工件碱性镀锡后焊接性差的原因分析

李飞*，张国范，杨亚波，李惠丰，李弘凌

（淮海工业集团有限公司，山西 长治 046012）

导弹、子弹及引信产品电路部件中，接电片/柱、铆钉、接线柱等小零件镀锡非常常见，这些镀锡零件除应具备良好的导电性外，还应有优异的焊接性。但近几年，笔者所在单位多次得到客户反馈，镀锡零件存在不挂锡、焊接性较差的现象。经统计，承担的镀锡零件有200 余种，曾出现焊接性差的零件有10 种，占5%，问题相当严重。因此立即开展了工件碱性镀锡后焊接性差的原因分析。

1 工艺流程

镀前处理─镀铜(CuCN 15～35 g/L，NaCN 20～45 g/L)─水洗2 道─活化(HCl 60～100 g/L)─水洗2道─碱性镀锡(Na2SnO3·3H2O 20～30 g/L，NaOH 10～16 g/L)─热水洗(60～100°C)─冷水洗─硫酸中和(H2SO440～60 g/L)─纯水洗2道─吹干、烘干─包装。

钢件镀锡按上述流程进行，铜及铜合金零件镀锡不需进行镀铜和活化。

2 原因分析

从人、机、料、法、环、测六方面对焊接性问题进行详细分析。

(1)人员方面。操作过程中，操作人员没有严格按照工艺要求执行，可能会影响镀锡层焊接性，主要表现为操作人员为省时、省力，碱性镀锡完毕后，不进行硫酸中和工序，使零件表面残留镀液，造成镀锡层污染，影响镀锡层焊接性。

(2)材料方面。所用化工材料纯度不高时，杂质与锡共沉积，造成镀锡层杂质含量过高，也会影响镀锡层的焊接性。

(3)工艺方面。对统计的10 种问题零件进行整理后，发现焊接性差的零件材料均为H62(Cu 60.5%～63.5%，Zn 余量)和HPb59-1(Cu 60.5%～63.5%，Pb 0.8%～1.9%，Zn 余量)，其他材料(包括紫铜和钢)的零件没有焊接性差的现象。从工艺流程看，铜与铜合金零件的工艺流程完全相同，前处理后直接镀锡，而钢件镀锡前需镀厚度为2 μm 以上的紫铜，并且镀锡层厚度因零件不同而各异，因此当零件材料为H62 和HPb59-1 时，中间层和镀锡层厚度均可能影响镀锡层的焊接性。

(4)环境方面。零件电镀完毕并非马上进行装配，因此贮存环境和时间也可能使焊接性降低。

(5)设备和测量方面。生产过程中用到的设备、仪器仪表均鉴定合格，在有效期内，对焊接性不会造成影响，焊接性与测量之间的关系也不大。

因此，焊接性的影响因素主要有：中间镀层，镀锡层厚度，中和，化工材料品质，以及贮存环境和时间。针对上述5 种原因，通过实验使问题再现，以准确寻找原因。

3 实验过程

3.1 实验内容

根据原因分析，将实验内容确定为六方面：中间镀层、镀锡层厚度、中和、化工材料品质、长贮性及最后的焊接性验证。选用H62 为研究对象。

3.1.1 考察有无中间镀层的影响

从原因分析里不难看出，铜和钢件镀锡后，锡层与紫铜直接接触，而铜合金零件镀锡后，锡镀层直接与铜合金接触。因此，针对铜合金零件材料，在镀锡前增加铜镀层，并与实际生产过程中无中间镀层时的情况进行对比，考察中间镀层对焊接性的影响。

3.1.2 考察镀锡层厚度的影响

根据图纸和标准要求，镀锡零件的锡层厚度一般控制在2～5 μm 范围内，试验时选取镀层厚度的上限和下限进行对比，考察镀锡层厚度对焊接性的影响。

3.1.3 考察中和的影响

在其他参数和方法均相同的情况下，将零件分成2 组，一组严格按照工艺流程进行中和工序，另一组特意省去中和工序，两者进行对比，考察中和工序对焊接性的影响。

3.1.4 考察化工材料品质的影响

工艺中用到的化工材料主要有锡酸钠、氢氧化钠及阳极锡锭，均有原厂合格证，并经过入厂验收，符合电镀级使用标准；但阳极锡锭必须进行二次加工，浇铸成锡条后不再理化分析，直接投入生产。因此，对生产使用的两批锡条进行取样分析。

3.1.5 考察贮存时间的影响

主要考察不同工艺状态下，贮存时间对焊接性的影响。

3.1.6 焊接性验证

通过分析，找出影响镀锡层焊接性的因素，再在不同条件下制成实物，最后通过问题再现方式，验证理论分析结果的正确性，得出影响因素中的主要因素、次要因素及无关因素。

3.2 实验方法

3.2.1 方案设计

考虑到各因素之间的关联性，将分析出的4 种影响因素设计成16 种试验方案(化工材料品质除外)，具体见图1。

图1 工件镀锡后焊接性差的原因分析试验方案Figure 1 Experiment scheme for cause analysis on poor weldability of tin-plated workpiece

3.2.2 方案编码

为消除主观因素干扰，在焊接性验证实验之前，先对16 种方案进行编码，具体见表1。

表1 镀锡工件焊接实验方案编码Table 1 Coding of welding experiment schemes for tin-plated workpiece

3.2.3 焊接性验证

实验1：聘请高级焊工进行手工导线焊接性试验，见图2。

实验2：按照GB/T 16745–1997《金属覆盖层产品钎焊性的标准试验方法》进行焊接性试验，装置见图3。

图2 手工焊接导线试件Figure 2 Manually welded wire samples

3.3 数据分析

理化分析结果表明，锡锭经二次加工后所得锡条的锡含量分别为95%和98%，远低于GB/T 2056–2005《电镀用铜、锌、镉、镍、锡阳极板》的要求(Sn2 中锡含量不低于99.8%，Sn3 中锡含量不低于99.5%)。因此，现场使用的两批锡条不符合标准要求，电镀锡层中夹杂了较多异金属杂质。

图3 钎焊性试验装置Figure 3 Apparatus for solderability test

将2 种不同的焊接试验结果进行汇总、分析，并评选出优、差。95%以上试验面的焊料覆盖层附着牢固、光亮、平滑、均匀为优，反之为差。具体结果见表2。

表2 焊接实验结果Table 2 Results of welding experiment

对表2 的实验情况进行统计、整理、分析，见表3、和图4(图中的优、差是2 组不同焊接性实验结果之和)。

表3 焊接实验结果统计Table 3 Statistics of welding experiment results

图4 不同因素对锡层焊接性的影响Table 4 Effects of different factors on weldability of tin coating

4 结语

(1)锡条阳极不符合标准要求是导致焊接性差的原因之一。应购买符合标准的阳极锡条并直接使用，尽量不要二次加工。若必须进行二次加工，则一定要将熔锡炉和模具清洗干净。

(2)对基体材料为H62、HPb59-1 等黄铜类零件而言，中间镀层是影响其焊接性能的主要因素。电镀锡之前，应镀2.5 μm 厚以上的紫铜为底层。

(3)镀锡层厚度为5 μm时的焊接性明显优于厚度为2 μm 的锡镀层，镀锡后有焊接要求的零件，镀锡层厚度在5 μm 以上较好。因此，锡镀层厚度也是影响焊接性的主要因素。

(4)中和与否对焊接性的影响较小，可以认为中和是影响焊接性的次要因素。

(5)贮存时间在3 个月内，对焊接性的影响不明显。因此贮存时间是影响焊接性的次要因素。