钎焊材料对AgSnO2触头焊接质量影响的研究

秦 琳，陈柏安，张 登，蒋德志，卢 菲

（桂林金格电工电子材料科技有限公司，广西桂林 541004）

引言

在工业、农业、交通、国防以及日常用电部门中，目前大多数采用低压供电，作为维持低压供电系统正常运作及可靠性的低压电器，在整个供电、用电系统中起着极为重要的作用，而触头组件又是低压电器的关键部件，负担着接通、分断、导流和隔离电流的任务，其性能决定整个电器的通断容量、使用寿命及运行的可靠性[1]。

触头组件由触头和触桥焊接或铆接而成，对于焊接组件加工，为了实现触头和触桥的有效连接，提高焊接质量，大多数焊接组件的钎焊加工都需要添加钎焊材料。因此，钎焊质量的好坏对电器操作的可靠性和触头的通断能力、抗电弧烧损及使用寿命等性能起到决定作用[2]。在AgSnO2触头组件焊接中，使用不同类型钎焊材料（焊膏及焊料片）进行感应焊接，分析焊接后触头组件的钎着率、金相及剪切力，研究钎焊材料对钎焊质量的影响情况。

1 试验

1.1 试验方法

选取的钎焊材料主要信息如表1所示；选取尺寸为10 mm×2 mm的AgSnO2片状触头；选取长宽厚尺寸为20 mm×10 mm×3 mm、材料为H65的触桥，采用感应焊接方式，并使用红外测温控制焊接温度进行焊接；根据钎焊材料固液相温度并结合红外测温的特点，焊接温度分别选取750℃、830℃。检测焊接后组件的钎着率、金相及剪切力，确认焊接质量。

表1 钎焊材料信息

1.2 性能检测

采用超声波无损探伤仪测量焊接组件钎着率[3]；采用金相制样并使用金相显微镜观察焊接组件焊接缝隙；采用拉力试验机检测焊接组件焊接强度。目前，采用超声波无损探伤仪检测时，通常规定焊接钎着率达80%以上，视为满足焊接质量要求。金相检验作为一种破坏性检验手段，能观察裂纹、未焊透、气孔和夹杂等几乎所有内部缺陷情况，但只能对剖面情况进行分析，对焊接质量的判断采用的是以线代面的方式，给以参考性信息。剪切力检验同为破坏性检验手段，用以鉴定焊接组件的强度、塑性和韧性等是否满足相应的力学性能指标要求，能通过剪切力定量得到焊接强度数据，通过观察剪切断面得到焊接内部缺陷情况，但受限于触头材料本身强度、焊接质量稳定性、剪切位置、焊料溢出堆积料及剪切工装等因素，同样仅能提供参考性信息。因此，对组件焊接质量分析需要三种方式结合进行。

2 试验结果与分析

2.1 AgSnO2焊接组件钎着率结果及分析

表2为750℃不同钎焊材料焊接后组件钎着率典型图及数据。对比1号、2号、3号焊膏焊接的样品，采用主成分为Ag、Cu、Zn的1号、2号焊膏焊接样品平均钎着率达到80%以上；采用主成分为Ag、Cu、P的3号焊膏焊接样品钎着率极低，平均值仅为9.31%，说明在此温度下主成分为Ag、Cu、Zn的焊膏焊接的钎着率明显高于主成分为Ag、Cu、P的焊膏焊接的钎着率。对比两种成分的焊膏性能，由于Ag、Cu、Zn成分的焊膏可形成三元共晶合金，具有良好的可焊性，而银含量增加，焊料的熔化温度降低，焊料铺展率提高，润湿时间逐渐缩短[4]，且其液相线相对Ag、Cu、P成分的焊膏略低，因此，在相同温度情况下，Ag、Cu、Zn成分的焊膏焊接时的流动性更好，能更好地达到焊接效果，钎着率更高。

表2 750℃不同钎焊材料焊接组件钎着率典型图片及数据

对比2号焊膏焊接与4号焊料片焊接的样品，在主成分皆为Ag、Cu、Zn时，2号焊膏焊接的样品平均钎着率为82.41%，而4号样品平均钎着率只有13.38%，说明主成分为Ag、Cu、Zn时，焊膏焊接组件钎着率优于焊料片焊接组件钎着率。焊料片在焊接时，需要辅助添加助焊剂，而助焊剂通常会配置成悬浊液，焊料片通过粘取或浸泡在助焊剂中，再取出使用，因此焊料片粘取助焊剂的多少、焊接过程中焊接件的固定方式、大量水分受热蒸发时产生的焊件抖动等，都会对焊接质量造成影响，且焊料片流动性低于由粉体制备的焊膏，这就造成了焊膏焊接钎着率优于焊料片焊接钎着率的原因。

3号、5号样品由于固液相线较高，在750℃焊接温度下，焊料未达到完全熔化的状态，这是其焊接的组件钎着率低于主成分为Ag、Cu、Zn焊料焊接的组件钎着率的主要原因。

2.2 AgSnO2焊接组件金相结果及分析

图1为焊接温度750℃时焊接组件典型金相结果。通过图1可见，使用1号、2号钎焊材料焊接的组件焊接面只有少量独立的焊接小气孔；使用3号、4号钎焊材料焊接的组件焊接面存在明显的连续焊接气孔，焊接面闭合不良；使用5号钎焊材料的焊接组件焊接面左右两端有连续的焊接小气孔，但中间部位闭合良好。金相结果与钎着率结果相符，且1号、2号、5号钎焊材料焊接的组件均满足常规质量要求，但5号焊接组件结合面仍可见明显的钎焊材料层，显示钎焊材料熔化不充分。

图1 750℃焊接后组件典型金相

2.3 AgSnO2焊接组件剪切力结果及分析

在焊接温度为750℃，5种钎焊材料焊接组件剪切力测试典型结果如表3。1号、2号、3号、4号钎焊材料焊接的组件剪切力数据及剪切后典型金相表明，剪切力结果与钎着率、金相结果相符；1号、2号钎焊材料焊接的组件剪切力数据均为9 500 N以上；3号、4号钎焊材料焊接的组件剪切力数据极低，可以判断其为虚焊状态。5号钎焊材料焊接的组件剪切力值略高，但仍远低于1号及2号焊接组件，结合金相图片可以确认，焊料片未完全熔化，未能在焊接结合面形成合金组织，触头及触桥仅粘合在一起，同样处于虚焊状态，这也说明，钎着率检测的局限性，难以准确发现此类粘合在一起但无焊接强度的焊接质量缺陷。

表3 750℃不同钎焊材料焊接组件剪切力测试典型结果

综合焊接组件钎着率、金相及剪切力结果，在焊接温度为750℃时，使用高银含量的1号钎焊材料焊接的组件，其焊接质量最优；且主成分元素为Ag、Cu、Zn的焊膏焊接质量优于其它类型钎焊材料。

2.4 830℃焊接试验及结果分析

考虑到钎焊材料固液相线温度，结合750℃条件下焊接质量情况，将焊接温度提高至830℃，验证各钎焊材料焊接的组件焊接质量情况。表4为各组件平均钎着率及剪切力数据，图2为焊接后典型金相图。

图2 830℃焊接后组件典型金相

表4 830℃不同钎焊材料焊接组件平均钎着率及平均剪切力数据

钎着率结果表明，焊接温度提高后，1号、2号、3号钎焊材料焊接的组件钎着率均达到90%以上，且明显高于4#、5#样品；金相结果表明焊接面闭合良好，仅3号有少量独立小气孔，但4号、5号金相焊接面仍有可见的钎焊材料层；相对于750℃条件下焊接组件剪切力数据，830℃条件下焊接组件的剪切力值皆有所提升，1号、2号、3号钎焊材料焊接的组件剪切力均达到10 000 N以上。

随着焊接温度的提高，完全熔化的液态钎焊材料表面张力及其与母材的界面张力都呈线性下降，使液态钎焊材料的流动性、润湿性显著增强，加快了液态钎焊材料在缝隙中的铺展过程[5]，因此，适当提高焊接温度有助于焊膏焊接组件金相的改善及钎着率、剪切力的提高。

图3及图4分别为两种温度条件下平均钎着率及平均剪切力的数据，结果表明，提高焊接温度后，各焊接组件焊接质量相对提升，但焊料片焊接质量与焊膏焊接质量相差较远，原因是由于助焊剂的均匀性、片状焊料熔化速度相对较慢以及焊料流动性不良等因素的存在，使得在此温度下，焊料片仍未能完全熔化成为液态；而钎焊时需要钎焊材料完全熔化，在触头和触桥的间隙或者表面润湿，增强毛细流动，填充间隙，并与触桥相互作用，冷却凝固后形成牢固的合金层[6]，故在此温度下焊料片焊接质量仍不满足要求。

图3 两种温度条件下平均钎着率折线图

图4 两种温度条件下平均剪切力折线图

3 结论

（1）大规格AgSnO2触头组件焊接中，钎焊材料主成分元素为Ag、Cu、Zn的焊膏焊接后钎着率、金相及剪切力均优于主成分元素为Ag、Cu、Zn的焊料片及主成分元素为Ag、Cu、P的钎焊材料。

（2）使用钎焊材料主成分元素为Ag、Cu、Zn的焊膏焊接，可以在较低的温度获得较好的焊接质量。

（3）适当提高焊接温度，通过改善液态钎焊材料的流动性可提高焊膏焊接效果，并可提高焊料片焊接效果。