氮化硅材料在凸焊螺母工藝上的應(yīng)用

凸焊螺母的工藝

凸焊螺母是一種常用的緊固件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、家電、航空航天以及汽車(chē)制造等領(lǐng)域。凸焊螺母具有連接工藝簡(jiǎn)單、安裝過(guò)程便捷等優(yōu)點(diǎn)。凸焊螺母的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（見(jiàn)圖1）是在螺母的一端設(shè)置凸點(diǎn)或者凸環(huán)，通過(guò)加熱，凸點(diǎn)或者凸環(huán)熔化形成焊點(diǎn)，以焊接的方式固定在母材上，從而實(shí)現(xiàn)連接的目的。

凸焊螺母連接的工藝原理

凸焊工藝屬于電阻焊的一個(gè)分支。電阻焊的工藝原理如圖2所示，當(dāng)被焊接材料組合后，通過(guò)電極施加壓力，利用電流流過(guò)焊接區(qū)所產(chǎn)生的電阻熱加熱工件，使要焊接部位達(dá)到局部熔化或高溫塑性狀態(tài)，通過(guò)電阻熱與機(jī)械壓力的聯(lián)合作用，使被焊接材料形成原子間結(jié)合（焊點(diǎn)），從而實(shí)現(xiàn)連接。

電阻焊的基本過(guò)程如圖3所示，分為四個(gè)階段。

點(diǎn)焊時(shí)產(chǎn)生的熱量由下式?jīng)Q定

式中 產(chǎn)生的熱量；i 焊接電流；r 焊接電阻； 焊接時(shí)間。

通過(guò)公式（1）得知，影響焊接熱量的因素中，焊接電流的穩(wěn)定至關(guān)重要。

汽車(chē)行業(yè)凸焊工藝現(xiàn)狀

汽車(chē)行業(yè)在節(jié)能、環(huán)保及輕量化的大發(fā)展背景下，廣泛應(yīng)用高強(qiáng)度板材、熱成型板材以及高強(qiáng)度緊固件。以上新材料的優(yōu)勢(shì)在于抗拉與屈服性能優(yōu)良、硬度高，提高了整車(chē)的安全性；顯著缺點(diǎn)是，材料的工藝焊接性變差，增加了脫焊、虛焊等缺陷的發(fā)生概率。為獲得穩(wěn)定的連接質(zhì)量，提升焊接電流、提高焊接時(shí)間是簡(jiǎn)單有效的方法。

凸焊螺母采用定位銷(xiāo)精準(zhǔn)定位，傳統(tǒng)凸焊定位銷(xiāo)使用KCF材料，KCF是合金材料，屬于導(dǎo)電材料，在高溫下經(jīng)過(guò)特殊熱處理工藝后，在表面生成一層 的絕緣層。在凸焊高溫環(huán)境下，絕緣層磨損，定位銷(xiāo)周?chē)鷷?huì)有不必要的電流通過(guò)，使定位銷(xiāo)與凸焊螺母之間產(chǎn)生火花，導(dǎo)致螺母虛焊（見(jiàn)圖4）與飛濺（見(jiàn)圖5）等。通過(guò)提升焊接電流、提高焊接時(shí)間解決連接質(zhì)量問(wèn)題的同時(shí)，會(huì)進(jìn)一步增加凸焊后螺母外觀缺陷的發(fā)生概率。

虛焊與飛濺，是凸焊螺母質(zhì)量缺陷的兩個(gè)頑癥，嚴(yán)重影響車(chē)身零部件質(zhì)量水平。

絕緣材料的凸焊定位銷(xiāo)，可以有效避免焊接過(guò)程分流。氮化硅材料的引入，為解決以上問(wèn)題找到了方案。

氮化硅材料性能

氮化硅屬于陶瓷材料，無(wú)機(jī)化合物，化學(xué)式： ，是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一，維氏硬度約2 2 0 0 H V （凸焊螺母的材料硬度不超過(guò)400HV）。氮化硅熔點(diǎn)高達(dá) （超過(guò)鋼鐵的熔點(diǎn) ），加熱到 （凸焊電極工作面的溫度 8 0 0 ～ ），可以保持性能穩(wěn)定。氮化硅具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能耐幾乎所有的無(wú)機(jī)酸、燒堿溶液以及有機(jī)酸的腐蝕。還是一種高性能電絕緣材料，絕緣性極佳。氮化硅材料具備堅(jiān)固、耐高溫、耐腐蝕、高度絕緣等優(yōu)良性能，是制作凸焊螺母定位銷(xiāo)的理想材料（見(jiàn)圖6）。

氮化硅凸焊定位銷(xiāo)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

氮化硅作為綜合性能極高的陶瓷材料，相比傳統(tǒng)KCF合金材料，應(yīng)用在凸焊定位銷(xiāo)領(lǐng)域。具有以下突出優(yōu)勢(shì)。

1）氮化硅材料的高絕緣性能，可以避免定位銷(xiāo)周?chē)姆至?，輸出焊接電流穩(wěn)更穩(wěn)定。研究對(duì)比，屈服強(qiáng)度420MPa高強(qiáng)鋼材料焊接10級(jí)M10凸焊螺母，設(shè)置16500A電流。在同等工況下，傳統(tǒng)KCF定位銷(xiāo)，電流極差為600A；氮化硅定位銷(xiāo)，電流極差只有 2 0 0 A 。

2）使用氮化硅定位銷(xiāo)，凸焊螺母質(zhì)量穩(wěn)定，減少了檢修工序，提高了工作效率，降低了質(zhì)量管理成本。熱成型板焊接M6凸焊螺母，使用傳統(tǒng)KCF凸焊定位銷(xiāo)，虛焊、飛濺等缺陷高達(dá) 30 % ，而使用氮化硅凸焊定位銷(xiāo)可以徹底避免因定位銷(xiāo)分流帶來(lái)的飛濺與虛焊問(wèn)題。

3）氮化硅材料的高耐磨特性使得工件可以長(zhǎng)時(shí)間保持精確定位，從而確保了焊接的螺母具有非常高的形位尺寸。

氮化硅凸焊定位銷(xiāo)性價(jià)比

以M6凸焊螺母定位銷(xiāo)為例，統(tǒng)計(jì)對(duì)比：

傳統(tǒng)KCF凸焊定位銷(xiāo)單價(jià)在 2 0 ～ 4 0 元，最大使用壽命約10000個(gè)工作循環(huán)（即可生產(chǎn)10000顆凸焊螺母），每萬(wàn)顆凸焊螺母定位銷(xiāo)成本攤銷(xiāo)20～40元。

氮化硅凸焊定位銷(xiāo)硅單價(jià)80～150元，最大使用壽命約100000個(gè)工作循環(huán)（即可生產(chǎn)10000顆凸焊螺母），每萬(wàn)顆凸焊螺母定位銷(xiāo)成本攤銷(xiāo)8～15元。

氮化硅凸焊定位銷(xiāo)現(xiàn)階段價(jià)格相對(duì)較高，綜合考慮其優(yōu)異的耐磨性和產(chǎn)品質(zhì)量保證能力，以及更長(zhǎng)的使用壽命（傳統(tǒng)材料定位銷(xiāo)壽命的10倍），可以顯著節(jié)約制造成本。

氮化硅凸焊定位銷(xiāo)尚處在中前期推廣階段，隨著氮化硅加工工藝改進(jìn)與生產(chǎn)效率的提升，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

結(jié)語(yǔ)

氮化硅定位銷(xiāo)的優(yōu)異性能在眾多領(lǐng)域得到了體現(xiàn)，在汽車(chē)零部件行業(yè)推廣已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著氮化硅制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和工藝設(shè)備的持續(xù)升級(jí)，氮化硅定位銷(xiāo)的性能將得到進(jìn)一步提升。隨著其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和研究的深入開(kāi)展，氮化硅定位銷(xiāo)在未來(lái)將為制造業(yè)帶來(lái)更多的突破和進(jìn)步。