铝导线软钎焊用含铋Sn-0.7Cu-1Zn合金钎料的研发及性能

唐立军，周年荣,2，刘雪扬，刘荣海，张文斌

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.重庆大学电气工程学院，重庆 400044；3.昆明品启科技有限公司，昆明 650500；4.昆明理工大学机电工程学院，昆明 650051)

0 引 言

电力系统中的发热故障主要发生在电力连接头中[1-3]。电气设备中的电力连接头种类较多，铝导线连接头是其中较为普遍的一种。目前铝导线连接主要采用压缩连接法[4-5]，即采用液压钳将导线和连接金具进行压接，使导线和连接金具变形后连接在一起。该方法在压力过大(过压)时容易导致导线断股，压力过小(欠压)时则会导致导线接触面积减小，力学性能较差。并且，压接后的铝导线与连接金具并非完全接触，在长期运行过程中二者的接触电阻会逐渐增大，而且水的冻胀累积效应会使未接触部位膨胀开裂，使得接触电阻急剧增加。接触电阻的增加会导致发热量和电能损耗增加，严重时还会引发电力连接头断裂故障[5-6]。此外，压接后导线线股之间存在微小间隙，外界的水会通过毛细效应进入导线内部[7]，加快电力连接头的腐蚀，危及电网安全。

基于以上原因，作者提出采用软钎焊方法(钎料熔点不超过450 ℃)连接铝导线，该方法可以增加导线与连接金具之间的接触面积，改善铝导线电力连接头的发热问题。目前关于铝的软钎焊研究主要集中在钎料在铝表面的润湿性能和润湿界面的微观分析[8-13]以及铝片搭接钎焊接头方面[14-15]，而关于钎焊连接铝导线与连接金具的研究较少。

与铝片搭接连接相比，多股铝线绞合而成的铝导线和连接金具之间的接触面积较大且不规则，钎料需要具备更高的润湿性能才能增加接触面积。与铝的润湿性较好的钎料包括Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag系合金钎料，综合成本、润湿性能等因素，作者选择了Sn-Cu-Zn合金钎料作为研究材料；同时考虑到铋元素具有提高合金润湿性能的特性，作者在Sn-Cu-Zn合金钎料中加入铋元素进行定向改性，研究了铋含量对钎料熔点、电导率、润湿性，以及软钎焊铝导线与金具连接头界面形貌、温升和拉伸性能的影响，确定了铋元素的最佳含量。

1 试样制备与试验方法

试验原料包括铜块(纯度99.99%)、锡块(纯度99.99%)、铋块(纯度99.99%)和锌块(纯度99.99%)。按照组成(质量分数/%，下同)为Sn-0.7Cu-Zn-xBi(x=0.5，1，1.5，2)称取原料，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1 100 ℃，保温10 min后，将温度降到400 ℃±5 ℃，保温2 h，每间隔30 min搅拌一次，最后浇铸成球状备用。采用DSC200F3型差式扫描量热仪(温度精度为±0.1 ℃)测定钎料的熔点，加热和冷却速率均为10 K·min-1。采用D60K型涡流电导仪测定钎料合金的电导率。

根据GB/T 11364-2008，采用铺展性试验表征钎料的润湿性能[16]，母材为1060铝合金，尺寸为20 mm×20 mm×0.8 mm，助焊剂选用广州有色金属研究院提供的SF-L-3助焊剂。试验前将母材表面磨平，去除表面氧化膜，并用酒精清洗干净。在母材表面涂覆一层助焊剂后，将0.2 g球状钎料置于母材表面中心，并将母材置于加热平台上升温至270 ℃保温30 s后空冷，采用Image Pro Plus软件测定钎料的铺展面积，每种钎料重复3次试验，取平均值。

使用润湿性能最佳的钎料连接铝导线和连接金具，铝导线型号为JKLYJ-10，横截面积为10 mm2，连接金具型号为DL-10，适用于横截面积为10 mm2的铝导线连接。连接步骤如下：铝导线去除绝缘层，在铝导线表面和连接金具内壁涂敷助焊剂，并在连接金具内部放置钎料；将铝导线和连接金具置于感应加热设备中，升温至270 ℃，待钎料熔化后，将铝导线插入连接金具中,保温5 min，再自然冷却。

将铝导线与连接金具软钎焊连接头横向切开，用1200#砂纸打磨，清洗，采用XL30ESEM型扫描电子显微镜(SEM)观察接头的界面形貌。采用MTS Landmark型万能拉力试验机测试接头的拉伸性能，拉伸速度为5 mm·min-1。根据GB/T 2317-2008，搭建SLQ-2000A大电流实验平台，如图1所示，利用优利德UT325型温度测试仪测定接头的温升，加载电流为150 A，采用K型热电偶测定温度，进行5组平行试验取平均值。

图1 SLQ-2000A大电流实验平台示意Fig.1 Diagram of SLQ-2000A large current experiment platform

2 试验结果与讨论

2.1 钎料的熔化特性

由表1可知：添加质量分数1.0%2.5%的铋后，Sn-0.7Cu-1Zn合金钎料的熔点降低，熔程增大，但变化幅度均较小；随着铋含量的增加，钎料的起始温度、终止温度略微降低，每增加质量分数0.5%的铋，钎料的熔点下降约1 ℃，熔程总体呈增大趋势。钎料熔点降低，有利于降低连接工艺中加热设备的功耗；熔程变大，说明半固态温度区间变大，熔化过程中钎料易形成糊状，最终会影响熔池的流动性。

表1 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金钎料的熔点Table 1 Melting point of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

2.2 钎料的电导率

由图2可知，铋元素的添加降低了钎料的电导率，且随着铋含量的增加，电导率持续下降。影响金属电导率的因素包括化学成分、组织结构及物相[17]。Sn-0.7Cu-1Zn合金铸态组织包括Sn-Zn、Sn-Cu及Cu-Zn相，添加的铋会固溶于锡形成Bi-Sn相；铋原子的相对原子质量为208.98，其固溶会导致锡的晶体结构发生畸变，电子散射增大，电导率下降[18]。

图2 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金钎料的电导率随铋含量的变化曲线Fig.2 Variation curve of conductivity vs Bi content of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

2.3 钎料的润湿性

由图3可知：Sn-0.7Cu-Zn合金钎料未发生明显铺展，仍呈小球状，说明其与母材的润湿性能较差，添加铋元素后，钎料在母材上均发生了一定的铺展，说明铋元素的添加能够提高钎料与母材的润湿性能。由图4可知，随着铋含量的增加，钎料的铺展面积先增大后减小，当铋含量为1.0%时，铺展面积最大，达63 mm2。铋元素的添加可以降低Sn-0.7Cu-1Zn合金熔体的表面张力，使得其在铝合金母材上的铺展面积增加；但铋含量过多会增大合金的熔程，影响熔体的流动性，使得铺展面积减小。

图3 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金钎料在母材上的铺展形貌Fig.3 Spreading morphology of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder on base metal

图4 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金钎料的铺展面积随铋含量的变化曲线Fig.4 Variation curve of spreading area vs Bi Content of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

铝导线电力连接头主要通过增加导线与金具之间的接触面积来降低接触电阻。钎料的润湿性越好，铺展面积越大，导线与金具的接触面积越大，接触电阻越小。虽然铋元素的添加会降低Sn-0.7Cu-1Zn合金钎料的电导率，但是在一定范围内提高了钎料的润湿性能。综合来看，铋元素的最佳含量为1.0%，此时钎料的电导率适中，润湿性能最好。

2.4 电力连接头截面微观形貌

由图5知：Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金钎料基本与铝导线外表面完全接触，与连接金具内壁紧密接触(区域A)，润湿效果较好；在钎料与铝导线接触界面上，部分区域(区域B)润湿效果较好，也有部分区域(区域C和区域D)接触面上出现一层亮白色物质，推测是焊接后的残留物，原因是在连接过程中，少部分助焊剂没有及时排出。

图5 Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金钎料钎焊后铝导线连接头横截面的微观形貌Fig.5 Cross section micro morphology of aluminum wire connector after brazing with Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi alloy solder: (a) low magnification morphology; (b) enlarged view of region A; (c) enlarged view of region B; (d) enlarged view of region C and (e) enlarged view of region D

2.5 电力连接头的拉伸性能

由图6可以看出，采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金钎料钎焊后铝导线接头的最大拉力为1 079 N，达到铝导线计算拉断力(根据铝材料的抗拉强度和横截面积计算)的83%，符合GB/T 2314-2008中绝缘线用线夹的最大拉力应不小于导线计算拉断力的65%的要求。铝导线出现断裂现象，但铝导线与金具之间的连接部位基本无变化。这说明铝导线与连接金具之间连接紧密，连接处的拉断力大于铝导线的实际拉断力；当其他部位铝导线出现断裂现象时，电力连接头仍然可靠。

2.6 电力连接头的温升

由表2可知，采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi钎料连接的铝导线连接头的温升比传统压缩连接方式的低18.3%，说明采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi钎料连接铝导线能够改善铝导线连接头的发热问题。

表2 在150 A电流下软钎焊连接和压缩连接铝导线连接头的温升Table 2 Temperature rise of aluminum wire connectors by soft brazing and compression connection at 150 A current

3 结 论

(1) 铋元素的添加对Sn-0.7Cu-1Zn合金钎料熔点和熔程的影响较小，但降低了其电导率，提高了其在铝表面的润湿性；随着铋含量的增加，钎料的电导率下降，在铝表面的铺展面积先增后降，当铋含量为1.0%时的电导率适中，铺展面积最大，润湿性最好。综合考虑电导率和润湿性，确定铋的最佳含量为1%。

(2) 采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金钎料钎焊铝导线和连接金具，钎料与铝导线外表面基本实现完全接触，和连接金具内壁紧密接触；Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金钎料钎焊连接头的最大拉力达到铝导线计算拉断力的83%，符合标准要求，温升比传统压缩连接方式的低18.3%，说明软钎焊连接能够改善铝导线连接头的发热问题。