Pt100溫度傳感器引線焊接方法試驗(yàn)

摘要:采用電阻壓力焊和超聲波焊對(duì)Pt100溫度傳感器芯體引線與銅多股連接線進(jìn)行焊接，研究不同焊接制造工藝對(duì)Pt100傳感器可靠性影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，電阻壓力焊和超聲波焊的焊接外觀、接頭力學(xué)性能、電阻特性和允差值等，均滿足GB/T30121--2013《工業(yè)鉑熱電阻及鉑感溫元件》要求，可靠性和焊接結(jié)果的重復(fù)性也較好。
1概述
　　隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，軌道車輛安全可靠性受到人們的高度關(guān)注，對(duì)軌道車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。Pt100溫度傳感器具備應(yīng)用溫度范圍廣、穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在軌道車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有廣泛而重要的應(yīng)用。
　　Pt100溫度傳感器芯體引線與連接線常采用電阻碰焊方法焊接。電阻碰焊是利用正負(fù)兩極在瞬間短路時(shí)產(chǎn)生的高溫電弧來(lái)熔化焊料或被焊材料，來(lái)達(dá)到使它們結(jié)合的目的。電阻碰焊工藝對(duì)焊工的水平和經(jīng)驗(yàn)要求高，人工操作無(wú)法在保證引線長(zhǎng)度的同時(shí)，嚴(yán)格控制接頭熱輸人，常出現(xiàn)引線過(guò)熱燒損或焊接引線熔人不足現(xiàn)象，焊接結(jié)果的重復(fù)性較差。
　　Pt100溫度傳感器作為軌道車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要元件，其性能的優(yōu)劣直接影響人們對(duì)軌道車輛運(yùn)行安全可靠性的判斷。而傳統(tǒng)焊接方法焊接結(jié)果的重復(fù)性較差，存在大量焊接不合格品。因此，采用電阻壓力焊和超聲波焊對(duì)Pt100溫度傳感器芯體引線進(jìn)行焊接，對(duì)比分析外觀檢測(cè)、RT檢測(cè)、電阻測(cè)試、常溫力學(xué)性能測(cè)試、熱態(tài)力學(xué)性能測(cè)試、允差測(cè)試等測(cè)試結(jié)果，開(kāi)展可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。
2試驗(yàn)材料與方法
2.1試驗(yàn)材料
　　試驗(yàn)材料為直徑約0.2mm表面鍍鉑的鎳絲傳感器芯體引線和直徑約0.5mm表面鍍鋅的銅多股連接線、傳感器芯體引線和連接線如圖1所示。
 
2.2試驗(yàn)方法
　　分別用電阻碰焊、電阻壓力焊和超聲波焊對(duì)傳感器芯體引線與多股銅連接線進(jìn)行焊接。不同焊接方法設(shè)備如圖2所示。
 
　　焊接完成后所有試樣采用X射線儀(YXLON)進(jìn)行RT檢測(cè)，檢測(cè)是否存在芯體引線燒損和熔人不足的現(xiàn)象。完成檢測(cè)后，部分試樣在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn);部分試樣制作Pt100溫度傳感器半成品試樣，并在制冷恒溫槽和溫度自動(dòng)檢定系統(tǒng)中對(duì)傳感器半成品試樣進(jìn)行30℃和100℃的允差值檢測(cè);部分試樣制作Pt100溫度傳感器成品試.樣，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成品試樣進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。傳感器成品試驗(yàn)順序、項(xiàng)目及參考標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。
 
3試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1外觀檢測(cè)
　　采用20倍放大攝像頭檢測(cè)引線和連接線焊接處外觀。不同焊接工藝焊縫外觀如圖3所示。從圖中可知，電阻壓力焊和超聲波焊銅線和傳感器引線焊縫表面都無(wú)明顯毛刺、凸起及引線彎曲現(xiàn)象，不影響后續(xù)工序膠裝及性能，符合封裝要求，而電阻碰焊焊接表面存在凸起焊珠。
3.2電阻測(cè)試
　　對(duì)Pt100傳感器進(jìn)行電阻測(cè)試，電阻壓力焊、超聲波焊與電阻碰焊試件的電阻值都是1100,符合CB/T30121--2013鉑熱電阻分度表要求，電阻壓力焊和超聲波焊工藝不影響產(chǎn)品電阻性能。
　　電阻壓力焊是通過(guò)電極施加壓力，利用電流流過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生熱量進(jìn)行焊接。超聲波焊是利用超聲波的高頻振動(dòng)波傳遞到需焊接的物體表面。在加壓的情況下，使焊件接觸表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦作用，形成分子間的熔合實(shí)現(xiàn)焊接。在超聲波焊焊接過(guò)程中，沒(méi)有電流流過(guò)焊件，也沒(méi)有外加高溫?zé)嵩?，?-種特殊的固態(tài)壓焊方法[4←61焊接質(zhì)量主要依靠RT檢驗(yàn)來(lái)控制，通過(guò)RT檢驗(yàn)底片來(lái)觀察是否存在引線熔人不夠、引線燒損等不合格情況。不同焊接工藝焊接接頭RT檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
 
　　從圖4可知，電阻焊和超聲波焊試樣傳感器引線熔人銅連接線的長(zhǎng)度都和搭接長(zhǎng)度一致,傳感器引線也可控制在銅連接線中心，銅連接線與引線連接處不存在熱輸人過(guò)大引發(fā)的引線燒損現(xiàn)象。而電阻碰焊是通過(guò)短路高溫來(lái)熔化被焊材料，在焊接過(guò)程中，無(wú)法在保證引線長(zhǎng)度的同時(shí)，嚴(yán)格控制接頭熱輸人，常出現(xiàn)引線過(guò)熱燒損或焊接引線熔人不足現(xiàn)象。
　　電阻碰焊焊接質(zhì)量主要依靠RT檢驗(yàn)來(lái)控制。目前，電阻碰焊的合格率僅為70%。通過(guò)分析22件試樣焊接數(shù)據(jù)可知，超聲波焊除前期1件用于調(diào)試焊接參數(shù)外，其余21件焊接合格率為100%。電阻壓力焊除前期2件用于調(diào)試焊接參數(shù)外，其余20件焊接合格率為100%。這是由于電阻壓力焊和.超聲波焊可以調(diào)整壓力、焊接時(shí)間或振蕩頻率等參數(shù)。這樣，既可保證焊接時(shí)間和搭接長(zhǎng)度一致，又可消除人為操作偏差，避免引線過(guò)熱燒損及焊接過(guò)程中銅線和芯體引線搭接長(zhǎng)度縮短。
3.3力學(xué)性能測(cè)試
　　將電阻碰焊、電阻壓力焊和超聲波焊試樣分別在常溫(25℃)和250℃進(jìn)行拉伸測(cè)試，每種焊接工藝?yán)?件試樣，取其平均值。不同焊接工藝試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示。
 
　　從圖5數(shù)據(jù)可知，常溫下電阻壓力焊和超聲波焊與電阻碰焊試樣極限拉力值無(wú)明顯差異。
不同焊接工藝試樣拉伸斷口如圖6所示。
 
　　常溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在13N力下保持1min,電阻碰焊、電阻壓力焊和超聲波焊試樣均未出現(xiàn)裂紋、撕裂等缺陷，外觀保持良好。從250℃極限拉力測(cè)試結(jié)果可知，3種焊接工藝均滿足力學(xué)驗(yàn)收客戶驗(yàn)收要求:熱態(tài)極限拉力不低于常溫極限拉力50%，電阻壓力焊與超聲波焊無(wú)顯著差異，且拉斷試樣均斷裂在引線母材處，未在焊縫和熱影響區(qū)。通過(guò)力學(xué)測(cè)試可知，3種焊接工藝其焊縫力學(xué)性能均能滿足使用要求，即常溫極限拉力不低于8N。
3.4允差檢測(cè)
　　依據(jù)CB/T30121--2013，允差是指鉑熱電阻實(shí)際的電阻-溫度關(guān)系偏離分度表的允許范圍。不同焊接工藝溫度允差見(jiàn)表2。
 
　　每組焊接工藝檢測(cè)2件試樣。從測(cè)試結(jié)果可知，3種焊接工藝半成品試樣30℃和100℃環(huán)境下都滿足允差標(biāo)準(zhǔn)要求:B級(jí)30℃允許范圍為±0.45℃,B級(jí)100℃允許范圍為±0.8℃。
3.5成品試樣可靠性驗(yàn)證
　　為進(jìn)一步驗(yàn)證超聲波焊接和電阻壓力焊對(duì)芯體引線和銅連接線焊接點(diǎn)的可靠性，對(duì)Pt100傳感器成品試樣分別進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)、極限溫度試驗(yàn)和溫度循環(huán)試驗(yàn)，每種焊接工藝測(cè)試6件試樣。
2種焊接工藝試樣3次振動(dòng)試驗(yàn)后試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
 
2種焊接工藝試樣極限溫度試驗(yàn)后試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。
 
2種焊接工藝試樣溫度循環(huán)試驗(yàn)后試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。
 
　　信號(hào)線對(duì)屏蔽線之間、信號(hào)線和屏蔽線對(duì)傳感器外殼之間的絕緣電阻都大于9999MΩ。依據(jù)GB/T30121-2013要求，在常溫條件下，用1000V直流兆歐表測(cè)量傳感器信號(hào)線對(duì)屏蔽線之間、信號(hào)線和屏蔽線對(duì)傳感器外殼之間絕緣電阻，絕緣電阻應(yīng)大于200MΩ。0℃電阻值應(yīng)符合B級(jí)允差(±0.3℃)要求。用500V直流兆歐表測(cè)量傳感器信號(hào)線和屏蔽線對(duì)傳感器外殼之間絕緣電阻，高溫絕緣電阻應(yīng)不小于10MΩ。從振動(dòng)試驗(yàn)、極限溫度試驗(yàn)和溫度循環(huán)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，所有試樣0℃允差值都符合B級(jí)允差(±0.3℃)要求，絕緣電阻值也都大于200MΩ。通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果得出，電阻壓力焊和超聲波焊接試樣焊接可靠性滿足使用要求。
4結(jié)論
　　電阻壓力焊和超聲波焊2種焊接工藝試樣的焊接外觀、接頭力學(xué)性能、電阻特性和允差等性能均良好，2種焊接工藝并無(wú)顯著性差異，均滿足GB/T3012-2013要求。電阻壓力焊和超聲波焊可通過(guò)參數(shù)設(shè)置消除因?yàn)槿藶椴僮饕蛩禺a(chǎn)生的偏差，避免芯體引線過(guò)熱燒損及焊接過(guò)程中銅線和芯體引線搭接長(zhǎng)度縮短，焊接結(jié)果的重復(fù)性較好。相比常用的電阻碰焊工藝，電阻壓力焊和超聲波焊能顯著提高傳感器引線焊接合格率，有望替代電阻碰焊工藝。