阻產(chǎn)生的電阻熱來熔化釬料，再在熱量和壓力的雙重作用下形成釬焊接頭。如AgW65動觸頭與TU2觸橋的焊接采用電阻釬焊工藝，焊料選擇常用的Ag-Cu-Zn釬料，則會在焊縫區(qū)域及近縫區(qū)形成Ag-Cu-Zn三元合金，銀銅鋅三元合金具有優(yōu)良的性能，電阻釬焊形成的三元合金相與電阻點焊形成的Ag-Cu二元合金相相比，熔點更低，采用點焊工藝焊接的動觸頭元件能夠更好地滿足電器開關(guān)苛刻的分?jǐn)嘣囼?，這在客戶端得到有效驗證。

4 結(jié)論

AgW動觸頭與TU2無氧銅動觸橋采用電阻點焊工藝，操作方便，焊接效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，易于實現(xiàn)產(chǎn)品的自動化焊接生產(chǎn)。