三復(fù)合鉚釘型電觸點(diǎn)工藝簡介

張 強(qiáng)，姚金秋，宋小勇

(1.寧波漢博貴金屬合金有限公司 浙江 寧波 315221;2.陜西群力電工有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721300)

1 引言

三復(fù)合鉚釘型電觸點(diǎn)屬于單體鉚釘型電觸點(diǎn)的替代產(chǎn)品，即將原來的單體純銀或銀合金鉚釘型電觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，改制為頭部和釘部采用純銀或銀合金材料，中間采用純銅材料的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的鉚釘型電觸點(diǎn)(三復(fù)合觸點(diǎn)與單體觸點(diǎn)對(duì)照?qǐng)D如圖1、圖2所示)。目的是節(jié)約貴金屬白銀的使用，從而降低觸點(diǎn)的生產(chǎn)成本。與單體觸點(diǎn)相比，每粒三復(fù)合觸點(diǎn)可降低銀耗40%以上。三復(fù)合鉚釘型觸點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)是，釘部銀層與銅基材料的復(fù)合強(qiáng)度，傳統(tǒng)的復(fù)合冷鐓機(jī)是無法實(shí)現(xiàn)的，其原因是，復(fù)合冷鐓機(jī)采用的是冷壓焊成型技術(shù)，即冷壓焊是在壓力的作用下，使金屬產(chǎn)生塑性變形，而實(shí)現(xiàn)固態(tài)焊接的一種方法，其前提是被復(fù)合件必須具有塑性變形特征，一般情況其復(fù)合截面的變形率需大于60%以上，方可保證復(fù)合強(qiáng)度。而三復(fù)合鉚釘型觸點(diǎn)由于受結(jié)構(gòu)的限制，釘部材料的加工塑性變形量難以達(dá)到要求，因此結(jié)合強(qiáng)度問題十分突出，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)復(fù)層脫落現(xiàn)象。目前有德國進(jìn)口的三復(fù)合專用冷鐓機(jī)，可實(shí)現(xiàn)三復(fù)合鉚釘型觸點(diǎn)的加工生產(chǎn)，但其釘部冷復(fù)后，采用了依靠銀刀刮削尺寸工藝，導(dǎo)致有20% ～40%的觸點(diǎn)材料被刮削下來，因此材料利用率低，回收成本高，且進(jìn)口設(shè)備十分昂貴。本文三復(fù)合鉚釘型電觸點(diǎn)生產(chǎn)采用真空擴(kuò)散焊接技術(shù)，其原理是:將被焊工件放置在真空保護(hù)環(huán)境下，通過加熱系統(tǒng)的加熱，在特定的溫度、時(shí)間、氣氛等條件下，使接觸面之間的原子相互擴(kuò)散，從而達(dá)到金屬鍵相互結(jié)合形成焊接面的一種焊接過程。與冷壓焊相比，其產(chǎn)品焊接面接合強(qiáng)度更好，接觸電阻小而穩(wěn)定。

2 真空擴(kuò)散焊接專用設(shè)備

2.1 擴(kuò)散焊接設(shè)備

擴(kuò)散焊接設(shè)備是生產(chǎn)三復(fù)合觸點(diǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，為確保焊接質(zhì)量，設(shè)備必須配備對(duì)溫度、時(shí)間、真空度的監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)要求加熱速度快，加熱區(qū)域溫度均勻，方便操作和便于觀察等條件。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終確定加熱方式采用高頻感應(yīng)加熱，真空擴(kuò)散焊接設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù):振蕩功率為30kW，最高加熱溫度1200℃，爐溫均勻性1000±3℃，感應(yīng)加熱圈采用冷卻水循環(huán)冷卻，真空度1.33×10－3Pa，定時(shí)裝置0～10min。

2.2 加熱區(qū)結(jié)構(gòu)及尺寸的選擇

加熱區(qū)放置焊件的托盤采用低速旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可確保被焊工件受熱均勻。為避免溫度梯度對(duì)焊接質(zhì)量一致性的影響，其轉(zhuǎn)盤尺寸不宜過大，直徑選擇Φ300mm～Φ350mm較合適，為方便操作和便于觀察，加熱區(qū)采用高強(qiáng)度玻璃鐘罩進(jìn)行密封。

2.3 焊接模具的制作

三復(fù)合觸點(diǎn)的焊接必須滿足批量生產(chǎn)的條件，傳統(tǒng)的單件焊接工藝是不可采用的，因此焊接模具的制作是必不可少的。本產(chǎn)品采用的是環(huán)形高密度電子石墨燒結(jié)定位盤，具有便于加工、強(qiáng)度高、抗熱震性好、耐高溫、抗氧化性強(qiáng)、耐腐蝕、抗粘接等優(yōu)點(diǎn)。可根據(jù)產(chǎn)品尺寸大小，進(jìn)行高效率生產(chǎn)，如一個(gè)定位盤中一次可以同時(shí)設(shè)計(jì)焊接300粒以上觸點(diǎn)，使產(chǎn)品生產(chǎn)速度大大加快。石墨板上的定位孔，應(yīng)保證孔的同軸度，否則孔會(huì)偏心.使觸點(diǎn)焊接面錯(cuò)位。一般可采用專用組合鉆頭或電火花加工。

3 焊接工藝的制定

3.1 頭部銀料與銅基料冷鐓成型

從三復(fù)合觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖可知，一粒三復(fù)合觸點(diǎn)有兩個(gè)焊接面，而焊接面越多焊接難度越大，尤其是同時(shí)焊接幾百粒觸點(diǎn)，其焊接質(zhì)量的一致性難以保證，因此如何減少焊接面是降低焊接難度的重要措施。本產(chǎn)品工藝采用冷壓焊成型和擴(kuò)散焊接相結(jié)合工藝，即先利用冷鐓機(jī)鐓制出雙復(fù)合觸點(diǎn)，再將其和釘部坯料擺放到電子燒結(jié)盤中進(jìn)行擴(kuò)散焊接。由此將原來的三體焊接簡化為二體焊接，由于減少了焊接面，不僅大大降低了焊接難度，并為確保焊接質(zhì)量一致性創(chuàng)造了條件，同時(shí)還大大提高工件的裝配速度。

3.2 釘部銀片落料工藝

采用線材冷鐓機(jī)自動(dòng)落料工藝，與帶材或板材沖切落料工藝相比，落料過程率效高和無廢損，同時(shí)可方便的獲取各規(guī)格料長。銀片落料工藝應(yīng)保證切斷面新鮮、平整及潔凈，使微觀接觸點(diǎn)盡可能地多。因此要求銀片落料的同時(shí)必須經(jīng)過固定臺(tái)整形，可保證焊接面的平整，同時(shí)落料工序最好與擴(kuò)散焊接工序同步進(jìn)行，即銀片落料后即立即焊接，此時(shí)銀片可以免清洗。

3.3 焊件的清洗

焊接對(duì)焊件的清潔度要求非常高，焊件表面氧化膜或油污，會(huì)嚴(yán)重影響焊件的可焊性。因此，冷鐓復(fù)合的坯料及未立即使用的釘部銀片必須清洗，一般清洗劑選用金屬腐蝕劑，當(dāng)腐蝕至露出金屬光澤后，立即用水沖洗并徹底干燥，然后立即安排投入生產(chǎn)。

3.4 高溫?cái)U(kuò)散快速焊接

焊接溫度是保證焊接質(zhì)量的最關(guān)鍵參數(shù)，而焊接時(shí)間決定于焊接溫度，理論上講，適合擴(kuò)散焊接溫度的范圍較廣，一般可在低于焊接材料熔點(diǎn)和焊接材料熔點(diǎn)的50%范圍選擇，但是根據(jù)焊接溫度與時(shí)間的關(guān)系特征可知，在一定溫度范圍內(nèi)焊接溫度越高則時(shí)間越短，焊接面結(jié)合強(qiáng)度也越高。因此擴(kuò)散焊接加熱溫度的選擇原則是，應(yīng)保證在最短的時(shí)間內(nèi)獲得最好的焊接質(zhì)量，針對(duì)觸點(diǎn)材料而言，即保證焊接面不出現(xiàn)過熔現(xiàn)象的前提下，加熱溫度的選擇應(yīng)盡可能高些，因?yàn)樵诟邷睾附舆^程，接觸面的原子處于高度激活狀態(tài)，并很快通過擴(kuò)散形成金屬鍵，焊接時(shí)間將大大減少。試驗(yàn)證明，對(duì)純銀、銀鈰、銀鉍鑭、銀鎳等材料，由于其具有優(yōu)良的浸潤性和可焊性，其加熱溫度可選擇熔點(diǎn)的80%以上，但對(duì)銀氧化錫、銀氧化鎘、銀鎢等可焊性差的材料，為保證焊接強(qiáng)度，應(yīng)在待焊面間放置合適的高熔點(diǎn)中間層金屬，加熱溫度的選擇，應(yīng)略高于中間層金屬的熔點(diǎn)，使中間層發(fā)生過渡液相擴(kuò)散焊接。需要注意的是，由于影響焊接質(zhì)量的因素較多，因此在正式焊接前，必須先進(jìn)行試焊，并通過抽樣做剪切試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)，以便及時(shí)調(diào)整焊接工藝參數(shù)。其次石墨板在每次使用前，必須通過加熱充分干燥，，排出內(nèi)部潮氣后方可使用，否則會(huì)產(chǎn)生氣泡、空洞、縮孔，影響焊接質(zhì)量。

3.5 低溫?cái)U(kuò)散均勻化處理

由于采用了高溫快速焊接工藝，焊接過程原子還來不及充分?jǐn)U散，焊接面可能會(huì)存在界面和部分微孔現(xiàn)象，因此高溫?cái)U(kuò)散焊接完成后，應(yīng)轉(zhuǎn)入后道工序，進(jìn)行低溫?cái)U(kuò)散均勻化處理，即在真空爐內(nèi)經(jīng)過一定時(shí)間保溫，在低溫下繼續(xù)擴(kuò)散，使界面與微孔最后消失，達(dá)到完全的固態(tài)焊接。最終擴(kuò)散焊接金相圖如圖4、圖5所示。

圖4 無中間層焊接－500倍

3.6 鉚壓整形

由于擴(kuò)散焊接過程是在高溫下進(jìn)行，其產(chǎn)品尺寸、形狀、表面狀況，難免會(huì)有微小變化，因此要求焊接前觸點(diǎn)外形尺寸，必須為后續(xù)鉚壓整形工序留有一定的加工變形余量，即在體積不變的前提下，頭部厚度增加0.05～0.10mm，頭部直徑和釘部直徑相應(yīng)適當(dāng)減小。最終通過模具整形及后處理，使觸點(diǎn)尺寸及外觀質(zhì)量滿足圖紙要求。

3.7 觸點(diǎn)材料擴(kuò)散焊接工藝

常見觸點(diǎn)材料擴(kuò)散焊接工藝參數(shù)見表1。

圖5 有中間層焊接－500倍

表1 觸點(diǎn)材料擴(kuò)散焊接工藝參數(shù)

3.8 工藝流程

三復(fù)合鉚釘型電觸點(diǎn)生產(chǎn)工藝流程如下圖所示:

3.9 不良焊接觸點(diǎn)金相

常見的不良焊接觸點(diǎn)金相見圖6、7、8、9所示。

圖6 材料過熔－200倍

圖7 氣孔－200倍

圖8 邊沿焊縫－50倍

圖9 中間焊縫－200倍

4 結(jié)語

采用冷壓焊成型與擴(kuò)散焊接相結(jié)合工藝，可將原來的三體焊接簡化為二體焊接，大大降低了擴(kuò)散焊接的難題，焊接質(zhì)量一致性得到保證。采用高溫快速擴(kuò)散焊接工藝，以及焊接模具的制作，生產(chǎn)效率顯著提高，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。三復(fù)合鉚釘型電觸點(diǎn)的研制成功，不僅為客戶大大降低了觸點(diǎn)的成本，同時(shí)也為國家節(jié)約了大量的白銀。與單體觸點(diǎn)相比，每粒三復(fù)合觸點(diǎn)可降低銀耗40%以上。本項(xiàng)目產(chǎn)品已獲得國家發(fā)明專利(專利號(hào):ZL200710306819.0號(hào))，并獲得國家級(jí)中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(項(xiàng)目代號(hào)08C26113310830)。

［1］《焊接工程師手冊(cè)》陳祝年著機(jī)械工業(yè)部出版社，2002.

［2］《氣體保護(hù)焊工藝和設(shè)備》王震澂 郝廷璽 編著 國防工業(yè)出版社，1982.