焊接材料的设计与作用机理——低压电器焊接组件的纽带

随着工业技术的发展，电器的安全可靠变得更加重要，对触头组件、热组件、 磁组件、导电连接组件的永固性连接提出了愈来愈高的要求，作为低压电器制造 行业重要工艺之一的钎焊，起着愈来愈重要的作用。

低压电器开关中触点烧损、银点脱落等问题都与产品使用寿命有直接关系。 据可靠数据统计，焊接质量差的触头，烧损量要增加 2~3 倍，同等产品设计下， 由于焊接质量问题导致的产品失效更为显著。其中焊接工艺、焊接材料、被焊母 材、焊接装备起到重要作用。 这里我们主要关注焊接材料的选型及其作用机理。焊料是连接基材与母材的 纽带，适用于精密、复杂和异类材料的焊接，在低压电器领域有广泛的应用。如下图所示，根据不同的分类方式，可细分为银基、铜基、固态、粉态、膏态、含 磷、不含磷等种类。如此繁多的焊料种类，正确的设计与应用尤为重要。

 焊接过程最容易出现的缺陷焊接层中气孔、裂纹、夹渣，这些缺陷产生的机 理和过程是怎样的，以银点焊接铜件为例，从材料角度，分析缺陷产生过程。在 焊接过程中，随着温度升高，铜逐渐被氧化，若铜的氧化过程未被阻止，极易在 其表面与氧气发生作用形成氧化亚铜。焊缝在凝固时，铜可与氧化亚铜形成低熔 点共晶，一般并分布在铜的晶界上，不利于焊接接头的机械性能。而银点不存在 高温氧化问题，氧化银在 300℃以上就会自然分解，因此脆裂层一般存在于近铜 端，焊缝理论模型如下图所示。

钎焊产生气孔的直接原因是有银/铜的导热性非常好，焊接熔池在凝固过程 中由于铜或银的导热性能好而具有较快的凝固速度，从而导致在焊接熔池中的气 体溶解度极度下降，开始外排，但上浮时间短而不能够及时的逸出形成气孔。这 些气体是焊接过程中一系列变化产生的。

银触点与铜基板焊接时在熔合区与焊缝容易产生热裂纹，其原因主要是有 下面几个方面：铜的线膨胀系数较大；熔池冷却过程中结晶易形成氧化亚铜-铜 的共晶(Cu+Cu2O)；母材中杂质在晶界上偏析。

通过了解上述缺陷产生机理及过程，我们分析如何从焊接材料角度减少相关 缺陷产生。

以含磷焊料为例，这类焊料本身具有脆性，但因为 P 的存在，焊料流动性好， 因此又被广泛应用。如何通过材料设计，既能保证焊料流动性，又能降低焊接接 头脆性，满足焊接性能要求，是含磷系列焊料可靠应用的关键。首先向大家阐述 一下含 P 焊料的作用机理。

磷在焊料中起到两种作用：

其一，根据 Cu-P 相图，P 可以显著的降低铜的熔点，当 P 的质量分数含量 达到 8.38％时，铜与磷形成熔化温度为 714℃的低熔点共晶，其组织由 (Cu)+Cu3P 组成。Cu3P 为脆性相，一般认为随着 P 含量的增加，Cu3P 相增多，导 致铜磷合金太脆而无使用价值，这是为什么我们在选用含磷钎料时，应限定磷 含量。而且 Cu3P 的脆性决定了铜磷钎料的室温脆性大，不能冷加工，限制了一 些型号产品的高品质成型，但这两年，一些行业代表型企业，突破技术瓶颈， 采用新的生产工艺及产品设计，解决了相关难题。

其二，P 在大气环境下钎焊铜时具有自钎作用。这主要是因在钎焊过程中 生成的氧化铜可以与 P 发生反应：5CuO+2P=P2O5+5Cu。还原产物 P2O5会继续与氧 化铜作用形成液态的复合氧化物，其覆盖于母材表面上，可以有效防止母材进 一步的氧化，从而起到自钎的作用。

值得注意的是，含磷焊料耐硫化腐蚀能力弱，与铁基黑色金属润湿性差，同 时会与 Fe 反应形成脆性相，因此在直接焊接铁及含铁合金（表面镀覆处理除外） 时，需谨慎选择焊料类型。

进一步的，清楚 P 的作用机理后，可以通过添加合金元素、提高焊料钎焊活 性等方法提高焊接可靠性。这里不再赘述相关研究过程，我们将相关研究结果分享给大家。通过添加 YM-A、YM-B、YM-X 等一种或多种元素，可提高焊接接头可 靠性，焊接界面被进一步细化到如下理论模型：分为界面层、扩散层、残留层。

焊缝残余层主要成分为大块状的 Cu3P 化合物、Cu 基固溶体(分布在大块状化 合物的边界处)，部分未向母材扩散的 Cu3P+Cu 合金固溶体组成的共晶组织。

 扩散层主要为含 YM-A、YM-B、YM-X、P 的 Cu 基固溶体。

界面层主要为部分 YM-A 和 P 通过界面扩散和体积扩散与母材形成的冶金结 合层。

从焊接界面结构组成来看，要提高焊接强度，降低接缝脆性，需要降低残留 层厚度、较少 Cu3P 相生成，改变 Cu3P 形貌，同时形成塑性好的新材料相，并一定限度降低钎焊温度、提高焊料钎焊活性。

 焊料设计原理：

YM-A 元素可以降低合金熔点、使合金中共晶成分增加，减少 Cu3P 脆性相的 生成，而且由大块状向花瓣状转变，改善脆性相的分布状态。 YM-B 可以与 Cu 发生共晶反应，进一步降低钎料熔点，改进其韧性，同时可 以提升钎焊接头的导电性能。

 YM-X 含量主要改变了 Cu3P 相的形状，由长条状和枝状向球状转变，脆性相 球化，可以增强钎料的塑性，降低接头脆性。

使用高活性助焊剂，且不与金属母材发生反应及侵蚀，可有效避免铜晶界共 晶相的产生，并有助于形成光滑饱满的接缝。

随着低压电器的不断发展，新的产品不断被设计出来，新的材料不断被应用， 对组件的焊接可靠性提出越来越高的要求。希望通过本次焊接及焊料作用机理分 析，以及焊接材料设计研究，能对提高低压电器焊接质量可靠性起到积极作用。