韋明彰，鄧星權(quán)，李北華，唐宏基，秦琰磊

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

繼電器在整機(jī)型號(hào)中廣泛應(yīng)用于自動(dòng)、遙測(cè)、遙控、通訊及電力系統(tǒng)等裝置，執(zhí)行電源控制、切換和信號(hào)傳遞等功能，繼電器的性能穩(wěn)定是各整機(jī)型號(hào)成功運(yùn)行的有力保障，而繼電器薄壁殼體安裝件的焊接牢固程度影響其穩(wěn)定性能。點(diǎn)焊是利用電阻熱熔化母材金屬而形成接頭的電阻焊方法，焊點(diǎn)強(qiáng)度主要取決于熔核尺寸、熔核及其周圍熱影響區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)。某型號(hào)繼電器薄壁殼體安裝件為外殼與安裝耳點(diǎn)焊連接，見圖1。外殼與安裝耳材料為B19，其材料特性見表1，其中安裝耳點(diǎn)焊處預(yù)留有5個(gè)凸包。

表1 薄壁殼體安裝件的外殼與安裝耳零件材料特性

圖1 繼電器薄壁殼體安裝件點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)

薄壁殼體安裝件點(diǎn)焊強(qiáng)度主要依靠凸包點(diǎn)焊形成的較小熔核保證，整體剛性稍差。為提升組件整體剛性，薄壁殼體安裝件在點(diǎn)焊連接后還需要對(duì)外殼與安裝耳接觸面周邊進(jìn)行焊錫加固，該焊錫處焊縫外觀較差，不夠均勻、飽滿(見圖2)，并且焊縫強(qiáng)度較低。電阻釬焊接頭為面接觸，具有連接牢固、加熱溫度低、對(duì)母材金屬熱影響小、焊接成形美觀等一系列優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步提高該型號(hào)繼電器薄壁殼體安裝件的連接強(qiáng)度，并保證連接部位成形美觀，故對(duì)薄壁殼體安裝件進(jìn)行電阻釬焊技術(shù)研究，以替代原點(diǎn)焊+焊錫工藝。

圖2 點(diǎn)焊+焊錫結(jié)構(gòu)薄壁殼體安裝件焊縫形貌

圖3 電阻釬焊示意圖

電阻釬焊是利用釬焊電極使焊接電流通過(guò)焊件，利用釬焊區(qū)電阻產(chǎn)生的電阻熱使釬料熔化并流入固態(tài)母材之間的間隙，并依靠毛細(xì)作用保持在間隙內(nèi)并滲透進(jìn)母材，冷卻凝固而形成釬焊接頭的一種釬焊方法[1]。為進(jìn)行薄壁殼體安裝件電阻釬焊工藝方法研究，首先需對(duì)合適的釬料、釬劑進(jìn)行選擇。

2 釬料、釬劑的選擇

2.1 釬料選擇

根據(jù)本型號(hào)繼電器薄壁殼體安裝件的外殼及安裝耳材料特性(見表1)，適合選用熔點(diǎn)低于母材，并且抗拉強(qiáng)度等各性能較優(yōu)的銀基釬料和銅磷釬料。通過(guò)對(duì)該兩類釬料進(jìn)行性能分析，最后確定選用最合適的BCu80AgP釬料與BAg50CuZnSnNi釬料進(jìn)行分析對(duì)比。兩種釬劑均為薄片狀，厚度為0.1mm，其化學(xué)成分及機(jī)械性能見表2。

表2 BCu80AgP釬料、BAg50CuZnSnNi釬料的化學(xué)成分和機(jī)械性能

BCu80AgP釬料屬自釬劑焊料，該釬料因添加Ag使其熔點(diǎn)降低，并增大了流動(dòng)性、抗腐蝕性、韌性和加工性[2]。該釬料的不足之處是熔點(diǎn)稍高，釬焊過(guò)程需要較高的釬焊溫度與較長(zhǎng)的釬焊時(shí)間。同時(shí)，在釬焊銅鎳合金時(shí)，釬焊料中的磷與白銅B19材料的Cu、Ni會(huì)生成磷化鎳、磷化銅脆性金屬間化合物，焊縫容易開裂，焊接強(qiáng)度降低。同時(shí)，釬焊后薄壁殼體安裝件在電鍍前的表面預(yù)處理酸洗時(shí)，焊料中的Ag、P與酸洗溶液會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成磷及黑色氯化銀沉淀物會(huì)殘留在焊縫表面，降低電鍍后鍍層結(jié)合力，易導(dǎo)致鍍層起皮。

在銀基釬料BAg50CuZnSnNi中，最主要的合金元素是Cu，添加Cu可降低Ag的熔化溫度，又不會(huì)生產(chǎn)脆性相。添加Zn可降低釬料熔化溫度。添加Sn后能進(jìn)一步降低該釬料熔化溫度[3]，改善釬料的潤(rùn)濕性，并且可提升接頭強(qiáng)度。該焊料熔點(diǎn)較低，適合釬焊白銅合金，焊時(shí)釬料流動(dòng)性好，焊縫表面光潔，接頭強(qiáng)度、韌性、抗腐蝕性均較好。

根據(jù)兩類釬料對(duì)比分析結(jié)果及薄壁殼體安裝件實(shí)際釬焊效果，使用BAg50CuZnSnNi焊料的釬焊性能、外觀等均優(yōu)于BCu80AgP釬料，最終確定薄壁殼體安裝件釬焊使用BAg50CuZnSnNi釬料。

2.2 釬劑選擇

釬劑的作用主要是焊前去除釬焊面的金屬表面膜和釬焊過(guò)程中防止釬焊面金屬再次氧化，同時(shí)能改善釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性能，促進(jìn)界面活化，使其能順利實(shí)現(xiàn)釬焊過(guò)程并獲得致密的釬焊接頭。釬焊去膜過(guò)程是“破膜-溶解-滲透-潤(rùn)濕-鋪展-凝固”相互作用的過(guò)程。

由于與BAg50CuZnSnNi焊料配合使用的釬劑需保證其最低活化溫度低于釬料熔化溫度(650～690)℃，才能保證釬劑發(fā)揮其作用，并且在釬焊溫度約(690～800)℃時(shí)，使用的釬劑仍然能保持較高的活性。釬劑分為糊狀與粉末狀兩種類型，糊狀釬劑具有去膜率強(qiáng)、滲透性優(yōu)、鋪展性好、使用方便、操作效率高、勞動(dòng)條件好、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，故最終確定釬焊溫度范圍較合適的QJ112糊狀銀釬劑。QJ112銀釬劑化學(xué)成分及用途見表3。

表3 QJ112的化學(xué)成分及用途

3 電阻釬焊設(shè)備、電極的選擇

薄壁殼體安裝件釬焊設(shè)備選用330KVA中頻逆變直流焊機(jī)，該設(shè)備電氣部分復(fù)雜，釬焊電流的控制精度較高，反饋控制頻率為1kHz。該設(shè)備可根據(jù)不同工件實(shí)際焊接需要實(shí)現(xiàn)多段焊接功能，包括焊前預(yù)熱、多段焊接、焊后回火功能等。

在電阻釬焊中，電極的主要作用包括導(dǎo)電、發(fā)熱、傳熱、散熱、加壓。因外殼組電阻釬焊接頭面積較大，需要更多熱量輸入，除了依靠焊件、釬料的體電阻及接觸電阻發(fā)熱外，釬焊電極的發(fā)熱和傳熱對(duì)釬焊質(zhì)量有重要影響。因此，電極除了具備耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的性能外，還應(yīng)具備較高電阻率及一定的熱導(dǎo)率。

常用的電阻釬焊電極材料包括鉻鋯銅、鎢銅、石墨等。鉻鋯銅材料電極導(dǎo)熱性好，易于加工，但電阻率較低，并且工作溫度過(guò)高時(shí)電極強(qiáng)度降低，易與焊件發(fā)生粘接。石墨電極具有升溫迅速、傳熱快，但存在不耐磨等缺點(diǎn)，可以通過(guò)2500℃以上的高溫處理可提高石墨電極的耐磨性。鎢銅材料比較耐磨，具有釬焊時(shí)不易變形，不易與焊件粘連，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

因繼電器封殼后附著在外殼內(nèi)腔的石墨粉脫落會(huì)造成多余物隱患，所以與外殼內(nèi)腔釬焊部位接觸的下電極采用強(qiáng)化處理石墨與鎢銅組合電極(見圖4)，上電極選用強(qiáng)化處理石墨材料。

圖4 電阻釬焊下電極

4 電阻釬焊工藝參數(shù)的選擇

4.1 電阻釬焊工藝參數(shù)的影響因素分析

釬焊工藝參數(shù)主要為釬焊電流、時(shí)間、壓力，參數(shù)的選擇對(duì)薄壁殼體安裝件釬焊質(zhì)量的影響極其重要。

當(dāng)釬焊電流小時(shí)，焊接處獲得的熱量小，因此焊接區(qū)溫度較低，釬劑的活性較差，進(jìn)而妨礙釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕以及向母材擴(kuò)散，導(dǎo)致釬著率與接頭強(qiáng)度偏低。提高電流可增大熱輸入，使釬料充分熔化并利于其向母材浸潤(rùn)和填滿焊處縫隙。若電流過(guò)大，使焊接區(qū)溫度過(guò)高，會(huì)造成釬料產(chǎn)生較大飛濺，焊件出現(xiàn)較嚴(yán)重的氧化情況和較大的焊接變形。只有選擇合適的焊接電流時(shí)，才能獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭。

當(dāng)釬焊時(shí)間短時(shí)，輸入的熱量少，焊接區(qū)溫度低導(dǎo)致釬劑的活性不足，影響氧化膜的去除，使釬料未能充分熔化與擴(kuò)散，因而不能浸潤(rùn)與填滿焊縫。當(dāng)焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，過(guò)大的熱量會(huì)使釬料與母材作用劇烈，焊縫處易形成脆性化合物，并且會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形。故選擇合適的焊接時(shí)間尤為重要。

當(dāng)釬焊壓力過(guò)小時(shí)，釬焊電極與焊件、焊件與釬料接觸不緊密，接觸電阻過(guò)大，易使釬料迅速熔化導(dǎo)致較大飛濺，不利于接頭成形。當(dāng)電極壓力過(guò)大時(shí)，釬焊過(guò)程焊件可能會(huì)產(chǎn)生較大的變形；同時(shí)，釬焊壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致部分熔化的釬料被擠出焊接面，影響釬料和母材的相互浸潤(rùn)和擴(kuò)散，從而導(dǎo)致釬著率與接頭強(qiáng)度較低。故需選擇合適的釬焊壓力，一定的釬焊壓力會(huì)使焊接結(jié)合面能夠在電阻熱作用下產(chǎn)生一定量的熱塑性變形，以使該處氧化膜破裂，從而使釬劑能夠從氧化膜破裂處深入至母材與氧化膜之間，通過(guò)氧化膜的剝離和溶解達(dá)到去膜的目的，利于釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕與擴(kuò)散，形成優(yōu)質(zhì)接頭。

4.2 電阻釬焊工藝參數(shù)的仿真優(yōu)化

通過(guò)對(duì)以上各工藝參數(shù)進(jìn)行分析并結(jié)合工藝試驗(yàn)，得出電阻釬焊單段焊工藝參數(shù)：釬焊壓力120N，釬焊電流14KA，釬焊時(shí)間11s。但在實(shí)際釬焊生產(chǎn)過(guò)程，使用該釬焊參數(shù)的組件外殼口部易出現(xiàn)釬料漫流問(wèn)題(見圖5)，對(duì)產(chǎn)品封殼后的激光封焊造成極大影響，易導(dǎo)致繼電器出現(xiàn)密封性失效。為判斷使用該工藝參數(shù)的電阻釬焊效果，并尋求組件外殼口部漫流問(wèn)題的解決方案，進(jìn)行電阻釬焊仿真分析。仿真結(jié)果顯示，釬焊片在釬焊最后時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖見圖6，釬料片在釬焊過(guò)程中的溫度變化曲線見圖7，釬焊過(guò)程組件達(dá)到溫度峰值時(shí)的溫度分布云圖見圖8，外殼口部出現(xiàn)溫度超過(guò)650℃的區(qū)域。

圖5 存在釬料漫流問(wèn)題的焊縫形貌

圖6 單段焊模式下釬焊片在釬焊11s時(shí)的溫度場(chǎng)云圖

圖7 釬焊片在釬焊過(guò)程中的溫度變化曲線

圖8 釬焊過(guò)程溫度峰值時(shí)的溫度分布云圖

由圖6、7可知，電阻釬焊過(guò)程的釬焊溫度上升迅速，并在7.5s時(shí)，釬料片溫度最高處率先達(dá)到適宜釬焊溫度，后該溫度上升速率仍未放緩，最終在通電的最后時(shí)刻(釬焊時(shí)間11s)，釬焊面釬焊溫度達(dá)到峰值913.41℃，釬料片各處的溫度范圍為(789.73～913.41)℃，釬料片可完全熔化，但釬焊過(guò)程峰值溫度過(guò)高，遠(yuǎn)超過(guò)釬焊溫度適宜范圍，易造成焊件出現(xiàn)溶蝕、燒損、氧化嚴(yán)重、變形較大的情況。由圖8可知，外殼口部局部區(qū)域溫度達(dá)到650℃以上，超過(guò)釬料片的軟化溫度，該區(qū)域極易出現(xiàn)釬料漫流現(xiàn)象，與實(shí)際釬焊情況基本吻合。

針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行電阻釬焊仿真優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)(在厚度不變的基礎(chǔ)上增大下電極截面積)并使用雙段焊接模式進(jìn)行電阻釬焊仿真分析。釬焊參數(shù)為--釬焊壓力：120N，焊接段1電流/時(shí)間：14KA/7.5s，焊接段2電流/時(shí)間：10KA/6.5s。以滿足第1焊接段升溫情況與單段焊(0～7.5)s時(shí)的焊接過(guò)程接近，使釬焊前期溫度快速上升使釬料熔化并達(dá)到適宜釬焊溫度；第2焊接段保證一定的熱輸入使釬焊后期溫度上升速率減緩，防止峰值溫度過(guò)高導(dǎo)致釬焊變形過(guò)大，并保證足夠的釬焊時(shí)間使釬料填滿釬縫間隙，以獲得較好的釬焊接頭。仿真結(jié)果顯示，釬焊片在釬焊最后時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖見圖9，釬焊過(guò)程組件達(dá)到峰值溫度時(shí)的溫度分布云圖見圖10，外殼口部未出現(xiàn)溫度超過(guò)650℃的區(qū)域。

圖9 雙段焊模式下釬焊片在釬焊14s時(shí)的溫度場(chǎng)云圖

圖10 釬焊片在釬焊過(guò)程中的溫度變化曲線

由圖9、10可知，在釬焊過(guò)程的初期溫度上升情況與單段焊仿真過(guò)程接近，在7.5s時(shí)，釬料片溫度最高處率先達(dá)到適宜釬焊溫度，后溫度上升速率放緩，并在14s時(shí)達(dá)到峰值816.79℃，釬料片各處的溫度范圍為(721.08～816.79)℃，釬料片可完全熔化，該峰值溫度不會(huì)造成焊件出現(xiàn)溶蝕、燒損，釬焊變形過(guò)大的情況。在釬焊過(guò)程后期的(7.5～14)s時(shí)，通過(guò)一段時(shí)間較均勻的保溫可使釬焊片均勻熔化、鋪展、浸潤(rùn)并填滿焊縫間隙。同時(shí)由圖11可知，外殼口部沒有出現(xiàn)650℃以上的溫度區(qū)域，釬焊過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)焊料漫流問(wèn)題。

圖11 雙段焊模式下釬焊過(guò)程溫度峰值時(shí)的溫度分布云圖

最終通過(guò)電阻釬焊仿真分析得出最優(yōu)釬焊工藝參數(shù)--釬焊壓力：120N，焊接段1電流/時(shí)間：14KA/7.5s，焊接段2電流/時(shí)間：10KA/6.5s。

4.3 最優(yōu)工藝參數(shù)試驗(yàn)過(guò)程確認(rèn)

分別將10件外殼、20件安裝耳進(jìn)行去除油污、去除氧化膜的焊前處理后，與釬料進(jìn)行定位點(diǎn)焊，將釬料固定于外殼、安裝耳之間的釬焊部位，涂上釬劑后將裝配好的焊件使用最優(yōu)釬焊工藝參數(shù)、改進(jìn)后電極進(jìn)行電阻釬焊。焊后使用檸檬酸溶液對(duì)焊件進(jìn)行酸洗以去除殘留釬劑，然后使用清水將焊件表面的檸檬酸液清洗干凈，最后用酸液去除焊件表面氧化層后進(jìn)行電鍍Ni，電鍍后薄壁殼體安裝件樣件的外觀見圖12，焊縫形貌見圖13。

圖12 釬焊結(jié)構(gòu)薄壁殼體安裝件外觀

圖13 電阻釬焊焊縫形貌

由圖12、13可知，電阻釬焊后薄壁殼體安裝件變形小，釬焊部位釬料熔化均勻，并且外殼、安裝耳表面完全浸潤(rùn)，焊縫飽滿、光潔，外殼口部無(wú)釬料漫流問(wèn)題，釬焊質(zhì)量較好。組件焊接后將5件試焊件進(jìn)行切割處理，切割出焊縫處樣件進(jìn)行X射線檢測(cè)(見圖14)，焊件釬焊面釬著率平均值約為90%，釬著率較高，表明焊縫質(zhì)量較優(yōu)。

圖14 薄壁殼體安裝件釬焊面X射線檢測(cè)

后取剩余5件薄壁殼體安裝件試焊件進(jìn)行正拉力測(cè)試，測(cè)力過(guò)程均為組件非釬焊部位外殼的母材處撕裂，如圖15所示。測(cè)力后進(jìn)行顯微鏡檢查，焊縫處牢固、無(wú)裂紋。最后取點(diǎn)焊+焊錫薄壁殼體安裝件樣件進(jìn)行正拉力測(cè)試，均為焊縫處拉裂、拉脫，見圖16。兩者焊接強(qiáng)度對(duì)比情況見表4。

圖15 釬焊結(jié)構(gòu)薄壁殼體安裝件測(cè)力后形貌

圖16 點(diǎn)焊+錫焊結(jié)構(gòu)薄壁殼體安裝件測(cè)力后形貌

表4 薄壁殼體安裝件焊接強(qiáng)度對(duì)比

由表4可知，薄壁殼體安裝件電阻釬焊強(qiáng)度均明顯大于點(diǎn)焊+焊錫焊接強(qiáng)度，所以電阻釬焊薄壁殼體安裝件焊縫處外觀質(zhì)量、焊接強(qiáng)度均優(yōu)于點(diǎn)焊+焊錫薄壁殼體安裝件。

5 生產(chǎn)應(yīng)用情況

通過(guò)研究后，將電阻釬焊工藝應(yīng)用于本型號(hào)繼電器試驗(yàn)批產(chǎn)品，該批產(chǎn)品在薄壁殼體安裝件釬焊生產(chǎn)過(guò)程無(wú)異常情況出現(xiàn)，并且在裝配提交后的試驗(yàn)過(guò)程各參數(shù)性能均滿足技術(shù)條件要求。后將電阻釬焊工藝方法應(yīng)用于本型號(hào)繼電器的11個(gè)批次共4512只產(chǎn)品，產(chǎn)品性能參數(shù)穩(wěn)定，均滿足技術(shù)條件要求。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)電阻釬焊機(jī)理分析，并結(jié)合某型號(hào)繼電器薄壁殼體安裝件的外殼及安裝耳結(jié)構(gòu)、尺寸、材料特性，確定薄壁殼體安裝件釬焊使用BAg50CuZnSnNi釬料、QJ112釬劑。

(2)通過(guò)研究確定電阻釬焊設(shè)備類型、最優(yōu)電極組合，并通過(guò)進(jìn)行電阻釬焊工藝參數(shù)影響因素分析和仿真優(yōu)化確定了最優(yōu)釬焊工藝參數(shù)。

(3)通過(guò)電阻釬焊技術(shù)研究，薄壁殼體安裝件電阻釬焊焊接強(qiáng)度、焊縫外觀質(zhì)量均優(yōu)于點(diǎn)焊+焊錫組件，電阻釬焊技術(shù)已在軍用密封繼電器上得到成功應(yīng)用。