插座铜合金凸焊工艺及结构研究.pdf

技术创新/日用电器插座铜合金凸焊工艺及结构研究Research on Copper Alloy Projection Welding Process and Structure of Socket-Outlet章卫军罗特苗（公牛集团股份有限公司张希伟慈溪315314)罗斌彬柴奇凯骆施安摘要：移动式插座模块化插套与连接铜条之间的电气连接一般通过锡焊工艺实现，存在虚焊、假焊、焊锡渣飞溅等问题，且焊点高温易熔，给插座使用带来安全隐患，同时焊锡的使用造成插座成本增加。通过研究无锡化的电阻焊工艺，分析插座内部结构空间布局，选取了水平夹焊的凸焊工艺，调整了插座连接铜条空间布局，设计了插套凸点结构。试验表明，凸焊插座的安全性高于锡焊插座。关键词：插座；插套；连接铜条；凸焊Abstract:The electrical connection between the modular socket and the connecting copper strip of protable socket-outlet is generally realized with the tin soldering process,which may cause problems such as virtual welding,falsewelding,solder slag spattering and so on.The tin solder joint is fusible at high temperature,which brings safety risks tousing the socket-outlet.The tin soldering wire increases the socket-outlet cost.Through studying the resistance weldingtechnology of none-tin and analyzing the spatial layout of the socket-outlet internal structure,the projection weldingprocess of horizontal clamp welding is selected,the spatial layout of the socket-outlet connecting copper strip is adjustedand the projection point structure of the socket is designed.Tests show that the safety of projection welded socket-outletis higher than that of tin soldered socket-outlet.Key words:socket-outlet;socket;connection copper strip;projection welding引言移动式插座中采用模块化设计的插套与连接铜条之间的电气连接传统上采用的是锡焊工艺。锡焊属于钎焊，插套和连接铜条不熔化，仅焊锡熔化，焊点处易出现虚焊、假焊凹等缺陷，造成电阻增大，电流通过时，发热量较大。而焊锡熔点低，焊点在异常发热时可能熔化流失，会降低电连接的可靠性。且生产过程，焊锡渣飞溅，影响插座爬电距离和电气间隙，危及用电安全，产生的烟尘危害工人健康，大量消耗的焊锡丝，也增加了插座生产成本。电阻焊工艺不需要添加任何助焊剂，即可实现铜合金之间的焊接，形成的焊点强度高、接触电阻小，且生产效率高，环保无公害。因此，可根据移动式插座内部结构空间布局，研究选取一种适用于插座插套和连接铜条之间熔接的电阻焊工艺，并相应对移动式插座内部结构空间重新布局，对焊点结构进行优化设计，以此提高插座的通电安全性。1插座锡焊结构及工艺插套和连接铜条通过锡焊工艺实现电气连接的移动2023年9 月/Sep.2023131技术创新/Technology and Innovation式插座采用的是模块化设计，插套和连接铜条亦采用模块化形式。1.1锡焊插座结构布局如图1（a）所示，插套为模块化设计，每个插套上设计有“插脚”，插套装人独立的小座子后形成单个小座子组件。小座子组件装配完成后，插套插脚伸出小座子，作为插套的电气输人口。插座的载流公共通路一一连接铜条如图1（b）所示，其上开有与插套插脚配合使用的开孔。每个小座子组件作为一个独立的插座单元装入插座上盖中，连接铜条平放于小座子组件上，确保每个插套插脚插入对应极的连接铜条的对应开孔中，为锡焊做准备，如图2（a）所示。1.2插座锡焊工艺首先将插套插脚折弯，压接于连接铜条之上，然后采用锡焊工艺，依靠锡焊点增加插套插脚与连接铜条之间的连接强度，焊后实例如图2（b）所示。锡焊插座内部易残留四溅的锡渣，降低了爬电距离和电气间隙，存在安全隐患；锡焊点在高温时可能熔化流失，电气连接可靠性降低；大量的锡焊点需消耗大量的焊锡丝，产品成本增加；锡焊过程产生的烟尘可能导致员工患上呼吸道疾病。针对上述问题，考虑采用凸焊工艺取代锡焊工艺。凸焊比较适合两焊接件厚度不一致或者导电、散热性能存在差异导致温度分布不均的情况，凸点一般设置在导电、散热较好的焊接件上。影响凸焊焊点质量的主要因素有焊接电流、焊接压力和焊接时间等焊接参数以及凸点的形状和尺寸，此外电极材料和焊接件材料的匹配度也有很大影响。2.2插座选择凸焊工艺的合理性插座的插套和连接铜条均采用导电率较高、散热较插脚U形缺口插套小座子（a）插套及小座子组件图1插座内部关键部件小座子组件连接铜条上盖(a）内部结构插脚开孔（b）连接铜件2插座凸焊工艺2.1凸焊工艺原理凸焊是电阻焊的一种形式，此外电阻焊还有点焊、缝焊和对焊等三种形式，如图3（a）所示。可以看出，凸焊是点焊的一种变型。凸焊工艺原理如图3（b）所示，该工艺是在一个焊接件的接合面上预先加工出一个或多个突起点，使其与另一焊接件表面相接触，电极加压通电时，靠凸点接触来提高单位面积上的压力与电流密度，接触区域集中发热，凸点随之熔化并被压溃形成熔核，冷却后形成焊点，除电力外整个过程无其他消耗。（b）焊锡后状态图2 锡焊的移动式插座currentFlow点焊缝焊对焊凸焊（a）电阻焊形式图3 电阻焊形式及原理加压业电板焊接件1焊接件2电视不加压（b）凸焊工艺原理图132日用电器/ElectricalAppliances技术创新/日用电器电极快的铜合金，两者之间的焊接如果采用点焊、缝焊、对焊，则需要较大的焊接电流才能形成可靠的焊点，而采用凸焊则可以依靠凸点接触来增大焊接电流密度，达到小电流实现高焊接质量的目的。此外，插座的插套和连接铜条大部分存在材质和厚度的差异。作为插座载流公共通路的连接铜条一般采用黄铜，而需要提供夹持力和载流通路的插套既可能采用更厚的黄铜也可能采用厚度不变而弹性模量及导电率较高的新型磷青铜，因此两者之间的导电性和散热性往往存在差异。采用凸焊工艺时，可在导电性好、散热快的插套上设置凸点，正好能解决两者焊接时接触区域温度分布不均的问题，有利于保证焊点质量。2.3插座凸焊方式的选择按照电极在空间上的布局，凸焊主要采用垂直夹焊和水平夹焊两种方式，如图4 所示。在垂直方向上，插座布局有如图3 所示的上盖、小座子等零件，如果插座的插套和连接铜条之间的凸焊工艺采用垂直夹焊，则电极受空间限制无法布局、无法上下动作来实现夹焊。因此，插座的插套和连接铜条之间采用水平夹焊的凸焊方式。口。在插套的插脚上设计了三种凸点结构方案，即球状凸点、横筋凸点和竖筋凸点，如图6 所示。4凸焊插座测试分析对三种凸点结构型式的焊点金相组织进行对比，分析出合理的凸点结构；对凸焊插座和锡焊插座的焊点剪切力、温升和熔断能力进行对比，分析判断两者可靠性和安全性的高低。电极电极(a）水平夹焊图4 凸焊方式电极(b）垂直夹焊3凸焊插座结构设计为便于水平夹焊的实施，应对插座连接铜条的放置方式进行调整。并且，根据凸焊工艺特点，为获得高质量的焊点，需对插套上的凸点结构进行研究。3.1连接铜条的布局采用锡焊工艺的插座，插套插脚中开有U形缺口（见图1（a），便于将插套插脚折弯并压接于连接铜条上，连接铜条采用水平放置的方式，便于锡焊操作，如图2（a）所示。采用水平夹焊的凸焊工艺时，为保证焊接面积，连接铜条取消了开孔结构，并且为便于水平动作的电极夹紧插套和连接铜条，将连接铜条立放，靠小座子竖筋使其与插套凸点紧贴在一起，如图5所示。3.2插套的凸点结构设计为便于在插套插脚上布置凸点，插套取消了U形缺图5连接铜条立放的插座布局球状凸点竖筋凸点横筋凸点图6 插套的三种凸点结构2023年9 月/Sep.2023133技术创新/Technology and Innovation4.1焊点金相组织分析某款凸焊插座三种凸点结构型式对应的L极焊点金相组织见如图7。其中，连接铜条为黄铜，插套为某新型磷青铜。从金相组织可以看出，无论哪种型式的凸点结构，在焊接过程中，熔点较高的磷青铜基本没有被熔化，而熔点较低的黄铜受热熔化并与磷青铜融合在一起。在电极压力作用下，插套凸点几乎是原貌不变地嵌人到连接铜条内。另外，竖筋凸点和横筋凸点对应的熔核比球状凸点对应的熔核大，可以推断，竖筋凸点和横筋凸点对应的焊点机械强度要高于球状凸点。横筋凸点对应的焊点质量的稳定性和一致性要好于竖筋凸点。这一方面是由于零部件尺寸和装配误差的存在，可能出现插套竖筋凸点的上端或下端超出连接铜条的情况，另一方面由于机台震动的原因，可能引起连接铜条和插套在垂直方向上被电极夹持的位置发生波动，两者均可能造成竖筋凸点未完全进入电极夹持区域的情况，也就是说每次被电极夹持的待焊区域的状态均可能存在较大差异，从而形成焊接不稳定因素，可能引发炸焊和飞溅，最终影响焊点质量和电极寿命。而横筋凸点在垂直方向上的形状尺寸变化不大，仅位置在垂直方向上因加工误差、装配误差和机台震动等因素发生一定变化，但很难超出连接铜条范围，也不会超出电极夹持区域，电极夹持相对稳定，焊点质量也可保证。综上分析，为获得良好的、稳定的焊点质量，凸焊插座的插套优选采用横筋凸点结构。4.2焊点抗剪力分析采用横筋凸点的凸焊插座和同款锡焊插座焊点抗剪力数据对比见图8。显然，凸焊插座的焊点抗剪力要远大于锡焊插座的焊点抗剪力。因此，凸焊插座的焊点抗机械外力破坏的能力要远高于锡焊插座。4.3温升测试采用横筋凸点的凸焊插座和同款锡焊插座按GB/T2099.1测试正常操作50 0 0 次前后的温升数据见图9。可以看出，正常操作前凸焊插座温升比锡焊插座平均低2.3 K，正常操作后凸焊插座温升比锡焊插座平均低10.5K，说明凸焊插座随着插拔次数的曾加，温升降低优势越发明显。4.4抗熔断测试将同款凸焊插座和锡焊插座进行抗熔断测试，测试电流为10 2 A，锡焊插座平均熔断时间为14 s，连接铜条熔断，焊点焊锡大量流失，如图10（a）所示；凸焊插座平均熔断时间为2 1s，连接铜条熔断，但焊点完好，图10（b）所示。由此可以看出，凸焊插座的载流能力要高于锡焊插座，其通电安全性更高。磷青铜黄铜熔核球状凸点磷青铜黄铜熔核竖筋凸点磷青铜黄铜熔核横筋凸点图7 三种凸点结构型式对应的焊点金相组织图焊点剪切力对比400350300250200150100500锡焊插座口凸焊插座L极焊点剪切力148312图8 焊点抗剪力对比N极焊点剪切力152365E极焊点剪切力149283134日用电器/ElectricalAppliances技术创新/日用电器L-N极测试正常操作前温升（测试电流：14 A)40?353025L服焊点温升N极焊点湿升L极端子温升N极端子温升锅焊插座33.5凸焊插座33.1L-N极测试正常探作后温升（测试电流：10 A）302520151050L极焊点温升N极焊点温升L极端子温升N极端子温升锡焊插座25.8凸焊插座15.3L-E极测试正常探作前温升（测试电流：14 A)403530极焊点温升E极焊点温升L极竭子温升E极端子温升34.93630.932.125.226.915.814.7图9采用横筋凸点的凸焊插座和锡焊插座温升测试数据37.433.32714.8一锅焊插座凸焊插座L-E极测试正常操作后温升（测试电流：10 A)302520151050L极焊点温升E极焊点温升L极端子温升E极端子温升馄焊插座25.2凸焊插崖16.135.933.336.134.624.715.636.235.426.915.3373625.415.9（a）抗熔断测试后的锡焊插座5结论插座插套和连接铜条之间的电气连接采用凸焊工艺取代锡焊工艺后，解决了焊锡存在的假焊、虚焊、电阻增加、电连接可靠性低等诸多不良问题，同时，不需要再消耗焊锡丝，生产过程环保无烟尘，插座成本降低。并且，插座的焊点抗剪力提高、温升降低、抗熔断能力提升，插座的可靠性和安全性提升，带来良好的经济效益和社会效益，电阻焊工艺取代焊锡工艺将成为必然趋势。（b）抗熔断测试后的凸焊插座图10 抗熔断测试后的插座参考文献：1伍田平，浅谈锡焊技术的提高J.科学咨询，2 0 12(12 .2植中扬.凸焊技术的应用及凸点设计标准J.科技展望，2 0 17(21).3】公牛集团股份有限公司：插座：2 0 2 12 18 0 9 6 4 1.3 P.2022-02-08.作者简介：章卫军（19 6 7-），男，本科，焊接工艺及设备专业，高级工程师，主要从事开关插座技术研究工作。2023年9 月/Sep.2023135