焊接電流對漆包線銅箔點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的影響

王 健，李遠(yuǎn)波，于兆勤，郭鐘寧

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 前言

漆包線是一種表面涂覆有絕緣漆的金屬導(dǎo)線，廣泛應(yīng)用于繼電器、微特電機(jī)、電子變壓器、電磁閥等電子元器件的生產(chǎn)中。在這些電子元器件中，漆包線末端必須與元件金屬終端（如針、箔等）實(shí)現(xiàn)電氣連接，經(jīng)常會通過焊接的方式來完成，同時，其中有些元器件往往會因空間限制只能進(jìn)行單面焊接，并且焊接能量需要精確控制，需采用精密電阻點(diǎn)焊電源[1]。對于漆包線與銅箔單面點(diǎn)焊，張書浩等[2]采用特殊的回路結(jié)構(gòu)電極，結(jié)合逆變焊接電源對焊接能量的精密控制，實(shí)現(xiàn)了對銅箔漆包線的直接單面焊接，但他們沒有對其焊接工藝及連接機(jī)理方面做深入研究。

對于這種微型件焊接，焊接質(zhì)量主要通過接頭抗拉強(qiáng)度和外觀質(zhì)量來評估[3]，接頭抗拉強(qiáng)度通過接頭拉斷力來體現(xiàn)，而外觀質(zhì)量的評估并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本研究將通過測量焊點(diǎn)寬度、焊點(diǎn)長度和觀察接頭表面狀況來評估外觀質(zhì)量。

焊接電流是微型電阻焊中最具影響力的參數(shù)[4]。為了研究漆包線銅箔單面點(diǎn)焊工藝及連接機(jī)理，在此將進(jìn)行0.1 mm漆包線和0.2 mm銅箔單面點(diǎn)焊試驗(yàn)，在固定焊接時間、電極壓力不變的情況下，探究不同的焊接電流對接頭拉斷力、焊點(diǎn)寬度、焊點(diǎn)長度和接頭表面狀況四個質(zhì)量指標(biāo)的影響。

1 試驗(yàn)條件

（1）焊件材料。漆包線選用P155p級改性聚氨酯漆包線，其中導(dǎo)體材料為電解純銅，裸線直徑為0.10 mm，漆膜材料為改性聚氨酯，厚度15 μm，具有直焊性，常用于繼電器、儀表、微型變壓器、小型馬達(dá)等場合。銅箔選用工業(yè)級磷青銅箔，尺寸18 mm×7 mm×0.20 mm（長×寬×厚），化學(xué)成分為：w（Sn）=5.6%、w（P）=0.16%、w（Fe）=0.008%、w（Pb）=0.007%、余量為Cu，焊前磷青銅箔用丙酮超聲清洗。

（2）電極材料。為了實(shí)現(xiàn)單面點(diǎn)焊，電極必須具備自熱的功能，同時銅和高電導(dǎo)率的銅合金點(diǎn)焊時必須防止大量散熱，所以采用特殊回路的鎢電極，如圖1所示。

圖1 電極示意

（3）試驗(yàn)方法。將漆包線和銅箔以如圖2所示搭接形式制作樣本，當(dāng)電極壓力FE達(dá)到設(shè)定值時，焊接觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)單面熱壓焊接。焊接電流為單脈沖直流波形，如圖3所示。

焊接電源提供焊接所需的熱量，由于微型件的焊接熱慣性小[5]，要求電源能夠?qū)敵瞿芰亢洼敵霾ㄐ芜M(jìn)行精確控制。本試驗(yàn)采用廣東工業(yè)大學(xué)自行研制的精密逆變點(diǎn)焊機(jī)[1]。其中逆變電源最大輸出電流1 kA，電流調(diào)節(jié)精度1 A，逆變頻率4 kHz，焊接時間調(diào)節(jié)精度1 ms，可精確控制焊接能量。加壓機(jī)構(gòu)采用彈簧隨動腳踏式加壓機(jī)構(gòu)，電極壓力0～30 N連續(xù)可調(diào)。

焊接質(zhì)量通過接頭抗拉強(qiáng)度和外觀質(zhì)量來評估[3]。其中接頭抗拉強(qiáng)度使用90°拉開試驗(yàn)中測得的最大拉斷力來表示（見圖4），拉力試驗(yàn)在CMT8501萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度10 mm/min，接頭與試驗(yàn)機(jī)線夾間的長度為100 mm。拉伸試驗(yàn)時，接頭失效模式主要有兩種：從接合界面斷裂；從線材斷裂，如圖5所示。采用光學(xué)顯微鏡（VHX-600，Keyence Corporation，Japan）觀察接頭外觀質(zhì)量，主要觀察接頭表面狀況和測量焊點(diǎn)寬度W和長度L，如圖6所示。

圖2 焊接示意

圖3 單脈沖電流波形

圖4 拉開試驗(yàn)示意

圖5 接頭失效模式

圖6 焊點(diǎn)外觀

2 試驗(yàn)和結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)

設(shè)定焊接時間為38 ms，電極壓力固定為13 N，焊接電流從365 A增加到410 A進(jìn)行點(diǎn)焊，每組試驗(yàn)重復(fù)五次，所得的接頭拉斷力、焊點(diǎn)寬度和焊點(diǎn)長度取五次試驗(yàn)平均值，如表1所示。使用Origin軟件對所得結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得到焊接電流與接頭拉斷力、焊點(diǎn)寬度、焊點(diǎn)長度關(guān)系擬合曲線，如圖7~圖9所示。

由圖7可知，當(dāng)焊接電流從365 A增加到405 A時，接頭拉斷力與焊接電流呈拋物線函數(shù)關(guān)系，在395 A時達(dá)到峰值；繼續(xù)增加焊接電流，接頭拉斷力開始減小，在電流為405 A時達(dá)到一個極小值；在電流為410 A時，接頭拉斷力有所增大。焊接電流從365～380 A時，接頭失效形式基本是從接合界面斷裂，從385 A以后，接頭失效形式都是從線材斷裂。

由圖8可知，焊接電流從365～375 A，焊點(diǎn)寬度增長緩慢，之后，隨著焊接電流的增加，焊點(diǎn)寬度幾乎呈指數(shù)增長。

表1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

圖7 焊接電流對接頭拉斷力的影響

圖8 焊接電流對焊點(diǎn)寬度的影響

由圖9可知，焊接電流從365 A開始，隨著焊接電流的增加，焊點(diǎn)長度變化并不明顯，當(dāng)電流大于390 A時，隨著焊接電流的增加，焊點(diǎn)長度有小幅增大。

2.2 結(jié)果分析

在分析上述三個質(zhì)量指標(biāo)的變化規(guī)律之前，先觀察不同焊接電流下接頭的表面狀況，如圖10所示。

圖9 焊接電流對焊點(diǎn)長度的影響

從圖中可見，漆膜被擠在焊點(diǎn)上下兩邊，隨著電流的增大，焊點(diǎn)上下兩邊的漆膜變少，同時由于焊接熱量的增大，線材上被碳化的漆膜也越來越多。隨著電流的增加，焊點(diǎn)周圍發(fā)烏現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。當(dāng)電流達(dá)到400 A時銅線表面開始出現(xiàn)熔化。進(jìn)一步增加電流至410 A，銅線熔化嚴(yán)重，同時發(fā)生嚴(yán)重的電極粘連現(xiàn)象。

圖10 不同焊接電流下的接頭外觀

由圖7~圖9可知，隨著焊接電流的增大，接頭拉斷力、焊點(diǎn)寬度和焊點(diǎn)長度有不同的變化規(guī)律。在此做出如下分析：

（1）由圖 7可知，焊接電流從 365～395 A，接頭拉斷力是不斷增大的，并在395 A時達(dá)到最大值。這是因?yàn)殡S著焊接電流的增加，焊接熱量也逐漸增大，使得銅線與銅箔的鍵合強(qiáng)度增強(qiáng)，從而增大接頭拉斷力。而繼續(xù)增加電流，接頭拉斷力反而減小了。電流為400A時，每個點(diǎn)的數(shù)據(jù)普遍比電流為395 A時的小，還有兩個數(shù)值較小的點(diǎn)，查看試驗(yàn)記錄，發(fā)現(xiàn)這兩個點(diǎn)的樣品的銅線出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。

研究認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象與鍵合強(qiáng)度和線材熱影響區(qū)軟化之間的競爭有關(guān)[6]。接頭拉斷力可以表示為

式中 F為接頭拉斷力；σ為鍵合強(qiáng)度；A為鍵合面積。

當(dāng)電流較小時，鍵合強(qiáng)度較低，接頭從界面斷裂；隨著電流的上升，鍵合強(qiáng)度增加（焊接熱量增大使接頭結(jié)合更緊密）或者鍵合面積增加（焊點(diǎn)寬度的增加），接頭拉斷力逐漸增大，同時銅線靠近接頭趾部的熱影響區(qū)由于退火軟化作用，其拉伸強(qiáng)度會不斷下降，當(dāng)鍵合強(qiáng)度大于拉伸強(qiáng)度時，接頭失效模式從界面斷裂變?yōu)榫€材斷裂。進(jìn)一步增加焊接電流，銅線軟化程度加劇，雖然鍵合強(qiáng)度還在繼續(xù)增強(qiáng)，但銅線的拉伸強(qiáng)度繼續(xù)下降，導(dǎo)致接頭拉斷力反而下降，這也就解釋了出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因。

從圖7可以看到，焊接電流為405A和410A時，分別有一個較小值的點(diǎn)，試驗(yàn)測得值分別為0.5077N和0.2322N，查看試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)，這兩個樣品都出現(xiàn)了電極粘連現(xiàn)象（見圖10f），此時銅線已經(jīng)壓得很薄，如果拿樣品測試時銅線有徑向晃動，接頭容易松脫，這兩個點(diǎn)可能是因?yàn)闇y試時接頭已有破壞，導(dǎo)致測得的接頭拉斷力值很小。

另外，從圖7中還可看到，焊接電流為410 A時，大部分拉斷力值比焊接電流為395 A的測得值還要高一些，似乎與線材軟化理論相矛盾。查看試驗(yàn)記錄，發(fā)現(xiàn)焊接電流為410 A時的樣品都發(fā)生了嚴(yán)重的電極粘連現(xiàn)象。在做拉力試驗(yàn)時觀察到，發(fā)生電極粘連的樣品均是分段拉開的，圖11為其中一個樣品的力和位移關(guān)系圖。此時，起主要作用是鍵合強(qiáng)度，銅線在接頭趾部的熱影響區(qū)也與銅箔緊密鍵合，圖上一小段下降的曲線便是銅線在接頭趾部的熱影響區(qū)連接松開了，此時焊點(diǎn)并未全部拉開，焊點(diǎn)連接部分繼續(xù)由鍵合強(qiáng)度在起作用，而隨著電流的增加，鍵合強(qiáng)度是在不斷增強(qiáng)的，所以出現(xiàn)了接頭拉斷力反而增大的現(xiàn)象，與之前的理論并不矛盾。雖然接頭拉斷力有所增大，但發(fā)生電極粘連現(xiàn)象時，表面發(fā)烏嚴(yán)重，外觀質(zhì)量差，由于接合部分過薄，容易碰掉，接頭質(zhì)量很不穩(wěn)定，并且電極損耗大，嚴(yán)重縮短電極壽命，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

圖11 接頭拉斷力和位移關(guān)系

（2）由圖8可以看到，隨著焊接電流的增加，焊點(diǎn)寬度呈指數(shù)級增大。從焊接熱量公式來解釋，即

式中 Q為產(chǎn)熱量；I為焊接電流；R為電阻；t為焊接時間。

電阻基本不變，焊接時間已固定，所以影響熱量的主要因素是焊接電流。由于焊接產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，隨著熱量的迅速增大，銅線軟化加劇，電極壓力更易使銅線擠壓變形，所以呈現(xiàn)出焊點(diǎn)寬度迅速增大的趨勢。

當(dāng)電流達(dá)到400 A時，開始出現(xiàn)銅線熔化現(xiàn)象，焊點(diǎn)寬度增大不明顯。對比405A和410A的數(shù)據(jù)可以看到，焊點(diǎn)寬度已無明顯增長。需要說明的是，銅線熔化現(xiàn)象在電子元器件焊接時是不被允許的，因?yàn)殂~線熔化往往會伴隨著飛濺，這對電子元器件的性能將有較大的影響。因此，在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制焊接電流的大小，避免過熱導(dǎo)致銅線熔化。

需要指出的是，試驗(yàn)結(jié)果中沒有給出焊接電流為410 A時的焊點(diǎn)寬度數(shù)據(jù)，因?yàn)樵谶@組參數(shù)下，全部樣品都出現(xiàn)電極粘連現(xiàn)象（見圖10f），銅線熔化嚴(yán)重，測量焊點(diǎn)寬度已無意義。

由圖9可知，焊接電流的增大對焊點(diǎn)長度的影響不明顯，這是因?yàn)榫€材的軸向約束作用使其不能向線材軸向擴(kuò)張，其值的大小主要由電極尖端的尺寸決定；而電流大于390 A后，焊點(diǎn)長度有小幅增大，這是因?yàn)楹附訜崃吭龃螅€材軟化增強(qiáng)導(dǎo)致的。

接頭質(zhì)量是通過接頭抗拉強(qiáng)度和外觀質(zhì)量綜合決定的，生產(chǎn)中希望接頭抗拉強(qiáng)度越大越好，同時又要求外觀質(zhì)量良好。從本試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，電流為385~395A時，接頭拉斷力分別為1.181 28 N、1.19204N、1.274 72 N，相當(dāng)于漆包線自身最大拉斷力（2 N）的60%，這在電子元器件的生產(chǎn)中是滿足要求的，同時它們的焊點(diǎn)寬度分別為 207.054 μm、221.938 μm、239.56 μm，相當(dāng)于漆包線自身線徑的2.1~2.4倍，并且焊點(diǎn)未出現(xiàn)銅線熔化、電極粘連等焊接缺陷。生產(chǎn)中希望能迅速判斷焊點(diǎn)質(zhì)量的好壞，通過焊點(diǎn)寬度的大小能夠快速反映出所需信息，這對生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

（1）隨著焊接電流的增大，接頭抗拉強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，在395 A時達(dá)到最大值；繼續(xù)增大電流，由于線材熱影響區(qū)軟化的原因，接頭抗拉強(qiáng)度變?nèi)酢．?dāng)電流增加到410 A時，發(fā)生嚴(yán)重的電極粘連現(xiàn)象。

（2）焊接電流較小時，接頭失效形式是接合界面斷裂；當(dāng)電流大于385 A時，接頭失效形式是線材斷裂。

（3）銅線開始出現(xiàn)熔化現(xiàn)象前，焊點(diǎn)寬度隨焊接電流的增加呈指數(shù)增大；銅線出現(xiàn)熔化現(xiàn)象后，焊點(diǎn)寬度無明顯增長。

（4）焊點(diǎn)長度主要由電極尖端尺寸決定，焊接電流的變化對其影響較小。

（5）本試驗(yàn)條件下，適宜選取的電流為385~395 A，395 A為最佳值，其接頭拉斷力為1.274 7 N，焊點(diǎn)寬度為239.56 μm。

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