铜导线连接工艺研究及选用

黄莹瑛，尹东海，李夕晨

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102）



铜导线连接工艺研究及选用

黄莹瑛1，尹东海2，李夕晨1

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102）

摘要：介绍了各类导线连接工艺，对比分析各类连接工艺的特点，重点介绍逆变直流点焊工艺在直流互感器精密电阻连接中的应用，给类似产品提供参考。

关键词：压接工艺；锡焊工艺；逆变直流；电极

直流互感器作为直流输电系统用电能计量、电量监测、电力系统控制与保护的重要装置，与交流互感器相比，制造难度大，故障率高，在国内一直没有得到推广。特高压±800 kV云南-广东和向家坝-上海直流工程中直流互感器均依赖进口，国内制造水平与世界先进水平仍有一定差距。作为直流互感器的关键元器件之一的电阻，在系统中起到了关键作用。但是单个产品中电阻数量多、引脚连接困难等问题直接影响到产品的可靠性及稳定性，因此，解决电阻引脚连接问题尤为迫切。

本文主要介绍各类单股导线连接工艺，分析各类连接工艺的特点，旨在给直流互感器精密电阻串联提供工艺借鉴。

1　铜导线常规连接方式

电阻引脚为紫铜镀锡材质，常规连接方式有压接和锡焊两种。

1.1压接工艺

压接工艺广泛应用于各行各业，在电力行业中更是应用普遍，从箱柜产品导线冷压头压接到大型设备电缆端子压接都会使用。常规的冷压头压接工艺主要应用于多芯导线压接，单芯导线之间连接如果采用压接工艺，压接接头抗拉强度较低，长期受力的情况下容易松脱。由于电阻采用串联形式且串联级数多，断路风险成倍增长，一旦出现断路，将直接导致产品报废。同时，导线连接处并非完全接触，接触面积相对较小，连接处温升较大，对产品的散热要求较高。该工艺拥有操作便捷、效率高、成本低廉、工人技能要求低等优点，但同时其接头连接强度较低、可靠性较差、接触电阻大等缺点也较为明显。

1.2锡焊工艺

锡焊是指在一定温度下熔化成液态的金属锡合金在被焊金属表面形成的新合金层，达到被焊物之间结构上的连接和电气上的导电。该工艺操作方便，焊材价廉，在家用电器、电力设备等行业被广泛采用。因此，也是一种可以考虑采用的连接工艺。

焊锡材料熔融后，焊料与被焊金属浸润结合，两者接触处分子相互渗透、吸引，产生新的分子链，形成新的合金层。此时合金中的分子既有新的分子链，又有原本金属分子链，两者相互交织。在熔锡冷却固化后，这一合金层就是需要的连接层。

锡焊与压接相比，为便于焊接，焊前需要固定好电阻引脚，难度较大。从施焊到焊料固化，整个过程用时需要控制在3～4 s之内，否则会对精密电阻性能产生影响。同时，受到焊前处理以及人员技能等因素的影响，焊接过程极容易产生虚焊或焊接失败的情况。

直流互感器电阻串长期存在受力的情况，锡焊焊点亦无法长期承受拉力，因此该工艺在此类产品中应用也存在较大风险。

不论是以上所述压接工艺和锡焊工艺，在直流互感器精密电阻串连接方面都有一定的局限性，缺点较为明显，批量生产不推荐使用。

2　点焊工艺

2.1点焊原理

点焊是一种以加热方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术，是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。

2.2常用点焊方式

工业生产中应用较多的点焊工艺大致有工频交流式、电容储能式、电子脉冲式以及逆变直流式等，其中，逆变直流焊机是近些年发展起来的新型焊接设备，在汽车工业中应用较为广泛，其与焊接机器人的配合应用正逐步成为以后逆变电阻焊机的主要应用方向［1］。与传统交流点焊机相比，具有输出功率大、体积小、重量轻［2］、控制精度高、焊接电流脉冲小、功率因素高等优点，在工业领域逐步得到了推广。电容储能式、电子脉冲式焊机与其相比，除了价格上有一定优势外，其焊接质量和稳定性方面都无法与逆变直流点焊机相比。

2.3逆变直流点焊机优势

（1）电流闭环控制，直流输出稳定，有效避免虚焊问题。（2）逆变频率控制精度高，通电时间可灵活控制。（3）可实时监控电流、电压、功率，提高了产品的焊接一致性和稳定性。

（4）焊接电流为脉动直流，无明显的峰值电流，熔核尺寸稳定扩大，能有效解决焊接“飞溅”。

（5）焊接电流小，电极寿命长。

（6）焊机变压器重量和体积小，输入功率低，使用更为节能。

2.3.1关键技术性能

（1）焊接电流的影响

电流对产热的影响比时间和电压两者都大。因此，在焊接过程中，它是一个必须严格控制的参数。焊接电流太小不能形成熔核或者熔核尺寸小，焊点强度小；焊接电流太大，会引起焊接工件过热、飞溅、压痕过深等现象。

（2）焊接时间的影响

为了保证熔核尺寸和焊接强度，焊接时间和焊接电流在一定范围内可以相互补充。为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（硬规范）也可以采用小电流和长时间（软规范）。

（3）电极压力的影响

电极压力也是点焊的重要参数之一。电极压力过大或过小都会使焊点承受能力降低和分散性变大，尤其对拉伸载荷影响更甚。当电极压力过小时，由于焊接区金属的塑性变形范围及变形程度不足，造成因电流密度过大而引起加热速度大于塑性环扩展速度，从而产生严重喷溅。这不仅使熔核形状和尺寸发生变化，而且污染环境和不安全，这是绝对不允许的。电极压力大将使焊接区域接触面积增大，总电阻和电流密度均减小，焊接区散热增加，因此熔核尺寸下降，严重时会出现未焊透缺陷。

一般认为在增大电极压力的同时，适当加大焊接电流或焊接时间，以维持焊接区加热程度不变。同时，由于压力增大，可消除焊件装配间隙、刚性不均匀等因素引起的焊接区所受压力波动对焊点强度的不良影响。此时不仅使焊点强度维持不变，稳定性亦可大大提高。

电极压力选择时还应考虑以下因素:高温强度愈大的金属，电极压力应相应增大；焊接规范愈硬，则电极压力应相应增大。

2.3.2焊接电极设计

焊接前，被焊件清理工序较为关键，否则容易造成“飞溅”，为避免焊机施压过程中导线因受力而侧滑，焊接电极推荐使用图1所示结构。该结构在确保导线和电极充分接触的基础上还能够避免导线在受压状态下左右移动，提高焊接质量和成功率。电极材料推荐使用钨钢、钨铜或者纯钨材质，如使用纯钨材质电极，推荐使用嵌件结构，如图2（a）所示，即将钨电极头嵌入铜棒中，可降低成本，加强散热。实验证明，钨钢材质电极在散热性、耐磨性、防飞溅性、焊接稳定性等方面综合性能较其他材质更为优异，铜质导线焊接时推荐使用钨钢电极，如图2（b）.

图1　导线点焊电极结构及焊接过程

图2　点焊电极

2.3.3点焊工艺过程注意事项

（1）被焊件焊前需清理，除去表面油污。

（2）焊前需观察电极状态，清除电极上残留杂质。（3）不同规格导线需要注意调整焊接电流、焊接时间、焊接压力。

3　结束语

逆变直流点焊工艺是目前较为先进的点焊方式，广泛应用于家电、照明、电力系统等行业，市场应用较为成熟。该工艺具有热影响区域小、焊点牢固、焊接效率高、污染较小、性能稳定等优势，在直流互感器精密电阻焊接方面尤为适用。

参考文献：

［1］甘文军，李亚庭，王敏，等.逆变电阻焊的工业应用及研究进展［J］.电焊机，2010，40（5）：101-105.

［2］伍月华，黄石生，邓上云，等.逆变式电阻焊机的新发展—IGBT逆变式点焊机［J］.机械工程学报，1994，30（4）:97-101.

Research and Selection of Copper Wire Connection Technology

HUANG Ying-ying1，YIN Dong-hai2，LI Xi-cheng1
（1.NR Electric Power Electronic Co.，Ltd，Jiang Su，Changzhou Jiangsu 213025，China；2.NR Electric Co.，Ltd，Jiang Su，Jiangsu Nanjing 211102，China）

Abstract：This paper introduces various types of wire connection technology，compares and analyzes the characteristics of various types of connection technology，and emphatically introduces the application of inverter DC spot welding technology in precision resistance connection of DC transformer，and provides reference for similar products.

Key words：pressing technology；soldering technology；inverter DC；electrode.

中图分类号：TH162

文献标识码：B

文章编号：1672-545X（2016）03-0078-02

收稿日期：2015-12-22

作者简介：黄莹瑛（1987-），男，江苏溧阳人，本科，助理工程师，从事电力设备结构与工艺研究。