真空滅弧室觸頭釬焊性能研究

摘 要：根據真空釬焊觸頭材料工藝，選用不同牌號的合金釬料，用無氧銅夾封不同組分的觸頭材料形成組件，在宏觀和微觀的條件下了解釬料的潤濕性，組件的抗拉強度，斷裂區域形態以及無氧銅在不同溫度釬焊時的晶粒度變化情況，分析合金釬料的釬焊特性。

關鍵詞：滅弧室；焊接；體電阻

中圖分類號：TG454 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-02

電真空合金釬料廣泛應用于各個行業，隨著真空電子器件行業的飛速發展，近二十年來，我國的真空斷路器在中壓領域的應用已占到80%以上，真空滅弧室的理論研究水平和制造技術都有了長足的發展，電力系統容量的大幅增加，也同時要求真空滅弧室向大容量、高電壓、小型化的方向發展，這不僅僅要優化滅弧室的觸頭結構及內部電場分布，增強對真空電弧的磁控能力，改善觸頭的有效利用面積，考慮到熔焊力的作用，合金釬料對不同組分CuCr觸頭材料的焊接性能也尤為重要，其中包括釬料在無氧銅和CuCr材料上的浸潤性及焊接后的抗拉強度等。通過對這些方面的研究，達到合理選擇釬焊釬料、保證釬焊強度的目的。

一、試驗

斷路器用真空滅弧室的觸頭焊接工藝，均采用無氧銅與CuCr系觸頭材料釬焊的方式，所以，將無氧銅按美國材料試驗標準即ASTM的規定制式制成金屬抗拉件，用不同牌號的合金釬料在真空爐中夾封片狀CuCr25及CuCr50觸頭材料，形成組件。

用GWY-I型接觸電阻測試儀在壓力1000N、電流100A的條件下測試組件的體電阻，獲得各組組件體電阻的平均值；然后用專用夾具固定組件，在遼寧工業大學用液壓傳動拉力機進行抗拉強度試驗，獲得其抗拉強度數值，觀察斷裂區域的宏觀情況；再將預留的組件用線切割沿縱向剖開，研磨后在日產奧林巴斯萬能顯微鏡150×時觀察合金釬料在無氧銅和CuCr材料中的浸潤深度，在100×時觀察無氧銅晶粒度變化等顯微情況。

二、結果與討論

（一）額定壓力下的體電阻

通過表二中的試驗結果很明顯地看出，所選用的四種銀基釬料釬焊CuCr觸頭材料后的組件，其體電阻平均值基本一致，只是CuCr25材料組件的體電阻低于CuCr50材料組件1μΩ左右（在1.5cm2接觸面積的情況下）。一方面是因為這幾種釬料的電阻系數相差無幾，另一方面是因為CuCr25材料比CuCr50材料的Cu含量增加了50%，電導率上升了近2倍；而由于CuMnNi合金釬料中大量Mn的存在導致組件體電阻大幅上升，在20℃時，CuMnNi釬料的電阻系數大于4.0μΩ·cm，是銀基釬料電阻系數的2倍左右，所以，組件的體電阻也增大了大約1.5～2.0倍。

（二）抗拉強度

不同牌號的合金釬料，在焊接CuCr25和CuCr50觸頭材料時，其抗拉強度的數值有很大區別，且分散性較大，影響的因素有很多。通過對釬料的主成分及其在基體的浸潤情況、基體的晶粒度，分析如下：

AgCu50釬料因液-固相線的差距較大，達到95℃，因此當液態釬料從液態冷卻轉變為固態時，由于焊縫各處存在一定的溫度梯度，結晶時在焊縫中會出現組織成分差別，并且偏離原釬料組分而引起組分分布不均勻的現象，產生了區域偏析，降低了焊接強度。

AgCuNi釬料中因金屬Ni的添入在一定程度上提高了Ag的潤濕性，由于Ni含量的不同而導致抗拉強度的差異。

Mn與Cr具有很好的親和性，Ni又具有很好的潤濕性，由于CuMnNi釬料中Mn和Ni的大量添入，使得釬料對無氧銅和CuCr合金材料相互溶解，潤濕性和浸潤性更好，焊接強度也更好。

顯微組織觀察合金釬料在無氧銅及觸頭材料的浸潤情況，AgCu28對觸頭材料的浸潤性不是很好；AgCu50的浸潤效果一般；AgCuNi28-2的浸潤性很好，在CuCr25材料中的浸潤深度為60～240μm，在CuCr50材料中的浸潤深度為160μm，AgCuNi28-0.75稍次之；CuMnNi的浸潤性亦很好，在CuCr25材料中的浸潤深度為160μm，在CuCr50材料中的浸潤深度為120～160μm。

由于選用的合金釬料熔化溫度的差異，所以組件的釬焊溫度不同，無氧銅的晶粒度在釬焊前后也不同，890℃釬焊后無氧銅的晶粒度為4～5級，稍有長大；980℃釬焊后無氧銅的晶粒度為1～2級，晶粒粗大，肉眼可見無氧銅表面不規則狀結晶。

（三）斷裂區域

10組試樣做拉力試驗后，均不同程度存在金屬抗拉件被拉伸變形現象，其中1#、5#、9#組試樣無氧銅拉伸變形后觸頭材料斷裂，觸頭材料組分是CuCr50；2#、6#組試樣表現為無氧銅嚴重拉伸變形后斷裂，觸頭材料組分是CuCr25；其余組試樣為焊縫斷裂。分析認為，隨著材料中Cr含量的增加，材料的密度有所下降，由8.3g/cm3下降為7.8g/cm3，導致機械性能降低，抗拉強度變差。

三、結束語

1.CuMnNi合金釬料釬焊組件的體電阻是銀基合金釬料釬焊組件的1.5～2倍，所以真空滅弧室額定壓力下的接觸電阻亦偏高。

2.CuMnNi合金釬料釬焊無氧銅材料后，無氧銅的晶粒度變為1～2級，晶粒粗大，降低了無氧銅的機械強度，導致真空斷路器磨合操作后，行程易發生較大變化，影響斷路器的機械特性。

3.CuMnNi釬料釬焊CuCr25和CuCr50觸頭材料的抗拉強度值分散度最小，并且均值都大于22kN/cm2；AgCuNi28-0.75釬料與之接近。

4.AgCu50釬料不適于無氧銅和CuCr觸頭材料之間的釬焊。

5.根據同種組分的觸頭材料釬焊強度分析，將不同牌號釬料按抗拉強度值降冪排列，釬焊CuCr50時為：CuMnNi-AgCu28-AgCuNi28-0.75；釬焊CuCr25時為AgCuNi28-0.75-CuMnNi-AgCuNi28-2，這一點從斷裂區域分布也可看出。

6.由于試驗并未考慮保溫時間及冷卻速度等因素對釬焊的影響，所以全部數據僅供參考。

參考文獻：

[1]電真空用金屬材料手冊.

[2]真空電子器件用貴金屬及其合金釬料規范.貴研鉑業股份有限公司.Q/GYB002-2002

[3]黃運添，鄭德修.電子材料與工藝學.西安交通大學出版社.1990

[作者簡介]何媛媛（1985-），女，遼寧錦州人，本科，機械工程師，控制工程專業。