一款接觸器觸頭組釬焊表面鍍層燒蝕的研究和改進

秦琰磊，李永燕，徐 龍，熊浩凱，韋陽華

(桂林航天電子有限公司，桂林，541002)

1 引言

接觸器觸頭組是保證接觸器正常通斷的核心組件，承擔通斷電路和承載負載的作用，觸頭組焊接質量的好壞直接影響接觸器的質量。目前165廠零部件釬焊的方式主要有：電阻釬焊、錫焊和真空釬焊，由于接觸器觸頭具有揮發性且體積較大，不適合錫焊和真空釬焊，因此選用電阻釬焊的方式焊接。本文針對一款接觸器觸頭組釬焊表面鍍層的燒蝕情況進行研究，通過仿真分析觸頭組釬焊表面鍍層燒蝕情況的因素，優化了焊接參數和電極形狀，有效解決了焊接部位鍍層燒蝕的問題。

1 接觸器觸頭組電阻釬焊

某接觸器觸頭組的材料為銀氧化鎘(觸頭)和黃銅(觸頭座)，如圖1所示。焊接過程中，上電極、焊件、下電極形成電流通路，利用電能使石墨電極升溫將焊料熔化，浸潤觸頭、觸頭座，填充兩者間隙，待降溫固化后達到連接觸頭和觸頭座的目的。

圖1 某接觸器觸頭組釬焊圖

1.1 觸頭組釬焊原理

某接觸器觸頭釬焊采用銀基釬料：HYAg40Sn。經電流熱效應加熱融化后，液態釬料浸潤母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散，實現連接的焊接方法。

1.2 觸頭組釬焊效果

某接觸器觸頭組在釬焊后出現觸頭、觸頭座表面鍍層燒蝕、起皮、發黑等現象，使得接觸器的整體配合度和外觀較差，如圖2所示。分析認為，在空氣條件下進行釬焊，當焊接溫度超過零件表面鍍層的熔點時，容易出現鍍層發黑、燒蝕等現象。

圖2 觸頭組釬焊效果圖

2 釬焊件表面起皮、燒蝕的影響因素分析

2.1 材料選擇不合理

觸點座、引出端的材質為H62，其熔點為1193℃，符合釬焊要求，材料合理。釬焊片的材質為銀基釬料HYAg40Sn，熔點630℃～640℃，遠小于其他材料，材料合理。鍍層的材質為銀，熔點961.78℃，材料合理。

2.2 焊接工藝不合理

現行的釬焊工藝流程為修平電極→調整工藝參數→釬焊位置涂釬劑→釬焊。釬焊過程中需要觀察釬料熔化、流動的情況，當釬料熔化并浸潤四周縫隙時停止焊接，松開電極將工件取出，并將工件放入冷水中浸泡。通過調節釬焊參數對觸點組進行驗證，不同的參數對零件表面氧化、起皮的影響程度不同，均未解決該問題。

2.3 釬焊環境氣氛無法控制

采用真空釬焊或惰性氣體保護的方式可防止氧化，由于使用的觸點材質主要為銀氧化鎘和銀氧化錫，真空、高溫條件下易揮發鎘和錫。惰性氣體可避免釬焊時材料與氧氣接觸，減緩材料氧化進程，但無法解決燒蝕問題，因此控制釬焊環境氣氛無法解決該問題。

2.4 夾具不合理

夾具材料主要是CrZrCu和石墨，根據焊接現象分析，局部溫度過高會使觸點組表面氧化、起皮更嚴重。因此，觸點組釬焊時氧化、起皮是由工裝夾具設計不合理導致。通過優化釬焊夾具，控制石墨發熱的能量傳遞和溫度分布，可以有效提高觸點組釬焊質量。

3 觸頭組釬焊過程仿真和優化

3.1 觸頭組釬焊過程仿真

對釬焊過程進行仿真，溫度達到最高時的溫度分布如圖3所示，從溫度分布可看出，夾具和零件的最高溫度并未分布在釬焊片周圍，且下電極內部有螺紋桿，螺紋桿在高溫下出現了氧化、燒蝕等現象，這與實際釬焊時的現象相符。

圖3 釬焊過程仿真溫度最高時的溫度分布

3.2 釬焊夾具優化

電阻釬焊原理是電流通過電極，使電極發熱熔化焊料，達到釬焊的目的。電阻釬焊時，上、下電極串聯于電路，其熱功率為

其中：I為電路電流；

ρ為電極電阻率，石墨取10-5Ω·m；

l為電極有效長度；

S為電極有效橫截面積；

由于通過上、下電極的電流相同，調整電極的長度和橫截面積可以改變上下電極的熱功率，有效調整整體的熱量分布情況。由于原夾具下電極熱量過大，本次改進擬減小其長度，增大橫截面積。由于釬焊時下電極溫度高于上電極，為了避免下電極內部的螺紋桿在高溫下氧化、燒蝕，優化時針對下電極進行改進。

改進后，下電極橫截面積增大，有效長度減小。對新結構進行仿真，最高溫度時的溫度分布如圖4所示。改進后，上電極的溫度高于下電極的溫度，熱量將從上電極流向下電極，理論上可以有效降低釬焊片熔化浸潤時下電極的溫度，起到保護觸點組的表面鍍層的作用。

圖4 新結構釬焊過程仿真溫度最高時的溫度分布

4 釬焊優化改進驗證

通過對釬焊夾具進行改進，將釬焊過程中的最高溫度位置調整到釬焊片附近，將整體溫度控制在鍍層(Ag)和基體材料(Cu)的熔點下，可以有效提高焊接質量。

釬焊夾具改進后，接觸器靜觸點組的焊接質量有明顯改善，焊接后釬焊料浸潤充分，無燒蝕、起皮和氧化現象。該改進已應用于某接觸器的靜觸點組和動觸點組的試焊，效果如圖5所示。

圖5 一款接觸器的靜觸點組和動觸點組的試焊效果

5 結論

本文針對一款接觸器觸頭組釬焊表面鍍層燒蝕進行研究，分析了造成觸頭組燒蝕的原因，并建立觸頭組和電極模型進行仿真分析，確定了優化電極外形的改進方案，有效解決了焊接部位鍍層燒蝕的問題。接觸器的靜觸點組和動觸點組的試焊均無燒蝕、起皮和氧化現象，為產品研制提供了保障，同時也為其它型號接觸器的觸頭釬焊提供了有效參考。