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、航空航天以及汽車制造等領(lǐng)域。凸焊螺母具有連接工藝簡單、安裝過程便捷等優(yōu)點。凸焊螺母的結(jié)構(gòu)特點（見圖1）是在螺母的一端設(shè)置凸點或者凸環(huán)，通過加熱，凸點或者凸環(huán)熔化形成焊點，以焊接的方式固定在母材上，從而實現(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，通過電極施加壓力，利用電流流過焊接區(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），從而實現(xiàn)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(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； 焊接時間。

通過公式（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。

汽車行業(yè)凸焊工藝現(xiàn)狀

汽車行業(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)勢在于抗拉與屈服性能優(yōu)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(fā)生概率。為獲得穩(wěn)定的連接質(zhì)量，提升焊接電流、提高焊接時間是簡單有效的方法。

凸焊螺母采用定位銷精準(zhǔn)定位，傳統(tǒng)凸焊定位銷使用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，定位銷周圍會有不必要的電流通過，使定位銷與凸焊螺母之間產(chǎn)生火花，導(dǎo)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(zhì)量問題的同時，會進(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)量缺陷的兩個頑癥，嚴(yán)重影響車身零部件質(zhì)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(jī)化合物，化學(xué)式： ，是世界上最堅硬的物質(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400HV）。氮化硅熔點高達(dá) （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(wěn)定。氮化硅具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能耐幾乎所有的無機(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的理想材料（見圖6）。

氮化硅凸焊定位銷應(yīng)用優(yōu)勢

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)用在凸焊定位銷領(lǐng)域。具有以下突出優(yōu)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(wěn)更穩(wěn)定。研究對比，屈服強(qiáng)度420MPa高強(qiáng)鋼材料焊接10級M10凸焊螺母，設(shè)置16500A電流。在同等工況下，傳統(tǒng)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(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，虛焊、飛濺等缺陷高達(dá) 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(tǒng)計對比：

傳統(tǒng)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(huán)（即可生產(chǎn)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(huán)（即可生產(chǎn)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(xiàn)階段價格相對較高，綜合考慮其優(yōu)異的耐磨性和產(chǎn)品質(zhì)量保證能力，以及更長的使用壽命（傳統(tǒng)材料定位銷壽命的10倍），可以顯著節(jié)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(jìn)與生產(chǎn)效率的提升，性價比優(yōu)勢會進(jìn)一步擴(kuò)大。

結(jié)語

氮化硅定位銷的優(yōu)異性能在眾多領(lǐng)域得到了體現(xiàn)，在汽車零部件行業(yè)推廣已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢。

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，氮化硅定位銷的性能將得到進(jìn)一步提升。隨著其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和研究的深入開展，氮化硅定位銷在未來將為制造業(yè)帶來更多的突破和進(jìn)步。