熱時間常數在QBe2箔與Cr20Ni80絲電容儲能點焊中的應用

方 飛，張 勇，袁旭超，謝紅霞，李 星

(西北工業大學 陜西省摩擦焊重點實驗室，陜西 西安 710072)

熱時間常數在QBe2箔與Cr20Ni80絲電容儲能點焊中的應用

方 飛，張 勇，袁旭超，謝紅霞，李 星

(西北工業大學 陜西省摩擦焊重點實驗室，陜西 西安 710072)

為了滿足微型電機電刷零部件的使用要求，根據計算所得的熱時間常數τ及其與焊點中心部分溫度上升的關系曲線，確定了QBe2鈹青銅箔與Cr20Ni80鎳鉻絲微型件電容儲能點焊工藝參數的選取原則。根據所選的工藝參數，采用電容儲能點焊機對試樣進行焊接，并對焊接接頭的金相組織、微區成分進行了分析試驗。結果表明，利用熱時間常數選取的工藝參數，可以獲得良好的固相連接接頭，但焊接界面鈹青銅一側有晶界局部熔化現象，鎳鉻合金中的鎳與鉻元素向鈹青銅一側有較明顯的擴散。由此可知，根據熱時間常數選取焊接工藝參數的原則是合理可行的。

熱時間常數；鈹青銅；鎳鉻絲；電容儲能點焊

0 前言

熱時間常數反映了板件焊接時的加熱規律，是微型件點焊選擇焊接電流波形的重要依據[1]。在某微型電機電刷零部件的生產過程中，需將直徑φ 0.1 mm的Cr20Ni80鎳鉻絲焊接到厚0.1 mm的QBe2鈹青銅箔上。考慮到微型焊件的熱時間常數較小，且兩種金屬的化學成分和熱物理性能差異較大，故采用焊接電流波形上升較陡的電容儲能點焊機對焊件進行工藝試驗。根據熱時間常數與焊件中心部分溫度上升的關系曲線，確定鈹青銅箔與鎳鉻絲微型件電容儲能點焊工藝參數的選取原則，并對焊接接頭的金相組織、微區成分進行分析試驗。

1 熱時間常數及焊接工藝參數選取原則

1.1 熱時間常數

板材、帶材、箔材的加熱與RC電路的充電類似，即經過一定時間后焊接區才會逐步達到穩定溫度Tm，其加熱過程表達為

式中 T為加熱時間t時的溫度；Tm為某一試件在某規范下可達到的近似穩定的溫度值；τ為熱時間常數。

板件中心部分的溫度上升與熱時間常數τ的關系如圖1所示。當加熱時間t＝τ時，溫度T＝0.63Tm；t＝2τ時，T＝0.86Tm；t＝3τ時，T＝0.95Tm，即已接近這種工件使用某一具體規范所能達到的最大穩定溫度。

圖1 板件中心部分溫度上升與熱時間常數τ的關系[1]Fig.1 Relation between temperature rising in the central part of weldment and thermal time constantτ

焊件的熱時間常數τ可按下式進行計算[1]

式中 c為比熱容(單位：J／kg·K)；ρ物質密度(單位：g／cm3)；a為導溫系數(單位：cm2／s)；λ為導熱系數[單位：W／(m·K)]；δ0為板厚(單位：cm)。

考慮到電阻溫度系數α影響時，熱時間常數τ為

QBe2與Cr20Ni8的化學成分和物理性能如表1、表2所示。由表可知，鈹青銅的熱導率較大，電阻率較小(約為0.055 μ Ω·m)，熱時間常數τ可由式(3)計算，得到鈹青銅的熱時間常數τ≈5.3×10-4s，鎳鉻絲的熱時間常數τ≈9.4×10-4s，計算時Tm取值略低于兩種材料的熔點(QBe2熔點956℃，Cr20Ni80熔點1 400℃)。

1.2 焊接工藝參數選取原則

試驗采用DR-1000型電容儲能焊機。焊機額定充電電壓550 V，最大電極壓力470 N，配用KR-2型電容儲能點焊微機控制器。

表1 Qbe2與Cr20Ni80的化學成分%Tab.1 Chemical composition of Qbe2 and Cr20Ni80

表2 Qbe2與Cr20Ni80的物理性能Tab.2 Physical properties of Qbe2 and Cr20Ni80

電容儲能焊機的充電電壓和儲能電容器組電容量對焊接質量有重要影響。改變充電電壓，主要引起電流峰值的變化，而電流波形的陡度和通電時間變化不大；隨著儲能電容量的增加，雖然電流峰值有所增加，但焊接電流通電時間也相應增長，波形上升變緩。

由圖1可知，被焊材料的加熱時間若大于3τ，即可達到近似穩定的溫度值。由此可見，鈹青銅在同一焊接過程中先于鎳鉻絲達到穩定溫度。如果選用電容容量較大，通電時間較長的電流波形，雖然會使鎳鉻絲達到穩定溫度，但由于鈹青銅在長時間、大電流的作用下過度熔化，難以保證焊接質量。因此，在鈹青銅箔與鎳鉻絲微型件儲能點焊時，應該以鈹青銅的焊透為準，選擇并調整焊接工藝參數。

根據以上原則并經多次試焊，最終確定的主要工藝參數為：電容量7 000 μ F，焊接充電電壓260～280 V，電極壓力310 N，電極選用鑲鎢銅合金復合電極。數字記憶示波器測量出的焊接電流波形如圖2所示。由圖2可知，電流上升時間大約為2 ms，是鈹青銅熱時間常數的3.8倍，是鎳鉻絲熱時間常數的2.1倍。考慮到在電容儲能點焊過程中，當焊接電流到達峰值時，焊接區可達到最高溫度[2]，在本試驗條件下，當電流波形的上升t＝3.8τ時(按導熱性最好的鈹青銅計算)，即可實現成功焊接。

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織分析

從焊接區域的高倍金相組織照片(見圖3、圖4)可以看出，由于加熱時間很短以及在電極壓力的作用下，鎳鉻絲僅僅發生了一定程度的變形，水平方向的最大寬度變為0.16 mm，垂直方向鎳鉻絲最大高度為0.06 mm，但并未出現熔化現象。由于鈹青銅的熔點較低(960℃)，所以緊鄰貼合面的鈹青銅發生了局部熔化現象。接頭主要為固相連接形式。

圖2 DR-1000型電容儲能點焊機焊接過程放電電流波形Fig.2 Discharge current waveform in welding process of DR-1000 capacitive storage spot welding machine

圖3 焊點金相組織(200×)Fig.3 Metallographic structure of spot welded joint

圖4 緊靠貼合面的鈹青銅產生的晶界熔化現象(1 000×)Fig.4 Phenomenon of grain boundary melting about joint surface of beryllium bronz

雖然固相連接的強度波動較大，但對微型元器件所要求的某些特性如導電、導磁性能十分有利[3]。

2.3 電子顯微分析

對焊件焊合區域進行微區成分分析，分析位置如圖5所示，分析結果如表3所示。

圖5 SEM微區域成分分析位置示意Fig.5 Schematic diagram of composition analyzing in SEM micro-region

表3 選定區域合金元素含量%Tab.3 Alloy element content of chosen district

從圖5和表3可知，盡管加熱時間很短，但在焊接界面兩側仍然存在一定程度的原子擴散。這種擴散主要是鎳鉻絲中的Ni、Cr向鈹青銅中的擴散(見點5、點6)，而且擴散距離僅為3～5 μ m。

界面附近線掃描成分變化曲線如圖6所示。從鎳鉻絲一側向鈹青銅一側進行線掃描，當越過兩種材料界面時，在2 μ m寬度范圍內材料成分發生變化，即在2 μ m寬度范圍內材料成分是漸變的，在鈹青銅一側2 μ m的寬度范圍內鎳元素和鉻元素逐漸減低到鈹青銅母材的含量。

3 結論

(1)根據導熱性好、熔點低的鈹青銅的熱時間常數來選取焊接規范參數的原則是合理的，可獲得良好的焊接接頭。

(2)本試驗條件下獲得的鎳鉻絲與鈹青銅微型件焊點為固相連接，但焊接界面鈹青銅一側有晶界局部熔化現象。

(3)鎳鉻合金中的鎳與鉻元素向鈹青銅一側有較明顯的擴散。

圖6 線掃描成分變化曲線Fig.6 Curve of composition change by line scanning

[1]畢慧琴.焊接方法及設備(第二分冊)電阻焊[M].北京：機械工業出版社，1981.

[2]王福田.電阻焊的電流波形特性與參數選擇[J].電焊機，2002，32(11)：34-38.

[3]趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2005.

Application of thermal time constant in capacitor discharge spot welding of QBe2 foil and Cr20Ni80 Wire

FANG Fei，ZHANG Yong，YUAN Xu-chao，XIE Hong-xia，LI Xing
(Shanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

In order to satisfy the using demand of electrical brush spare parts of micro electric-machinery in this paper.QBe2 Beryllium Bronze foil and Cr20Ni80 Nichrome wire were joined together with capacitor discharge spot welding machine.Selecting principle of welding process parameters was defined according to the calculated thermal time constant and the relation curve of temperature rising in the central part of solder.The metallographic structure，micro-range composition and mechanical property of welding joint were analyzed and tested.Nice welding joint can be acquired in minisize workpiece production process of beryllium bronze and nicochrome wire with capacitive storage spot welding machine.There is grain boundary partial melting at the welding interface on the side of beryllium bronze.Nickel and chromium in Ni-Cr alloys diffused into beryllium bronze evidently.The principle of choosing welding process parameters by using thermal time constant mentioned in this paper is feasible.

thermal time constant；beryllium bronze；nichrome wire；capacitor discharge spot welding

TG453+.9

A

1001-2303(2011)07-0068-04

2011-03-22

方 飛(1986—)，男，河南南陽人，碩士，主要從事電阻點焊理論與逆變電源方面的研究。