章衛(wèi)軍 羅特苗 張希偉 羅斌彬 柴奇凱 駱施安

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315314）

引言

移動式插座中采用模塊化設(shè)計的插套與連接銅條之間的電氣連接傳統(tǒng)上采用的是錫焊工藝。錫焊屬于釬焊，插套和連接銅條不熔化，僅焊錫熔化，焊點處易出現(xiàn)虛焊、假焊[1]等缺陷，造成電阻增大，電流通過時，發(fā)熱量較大。而焊錫熔點低，焊點在異常發(fā)熱時可能熔化流失，會降低電連接的可靠性。且生產(chǎn)過程，焊錫渣飛濺，影響插座爬電距離和電氣間隙，危及用電安全，產(chǎn)生的煙塵危害工人健康，大量消耗的焊錫絲，也增加了插座生產(chǎn)成本。

電阻焊工藝不需要添加任何助焊劑，即可實現(xiàn)銅合金之間的焊接，形成的焊點強度高、接觸電阻小，且生產(chǎn)效率高，環(huán)保無公害。

因此，可根據(jù)移動式插座內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間布局，研究選取一種適用于插座插套和連接銅條之間熔接的電阻焊工藝，并相應對移動式插座內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間重新布局，對焊點結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以此提高插座的通電安全性。

1 插座錫焊結(jié)構(gòu)及工藝

插套和連接銅條通過錫焊工藝實現(xiàn)電氣連接的移動式插座采用的是模塊化設(shè)計，插套和連接銅條亦采用模塊化形式。

1.1 錫焊插座結(jié)構(gòu)布局

如圖1（a）所示，插套為模塊化設(shè)計，每個插套上設(shè)計有“插腳”，插套裝入獨立的小座子后形成單個小座子組件。小座子組件裝配完成后，插套插腳伸出小座子，作為插套的電氣輸入口。插座的載流公共通路——連接銅條如圖1（b）所示，其上開有與插套插腳配合使用的開孔。

圖1 插座內(nèi)部關(guān)鍵部件

每個小座子組件作為一個獨立的插座單元裝入插座上蓋中，連接銅條平放于小座子組件上，確保每個插套插腳插入對應極的連接銅條的對應開孔中，為錫焊做準備，如圖2（a）所示。

1.2 插座錫焊工藝

首先將插套插腳折彎，壓接于連接銅條之上，然后采用錫焊工藝，依靠錫焊點增加插套插腳與連接銅條之間的連接強度，焊后實例如圖2（b）所示。

錫焊插座內(nèi)部易殘留四濺的錫渣，降低了爬電距離和電氣間隙，存在安全隱患；錫焊點在高溫時可能熔化流失，電氣連接可靠性降低；大量的錫焊點需消耗大量的焊錫絲，產(chǎn)品成本增加；錫焊過程產(chǎn)生的煙塵可能導致員工患上呼吸道疾病。針對上述問題，考慮采用凸焊工藝取代錫焊工藝。

2 插座凸焊工藝

2.1 凸焊工藝原理

凸焊是電阻焊的一種形式，此外電阻焊還有點焊、縫焊和對焊等三種形式，如圖3（a）所示?？梢钥闯?，凸焊是點焊的一種變型。

凸焊工藝原理如圖3（b）所示，該工藝是在一個焊接件的接合面上預先加工出一個或多個突起點[2]，使其與另一焊接件表面相接觸，電極加壓通電時，靠凸點接觸來提高單位面積上的壓力與電流密度，接觸區(qū)域集中發(fā)熱，凸點隨之熔化并被壓潰形成熔核，冷卻后形成焊點，除電力外整個過程無其他消耗。

凸焊比較適合兩焊接件厚度不一致或者導電、散熱性能存在差異導致溫度分布不均的情況，凸點一般設(shè)置在導電、散熱較好的焊接件上。

影響凸焊焊點質(zhì)量的主要因素有焊接電流、焊接壓力和焊接時間等焊接參數(shù)以及凸點的形狀和尺寸，此外電極材料和焊接件材料的匹配度也有很大影響。

2.2 插座選擇凸焊工藝的合理性

插座的插套和連接銅條均采用導電率較高、散熱較快的銅合金，兩者之間的焊接如果采用點焊、縫焊、對焊，則需要較大的焊接電流才能形成可靠的焊點，而采用凸焊則可以依靠凸點接觸來增大焊接電流密度，達到小電流實現(xiàn)高焊接質(zhì)量的目的。

此外，插座的插套和連接銅條大部分存在材質(zhì)和厚度的差異。作為插座載流公共通路的連接銅條一般采用黃銅，而需要提供夾持力和載流通路的插套既可能采用更厚的黃銅也可能采用厚度不變而彈性模量及導電率較高的新型磷青銅，因此兩者之間的導電性和散熱性往往存在差異。采用凸焊工藝時，可在導電性好、散熱快的插套上設(shè)置凸點，正好能解決兩者焊接時接觸區(qū)域溫度分布不均的問題，有利于保證焊點質(zhì)量。

2.3 插座凸焊方式的選擇

按照電極在空間上的布局，凸焊主要采用垂直夾焊和水平夾焊兩種方式，如圖4 所示。

圖4 凸焊方式

在垂直方向上，插座布局有如圖3 所示的上蓋、小座子等零件，如果插座的插套和連接銅條之間的凸焊工藝采用垂直夾焊，則電極受空間限制無法布局、無法上下動作來實現(xiàn)夾焊。因此，插座的插套和連接銅條之間采用水平夾焊的凸焊方式。

3 凸焊插座結(jié)構(gòu)設(shè)計

為便于水平夾焊的實施，應對插座連接銅條的放置方式進行調(diào)整。并且，根據(jù)凸焊工藝特點，為獲得高質(zhì)量的焊點，需對插套上的凸點結(jié)構(gòu)進行研究。

3.1 連接銅條的布局

采用錫焊工藝的插座，插套插腳中開有U 形缺口（見圖1（a）），便于將插套插腳折彎并壓接于連接銅條上，連接銅條采用水平放置的方式，便于錫焊操作，如圖2（a）所示。采用水平夾焊的凸焊工藝時，為保證焊接面積，連接銅條取消了開孔結(jié)構(gòu)，并且為便于水平動作的電極夾緊插套和連接銅條，將連接銅條立放，靠小座子豎筋使其與插套凸點緊貼在一起，如圖5 所示[3]。

圖5 連接銅條立放的插座布局

3.2 插套的凸點結(jié)構(gòu)設(shè)計

為便于在插套插腳上布置凸點，插套取消了U 形缺口。在插套的插腳上設(shè)計了三種凸點結(jié)構(gòu)方案，即球狀凸點、橫筋凸點和豎筋凸點，如圖6 所示。

圖6 插套的三種凸點結(jié)構(gòu)

4 凸焊插座測試分析

對三種凸點結(jié)構(gòu)型式的焊點金相組織進行對比，分析出合理的凸點結(jié)構(gòu)；對凸焊插座和錫焊插座的焊點剪切力、溫升和熔斷能力進行對比，分析判斷兩者可靠性和安全性的高低。

4.1 焊點金相組織分析

某款凸焊插座三種凸點結(jié)構(gòu)型式對應的L 極焊點金相組織見如圖7。其中，連接銅條為黃銅，插套為某新型磷青銅。

圖7 三種凸點結(jié)構(gòu)型式對應的焊點金相組織圖

從金相組織可以看出，無論哪種型式的凸點結(jié)構(gòu)，在焊接過程中，熔點較高的磷青銅基本沒有被熔化，而熔點較低的黃銅受熱熔化并與磷青銅融合在一起。在電極壓力作用下，插套凸點幾乎是原貌不變地嵌入到連接銅條內(nèi)。

另外，豎筋凸點和橫筋凸點對應的熔核比球狀凸點對應的熔核大，可以推斷，豎筋凸點和橫筋凸點對應的焊點機械強度要高于球狀凸點。

橫筋凸點對應的焊點質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性要好于豎筋凸點。這一方面是由于零部件尺寸和裝配誤差的存在，可能出現(xiàn)插套豎筋凸點的上端或下端超出連接銅條的情況，另一方面由于機臺震動的原因，可能引起連接銅條和插套在垂直方向上被電極夾持的位置發(fā)生波動，兩者均可能造成豎筋凸點未完全進入電極夾持區(qū)域的情況，也就是說每次被電極夾持的待焊區(qū)域的狀態(tài)均可能存在較大差異，從而形成焊接不穩(wěn)定因素，可能引發(fā)炸焊和飛濺，最終影響焊點質(zhì)量和電極壽命。而橫筋凸點在垂直方向上的形狀尺寸變化不大，僅位置在垂直方向上因加工誤差、裝配誤差和機臺震動等因素發(fā)生一定變化，但很難超出連接銅條范圍，也不會超出電極夾持區(qū)域，電極夾持相對穩(wěn)定，焊點質(zhì)量也可保證。

綜上分析，為獲得良好的、穩(wěn)定的焊點質(zhì)量，凸焊插座的插套優(yōu)選采用橫筋凸點結(jié)構(gòu)。

4.2 焊點抗剪力分析

采用橫筋凸點的凸焊插座和同款錫焊插座焊點抗剪力數(shù)據(jù)對比見圖8。

圖8 焊點抗剪力對比

顯然，凸焊插座的焊點抗剪力要遠大于錫焊插座的焊點抗剪力。因此，凸焊插座的焊點抗機械外力破壞的能力要遠高于錫焊插座。

4.3 溫升測試

采用橫筋凸點的凸焊插座和同款錫焊插座按GB/T 2099.1 測試正常操作5 000 次前后的溫升數(shù)據(jù)見圖9。

圖9 采用橫筋凸點的凸焊插座和錫焊插座溫升測試數(shù)據(jù)

可以看出，正常操作前凸焊插座溫升比錫焊插座平均低2.3 K，正常操作后凸焊插座溫升比錫焊插座平均低10.5 K，說明凸焊插座隨著插拔次數(shù)的曾加，溫升降低優(yōu)勢越發(fā)明顯。

4.4 抗熔斷測試

將同款凸焊插座和錫焊插座進行抗熔斷測試，測試電流為102 A，錫焊插座平均熔斷時間為14 s，連接銅條熔斷，焊點焊錫大量流失，如圖10（a）所示；凸焊插座平均熔斷時間為21 s，連接銅條熔斷，但焊點完好，圖10（b）所示。

由此可以看出，凸焊插座的載流能力要高于錫焊插座，其通電安全性更高。

5 結(jié)論

插座插套和連接銅條之間的電氣連接采用凸焊工藝取代錫焊工藝后，解決了焊錫存在的假焊、虛焊、電阻增加、電連接可靠性低等諸多不良問題，同時，不需要再消耗焊錫絲，生產(chǎn)過程環(huán)保無煙塵，插座成本降低。并且，插座的焊點抗剪力提高、溫升降低、抗熔斷能力提升，插座的可靠性和安全性提升，帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益，電阻焊工藝取代焊錫工藝將成為必然趨勢。