氮化硅材料在凸焊螺母工藝上的應用

凸焊螺母的工藝

凸焊螺母是一種常用的緊固件，廣泛應用于機械、家電、航空航天以及汽車制造等領域。凸焊螺母具有連接工藝簡單、安裝過程便捷等優點。凸焊螺母的結構特點（見圖1）是在螺母的一端設置凸點或者凸環，通過加熱，凸點或者凸環熔化形成焊點，以焊接的方式固定在母材上，從而實現連接的目的。

凸焊螺母連接的工藝原理

凸焊工藝屬于電阻焊的一個分支。電阻焊的工藝原理如圖2所示，當被焊接材料組合后，通過電極施加壓力，利用電流流過焊接區所產生的電阻熱加熱工件，使要焊接部位達到局部熔化或高溫塑性狀態，通過電阻熱與機械壓力的聯合作用，使被焊接材料形成原子間結合（焊點），從而實現連接。

電阻焊的基本過程如圖3所示，分為四個階段。

點焊時產生的熱量由下式決定

式中 產生的熱量；i 焊接電流；r 焊接電阻； 焊接時間。

通過公式（1）得知，影響焊接熱量的因素中，焊接電流的穩定至關重要。

汽車行業凸焊工藝現狀

汽車行業在節能、環保及輕量化的大發展背景下，廣泛應用高強度板材、熱成型板材以及高強度緊固件。以上新材料的優勢在于抗拉與屈服性能優良、硬度高，提高了整車的安全性；顯著缺點是，材料的工藝焊接性變差，增加了脫焊、虛焊等缺陷的發生概率。為獲得穩定的連接質量，提升焊接電流、提高焊接時間是簡單有效的方法。

凸焊螺母采用定位銷精準定位，傳統凸焊定位銷使用KCF材料，KCF是合金材料，屬于導電材料，在高溫下經過特殊熱處理工藝后，在表面生成一層 的絕緣層。在凸焊高溫環境下，絕緣層磨損，定位銷周圍會有不必要的電流通過，使定位銷與凸焊螺母之間產生火花，導致螺母虛焊（見圖4）與飛濺（見圖5）等。通過提升焊接電流、提高焊接時間解決連接質量問題的同時，會進一步增加凸焊后螺母外觀缺陷的發生概率。

虛焊與飛濺，是凸焊螺母質量缺陷的兩個頑癥，嚴重影響車身零部件質量水平。

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

氮化硅材料性能

氮化硅屬于陶瓷材料，無機化合物，化學式： ，是世界上最堅硬的物質之一，維氏硬度約2 2 0 0 H V （凸焊螺母的材料硬度不超過400HV）。氮化硅熔點高達 （超過鋼鐵的熔點 ），加熱到 （凸焊電極工作面的溫度 8 0 0 ～ ），可以保持性能穩定。氮化硅具有優良的耐腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機酸、燒堿溶液以及有機酸的腐蝕。還是一種高性能電絕緣材料，絕緣性極佳。氮化硅材料具備堅固、耐高溫、耐腐蝕、高度絕緣等優良性能，是制作凸焊螺母定位銷的理想材料（見圖6）。

氮化硅凸焊定位銷應用優勢

氮化硅作為綜合性能極高的陶瓷材料，相比傳統KCF合金材料，應用在凸焊定位銷領域。具有以下突出優勢。

1）氮化硅材料的高絕緣性能，可以避免定位銷周圍的分流，輸出焊接電流穩更穩定。研究對比，屈服強度420MPa高強鋼材料焊接10級M10凸焊螺母，設置16500A電流。在同等工況下，傳統KCF定位銷，電流極差為600A；氮化硅定位銷，電流極差只有 2 0 0 A 。

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

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

氮化硅凸焊定位銷性價比

以M6凸焊螺母定位銷為例，統計對比：

傳統KCF凸焊定位銷單價在 2 0 ～ 4 0 元，最大使用壽命約10000個工作循環（即可生產10000顆凸焊螺母），每萬顆凸焊螺母定位銷成本攤銷20～40元。

氮化硅凸焊定位銷硅單價80～150元，最大使用壽命約100000個工作循環（即可生產10000顆凸焊螺母），每萬顆凸焊螺母定位銷成本攤銷8～15元。

氮化硅凸焊定位銷現階段價格相對較高，綜合考慮其優異的耐磨性和產品質量保證能力，以及更長的使用壽命（傳統材料定位銷壽命的10倍），可以顯著節約制造成本。

氮化硅凸焊定位銷尚處在中前期推廣階段，隨著氮化硅加工工藝改進與生產效率的提升，性價比優勢會進一步擴大。

結語

氮化硅定位銷的優異性能在眾多領域得到了體現，在汽車零部件行業推廣已經成為一種必然的發展趨勢。

隨著氮化硅制造技術的不斷進步和工藝設備的持續升級，氮化硅定位銷的性能將得到進一步提升。隨著其在更多領域的廣泛應用和研究的深入開展，氮化硅定位銷在未來將為制造業帶來更多的突破和進步。