不同釬料的搭接電阻釬焊研究

孫愛俊，李學浩

鎮江四洋特種金屬材料制造有限公司 江蘇鎮江 212003

1 序言

純銅的釬焊廣泛應用于汽輪發電機及大型電動機的多種部件制造過程中，一般采用銀基B A g45C u Z n和銅基B C u80A g15P釬料[1-3]。BAg45CuZn與BCu80Ag15P釬料具有相近的熔化溫度區間和電阻率，BAg45CuZn釬料在釬焊過程中需要釬劑的輔助以去除氧化物，BCu80Ag15P釬料含有P元素，使其具有自釬作用，不需要添加輔助釬劑[4]。在某大型風電電動機導電排與接頭的釬焊連接時，要求焊合率＞90%、焊縫剪切拉伸試驗斷于母材，若斷于母材熱影響區，則強度不低于母材退火狀態的95%，為此采用火焰釬焊的方式進行了多組試驗，剪切試驗斷裂位置和強度均滿足要求，而在焊合率的檢測過程中焊縫存在氣孔和未焊合缺陷，焊合率不穩定。為了得到穩定的焊接質量，將火焰釬焊改為電阻釬焊，并采用BAg45CuZn與BCu80Ag15P兩種釬料進行釬焊試驗，測試焊合率的穩定性和剪切試驗情況。

圖1 焊接結構

2 焊接材料及設備

焊接用母材均為軟態T 2 銅，抗拉強度為235 MPa，伸長率為38%，單件試件尺寸為15mm×30mm×150mm，焊接結構為兩件母材搭接疊加（見圖1），搭接釬焊焊縫長度30mm，焊接面積為30mm×30mm，中間放置0.2mm厚片狀釬料。BAg45CuZn與BCu80Ag15P兩種釬料的化學成分及性能見表1[4]。每種釬料焊接三組試樣，BCu80Ag15P釬料具有自釬作用，焊接時不需要釬劑輔助；BAg45CuZn釬料釬焊時使用FB102膏狀釬劑去除氧化膜，以改善潤濕能力。

表1 兩種釬料的化學成分及性能

采用電阻焊機型號GKH-120，功率120kVA，電阻釬焊如圖2所示，焊機石墨電極的面積不小于兩件銅排的疊加釬焊面積，工件的放置應保證釬焊面積全部在電極的覆蓋范圍之內，并通過石墨電極夾緊工件。通電焊接時，電流經過石墨電極傳導至工件，利用通電時石墨電極的傳熱和銅排與釬料之間的電阻熱來加熱銅排和釬料。

圖2 電阻釬焊

3 釬焊試驗

3.1 焊前準備

母材與釬料接觸面采用機械拋光方式清理表面的油污、氧化層等，為保證焊腳的焊合效果，清理長度在疊加區域外增加10~15mm，清理過程保持疊加區域的平整度，以保證焊接區域工件之間釬焊縫間隙的一致性。采用BAg45CuZn釬料的釬焊，與釬料接觸的母材表面均勻涂覆FB102膏狀釬劑，在膏狀釬劑凝固前實施焊接，防止釬劑凝固后電阻較大阻斷電流通過，致使焊機無法起動。

圖3 焊接后的工件外觀

3.2 施焊

將準備好的母材和釬料按圖2的方式放入焊機的兩石墨電極之間，因疊加面積只有30mm×30mm，所以設置電極壓力為0.6MPa，保證工件能夠夾緊，而工件不會由于壓力過大變形造成厚度變小。移動焊機上下碳電極夾緊銅板，通電焊接時觀察四周釬料的熔化情況，待釬料全部熔化后，使用φ2mm的焊絲補充焊腳，釬料補充完成后斷電停止加熱，壓力繼續保持一段時間，待釬焊縫穩定后，再卸除壓力，取下工件。焊接完成后的工件外觀如圖3所示，兩種釬料的焊縫與母材結合性良好，未發現裂紋、氣孔等缺陷。

4 焊縫測試

兩種釬料試樣件數及金相、拉伸試驗的設置見表2。

表2 釬焊拉伸及金相試驗

4.1 焊縫拉伸試驗

對于搭接釬焊接頭的拉伸試驗，參考G B/T 11363—2008《釬焊接頭強度試驗方法》，采用BAg45CuZn和BCu80Ag15P釬料電阻釬焊的6組試樣的拉伸結果見表3，所有的試樣均斷在距焊縫5~20m m的母材熱影響區內，抗拉強度均超過了220M P a，T2銅導電板條軟態的抗拉強度標準為≥195MPa，因此采用兩種釬料電阻釬焊的試樣拉伸斷裂位置和斷裂強度均滿足設計要求。圖4、圖5分別為11#、21#試樣拉伸斷裂后的照片，兩種釬料的焊縫在拉伸過程中均隨母材的變形而發生了變形，從宏觀上看，兩種焊縫都未出現撕裂、脫焊的情況，仍保持完好，焊縫覆蓋區域為30mm×30mm，計算焊縫的剪切強度均遠大于110MPa，依據表1中兩種釬料的熔化溫度區間，釬焊時加熱溫度均＞750℃，靠近焊縫的母材熱影響區的晶粒長大使強度降低是拉伸過程中試樣斷在母材熱影響區的原因。

圖4 BAg45CuZn釬料焊后拉伸情況

圖5 BCu80Ag15P釬料焊后拉伸情況

表3 不同釬料的焊接試樣的拉伸結果

4.2 焊縫金相檢測

BAg45CuZn和BCu80Ag15P釬料電阻釬焊的14#~16#、24#~26#六組試樣均沿圖6中三條黃線將試樣切開，檢測3個位置焊縫的金相，統計焊合率。焊合率的測試結果見表4，兩種釬料的焊合率沒有明顯的差別，處于同一水平，均超過了90%的要求。圖7、圖8分別為BAg45CuZn和BCu80Ag15P釬料釬焊良好的焊縫，兩種釬焊縫的組織差別較大，BAg45CuZn焊料釬焊縫由多個小晶粒組織構成，與母材的界線更明顯，而BCu80Ag15P釬料整條焊縫為一個晶粒，釬焊時不需要加入釬劑，釬焊縫內較干凈，與母材的熔合性更好。圖9、圖10為BAg45CuZn和BCu80Ag15P釬料釬焊有缺陷的焊縫，缺陷均出現在焊縫內，說明兩種釬料與母材的潤濕性都較好，通過金相分析，BAg45CuZn釬料的焊縫缺陷為釬劑在焊接過程中未及時排出而形成的，BCu80Ag15P釬料的焊縫缺陷為釬料凝固過程中Ag、P的偏析造成的，Ag、P含量小的區域凝固溫度高而首先凝固，焊料得不到有效的補充而在焊縫的中心形成了缺陷。

圖6 金相檢測的切開部位

表4 不同釬料的焊合率結果

T2銅排采用BAg45CuZn和BCu80Ag15P釬料電阻釬焊后拉伸均斷在母材熱影響區，抗拉強度沒有明顯的差別，均超過了T2銅母材軟態的最低強度要求；兩種焊縫的焊合率處于同一水平，均超過了技術要求的90%。因此，兩種釬料均能用于風電導電銅排的接頭釬焊，對比兩種釬料，BAg45CuZn

圖7 BAg45CuZn釬焊良好焊縫

圖8 BCu80Ag15P釬焊良好焊縫

圖9 BAg45CuZn釬焊有缺陷焊縫

圖10 BCu80Ag15P釬焊有缺陷焊縫

釬料在釬焊時需要涂覆釬劑以提高潤濕性，焊接時釬劑易揮發，對操作環境存在一定的影響；BCu80Ag15P釬料不需要涂覆釬劑，操作更簡單，BCu80Ag15P的銀含量為BAg45CuZn釬料的1/3，焊接成本更低。綜合考慮，采用BCu80Ag15P釬料進行風電導電銅排的接頭焊接更有優勢。

5 結束語

1）采用BAg45CuZn和BCu80Ag15P釬料以電阻釬焊的方式搭接焊接風電電動機導電銅排接頭均能滿足設計要求。

2）BAg45CuZn和BCu80Ag15P釬料電阻釬焊后的搭接接頭拉伸均斷在母材熱影響區，抗拉強度都高于220MPa。

3）釬焊縫的金相檢測結果顯示，兩種釬料的焊合率處于同一水平，均超過了技術要求的90%。

4）從對操作環境的影響、操作的方便程度和經濟性來考慮，采用BCu80Ag15P釬料進行風電導電銅排的接頭焊接更有優勢。