申志剛， 程 霞， 吳志生， 賈托勝， 李 祥， 李曉飛，王新民， 王根虎， 楊 明， 鄭鑫鈿

（1. 浙江福達(dá)合金材料科技有限公司，浙江溫州 325025；2. 太原科技大學(xué)，山西太原 030024）

0 引言

觸頭元件產(chǎn)品是低壓電器元器件中非常關(guān)鍵的電接觸零部件，被稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)電器產(chǎn)品的“心臟”。觸頭元件的質(zhì)量很大程度上決定著電器產(chǎn)品的使用性能，甚至可以說(shuō)觸頭元件產(chǎn)品的失效就意味著電器元器件使用壽命的終結(jié)。觸頭元件通常由不同材質(zhì)的觸點(diǎn)和支撐件通過(guò)某種焊接工藝連接而成。電阻焊、感應(yīng)釬焊、火焰釬焊、爐中釬焊等是低壓電器觸頭元件制造中的主要焊接工藝，其中電阻焊工藝的應(yīng)用最為廣泛。由于國(guó)內(nèi)外低壓電器企業(yè)組件一體化的要求，即使很多電器企業(yè)自身或其配套的焊接外協(xié)企業(yè)將觸頭元件的焊接工序作為其生產(chǎn)制造過(guò)程中的關(guān)鍵工序,但這些企業(yè)中大多對(duì)電阻焊接電極材料的特性不熟悉，在上、下電極材料選擇，電極形狀設(shè)計(jì)和焊接工藝設(shè)計(jì)方面不夠合理，導(dǎo)致觸頭元件生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)諸多的焊接質(zhì)量問(wèn)題。本研究結(jié)合電阻焊接的基本原理和實(shí)際焊接案例，并從電阻焊接工藝的熱平衡理論和常見(jiàn)電極材料的性能等方面出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹觸頭元件焊接電極材料的配比選擇原則。

1 常見(jiàn)電極材料的特性及選用原則

1.1 電極材料的特性

通常，觸頭元件的觸點(diǎn)和支撐是不同材料的零件，在最常用的電阻焊接工藝中，結(jié)合兩者的可焊接性，可分為電阻點(diǎn)焊和電阻釬焊。由于國(guó)內(nèi)先前大多數(shù)觸頭元件焊接企業(yè)出于設(shè)備采購(gòu)成本和電極加工性能方面的考慮，石墨電極一度成為國(guó)內(nèi)電阻焊接最為常用的焊接電極。但隨著客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品性能和焊接質(zhì)量一致性的高標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)滿(mǎn)足加工制造過(guò)程中節(jié)能、環(huán)保的要求，因此，金屬電極電阻焊接工藝的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，也是本文討論的重點(diǎn)。常見(jiàn)的金屬電極材料包括鉻鋯銅、鉬、鎢、銅鎢等，其成分及性能要求如表1所示。

1.2 電極材料選擇的基本原則

將準(zhǔn)備連接的工件置于上下焊接電極之間并施加一定的壓力，然后對(duì)焊接區(qū)域待焊工件通以一定的電流，利用待焊工件與電極等零件之間的總電阻R產(chǎn)生的熱量加熱工件并達(dá)到局部熔化(或塑性變形)狀態(tài)。斷電后在壓力繼續(xù)作用下，形成牢固的焊接接頭，這種工藝過(guò)程稱(chēng)之為電阻焊。電阻焊接工藝基本原理的示意圖如圖1所示。

圖1 電阻焊基本原理示意圖

保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的核心零件—焊接電極，其自身需具備如下幾個(gè)功能：①將焊接壓力傳遞給待焊工件；②將焊接電流傳導(dǎo)給待焊工件；③將焊接區(qū)域產(chǎn)生的熱量快速散失。

鑒于電極材料需具備的以上功能，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)必須有良好的剛性和強(qiáng)度，良好的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和高溫硬度等關(guān)鍵特性，且具備充分冷卻的條件。

同時(shí)，正是由于電極具有以上功能，其必然會(huì)成為電阻焊中的關(guān)鍵易損件。

電阻焊接選擇的電極材料需要同時(shí)具備諸多方面的使用性能,但通常而言，電極材料硬度與其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性是不可避免的一對(duì)矛盾，即硬度越高，導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能越差。

在觸頭元件電阻焊接中電極材料的選擇主要根據(jù)觸點(diǎn)和支撐件的材質(zhì)。電極材料選擇基本原則為：①在自身導(dǎo)電率高的待焊工件一側(cè)選用導(dǎo)電率低的電極材料；②在自身導(dǎo)電率低的待焊工件一側(cè)選用導(dǎo)電率高的電極材料。

以電阻點(diǎn)焊工藝為例，產(chǎn)品焊接質(zhì)量主要取決于焊核的質(zhì)量，如圖2所示。通常，點(diǎn)焊焊核在工件兩邊的深度對(duì)稱(chēng)分布是比較理想的狀態(tài)，但由于待焊零件間的電阻率有差異，如果選擇的上、下電極材料不合理，會(huì)因工件兩側(cè)輸入熱量不平衡而導(dǎo)致焊核偏移。一般而言，自身電阻大的零件由于其散熱能力較差，會(huì)導(dǎo)致焊核向這一側(cè)偏移，因此該側(cè)工件的焊透率高于自身電阻低的零件一側(cè)。由于焊核的偏移現(xiàn)象最終導(dǎo)致整個(gè)焊點(diǎn)的焊接強(qiáng)度降低，這給觸頭元件的焊接質(zhì)量帶來(lái)了一定的隱患。

圖2 點(diǎn)焊焊核示意圖

在固有電阻率低的工件一側(cè)使用電阻率高的電極材料，能夠改善該側(cè)工件在焊接過(guò)程中自身產(chǎn)生電阻熱量不足的問(wèn)題；而在固有電阻率高的工件一側(cè)使用電阻率低的電極材料，可避免該側(cè)電極材料在焊接過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的熱量。根據(jù)不同材質(zhì)的待焊工件來(lái)選擇和匹配不同的電極材料，進(jìn)而達(dá)到因工件兩側(cè)的近似平衡的熱量而使產(chǎn)品焊接后的焊核呈現(xiàn)近似對(duì)稱(chēng)分布的良好焊接效果，最終觸頭元件產(chǎn)品可以獲得良好的焊接質(zhì)量。

2 典型產(chǎn)品的電極選擇及搭配

通常低壓電器觸頭元件觸點(diǎn)和支撐件都是不同材質(zhì)的零件，根據(jù)兩者的可焊性來(lái)確定采用金屬電極電阻點(diǎn)焊或電阻釬焊焊接工藝。表2羅列了一些常見(jiàn)觸點(diǎn)和支撐件的焊接工藝選擇。

表2 常見(jiàn)待焊材料及其焊接工藝選擇

以幾個(gè)典型的觸頭元件焊接案例來(lái)闡述電極材料選擇和工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)，供大家參考。

案例1：一款微型斷路器觸頭元件，觸點(diǎn)材料為AgC(5)，規(guī)格φ3.3 mm×0.5 mm，支撐件材料為紫銅，厚度1 mm（如圖3所示）。

圖3 微斷觸頭元件

從零件的材料特性來(lái)說(shuō)，銀石墨（AgC(5)）觸點(diǎn)和紫銅支撐件都有很好的導(dǎo)電性能，根據(jù)電極材料選用原則，自身導(dǎo)電性好（固有電阻?。┑墓ぜ柽x擇導(dǎo)電性差（固有電阻大）的電極材料，因此在紫銅支撐件一側(cè)選用鎢銅合金或純鉬電極，電極材料的成分及性能參照表1。參照表2可知，銀石墨觸點(diǎn)與紫銅支架件的焊接工藝應(yīng)該選擇電阻釬焊工藝，同時(shí)考慮到生產(chǎn)效率，我司最終采用自動(dòng)化電阻釬焊工藝。除電極材料外，上、下電極的形狀設(shè)計(jì)也是保證產(chǎn)品穩(wěn)定焊接的關(guān)鍵因素之一。具體的電極形狀需根據(jù)焊接工藝設(shè)計(jì)，為了方便產(chǎn)品焊接和實(shí)際操作,將紫銅支架一側(cè)的電極制作成類(lèi)似三角形的長(zhǎng)條形仿形電極，具體材料牌號(hào)為CuW(90)，如圖4 所示。這樣既可以保證紫銅支撐件一側(cè)有足夠的焊接熱量，又能方便工件和電極的散熱。

圖4 CuW（90）電極

按照電極材料選擇基本原則，AgC(5)觸點(diǎn)一側(cè)焊接電極也應(yīng)該選擇導(dǎo)電性差的電極材料，如CuW(90)或純鉬電極，但考慮到AgC(5)觸點(diǎn)的材料特性，其基體材料偏軟，硬度較低，AgC(5)觸點(diǎn)在高溫及壓力的作用下會(huì)出現(xiàn)較大的變形或觸點(diǎn)表面的燒傷等焊接缺陷，最終會(huì)影響到微型斷路器觸頭開(kāi)關(guān)的使用性能。同時(shí)結(jié)合紫銅支撐件一次電極材料選擇及形狀的設(shè)計(jì)，AgC(5)觸點(diǎn)一側(cè)選擇比紫銅材料耐磨性、耐高溫性能更好的鎢銅材料，具體牌號(hào)為CuW(55)。并且為了兼顧散熱性和電阻焊接熱量平衡，將觸點(diǎn)一側(cè)的電極設(shè)計(jì)成鑲嵌電極（電極座為鉻鋯銅材質(zhì)，電極頭為鎢銅材質(zhì)）如圖5所示。

圖5 CuW(55)電極

選用如上所述的上、下電極材料及其形狀設(shè)計(jì)，同時(shí)將焊接壓力、焊接時(shí)間、焊接電流等關(guān)鍵參數(shù)合理設(shè)置，可很好地達(dá)到電極使用壽命延長(zhǎng)和產(chǎn)品焊接一致性好的目的。

案例2：觸點(diǎn)材料為AgC(5)，規(guī)格為3 mm×3 mm×0.65 mm，支撐件材料為鐵鍍銅或覆銅鋼，厚度1mm，如圖6所示。

圖6 微斷觸頭元件

按照電極材料選用的基本原則，支撐件為鐵鍍銅或覆銅鋼材質(zhì)時(shí)，由于其導(dǎo)電性差，應(yīng)該選擇導(dǎo)電性好的材料作為電極。紫銅電極雖滿(mǎn)足該原則，但紫銅材料的耐磨性不佳，軟化溫度偏低，導(dǎo)致產(chǎn)品焊接過(guò)程中電極使用壽命偏短，不利于自動(dòng)化焊接操作，因此，選用性能更佳優(yōu)越的氧化鋁銅材料。彌散強(qiáng)化相氧化鋁的加入使氧化鋁銅電極的熱穩(wěn)定性極好，甚至在焊接溫度接近銅熔點(diǎn)溫度的情況下仍然能較好地保持其固有的物理化學(xué)性質(zhì)。正是由于其具有高達(dá)930 ℃的軟化溫度，才很好地保證了電極材料具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱以及良好的硬度和強(qiáng)度等性能，是電阻焊接中非常理想的電極材料。銀石墨觸點(diǎn)一側(cè)，參照案例1 選擇鑲嵌式鎢銅電極，甚至為了使觸點(diǎn)焊后表面狀態(tài)更加理想，也可選用鑲嵌式銀鎢電極（電極座為鉻鋯銅材質(zhì)，電極頭為銀鎢材質(zhì)）。

參照表2，銀石墨觸點(diǎn)與鐵鍍銅或覆銅鋼支架件的可焊性良好，焊接工藝應(yīng)該選擇電阻點(diǎn)焊工藝，同時(shí)考慮到生產(chǎn)效率，對(duì)該產(chǎn)品我司最終采用自動(dòng)化電阻點(diǎn)焊工藝。

3 典型產(chǎn)品的焊接工藝設(shè)計(jì)

以觸點(diǎn)元件中觸點(diǎn)厚度與支撐件厚度尺寸差距較大時(shí)的情況為典型案例。在觸點(diǎn)元件的焊接過(guò)程中由于觸點(diǎn)、支撐件的厚度不同、材料不同，在電流場(chǎng)分布不均勻及散熱條件不相同的情況下，使待焊工件兩側(cè)的熱量輸入不同，這樣會(huì)導(dǎo)致焊核呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)，會(huì)向材料厚度大的零件一側(cè)偏移，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度降低，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)非常大的隱患。此種情況下比較常見(jiàn)的工藝方案如下。

3.1 焊接電極工作端面形狀的改進(jìn)

圖7是常見(jiàn)的電極工作面形狀。

圖7 常見(jiàn)的電極工作面形狀

當(dāng)材料厚度較小的待焊零件自身電阻率較低時(shí)，可通過(guò)提高該零件一側(cè)的發(fā)熱量來(lái)提高其焊透率。如采用錐形電極或?qū)㈦姌O直徑減小等措施,通過(guò)減小電極與待焊工件的接觸面積來(lái)增大薄件一側(cè)的焊接電流密度來(lái)改善焊核偏移的問(wèn)題，最終得到優(yōu)良的焊接效果。

3.2 在觸點(diǎn)或支撐件焊接面上增加工藝凸點(diǎn)或凸筋

在導(dǎo)熱性能良好的兩待焊零件間的材料厚度相差較大的情況下，可采用在觸點(diǎn)或支撐件焊接面上增加工藝凸筋或凸點(diǎn)來(lái)提高兩工件焊接位置的電阻焊接。由焦耳定律Q=I2Rt可知，焊接發(fā)熱量Q與接觸電阻R成正比例，即R增大時(shí)，焊接發(fā)熱量Q也隨之呈線(xiàn)性增大。在觸點(diǎn)或支撐件焊接面上設(shè)計(jì)凸筋或凸點(diǎn)的目的是增加產(chǎn)品焊接時(shí)的電流密度,通過(guò)凸筋或凸點(diǎn)的熔化或塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)厚度差距較大的觸頭元件的電阻焊接,這樣可一定程度上提升其焊接強(qiáng)度[2]。圖8 為某款產(chǎn)品的焊接工件示意圖。

圖8 焊接工裝示意圖

該款產(chǎn)品中支撐件較厚（高度方向），觸點(diǎn)較薄，且觸頭元件產(chǎn)品要求焊接后支撐件的硬度HV必須在80 以上?？紤]到焊接工藝對(duì)支撐件熱影響區(qū)的變化，該產(chǎn)品只能采用銅合金電極進(jìn)行電阻焊接。但由于產(chǎn)品觸點(diǎn)工作面為R40 的弧面，這給焊接工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定難度，需要將上電極制作成與觸點(diǎn)弧度相匹配的弧面電極。同時(shí)為了提高產(chǎn)品的可焊性，將觸點(diǎn)焊接面設(shè)計(jì)成3 個(gè)凸起的弧形凸點(diǎn)，增加焊接時(shí)的電流密度，具體情況如圖9。

圖9 觸點(diǎn)焊接面凸點(diǎn)設(shè)計(jì)示意圖

圖9中觸點(diǎn)焊接面齒形的4 個(gè)尺寸對(duì)觸頭元件的焊接質(zhì)量有很大的影響，經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)后，上電極采用銅鎢/銀鎢，下電極采用鉬鋼進(jìn)行焊接，可以獲得理想的焊接強(qiáng)度。觸頭元件焊后剪切力實(shí)測(cè)值達(dá)175 N/mm2以上[1]，同時(shí)焊接設(shè)備設(shè)計(jì)成下電極為兩側(cè)加持銅件的方式，下電極加持銅件的位置設(shè)計(jì)合格，可達(dá)到觸頭元件焊接熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量非常穩(wěn)定的良好效果，如圖10～11所示。

圖10 焊接外觀(guān)

圖11 焊接金相

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上案例，在低壓電器觸頭元件的電阻焊接工藝中，電極材料選用原則：①在自身導(dǎo)電率高的待焊工件一側(cè)選用導(dǎo)電率低的電極材料；②在自身導(dǎo)電率低的待焊工件一側(cè)選用導(dǎo)電率高的電極材料。

通過(guò)合理的電極材料選擇和形狀設(shè)計(jì)，盡可能在待焊工件兩邊形成深度對(duì)稱(chēng)分布的焊核，達(dá)到理想的焊接效果。另外，在參照電極選用基本原則的同時(shí)也要考慮產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)的一些特殊情況，有時(shí)候同一種產(chǎn)品手工焊接和自動(dòng)化焊接的上下電極的配比或形狀會(huì)有所不同，因此焊接電極的選用要考慮焊接效率、焊接工藝及實(shí)際操作的便捷性等諸多因素，再加以設(shè)置合理的焊接參數(shù)才能獲得良好的焊接質(zhì)量。