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)生的高溫電弧來熔化焊料或被焊材料,，來達(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,。
　　電阻壓力焊是通過電極施加壓力,，利用電流流過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,。在超聲波焊焊接過程中,，沒有電流流過焊件，也沒有外加高溫?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)來控制,，通過RT檢驗(yàn)底片來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大引發(fā)的引線燒損現(xiàn)象,。而電阻碰焊是通過短路高溫來熔化被焊材料，在焊接過程中，無法在保證引線長(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)來控制,。目前,，電阻碰焊的合格率僅為70%。通過分析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,，避免引線過熱燒損及焊接過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，避免芯體引線過熱燒損及焊接過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,。