浸錫導線電阻焊后錫珠控制研究

摘要：為解決小型斷路器浸錫導線與線圈電阻焊接產生的錫珠噴濺不良率過高的問題，文中主要從輔助工裝、電極材質、以及焊接工藝參數3個方面進行研究。試驗研究結果表明，增加吹氣工裝、電極采用CuAl2O3、緩升時間為120ms、保持時間為200ms，錫珠噴濺不良率可以從53%降低至1%。

關鍵詞：浸錫導線；電阻焊；錫珠

中圖分類號：TG47

0前言小型斷路器是指裝于電路末端的開關電器，接于額定電壓不超過交流1000V或直流1500V電路中，能接通、承載以及分斷正常電路條件下的電流，并且能在所規定的非正常電路（例如短路或過載）下接通，承載一定時間和分斷電流的一種開關電器[1]。

其中熱磁脫扣器部件的浸錫導線和線圈采用電阻焊工藝進行連接，由于Sn的熔點231℃，Cu的熔點1083℃，兩者熔點差異較大，且電阻焊時間短，升溫快，容易產生大量的錫珠噴濺，殘留在部件各個位置，不良率高達53%，在產品內部存在接觸不良、推桿運動不順暢以及產品短路風險。

文中主要從輔助工裝、電極材質、以及焊接工藝參數3個方面進行研究，降低錫珠噴濺不良率。

1試驗材料、設備與方法

1.1試驗材料及焊件尺寸

線圈材料為漆包銅扁繞組線，其中線圈焊接位置已去除絕緣漆皮，實際焊接位置的材料為紫銅T2，焊接尺寸為長6mm，寬3.5mm，厚2mm；浸錫導線材料為鍍錫銅線，焊接位置去除PVC絕緣皮后再浸錫，實際焊接位置的材料為鍍錫銅線和紫銅T2，焊接尺寸為直徑3.5mm，長7mm，焊接工件如下圖1所示。常見的錫珠噴濺不良，如圖2所示。

1.2焊接方法

紫銅和浸錫材料的物理性質導致其焊接性差，所以試驗采用電阻焊工藝，焊接設備采用中頻直流逆變電源，電流輸出頻率1kHz，焊接工藝參數可多段設置，焊接設備的主要性能指標及模型如表3和圖3所示。浸錫導線與線圈的焊接結構采用搭接設計，搭接尺寸長4mm。電阻焊接采用線圈在上，浸錫導線與下電極接觸，通過上、下電極對線圈與導線加壓后通電焊接，如圖4所示。增加輔助工裝吹氣裝置和無吹氣裝置的試驗進行對比，比較錫珠噴濺不良率以確定輔助工裝的影響。通過使用不同電極材料Cu15W85電極、純Mo電極以及CuAl2O3電極確定不同電極材料對錫珠噴濺的影響。通過改變工藝參數確定不同焊接參數對不良率的影響大小和規律。

2試驗結果與分析

2.1輔助工裝優化

浸錫導線與線圈焊接后錫珠無規則噴濺，且錫珠較小，重量輕，因此在焊接位置處增加吹氣工裝，在焊接的過程，同時啟動吹氣，減少錫珠噴濺至焊接部件上，如圖5所示。無吹氣與有吹氣各1000組對比試驗，針對有無吹氣工裝，統計錫珠噴濺不良率，通過雙比率檢驗計算得出結論。雙比率檢驗是一種常用的統計分析方法，它是通過對兩個比率的比較，來檢驗兩個樣本之間是否存在顯著性差異。雙比率檢驗的原理是基于假設檢驗，它假設兩個樣本之間的比率是相等，然后通過計算兩個樣本的比率，以及它們的標準誤差，來判斷兩者之間是否存在顯著性差異。常用于確認兩總體比率是否有差異；對比改善前后的水平，確認改善效果；對比不同工藝方法和不同設備間的差異。因此選擇采用雙比率檢驗來確定吹氣工裝對錫珠噴濺不良率的改善效果。通過雙比率檢驗如表4所示，可以發現增加吹氣工裝，影響顯著，錫珠不良率由50%降至35.2%。通過表4結果可以看出，吹氣工裝通過將產生的錫珠吹離焊接部件的方法可以明顯降低錫珠不良率。

2.2電極材質優化

根據材料的物理性能，為控制焊接過程熱平衡，試驗電極設計與浸錫導線接觸的電極應采用電導率高，散熱快的電極，與線圈接觸的電極應采用電導率低，散熱慢的電極。電阻焊的電極工作條件比較惡劣，需要在高溫高壓下不斷與工件進行接觸，這要求電極具備較高的高溫強度和硬度、抗氧化性，以及不容易與被焊物形成合金。與線圈接觸的上電極選用Cu15W85電極。與浸錫導線接觸的下電極決定選用的Cu15W85電極、純Mo電極以及CuAl2O3電極進行卡方檢驗驗證，3種電極材質特性如表5所示，型號如圖6所示[3]。

針對不同電極材質，統計錫珠噴濺不良率，通過卡方檢驗計算得出結論?？ǚ綑z驗是一種用途很廣的分析計數型數據差異性的假設檢驗方法，主要是比較兩個或兩個以上樣本比率統一性檢驗，以及兩個分類變量的關聯性分析。它的基本原理是比較實際觀測值和理論預期值之間的差異，從而判斷兩個變量之間是否存在顯著性關聯。主要應用于檢驗兩個或兩個以上總體的某一特性分布，也就是用來判斷各“總體”的比例是否有差異。因此選擇采用卡方檢驗法來確定不同電極材質對錫珠噴濺不良率的改善效果。3種電極各進行100組樣品焊接對比，統計錫珠不良數，結果如表6所示。根據相關性的卡方檢驗如表7顯示，P值=0.020＜0.05，拒絕原假設，結果表明電極材質對錫珠不良影響顯著；根據不合格品對卡方的貢獻看，純Mo電極和Cu15W85電極的影響較大，CuAl2O3電極不良率較小。因此采用CuAl2O3電極，錫珠不良率最低。經分析，CuAl2O3電極產熱慢，散熱快，可降低錫的受熱速度，同時增加錫的散熱，降低錫珠噴濺的產生。

2.3焊接工藝參數優化

2.3.1影響顯著因子的確認

根據焦耳發熱公式Q=I2Rt可知，對焊接熱輸入起決定性因素的主要是焊接電流、焊接時間及焊接壓力3個工藝參數。結合緩升時間及保持時間對錫珠噴濺的影響，選擇通過DOE（DesignofExperiments）試驗得出結論。DOE是一種應用在科學研究和工業中的有效工具。它通過在試驗中系統地變化因素的水平和組合來研究其對響應變量的影響。DOE的主要目標是最小化試驗次數、最大化信息獲取、減少因素的交互等，從而得到對于系統的全面信息。因此采用DOE試驗確定各參數對焊接質量的影響程度。

DOE試驗采用12部分實施試驗設計，以焊接電流、焊接時間、緩升時間、保持時間為因子，錫珠不良率為響應。試驗設計的因子水平，如表8所示：按照試驗類型和因子水平，列出試驗計劃表，每組驗證100件，并將試驗數據記入表中，試驗設計如表9所示，從方差分析P值和標準化效應Pareto圖得出結論，如表10和圖7所示。結果表明緩升時間和保持時間對錫珠不良影響顯著。緩升時間的作用是控制焊接熱輸入不宜過于集中，使得錫避免快速受熱達到熔點造成大量錫珠噴濺；保持時間的作用是焊后需設置一定的保持時間，使焊點在電極壓力下充分冷卻凝固至具有足夠的強度。

3.3.2顯著因子最優參數的確認

根據試驗分析，緩升時間和保持時間對錫珠不良影響顯著。采用DOE試驗確定緩升時間及保持時間的最優參數。DOE試驗采用全因子試驗設計，以緩升時間、保持時間為因子，錫珠不良率為響應。試驗設計如設定的因子水平如表11所示。

其中因子水平以前期初步摸索的焊接參數為參考，焊接電流和焊接時間影響不顯著，焊接參數為焊接電流6.5kA，焊接時間120ms；因焊接時間120ms，且緩升時間≤焊接時間，因此緩升時間設置范圍：20～120ms；保持時間過長影響效率，因此保持時間設置范圍：40～200ms。按照試驗類型和因子水平，列出試驗計劃表，每組驗證1000件，并將試驗數據記入表中，如表12所示。對試驗數據進行方差分析，如表13和圖8所示，結果表明，（1）模型P值=0.000＜0.05，拒絕原假設，模型有意義；（2）彎曲P值=0.544＞0.05，無彎曲現象；（3）R-sq=99.67%和R-sq（調整）=99.45%，且兩者差異小，回歸擬合效果好；（4）緩升時間影響最顯著，其次是保持時間，最后是緩升時間和保持時間的交互作用；（5）回歸方程：錫珠不良率=0.29483-0.002035緩升時間-0.000386保持時間+0.000002緩升時間*保持時間-0.00275。

利用建立的模型對焊接參數進行優化，模擬出最優的因子水平。響應優化的設定如表14所示，錫珠噴濺的不良率的目標為望小型。

通過DOE分析如圖9所示，由響應優化圖知最優焊接參數設置為緩升時間為120ms，保持時間為200ms。

通過DOE試驗分析，結果表明隨著緩升時間和保持時間的增加，錫珠噴濺不良率逐漸降低；控制錫珠噴濺不良率的最優焊接的工藝參數為焊接電流6.5kA，焊接時間120ms，焊接壓力0.2MPa，緩升時間120ms，保持時間200ms，錫珠不良率降至1%。

4結論

1）通過對焊接工藝，電極材質和輔助工裝的調整優化?？梢詼p少小型斷路器浸錫導線與線圈電阻焊接過程中容易產生的錫珠噴濺缺陷，不良率從53%降低至1%。

2）在小型斷路器浸錫導線與線圈電阻焊接中，通過優化輔助裝置，在適當位置增加吹氣工裝，可有效地降低錫珠噴濺不良率；

3）電阻焊接時電極材質對錫珠噴濺不良率影響顯著，與浸錫導線接觸的電極采用CuAl2O3電極時，錫珠噴濺不良率較少；純Mo電極與Cu15W85電極的不良率較高，

4）緩升時間和保持時間對錫珠噴濺不良率的影響顯著，焊接時間和焊接電流相對影響較小。隨著緩升時間和保持時間的增加，錫珠噴濺不良率越低；考慮效率后控制錫珠噴濺不良率的最優焊接的工藝參數為焊接電流6.5kA，焊接時間120ms，焊接壓力0.2MPa，緩升時間120ms，保持時間200ms。

參考文獻

［1］連理枝.低壓斷路器設計與制造［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［3］郭瑞鵬，馮毅.電阻焊電極材料的研究發展［J］.甘肅：機械研究與應用，2015.

收稿日期：2023-12-26

董欣勇簡介：1987年出生，碩士，工程師；主要研究方向為低壓電器焊接工藝。