空心插销焊接工艺的研究及其应用

罗特苗 章卫军 李富裕 柴奇凯 张希伟

（公牛集团股份有限公司 慈溪 315314）

引言

目前市场上部分插销已采用空心插销，因为空心插销耗材少，成本低，加工工艺日趋成熟，实践证明同等大小的空心插销的重量约占实心插销的1/3,这样不仅大幅度降低了原材料的使用，且空心插销的表面积也约为实心插销的2 倍，散热面积大，对产品的温升性能有较大提高。插销与导电片连接通常采用铆接工艺。从理论上分析，空心插销固定方式由铆接改为焊接后，空心插销与导电部件之间的铆接缝隙基本被消除，两者接触的有效性和可靠性大幅提升，接触电阻降低，导电性能更好，提高产品的良率。

1 标准要求

对于应用在插座领域的插销，根据IEC 60884 标准，固定连接后的插销应满足以下机械强度、安规和电气性能等要求：

1）插销本身的机械强度，抗冲击性能；

2）产品温升要求：＜45 K；

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

4）拉脱力要求：满足插拔力要求50 N，不得有松动现象。

2 铆接型连接方案

目前空心插销与导电部件的连接主要采用铆接加工工艺，包括压力铆接与旋压铆接，其原理是将插销的端部加工成带有台阶面的圆柱形，与铜连接片上的圆孔配合，在压力机的作用力下将插销端部打压变形，从而实现连接固定的目的，如图1 所示。空心插销通过铆接工艺与铜连接片贴合实现电气连接。而实际铆接过程中，由于插销与铜连接片通孔壁之间存在间隙，在铆接过程中不可能使空心插销和通孔壁完全接触，如果铆接不牢，空心插销端面与导电部件表面之间往往会形成或大或小如图2 所示的接触缝隙、松动，造成预期要实现大面积低电阻接触的部位反而形成了较大的接触电阻，大大降低了空心插销的导电性能。

图1 铆接前后示意图

图2 铆接不良间隙、松动

其次，由于空心插销端部机械强度相对较差，铆接后抗扭性能不稳定，机械强度差，部分产品无法达到标准要求，产品不良率较高，且存在漏检风险，存在较大的安全隐患。

3 焊接型工艺方案

目前的电阻焊技术都是将两个片状或板状工件在焊点处焊接，而管状与板状的焊接目前还未有先例，使用管状空心插销需要解决的关键技术是通过电阻焊工艺使空心插销端面与铜连接片在焊接电流、焊接压力的作用下高温互熔、冷却固定，从而实现连接固定的目的。

电阻焊的工作原理：是将在两个焊接部件的焊接处通过适当的电流，使焊接处的金属快速产生高温而熔化，在焊接压力下混合，冷却凝固，实现焊接固定连接的目的。其工艺原理如图3 所示，其中的关键技术是如何使焊接处的金属在电流作用下熔化。

图3 电阻焊工艺原理图[2]

3.1 焊接型空心插销、导电部件材质选择与结构设计

本文以空心插销的焊接工艺为实施方案，主要从工件的材质，焊接处的结构以及焊接工艺等几个方面来叙述。

插座中常用的导电材料以黄铜H62 为主，如插套、连接片、接线端子等，其它铜材料有用于车削加工的铅黄铜如HPb59-1，HPb59-3 等以及部分导电性能更好的材料，如紫铜，磷青铜等。H62 黄铜是一种平均含铜量为62 %的普通黄铜，有良好的力学性能，冷、热态下塑性好，具有优良的切削加工性能，易焊接，耐腐蚀，价格便宜，是插头插座中的主要导电材料，本文所选用的材料均以H62 黄铜为例。

铜连接片的制作工艺：铜连接片是将铜板冲压成型，保持产品所需的形状，与插销焊接处呈平板形状，如图4 所示。

图4 焊接型铜连接片的结构设计

空心插销的制作工艺是利用了黄铜 H62 良好的延展性，将黄铜板拉伸成型，再进行热处理，使插销其机械强度完全满足标准要求。为了使插销焊接面的材质与铜连接片材质保持一致，空心插销焊接端部应除去电镀层，增强熔融状态下材质的互熔性能。其此，应在端面设置倒斜面，以保证与连接片相适合的接触面积，如图5 所示。

图5 焊接型空心插销的结构设计

3.2 电极材料

电极是电阻焊设备中的重要部件，焊接不同的金属工件需选用相应电极材料，目前常用的电极材质有：

1）纯铜电极适用于压强小，焊接温度低，小批量情况下。

2）镉铜电极一般用于铝合金材料的焊接，不过镉被指定为有害物质。

3）铬铜电极一般用于钢板等的焊接。

4）铬锆铜（CuCrZr）是最常见得电阻焊电极材料，具有优良的导电性，较高的软化温度，较高的硬度和强度与耐磨性，且性价比高，主要用于低碳钢或镀层钢。

5）氧化铝铜（CuAl2O3），它与铬锆铜相比，具有更高的强度，出色的高温机械性能（软化温度达900 ℃）及良好导电性，具有出色的耐磨性，寿命长，不用经常打磨。

6）铍铜（BeCu）电极与铬锆铜相比，具有更高的硬度、强度及软化温度（软化温度可达650 ℃），但其导电率差，造价较高。

7）钨铜电极是由高纯度的钨粉与高导电性铜粉高温烧结熔融而成的复合金属材料，具有良好的导电性、高温不软化，高强度、高硬度、高密度等特点，适合于焊接有色金属铜、铝、镍等。

8）钼钨钼电极具有高硬度、高熔点、高温工作性能优越等特点，适用于焊接有色金属铜、铝、镍等。

根据H62 黄铜的焊接性能，我们选用了强度高、耐磨性好、寿命较长的氧化铝铜或钨铜作为电极材料。

3.3 上、下电极的初始方案设计确认

图6 常见点焊工艺的电极

本文主要讲述的是板（片）状焊接件与管状部件的焊接的研究过程，以德法式插销（外径φ4.8，管厚0.5 mm）与板厚0.6 mm 的铜连接片的焊接为研究对象，阐述上、下电极的设计过程。

初步方案设想：根据常规点焊工艺原理，上电极接触面应大于管径φ4.8 mm，初步设计为φ5-φ6 mm。下电极的设计主要考虑插销的安放定位与下电极的相连，为了便于将焊接后插销从下电极取出，我们把下电极设计成左右两部分，插销放入后管口应高出下电极上平面约0.5 mm，即为插销端部在焊接时的熔化部分,如图7所示。

图7 空心插销焊接工艺电极初始结构设计

采用功率为20 kW 的焊接电源设备，每次通过调整电流大小与焊接通电时间，当电流从3 000 A 逐渐增加到5 500 A 时，空心插销端部开始熔化，而铜连接片仍然未熔化，当续继加大电流时开始出现炸焊喷溅现象，同时空心插销被压塌变形。

经过分析，第一导致铜连接片未熔化的原因，是由于上电极与铜连接片接触面积大，电流密度分散，发热量不集中，铜连接片焊接处发热温度不高，金属材料难熔化。第二空心插销压塌变形，由于空心插销整个表面与下电极接触，电流方向分散，整个插销温度升高，铜材料在高温时变软，同时在压力的作用下变形。

3.4 优化方案设计

针对以上实验结果我们将上、下电极，铜连接片作出了进一步的调整。

3.4.1 上、下电极的优化方案设计

下电极：下电极设计为与空心插销只在端面1 mm 处贴合，其余部分与下电极绝缘隔离，焊接时电流只通过插销端面一小部分，使电流集中，焊接时空心插销不会发热变软；

雪萤往那边瞧了一眼，便退出来，并临时改变主意，从另一条小巷穿出了市场，什么也没买就急匆匆地走了，边走边回头张望。

上电极：在下端面中心开设排气孔与排气槽，排气孔的直径应略小于空心插销内径，

焊接时上电极的环形面与铜连接片接触，减少了导流面积，有利于加大焊接处的电流密度，焊接时电流方向如图8 所示。

3.4.2 导电部件结构优化设计

铜连接片：在铜连接片的焊接处设计焊接筋，焊接时使焊接筋与空心插销端面贴合，导流面积较少，电流密度增加。

为了焊接处的金属材料在电流作用快速升温熔化，其中电流密度是一个最主要的参数，电流密度越大升温越快，因此我们需要在铜连接片上的焊接处增加焊接筋，通过焊接筋与插销端面接触，尽可能减少相互间的接触面积，从而增加电流密度。焊接筋一般采用一条或多条，视接触面积的大小来确定。由于空心插销另一端为封闭状，为避免焊接时内部空气受热膨胀爆炸，所以在铜连接片焊接处中心设有排气孔，如图9 所示。

图9 焊接型铜连接片的结构优化设计

经改进后的工艺方案做了相同的实验，当电流从3 000 A 逐渐增加到8 000 A 时，铜连接片焊接处的焊接筋开始熔化，直到电流调整到10 kA 时,空心插销端部与铜连接片完全互熔，且无炸焊现象。

3.5 最终方案确认

经过两个方案与实验对比分析，得出普通的焊接方案由于插销端面与铜连接面平面接触，导流面积大，电流密度小，且下电极与空心插销外表面完全接触，电流分散，温度升温不集中，在焊接压力下空心插销还未达到熔化状态而变形，上电极、铜连接片与空心插销之间接触压力减小，在大电流作用下空气导电而发生炸焊现象。

其次工艺参数的调整对焊接性能十分重要，主要包括焊接电流、电极压力、焊接通电时间与焊机功率大小：

焊接电流：在采用合适的电极压力下不至于挤出过多金属时的电流作为最大电流。

在焊接筋完全压渍之前能使焊接筋熔化的电流作为最小电流，工件的材质及厚度是选择焊接电流的主要依据。

电极压力：电极压力应使焊接筋达到焊接温度时能全部压渍，并使两工件紧密贴合，电极压力过大会过早地压渍焊接筋，失去焊接筋的作用，同时电流密度减小而温度不集中，压力过小又会造成严重的炸焊喷溅。因此电极压力的大小，同时影响吸热和散热，应根据工件的材质和厚度来确定。

焊接通电时间：焊接通电时间是指焊一个点的通电时间，焊接通电时间与焊接电流相匹配，如要缩短焊接通电时间就应增大焊接电流，但过大的焊接电流会使金属过热和引起喷溅。对于给定的工件材料和厚度，焊接通电时间应根据焊接电流和焊接筋的刚度来确定。

焊接功率：焊接每一个焊点所需的电功率视厚度不同而异，一般工件厚0.5 mm，功率为（20～30）kW，工件厚1 mm，功率为（40～50）kW，工件厚3 mm，功率为（80～100）kW。

4 焊接工艺方案的优点

4.1 性能

空心插销与铜连接片通过电阻焊工艺进行焊接固定，焊接后的插销端部与铜连接片完全互熔，不仅提高了导电性能，还提高了产品的抗扭转性能与拉脱力要求，使产品在电气性能与机械强度等方面达到更高的标准要求。

接下来便是对铆接与焊接工艺的产品做了对比验证，分别对插销与铜连接件进行冲压工艺打样测试，将拿到的样品送检，进行极限拉脱力与扭力矩实验、温升实验，通过上述实验检测我们得到如表1 所示。

表1 性能测试数据

4.2 成本分析

结合目前铜材料的市场价格，我们对空心插销的铆接与焊接工艺方案的最终成本进行核算，本文以法式地极插销为例，空心插销材料均为普通黄铜H62，加工成型后铆接方案插销规格为：Φ4.8×20 mm，重量为1.01 g，焊接方案插销规格为：Φ4.8×19 mm，重量为0.98 g，采用相同的H62 铜连接片，单根插销的铆焊与焊接加工工时等费用成本如表2。

表2 单根插销成本与铆接加工成本对比

通过表中成本核算，单根直径为Φ4.8 的插销，焊接方案要比铆接方案价格少0.003 元，由于焊接加工时间短，只有铆接加工时间的1/3,因此空心插销铆接方案比焊接方案高0.015 元，相较于两种不同的连接方案，通过最终的成本核算，铆接方案在成本上多了0.018 元。

5 结论

本文研究设计出更加满足要求的插销连接工艺，提出了一种空心插销焊接工艺，为插头插座等产品设计与加工提供了理论基础。空心插销采用焊接工艺后，不仅解决了铆接工艺产生的抗扭转性能差，插销易松动等问题，还提高了插销的导电能力，提升了插座使用时的安全性，带来了良好的经济效益和社会效益。未来空心插销焊接将取代铆接工艺。