低壓電器觸頭元件電阻焊接工藝及電極材料選擇的研究

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

0 引言

觸頭元件產品是低壓電器元器件中非常關鍵的電接觸零部件，被稱之為開關電器產品的“心臟”。觸頭元件的質量很大程度上決定著電器產品的使用性能，甚至可以說觸頭元件產品的失效就意味著電器元器件使用壽命的終結。觸頭元件通常由不同材質的觸點和支撐件通過某種焊接工藝連接而成。電阻焊、感應釬焊、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用最為廣泛。由于國內外低壓電器企業組件一體化的要求，即使很多電器企業自身或其配套的焊接外協企業將觸頭元件的焊接工序作為其生產制造過程中的關鍵工序,但這些企業中大多對電阻焊接電極材料的特性不熟悉，在上、下電極材料選擇，電極形狀設計和焊接工藝設計方面不夠合理，導致觸頭元件生產時出現諸多的焊接質量問題。本研究結合電阻焊接的基本原理和實際焊接案例，并從電阻焊接工藝的熱平衡理論和常見電極材料的性能等方面出發，簡要介紹觸頭元件焊接電極材料的配比選擇原則。

1 常見電極材料的特性及選用原則

1.1 電極材料的特性

通常，觸頭元件的觸點和支撐是不同材料的零件，在最常用的電阻焊接工藝中，結合兩者的可焊接性，可分為電阻點焊和電阻釬焊。由于國內先前大多數觸頭元件焊接企業出于設備采購成本和電極加工性能方面的考慮，石墨電極一度成為國內電阻焊接最為常用的焊接電極。但隨著客戶對產品性能和焊接質量一致性的高標準要求，同時滿足加工制造過程中節能、環保的要求，因此，金屬電極電阻焊接工藝的應用越來越廣泛，也是本文討論的重點。常見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，然后對焊接區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產生的熱量加熱工件并達到局部熔化(或塑性變形)狀態。斷電后在壓力繼續作用下，形成牢固的焊接接頭，這種工藝過程稱之為電阻焊。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

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

鑒于電極材料需具備的以上功能，其設計結構必須有良好的剛性和強度，良好的熱導率、電導率和高溫硬度等關鍵特性，且具備充分冷卻的條件。

同時，正是由于電極具有以上功能，其必然會成為電阻焊中的關鍵易損件。

電阻焊接選擇的電極材料需要同時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電性和導熱性是不可避免的一對矛盾，即硬度越高，導電及導熱性能越差。

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

以電阻點焊工藝為例，產品焊接質量主要取決于焊核的質量，如圖2所示。通常，點焊焊核在工件兩邊的深度對稱分布是比較理想的狀態，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，會因工件兩側輸入熱量不平衡而導致焊核偏移。一般而言，自身電阻大的零件由于其散熱能力較差，會導致焊核向這一側偏移，因此該側工件的焊透率高于自身電阻低的零件一側。由于焊核的偏移現象最終導致整個焊點的焊接強度降低，這給觸頭元件的焊接質量帶來了一定的隱患。

圖2 點焊焊核示意圖

在固有電阻率低的工件一側使用電阻率高的電極材料，能夠改善該側工件在焊接過程中自身產生電阻熱量不足的問題；而在固有電阻率高的工件一側使用電阻率低的電極材料，可避免該側電極材料在焊接過程中產生過大的熱量。根據不同材質的待焊工件來選擇和匹配不同的電極材料，進而達到因工件兩側的近似平衡的熱量而使產品焊接后的焊核呈現近似對稱分布的良好焊接效果，最終觸頭元件產品可以獲得良好的焊接質量。

2 典型產品的電極選擇及搭配

通常低壓電器觸頭元件觸點和支撐件都是不同材質的零件，根據兩者的可焊性來確定采用金屬電極電阻點焊或電阻釬焊焊接工藝。表2羅列了一些常見觸點和支撐件的焊接工藝選擇。

表2 常見待焊材料及其焊接工藝選擇

以幾個典型的觸頭元件焊接案例來闡述電極材料選擇和工藝設計的依據，供大家參考。

案例1：一款微型斷路器觸頭元件，觸點材料為AgC(5)，規格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說，銀石墨（AgC(5)）觸點和紫銅支撐件都有很好的導電性能，根據電極材料選用原則，自身導電性好（固有電阻小）的工件需選擇導電性差（固有電阻大）的電極材料，因此在紫銅支撐件一側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，銀石墨觸點與紫銅支架件的焊接工藝應該選擇電阻釬焊工藝，同時考慮到生產效率，我司最終采用自動化電阻釬焊工藝。除電極材料外，上、下電極的形狀設計也是保證產品穩定焊接的關鍵因素之一。具體的電極形狀需根據焊接工藝設計，為了方便產品焊接和實際操作,將紫銅支架一側的電極制作成類似三角形的長條形仿形電極，具體材料牌號為CuW(90)，如圖4 所示。這樣既可以保證紫銅支撐件一側有足夠的焊接熱量，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)觸點一側焊接電極也應該選擇導電性差的電極材料，如CuW(90)或純鉬電極，但考慮到AgC(5)觸點的材料特性，其基體材料偏軟，硬度較低，AgC(5)觸點在高溫及壓力的作用下會出現較大的變形或觸點表面的燒傷等焊接缺陷，最終會影響到微型斷路器觸頭開關的使用性能。同時結合紫銅支撐件一次電極材料選擇及形狀的設計，AgC(5)觸點一側選擇比紫銅材料耐磨性、耐高溫性能更好的鎢銅材料，具體牌號為CuW(55)。并且為了兼顧散熱性和電阻焊接熱量平衡，將觸點一側的電極設計成鑲嵌電極（電極座為鉻鋯銅材質，電極頭為鎢銅材質）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計，同時將焊接壓力、焊接時間、焊接電流等關鍵參數合理設置，可很好地達到電極使用壽命延長和產品焊接一致性好的目的。

案例2：觸點材料為AgC(5)，規格為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時，由于其導電性差，應該選擇導電性好的材料作為電極。紫銅電極雖滿足該原則，但紫銅材料的耐磨性不佳，軟化溫度偏低，導致產品焊接過程中電極使用壽命偏短，不利于自動化焊接操作，因此，選用性能更佳優越的氧化鋁銅材料。彌散強化相氧化鋁的加入使氧化鋁銅電極的熱穩定性極好，甚至在焊接溫度接近銅熔點溫度的情況下仍然能較好地保持其固有的物理化學性質。正是由于其具有高達930 ℃的軟化溫度，才很好地保證了電極材料具有高導電、高導熱以及良好的硬度和強度等性能，是電阻焊接中非常理想的電極材料。銀石墨觸點一側，參照案例1 選擇鑲嵌式鎢銅電極，甚至為了使觸點焊后表面狀態更加理想，也可選用鑲嵌式銀鎢電極（電極座為鉻鋯銅材質，電極頭為銀鎢材質）。

參照表2，銀石墨觸點與鐵鍍銅或覆銅鋼支架件的可焊性良好，焊接工藝應該選擇電阻點焊工藝，同時考慮到生產效率，對該產品我司最終采用自動化電阻點焊工藝。

3 典型產品的焊接工藝設計

以觸點元件中觸點厚度與支撐件厚度尺寸差距較大時的情況為典型案例。在觸點元件的焊接過程中由于觸點、支撐件的厚度不同、材料不同，在電流場分布不均勻及散熱條件不相同的情況下，使待焊工件兩側的熱量輸入不同，這樣會導致焊核呈現不對稱的狀態，會向材料厚度大的零件一側偏移，最終導致焊點強度降低，給產品質量帶來非常大的隱患。此種情況下比較常見的工藝方案如下。

3.1 焊接電極工作端面形狀的改進

圖7是常見的電極工作面形狀。

圖7 常見的電極工作面形狀

當材料厚度較小的待焊零件自身電阻率較低時，可通過提高該零件一側的發熱量來提高其焊透率。如采用錐形電極或將電極直徑減小等措施,通過減小電極與待焊工件的接觸面積來增大薄件一側的焊接電流密度來改善焊核偏移的問題，最終得到優良的焊接效果。

3.2 在觸點或支撐件焊接面上增加工藝凸點或凸筋

在導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，可采用在觸點或支撐件焊接面上增加工藝凸筋或凸點來提高兩工件焊接位置的電阻焊接。由焦耳定律Q=I2Rt可知，焊接發熱量Q與接觸電阻R成正比例，即R增大時，焊接發熱量Q也隨之呈線性增大。在觸點或支撐件焊接面上設計凸筋或凸點的目的是增加產品焊接時的電流密度,通過凸筋或凸點的熔化或塑性變形來實現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度[2]。圖8 為某款產品的焊接工件示意圖。

圖8 焊接工裝示意圖

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

圖9 觸點焊接面凸點設計示意圖

圖9中觸點焊接面齒形的4 個尺寸對觸頭元件的焊接質量有很大的影響，經過以上設計后，上電極采用銅鎢/銀鎢，下電極采用鉬鋼進行焊接，可以獲得理想的焊接強度。觸頭元件焊后剪切力實測值達175 N/mm2以上[1]，同時焊接設備設計成下電極為兩側加持銅件的方式，下電極加持銅件的位置設計合格，可達到觸頭元件焊接熱影響區小，焊接質量非常穩定的良好效果，如圖10～11所示。

圖10 焊接外觀

圖11 焊接金相

4 結束語

通過以上案例，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在自身導電率高的待焊工件一側選用導電率低的電極材料；②在自身導電率低的待焊工件一側選用導電率高的電極材料。

通過合理的電極材料選擇和形狀設計，盡可能在待焊工件兩邊形成深度對稱分布的焊核，達到理想的焊接效果。另外，在參照電極選用基本原則的同時也要考慮產品實際生產的一些特殊情況，有時候同一種產品手工焊接和自動化焊接的上下電極的配比或形狀會有所不同，因此焊接電極的選用要考慮焊接效率、焊接工藝及實際操作的便捷性等諸多因素，再加以設置合理的焊接參數才能獲得良好的焊接質量。