鋁導線軟釬焊用含鉍Sn-0.7Cu-1Zn合金釬料的研發(fā)及性能

唐立軍，周年榮,2，劉雪揚，劉榮海，張文斌

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.重慶大學電氣工程學院，重慶 400044；3.昆明品啟科技有限公司，昆明 650500；4.昆明理工大學機電工程學院，昆明 650051)

0 引 言

電力系統中的發(fā)熱故障主要發(fā)生在電力連接頭中[1-3]。電氣設備中的電力連接頭種類較多，鋁導線連接頭是其中較為普遍的一種。目前鋁導線連接主要采用壓縮連接法[4-5]，即采用液壓鉗將導線和連接金具進行壓接，使導線和連接金具變形后連接在一起。該方法在壓力過大(過壓)時容易導致導線斷股，壓力過小(欠壓)時則會導致導線接觸面積減小，力學性能較差。并且，壓接后的鋁導線與連接金具并非完全接觸，在長期運行過程中二者的接觸電阻會逐漸增大，而且水的凍脹累積效應會使未接觸部位膨脹開裂，使得接觸電阻急劇增加。接觸電阻的增加會導致發(fā)熱量和電能損耗增加，嚴重時還會引發(fā)電力連接頭斷裂故障[5-6]。此外，壓接后導線線股之間存在微小間隙，外界的水會通過毛細效應進入導線內部[7]，加快電力連接頭的腐蝕，危及電網安全。

基于以上原因，作者提出采用軟釬焊方法(釬料熔點不超過450 ℃)連接鋁導線，該方法可以增加導線與連接金具之間的接觸面積，改善鋁導線電力連接頭的發(fā)熱問題。目前關于鋁的軟釬焊研究主要集中在釬料在鋁表面的潤濕性能和潤濕界面的微觀分析[8-13]以及鋁片搭接釬焊接頭方面[14-15]，而關于釬焊連接鋁導線與連接金具的研究較少。

與鋁片搭接連接相比，多股鋁線絞合而成的鋁導線和連接金具之間的接觸面積較大且不規(guī)則，釬料需要具備更高的潤濕性能才能增加接觸面積。與鋁的潤濕性較好的釬料包括Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag系合金釬料，綜合成本、潤濕性能等因素，作者選擇了Sn-Cu-Zn合金釬料作為研究材料；同時考慮到鉍元素具有提高合金潤濕性能的特性，作者在Sn-Cu-Zn合金釬料中加入鉍元素進行定向改性，研究了鉍含量對釬料熔點、電導率、潤濕性，以及軟釬焊鋁導線與金具連接頭界面形貌、溫升和拉伸性能的影響，確定了鉍元素的最佳含量。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料包括銅塊(純度99.99%)、錫塊(純度99.99%)、鉍塊(純度99.99%)和鋅塊(純度99.99%)。按照組成(質量分數/%，下同)為Sn-0.7Cu-Zn-xBi(x=0.5，1，1.5，2)稱取原料，在真空感應熔煉爐中進行熔煉，熔煉溫度為1 100 ℃，保溫10 min后，將溫度降到400 ℃±5 ℃，保溫2 h，每間隔30 min攪拌一次，最后澆鑄成球狀備用。采用DSC200F3型差式掃描量熱儀(溫度精度為±0.1 ℃)測定釬料的熔點，加熱和冷卻速率均為10 K·min-1。采用D60K型渦流電導儀測定釬料合金的電導率。

根據GB/T 11364-2008，采用鋪展性試驗表征釬料的潤濕性能[16]，母材為1060鋁合金，尺寸為20 mm×20 mm×0.8 mm，助焊劑選用廣州有色金屬研究院提供的SF-L-3助焊劑。試驗前將母材表面磨平，去除表面氧化膜，并用酒精清洗干凈。在母材表面涂覆一層助焊劑后，將0.2 g球狀釬料置于母材表面中心，并將母材置于加熱平臺上升溫至270 ℃保溫30 s后空冷，采用Image Pro Plus軟件測定釬料的鋪展面積，每種釬料重復3次試驗，取平均值。

使用潤濕性能最佳的釬料連接鋁導線和連接金具，鋁導線型號為JKLYJ-10，橫截面積為10 mm2，連接金具型號為DL-10，適用于橫截面積為10 mm2的鋁導線連接。連接步驟如下：鋁導線去除絕緣層，在鋁導線表面和連接金具內壁涂敷助焊劑，并在連接金具內部放置釬料；將鋁導線和連接金具置于感應加熱設備中，升溫至270 ℃，待釬料熔化后，將鋁導線插入連接金具中,保溫5 min，再自然冷卻。

將鋁導線與連接金具軟釬焊連接頭橫向切開，用1200#砂紙打磨，清洗，采用XL30ESEM型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察接頭的界面形貌。采用MTS Landmark型萬能拉力試驗機測試接頭的拉伸性能，拉伸速度為5 mm·min-1。根據GB/T 2317-2008，搭建SLQ-2000A大電流實驗平臺，如圖1所示，利用優(yōu)利德UT325型溫度測試儀測定接頭的溫升，加載電流為150 A，采用K型熱電偶測定溫度，進行5組平行試驗取平均值。

圖1 SLQ-2000A大電流實驗平臺示意Fig.1 Diagram of SLQ-2000A large current experiment platform

2 試驗結果與討論

2.1 釬料的熔化特性

由表1可知：添加質量分數1.0%2.5%的鉍后，Sn-0.7Cu-1Zn合金釬料的熔點降低，熔程增大，但變化幅度均較小；隨著鉍含量的增加，釬料的起始溫度、終止溫度略微降低，每增加質量分數0.5%的鉍，釬料的熔點下降約1 ℃，熔程總體呈增大趨勢。釬料熔點降低，有利于降低連接工藝中加熱設備的功耗；熔程變大，說明半固態(tài)溫度區(qū)間變大，熔化過程中釬料易形成糊狀，最終會影響熔池的流動性。

表1 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金釬料的熔點Table 1 Melting point of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

2.2 釬料的電導率

由圖2可知，鉍元素的添加降低了釬料的電導率，且隨著鉍含量的增加，電導率持續(xù)下降。影響金屬電導率的因素包括化學成分、組織結構及物相[17]。Sn-0.7Cu-1Zn合金鑄態(tài)組織包括Sn-Zn、Sn-Cu及Cu-Zn相，添加的鉍會固溶于錫形成Bi-Sn相；鉍原子的相對原子質量為208.98，其固溶會導致錫的晶體結構發(fā)生畸變，電子散射增大，電導率下降[18]。

圖2 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金釬料的電導率隨鉍含量的變化曲線Fig.2 Variation curve of conductivity vs Bi content of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

2.3 釬料的潤濕性

由圖3可知：Sn-0.7Cu-Zn合金釬料未發(fā)生明顯鋪展，仍呈小球狀，說明其與母材的潤濕性能較差，添加鉍元素后，釬料在母材上均發(fā)生了一定的鋪展，說明鉍元素的添加能夠提高釬料與母材的潤濕性能。由圖4可知，隨著鉍含量的增加，釬料的鋪展面積先增大后減小，當鉍含量為1.0%時，鋪展面積最大，達63 mm2。鉍元素的添加可以降低Sn-0.7Cu-1Zn合金熔體的表面張力，使得其在鋁合金母材上的鋪展面積增加；但鉍含量過多會增大合金的熔程，影響熔體的流動性，使得鋪展面積減小。

圖3 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金釬料在母材上的鋪展形貌Fig.3 Spreading morphology of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder on base metal

圖4 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金釬料的鋪展面積隨鉍含量的變化曲線Fig.4 Variation curve of spreading area vs Bi Content of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

鋁導線電力連接頭主要通過增加導線與金具之間的接觸面積來降低接觸電阻。釬料的潤濕性越好，鋪展面積越大，導線與金具的接觸面積越大，接觸電阻越小。雖然鉍元素的添加會降低Sn-0.7Cu-1Zn合金釬料的電導率，但是在一定范圍內提高了釬料的潤濕性能。綜合來看，鉍元素的最佳含量為1.0%，此時釬料的電導率適中，潤濕性能最好。

2.4 電力連接頭截面微觀形貌

由圖5知：Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料基本與鋁導線外表面完全接觸，與連接金具內壁緊密接觸(區(qū)域A)，潤濕效果較好；在釬料與鋁導線接觸界面上，部分區(qū)域(區(qū)域B)潤濕效果較好，也有部分區(qū)域(區(qū)域C和區(qū)域D)接觸面上出現一層亮白色物質，推測是焊接后的殘留物，原因是在連接過程中，少部分助焊劑沒有及時排出。

圖5 Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料釬焊后鋁導線連接頭橫截面的微觀形貌Fig.5 Cross section micro morphology of aluminum wire connector after brazing with Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi alloy solder: (a) low magnification morphology; (b) enlarged view of region A; (c) enlarged view of region B; (d) enlarged view of region C and (e) enlarged view of region D

2.5 電力連接頭的拉伸性能

由圖6可以看出，采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料釬焊后鋁導線接頭的最大拉力為1 079 N，達到鋁導線計算拉斷力(根據鋁材料的抗拉強度和橫截面積計算)的83%，符合GB/T 2314-2008中絕緣線用線夾的最大拉力應不小于導線計算拉斷力的65%的要求。鋁導線出現斷裂現象，但鋁導線與金具之間的連接部位基本無變化。這說明鋁導線與連接金具之間連接緊密，連接處的拉斷力大于鋁導線的實際拉斷力；當其他部位鋁導線出現斷裂現象時，電力連接頭仍然可靠。

2.6 電力連接頭的溫升

由表2可知，采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi釬料連接的鋁導線連接頭的溫升比傳統壓縮連接方式的低18.3%，說明采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi釬料連接鋁導線能夠改善鋁導線連接頭的發(fā)熱問題。

表2 在150 A電流下軟釬焊連接和壓縮連接鋁導線連接頭的溫升Table 2 Temperature rise of aluminum wire connectors by soft brazing and compression connection at 150 A current

3 結 論

(1) 鉍元素的添加對Sn-0.7Cu-1Zn合金釬料熔點和熔程的影響較小，但降低了其電導率，提高了其在鋁表面的潤濕性；隨著鉍含量的增加，釬料的電導率下降，在鋁表面的鋪展面積先增后降，當鉍含量為1.0%時的電導率適中，鋪展面積最大，潤濕性最好。綜合考慮電導率和潤濕性，確定鉍的最佳含量為1%。

(2) 采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料釬焊鋁導線和連接金具，釬料與鋁導線外表面基本實現完全接觸，和連接金具內壁緊密接觸；Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料釬焊連接頭的最大拉力達到鋁導線計算拉斷力的83%，符合標準要求，溫升比傳統壓縮連接方式的低18.3%，說明軟釬焊連接能夠改善鋁導線連接頭的發(fā)熱問題。