空心插銷焊接工藝的研究及其應用

羅特苗 章衛軍 李富裕 柴奇凱 張希偉

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315314）

引言

目前市場上部分插銷已采用空心插銷，因為空心插銷耗材少，成本低，加工工藝日趨成熟，實踐證明同等大小的空心插銷的重量約占實心插銷的1/3,這樣不僅大幅度降低了原材料的使用，且空心插銷的表面積也約為實心插銷的2 倍，散熱面積大，對產品的溫升性能有較大提高。插銷與導電片連接通常采用鉚接工藝。從理論上分析，空心插銷固定方式由鉚接改為焊接后，空心插銷與導電部件之間的鉚接縫隙基本被消除，兩者接觸的有效性和可靠性大幅提升，接觸電阻降低，導電性能更好，提高產品的良率。

1 標準要求

對于應用在插座領域的插銷，根據IEC 60884 標準，固定連接后的插銷應滿足以下機械強度、安規和電氣性能等要求：

1）插銷本身的機械強度，抗沖擊性能；

2）產品溫升要求：＜45 K；

3）扭力要求：安規要求0.4 N.m，正反施力保持1 min，位移不得大于1 mm；

4）拉脫力要求：滿足插拔力要求50 N，不得有松動現象。

2 鉚接型連接方案

目前空心插銷與導電部件的連接主要采用鉚接加工工藝，包括壓力鉚接與旋壓鉚接，其原理是將插銷的端部加工成帶有臺階面的圓柱形，與銅連接片上的圓孔配合，在壓力機的作用力下將插銷端部打壓變形，從而實現連接固定的目的，如圖1 所示。空心插銷通過鉚接工藝與銅連接片貼合實現電氣連接。而實際鉚接過程中，由于插銷與銅連接片通孔壁之間存在間隙，在鉚接過程中不可能使空心插銷和通孔壁完全接觸，如果鉚接不牢，空心插銷端面與導電部件表面之間往往會形成或大或小如圖2 所示的接觸縫隙、松動，造成預期要實現大面積低電阻接觸的部位反而形成了較大的接觸電阻，大大降低了空心插銷的導電性能。

圖1 鉚接前后示意圖

圖2 鉚接不良間隙、松動

其次，由于空心插銷端部機械強度相對較差，鉚接后抗扭性能不穩定，機械強度差，部分產品無法達到標準要求，產品不良率較高，且存在漏檢風險，存在較大的安全隱患。

3 焊接型工藝方案

目前的電阻焊技術都是將兩個片狀或板狀工件在焊點處焊接，而管狀與板狀的焊接目前還未有先例，使用管狀空心插銷需要解決的關鍵技術是通過電阻焊工藝使空心插銷端面與銅連接片在焊接電流、焊接壓力的作用下高溫互熔、冷卻固定，從而實現連接固定的目的。

電阻焊的工作原理：是將在兩個焊接部件的焊接處通過適當的電流，使焊接處的金屬快速產生高溫而熔化，在焊接壓力下混合，冷卻凝固，實現焊接固定連接的目的。其工藝原理如圖3 所示，其中的關鍵技術是如何使焊接處的金屬在電流作用下熔化。

圖3 電阻焊工藝原理圖[2]

3.1 焊接型空心插銷、導電部件材質選擇與結構設計

本文以空心插銷的焊接工藝為實施方案，主要從工件的材質，焊接處的結構以及焊接工藝等幾個方面來敘述。

插座中常用的導電材料以黃銅H62 為主，如插套、連接片、接線端子等，其它銅材料有用于車削加工的鉛黃銅如HPb59-1，HPb59-3 等以及部分導電性能更好的材料，如紫銅，磷青銅等。H62 黃銅是一種平均含銅量為62 %的普通黃銅，有良好的力學性能，冷、熱態下塑性好，具有優良的切削加工性能，易焊接，耐腐蝕，價格便宜，是插頭插座中的主要導電材料，本文所選用的材料均以H62 黃銅為例。

銅連接片的制作工藝：銅連接片是將銅板沖壓成型，保持產品所需的形狀，與插銷焊接處呈平板形狀，如圖4 所示。

圖4 焊接型銅連接片的結構設計

空心插銷的制作工藝是利用了黃銅 H62 良好的延展性，將黃銅板拉伸成型，再進行熱處理，使插銷其機械強度完全滿足標準要求。為了使插銷焊接面的材質與銅連接片材質保持一致，空心插銷焊接端部應除去電鍍層，增強熔融狀態下材質的互熔性能。其此，應在端面設置倒斜面，以保證與連接片相適合的接觸面積，如圖5 所示。

圖5 焊接型空心插銷的結構設計

3.2 電極材料

電極是電阻焊設備中的重要部件，焊接不同的金屬工件需選用相應電極材料，目前常用的電極材質有：

1）純銅電極適用于壓強小，焊接溫度低，小批量情況下。

2）鎘銅電極一般用于鋁合金材料的焊接，不過鎘被指定為有害物質。

3）鉻銅電極一般用于鋼板等的焊接。

4）鉻鋯銅（CuCrZr）是最常見得電阻焊電極材料，具有優良的導電性，較高的軟化溫度，較高的硬度和強度與耐磨性，且性價比高，主要用于低碳鋼或鍍層鋼。

5）氧化鋁銅（CuAl2O3），它與鉻鋯銅相比，具有更高的強度，出色的高溫機械性能（軟化溫度達900 ℃）及良好導電性，具有出色的耐磨性，壽命長，不用經常打磨。

6）鈹銅（BeCu）電極與鉻鋯銅相比，具有更高的硬度、強度及軟化溫度（軟化溫度可達650 ℃），但其導電率差，造價較高。

7）鎢銅電極是由高純度的鎢粉與高導電性銅粉高溫燒結熔融而成的復合金屬材料，具有良好的導電性、高溫不軟化，高強度、高硬度、高密度等特點，適合于焊接有色金屬銅、鋁、鎳等。

8）鉬鎢鉬電極具有高硬度、高熔點、高溫工作性能優越等特點，適用于焊接有色金屬銅、鋁、鎳等。

根據H62 黃銅的焊接性能，我們選用了強度高、耐磨性好、壽命較長的氧化鋁銅或鎢銅作為電極材料。

3.3 上、下電極的初始方案設計確認

圖6 常見點焊工藝的電極

本文主要講述的是板（片）狀焊接件與管狀部件的焊接的研究過程，以德法式插銷（外徑φ4.8，管厚0.5 mm）與板厚0.6 mm 的銅連接片的焊接為研究對象，闡述上、下電極的設計過程。

初步方案設想：根據常規點焊工藝原理，上電極接觸面應大于管徑φ4.8 mm，初步設計為φ5-φ6 mm。下電極的設計主要考慮插銷的安放定位與下電極的相連，為了便于將焊接后插銷從下電極取出，我們把下電極設計成左右兩部分，插銷放入后管口應高出下電極上平面約0.5 mm，即為插銷端部在焊接時的熔化部分,如圖7所示。

圖7 空心插銷焊接工藝電極初始結構設計

采用功率為20 kW 的焊接電源設備，每次通過調整電流大小與焊接通電時間，當電流從3 000 A 逐漸增加到5 500 A 時，空心插銷端部開始熔化，而銅連接片仍然未熔化，當續繼加大電流時開始出現炸焊噴濺現象，同時空心插銷被壓塌變形。

經過分析，第一導致銅連接片未熔化的原因，是由于上電極與銅連接片接觸面積大，電流密度分散，發熱量不集中，銅連接片焊接處發熱溫度不高，金屬材料難熔化。第二空心插銷壓塌變形，由于空心插銷整個表面與下電極接觸，電流方向分散，整個插銷溫度升高，銅材料在高溫時變軟，同時在壓力的作用下變形。

3.4 優化方案設計

針對以上實驗結果我們將上、下電極，銅連接片作出了進一步的調整。

3.4.1 上、下電極的優化方案設計

下電極：下電極設計為與空心插銷只在端面1 mm 處貼合，其余部分與下電極絕緣隔離，焊接時電流只通過插銷端面一小部分，使電流集中，焊接時空心插銷不會發熱變軟；

雪螢往那邊瞧了一眼，便退出來，并臨時改變主意，從另一條小巷穿出了市場，什么也沒買就急匆匆地走了，邊走邊回頭張望。

上電極：在下端面中心開設排氣孔與排氣槽，排氣孔的直徑應略小于空心插銷內徑，

焊接時上電極的環形面與銅連接片接觸，減少了導流面積，有利于加大焊接處的電流密度，焊接時電流方向如圖8 所示。

3.4.2 導電部件結構優化設計

銅連接片：在銅連接片的焊接處設計焊接筋，焊接時使焊接筋與空心插銷端面貼合，導流面積較少，電流密度增加。

為了焊接處的金屬材料在電流作用快速升溫熔化，其中電流密度是一個最主要的參數，電流密度越大升溫越快，因此我們需要在銅連接片上的焊接處增加焊接筋，通過焊接筋與插銷端面接觸，盡可能減少相互間的接觸面積，從而增加電流密度。焊接筋一般采用一條或多條，視接觸面積的大小來確定。由于空心插銷另一端為封閉狀，為避免焊接時內部空氣受熱膨脹爆炸，所以在銅連接片焊接處中心設有排氣孔，如圖9 所示。

圖9 焊接型銅連接片的結構優化設計

經改進后的工藝方案做了相同的實驗，當電流從3 000 A 逐漸增加到8 000 A 時，銅連接片焊接處的焊接筋開始熔化，直到電流調整到10 kA 時,空心插銷端部與銅連接片完全互熔，且無炸焊現象。

3.5 最終方案確認

經過兩個方案與實驗對比分析，得出普通的焊接方案由于插銷端面與銅連接面平面接觸，導流面積大，電流密度小，且下電極與空心插銷外表面完全接觸，電流分散，溫度升溫不集中，在焊接壓力下空心插銷還未達到熔化狀態而變形，上電極、銅連接片與空心插銷之間接觸壓力減小，在大電流作用下空氣導電而發生炸焊現象。

其次工藝參數的調整對焊接性能十分重要，主要包括焊接電流、電極壓力、焊接通電時間與焊機功率大小：

焊接電流：在采用合適的電極壓力下不至于擠出過多金屬時的電流作為最大電流。

在焊接筋完全壓漬之前能使焊接筋熔化的電流作為最小電流，工件的材質及厚度是選擇焊接電流的主要依據。

電極壓力：電極壓力應使焊接筋達到焊接溫度時能全部壓漬，并使兩工件緊密貼合，電極壓力過大會過早地壓漬焊接筋，失去焊接筋的作用，同時電流密度減小而溫度不集中，壓力過小又會造成嚴重的炸焊噴濺。因此電極壓力的大小，同時影響吸熱和散熱，應根據工件的材質和厚度來確定。

焊接通電時間：焊接通電時間是指焊一個點的通電時間，焊接通電時間與焊接電流相匹配，如要縮短焊接通電時間就應增大焊接電流，但過大的焊接電流會使金屬過熱和引起噴濺。對于給定的工件材料和厚度，焊接通電時間應根據焊接電流和焊接筋的剛度來確定。

焊接功率：焊接每一個焊點所需的電功率視厚度不同而異，一般工件厚0.5 mm，功率為（20～30）kW，工件厚1 mm，功率為（40～50）kW，工件厚3 mm，功率為（80～100）kW。

4 焊接工藝方案的優點

4.1 性能

空心插銷與銅連接片通過電阻焊工藝進行焊接固定，焊接后的插銷端部與銅連接片完全互熔，不僅提高了導電性能，還提高了產品的抗扭轉性能與拉脫力要求，使產品在電氣性能與機械強度等方面達到更高的標準要求。

接下來便是對鉚接與焊接工藝的產品做了對比驗證，分別對插銷與銅連接件進行沖壓工藝打樣測試，將拿到的樣品送檢，進行極限拉脫力與扭力矩實驗、溫升實驗，通過上述實驗檢測我們得到如表1 所示。

表1 性能測試數據

4.2 成本分析

結合目前銅材料的市場價格，我們對空心插銷的鉚接與焊接工藝方案的最終成本進行核算，本文以法式地極插銷為例，空心插銷材料均為普通黃銅H62，加工成型后鉚接方案插銷規格為：Φ4.8×20 mm，重量為1.01 g，焊接方案插銷規格為：Φ4.8×19 mm，重量為0.98 g，采用相同的H62 銅連接片，單根插銷的鉚焊與焊接加工工時等費用成本如表2。

表2 單根插銷成本與鉚接加工成本對比

通過表中成本核算，單根直徑為Φ4.8 的插銷，焊接方案要比鉚接方案價格少0.003 元，由于焊接加工時間短，只有鉚接加工時間的1/3,因此空心插銷鉚接方案比焊接方案高0.015 元，相較于兩種不同的連接方案，通過最終的成本核算，鉚接方案在成本上多了0.018 元。

5 結論

本文研究設計出更加滿足要求的插銷連接工藝，提出了一種空心插銷焊接工藝，為插頭插座等產品設計與加工提供了理論基礎。空心插銷采用焊接工藝后，不僅解決了鉚接工藝產生的抗扭轉性能差，插銷易松動等問題，還提高了插銷的導電能力，提升了插座使用時的安全性，帶來了良好的經濟效益和社會效益。未來空心插銷焊接將取代鉚接工藝。