趙江濤， 陳文革

（西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048）

觸指是一類(lèi)用于電氣行業(yè)的電器零件，它就像一個(gè)接觸籠插在兩個(gè)接觸面之間，通過(guò)大量的接觸點(diǎn)來(lái)連接兩個(gè)表面，以連續(xù)和間歇的方式運(yùn)行，每個(gè)接觸點(diǎn)充當(dāng)“橋梁”作用讓電流通過(guò)。觸指具有以下特性：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、小尺寸，適用于緊湊型設(shè)計(jì)；多點(diǎn)接觸和高集中力實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗接觸，耐磨性好；獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有寬裕的工作范圍，加工誤差和裝配誤差有較大的適應(yīng)性來(lái)滿足大規(guī)模生產(chǎn)等；因此，它廣泛應(yīng)用于高中壓開(kāi)關(guān)、母線連接件、高電流連接件、固封電極、高壓電纜尾端件、熔斷器連接件和機(jī)械電子應(yīng)用等方面。

目前，廣泛使用的觸指有梅花觸指、表帶觸指和螺旋彈簧觸指［1－2］。梅花觸指（見(jiàn)圖1（a））接觸點(diǎn)比較少，要得到比較小而且穩(wěn)定的接觸電阻就需要增加接觸點(diǎn)壓力，容易因接觸點(diǎn)壓力大而造成鍍銀層的磨損，特別對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件，如果再加上運(yùn)動(dòng)速度高等原因，還會(huì)造成運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擦刮出金屬屑的隱患。表帶觸指（見(jiàn)圖1（b））較梅花觸指具有不需要壓緊彈簧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接觸點(diǎn)多、導(dǎo)電能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)熱處理工藝要求嚴(yán)格，觸指溝槽機(jī)加工精度高，成本相對(duì)較高。螺旋彈簧觸指（見(jiàn)圖1（c））出現(xiàn)較晚，允許通過(guò)的電流密度高，接觸點(diǎn)多，電流容量、電動(dòng)及熱穩(wěn)定性高，電場(chǎng)分布均勻，允許在接合面出現(xiàn)較大的公差、誤差，且接觸應(yīng)力恒定、磨損小、使用周期長(zhǎng)，可插拔數(shù)千次而不失效，因此被廣泛應(yīng)用于高壓及特高壓的斷路器中的滑動(dòng)點(diǎn)接觸及動(dòng)靜接觸設(shè)備。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)這種觸指的研究起步晚，所用材料受到一定限制，加之國(guó)外的技術(shù)壟斷，導(dǎo)致該類(lèi)觸指接觸電阻的穩(wěn)定性差、壽命低等現(xiàn)象［3］。本文就螺旋彈簧觸指的結(jié)構(gòu)、性能要求、材料選用及制備技術(shù)進(jìn)行綜合闡述，旨在為該類(lèi)觸指的發(fā)展提供參考。

圖1 高壓電器中常用的3種觸指

1 螺旋彈簧觸指的結(jié)構(gòu)及性能要求

螺旋彈簧觸指（也稱(chēng)為斜圈彈簧觸指）的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在自由狀態(tài)下，線徑為d0，D2為外徑，D1為內(nèi)徑，圈數(shù)為n，每圈直徑為d，彈簧傾斜α1角度時(shí)的高度簡(jiǎn)稱(chēng)為圈高h(yuǎn)1＝（D2－D1）／2。裝入觸指座溝槽（見(jiàn)圖3）后，因溝槽外徑D5＜D2，迫使彈簧緊縮（圈間間隙變?。虼藘?nèi)徑由D1變?yōu)镈3，外徑由D2變?yōu)镈4。動(dòng)觸指（導(dǎo)電桿）外徑D1（亦稱(chēng)彈簧觸指自由狀態(tài)下內(nèi)徑）插入彈簧觸指后，觸指單邊變形量為

式中，f通常為1.5～2.0mm，變形量大，觸指接觸壓力受加工精度影響很小。彈簧并圈后的極限變形量通常小于3.5mm，其中α2，h2分別為并圈后的傾斜角度和圈高［4－5］。

彈簧觸指材質(zhì)、彈簧絲的直徑、彈簧圈數(shù)和彈簧傾斜角度等都對(duì)彈簧觸指的性能有影響。良好的彈簧材質(zhì)可以使彈簧具有好的彈性、導(dǎo)電率和強(qiáng)度等；彈簧絲的直徑在一定范圍內(nèi)與彈簧工作應(yīng)力成正比，如果線徑過(guò)粗會(huì)增加彈簧并圈趨勢(shì)；彈簧觸指工作應(yīng)力的大小除與彈簧絲直徑有關(guān)外，還與彈簧的傾斜角度α、彈簧觸指變形量有關(guān)，在允許范圍內(nèi)它們與變形抗力成正比。采用多圈數(shù)的螺旋彈簧觸指不但有利于各個(gè)接觸面的充分接觸，降低接觸電阻，減小溫升，而且有利于動(dòng)連接的導(dǎo)向以及防止彈簧觸頭單圈壓縮變形而過(guò)早塑性變形導(dǎo)致失效；同時(shí)，為保證彈簧觸頭一定的剛性和彈性，還必須選擇合適的材質(zhì)且經(jīng)過(guò)合理的熱處理工藝。

圖2 螺旋彈簧觸指

圖3 螺旋彈簧觸指裝配圖

螺旋彈簧觸指作為一種導(dǎo)電連接件，必須結(jié)構(gòu)可靠，接觸電阻小且穩(wěn)定，即具有良好的導(dǎo)電性和接觸性；通過(guò)規(guī)定電流時(shí)，發(fā)熱穩(wěn)定而溫度不超過(guò)允許值；通過(guò)短路電流時(shí)，具有足夠的熱穩(wěn)定性；開(kāi)斷規(guī)定的短路電流時(shí)，觸頭不被燒傷，磨損盡可能小，不發(fā)生熔焊現(xiàn)象。

可見(jiàn)，觸指性能的優(yōu)劣性取決于接觸電阻、流通能力、接觸壓力和熱穩(wěn)定性等方面。對(duì)金屬而言，在允許范圍內(nèi)，觸指額定電流密度許用值與短時(shí)耐受電流密度許用值越大，說(shuō)明該金屬的流通能力越強(qiáng)。材料實(shí)際導(dǎo)電部位附近的電流必然收縮，有收縮電阻產(chǎn)生；如果電流通過(guò)導(dǎo)電部分不是純金屬而是準(zhǔn)金屬，則電子通過(guò)這層膜時(shí)有膜電阻產(chǎn)生，這兩種電阻串聯(lián)于電路中，稱(chēng)之為接觸電阻RK。在線路瞬間開(kāi)關(guān)或異常短路時(shí)，電路中電流會(huì)突然增強(qiáng)或伴隨著電弧出現(xiàn)，如果電路在安全范圍內(nèi)可以承受這些異常情況，則可認(rèn)為這種電路的熱穩(wěn)定性很高。在電路中，接觸電阻越小則流通能力越強(qiáng)，而接觸電阻RK很大程度上取決于有效接觸面積SK。有效接觸面積SK與接觸壓力FK、觸指材料的硬度HBS有關(guān)：

式中，α為表征表面加工光潔度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（0.02＜α＜1）［6］。由于觸指開(kāi)關(guān)在工作時(shí)會(huì)受到一定電接觸壓力，且要求吸合動(dòng)作達(dá)到幾十萬(wàn)次；因此，硬度較低的塑性材料會(huì)因其劇烈的塑性變形而無(wú)法保證觸指的壽命要求。如果通過(guò)觸指的電流過(guò)大或接觸電阻增高，則接觸壓降必然相應(yīng)增大，導(dǎo)致接觸溫升較高使得觸指與其他零件軟化或熔化。斷電后接觸溫度迅速下降發(fā)生熔焊現(xiàn)象；因此，觸指材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱能力能有效降低接觸溫升。觸指在連接或斷開(kāi)過(guò)程中，當(dāng)兩個(gè)連接件表面運(yùn)動(dòng)到相互接近時(shí)，往往會(huì)被加在觸指上的電壓擊穿，產(chǎn)生電弧或其他放電現(xiàn)象（如輝光放電、火花放電）［7－8］，觸指一旦連接上電弧就立即熄滅。電弧溫度幾微秒內(nèi)可達(dá)4 000～50 000K［9］，能量集中釋放在觸指表面和近表面層中，即使存在的時(shí)間很短，也會(huì)引發(fā)觸指材料熔化、汽化、轉(zhuǎn)移和飛濺等，從而造成觸指表面受損，破壞其工作性能。當(dāng)觸指可以連續(xù)正常工作在額定時(shí)間內(nèi)，說(shuō)明觸指熱穩(wěn)定性好，并且質(zhì)量可靠。

2 螺旋彈簧觸指常用的合金材料

2.1 為滿足高彈性而采用的鋼基材料

螺旋彈簧觸指是重要的電器零件，它最初的原型源于彈簧。因?yàn)閺椈稍跊_擊、震動(dòng)或長(zhǎng)期變應(yīng)力下使用，所以要求其具有較高的抗拉強(qiáng)度、彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度，為此常用鋼基材料制作。目前，彈簧鋼主要有兩種，即含碳量在0.6%～0.9%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼和含碳量較低的合金鋼［10］。碳素彈簧鋼用線材的規(guī)格一般為φ5.5～14.0mm，鋼種有65Mn，70T9A等，占彈簧用線材的80%～85%；合金彈簧線材規(guī)格一般為φ5.5～17.0mm，鋼種有50CrVA，55CrSiA，60Si 2MnA等，占彈簧用線材的10%～15%，其中不銹鋼彈簧用線材的規(guī)格一般為φ5.5～13.0mm，鋼種有1Cr 18Ni，9Cr 17NiA等，占彈簧用線材的1%～2%。目前，科研人員正在尋找提高彈簧鋼性能的方法，微合金化和形變熱處理可以明顯細(xì)化彈簧鋼的組織并獲得較好的強(qiáng)韌性；感應(yīng)熱處理可細(xì)化晶粒、減少脫碳，提高鋼的塑韌性、抗彈減性（即抗彈性減退性能，又稱(chēng)抗松弛性能）和疲勞強(qiáng)度［11－12］。現(xiàn)階段彈簧鋼主要向高強(qiáng)度、高彈減抗力和高純凈方向發(fā)展。高強(qiáng)度是指設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)。設(shè)計(jì)應(yīng)力的兩個(gè)主要因素抗疲勞和抗彈性減退已成為國(guó)內(nèi)外彈簧鋼研究開(kāi)發(fā)的主題。新一代的超高強(qiáng)度彈簧鋼具有高強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性、優(yōu)良的抗彈減性及良好的經(jīng)濟(jì)性，使彈簧鋼具有一個(gè)良好的發(fā)展前景［13－15］。

2.2 為滿足高導(dǎo)性而采用的銅基材料

鋼基彈簧的彈性雖好，但在開(kāi)關(guān)電器上更要看重其導(dǎo)電性能，為此，人們開(kāi)始采用銅基材料制備螺旋彈簧觸指。典型的用于彈簧的銅合金材料如表1所示。

表1 幾種用于彈簧的銅合金性能參數(shù)

鈹青銅是一種綜合性能優(yōu)良的有色合金彈性材料，同時(shí)它也是一種沉淀強(qiáng)化型合金。鈹青銅有高強(qiáng)型（含鈹量為1.6%～2.1%）和高導(dǎo)型（含鈹量為0.2%～0.7%）之分。在固溶時(shí)效處理后，Be與Cu形成的各種合金相以析出相的形式存在，使鈹青銅具有優(yōu)異的性能：高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度和高彈性等。而根據(jù)含鈹量的不同，析出相所產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化效果也不同；因此，高強(qiáng)性鈹青銅較高導(dǎo)型鈹青銅強(qiáng)度較高，但導(dǎo)電率較低［16－18］。只有高強(qiáng)型鈹青銅能滿足制備螺旋彈簧觸指的要求，經(jīng)790℃±10℃固溶，320℃±5℃時(shí)效處理后，鈹青銅會(huì)呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能（抗拉強(qiáng)度為1 350MPa、導(dǎo)電率為20%IACS）。雖然高強(qiáng)鈹青銅具有高強(qiáng)度、高耐熱性，但其導(dǎo)電率偏低，在550V高壓產(chǎn)品試驗(yàn)中，由于溫升過(guò)高發(fā)生燒蝕和疲勞磨損現(xiàn)象［19－20］，不能通過(guò)試驗(yàn)，故在高壓電等級(jí)大電流開(kāi)關(guān)上很難使用；因此，高強(qiáng)鈹青銅彈性和強(qiáng)度滿足要求，導(dǎo)電性不滿足要求。

鉻青銅是以Cu為基體，加入Cr和其他微量合金元素形成的一系列合金。它廣泛應(yīng)用于電阻焊電極、觸頭材料、集成電路引線、電車(chē)及電力火車(chē)架空導(dǎo)線等要求高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱和高強(qiáng)度的產(chǎn)品［21－22］。傳統(tǒng)制備鉻青銅的工藝有熔滲法、混粉燒結(jié)法、定向凝固法、自蔓延熔鑄法和快速凝固法等，它們普遍存在成分偏析、產(chǎn)品密度差及生產(chǎn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)［23］；因此，采用新的制造工藝，如電弧熔煉法、激光表面合金法等來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝所帶來(lái)的缺陷［24］。對(duì)其性能的研究，如通過(guò)深冷處理可使鉻青銅作為真空觸頭材料時(shí)，提高它的耐電壓強(qiáng)度及耐電弧侵蝕性［25］；采用980～1 000℃固溶，350℃一級(jí)低溫時(shí)效，450℃二級(jí)時(shí)效，在整個(gè)時(shí)效析出過(guò)程中抑制不連續(xù)析出物形成，從而形成彌散、均勻分布的第二相等［26］。

鉻鋯銅屬于沉淀性合金，是在鉻青銅基礎(chǔ)上添加適量的鋯元素，使得材料在某方面具有比鉻青銅更優(yōu)異的性能。由于鉻鋯銅合金具有高的強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，被廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)、高導(dǎo)領(lǐng)域，如：制備電阻焊電極、集成電路引線框架、電車(chē)及電力機(jī)車(chē)架空導(dǎo)線及觸頭材料［27－29］。目前，對(duì)Cu－Cr－Zr系合金的制備工藝、主要性能與合金微觀組織結(jié)構(gòu)研究方面也取得了不少進(jìn)展，但研究和開(kāi)發(fā)還停留在合金的強(qiáng)化機(jī)理方面，尚未進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段。經(jīng)980℃±10℃固溶、450℃±5℃時(shí)效處理后，鉻鋯銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性（80%IACS）、耐磨性，但強(qiáng)度偏低（小于600MPa），耐熱性較低［30－31］，作為彈性回復(fù)性要求好、熱穩(wěn)定性要求高的材料有些欠缺，它更適用于電極材料和鏈接塊導(dǎo)體（不需要彈性）。由于材料偏軟，對(duì)于彈簧單匝直徑及彈簧觸指直徑而言，在設(shè)計(jì)上受到限制，尺寸增大，使用時(shí)很容易變形；因此，鉻鋯銅導(dǎo)電性滿足要求，但強(qiáng)度和彈性方面有些欠缺。

鈹鈷銅屬于鈹青銅一類(lèi)，熱處理工藝與鈹青銅類(lèi)似，但與其性能卻有些區(qū)別。往鈹銅合金中添加一定量的鈷可以起到合金化作用、細(xì)化晶粒的作用；因此，鈹鈷銅力學(xué)性能（890MPa）比鉻青銅材料和鉻鋯銅材料要高。雖然該合金硬度和軟化溫度高，但其導(dǎo)電率和熱導(dǎo)性低于鉻鋯銅和鉻青銅。這類(lèi)材料可以作為點(diǎn)焊不銹鋼和耐熱鋼的電極、受力電極握桿、軸和電極臂，也可以做成縫焊不銹鋼和耐熱鋼的電極輪軸和襯套、模具或是鑲嵌電極。經(jīng)800℃±10℃固溶2～3h淬火、315℃±5℃時(shí)效2～3h熱處理后，該合金的硬度和導(dǎo)電率分別可達(dá)255 HV，58%IACS［32］。由于鈹鈷銅具有較高的強(qiáng)度，良好的導(dǎo)電性，較高的工作強(qiáng)度，因此將這種材料用于工作時(shí)，要求熱穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性好、回彈性高的部件，所以它是螺旋彈簧觸指最佳選用材料。

2.3 多種性能兼顧的復(fù)合材料

綜上所述，螺旋彈簧觸指的材料必須具備高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度和較好的耐蝕性，而單一的材料或合金難于滿足其使用要求。為此，人們嘗試研究諸如銀基復(fù)合材料、銅／鋼復(fù)合材料等合金或復(fù)合材料，雖然這些材料均能滿足彈簧觸指用材的要求，但其仍處于理論探討階段，仍需進(jìn)一步研究。

銀基復(fù)合材料是最常見(jiàn)的電接觸材料，主要用于航天和航空工業(yè)的電接觸元件。其中銀－石墨－碳纖維復(fù)合材料是一種較常見(jiàn)的金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，它綜合了金屬銀優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、石墨良好的潤(rùn)滑、減摩和滅弧作用與碳纖維的比強(qiáng)度、比模量、低密度及軸向線膨脹系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，使得材料具有優(yōu)良的綜合性能。采用粉末冶金工藝，在壓力200MPa時(shí)采用氫氣保護(hù)氣氛、700℃保溫2h后得到的材料電阻率僅有0.12μΩ·m，此時(shí)石墨和銅含量分別選擇在4%～9%和5%～7%為宜［33］。將配制好的銀基復(fù)合材料放入模具中冷壓成型后，在氫氣保護(hù)氣氛下載850℃燒結(jié)、再在460℃下經(jīng)熱補(bǔ)壓得到的 Ag－Ta－MoS2－G電刷材料，經(jīng)100h磨損試驗(yàn)仍保持良好的電性能和低的磨損率，且電刷表面無(wú)電弧坑［34］。銀基合金中石墨、碳纖維可以增強(qiáng)強(qiáng)度、導(dǎo)電率，并且石墨還具有滅弧作用，使得銀基復(fù)合材料具備高的導(dǎo)電性和耐蝕性，滿足制備螺旋彈簧觸指材料的要求。

銅／鋼復(fù)合材料，即鋼表面覆銅或銅合金，該復(fù)合材料具有防腐蝕、抗磨損、導(dǎo)電導(dǎo)熱性?xún)?yōu)良且成本低。連接件中，目前已廣泛應(yīng)用于軍工、航空航天、汽車(chē)、運(yùn)輸、橋梁、國(guó)防建設(shè)等眾多領(lǐng)域［35］。利用軋制的方法制備鋁錫20銅－鋼雙金屬板，即在碳鋼表面覆蓋一薄層鋁錫20銅合金。雙金屬軋制屬于復(fù)雜非均勻變形過(guò)程，采用預(yù)復(fù)合與終復(fù)合相結(jié)合的軋制方法。預(yù)復(fù)合是指鋁錫20銅合金與中間過(guò)渡（純鋁）層和表面防護(hù)（純鋁）層的軋制粘結(jié)；終復(fù)合是預(yù)復(fù)合板與鋼背的軋制粘結(jié)，制得性能優(yōu)良的復(fù)合板材［36］。銅或鋼復(fù)合材料采用軋制的方式制備板材，該復(fù)合材料具有鋼的強(qiáng)度及銅或銅合金的綜合性能，可以用于制備螺旋彈簧觸指。

3 螺旋彈簧觸指的制備

螺旋彈簧觸指的制備工序?yàn)檫x材、繞制、成形、焊接、熱處理、電鍍，其中，以成型和焊接為制備螺旋彈簧觸指的關(guān)鍵。繞制是將選擇好的線材在繞簧機(jī)上按照所要求的圈數(shù)n，每圈直徑d繞制成直線的條狀彈簧，如圖4所示，有斜圈彈簧和正圈環(huán)形彈簧之分。

圖4 彈簧的繞制結(jié)果示意圖

3.1 螺旋彈簧觸指的成型

螺旋彈簧觸指的成型是把繞制好的呈彈簧狀的材料整體沿徑向和螺旋彈簧直徑D2圓的切向獲得一定的傾角α，一般為56°左右。成型的方法有4種。

（1）直接在繞簧機(jī)上獲得一定傾角的直線斜圈彈簧（見(jiàn)圖4（a）），然后直接把兩個(gè)接頭焊接在一起即可成為螺旋彈簧觸指［37］。

（2）利用圖5所示螺旋彈簧觸指的折彎成型模具來(lái)實(shí)現(xiàn)。將繞制好的正圈環(huán)形彈簧（圖4（b））裝到左、右可拆卸的旋轉(zhuǎn)成型模具中，如圖5局部所示，利用一定的外力使模具的內(nèi)、外圈旋轉(zhuǎn)一定的角度，即得螺旋彈簧觸指。這里關(guān)鍵是成型模具內(nèi)壁有類(lèi)似彈簧的溝槽，防止旋轉(zhuǎn)時(shí)彈簧跟著一起旋轉(zhuǎn)。

圖5 螺旋彈簧觸指成型模具之一

（3）利用圖6所示螺旋彈簧觸指的成型模具來(lái)實(shí)現(xiàn)，將繞制好的正圈環(huán)形彈簧（圖4（b））裝到螺旋彈簧觸指成型模套中（圖6）。該模具包括模具本體，在模具本體外圍設(shè)有夾緊板，在模具本體與夾緊板之間設(shè)有彈簧觸指模槽，在夾緊板上部設(shè)有定位端蓋，在夾緊板外設(shè)有套住夾緊板的外罩，在夾緊板的外壁上設(shè)有導(dǎo)向槽，外罩上的導(dǎo)向銷(xiāo)位于導(dǎo)向槽內(nèi)，外罩與模具本體之間設(shè)有壓緊螺桿。本模具采用本體旋轉(zhuǎn)與壓緊螺桿相互運(yùn)動(dòng)以及6塊組合體組成的夾緊塊來(lái)保證彈簧觸指折彎成形時(shí)每圈彈簧折彎的均勻性與精度［38］。

（4）利用圖7所示螺旋彈簧觸指的折彎成型模具來(lái)實(shí)現(xiàn)。將螺旋彈簧觸指折彎模具放在5～10t壓力機(jī)平臺(tái)上，將制作好的正圈環(huán)形彈簧（圖4（b））豎直放在下半模沖上（見(jiàn)圖7），將上半模沖按螺距大小壓在下半模沖上，這里要求上、下模沖的斜面配合，裝配示意圖如圖7（c）所示。然后通過(guò)壓力機(jī)施加一定的壓力直至上、下模沖壓到一個(gè)平面為止，重復(fù)上述過(guò)程，直至整個(gè)螺旋彈簧的節(jié)圓全部折彎。圖7中的M為螺孔的直徑（即螺旋彈簧觸指每個(gè)節(jié)圓的直徑），螺孔中螺紋的節(jié)距與螺旋彈簧觸指匹配，加工成螺紋絲，不過(guò)螺紋絲的頂角要加工成圓角，其大小是測(cè)量絲材直徑的一半。圖7中的B為折彎傾角，一般是56°或34°。

3.2 螺旋彈簧觸指的焊接

現(xiàn)階段螺旋彈簧觸指是由銅合金制備的，其含銅量一般約為98%，具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱且具有一定的彈性及強(qiáng)度。但銅合金在焊接時(shí)易出現(xiàn)難熔及變形、熱裂紋、氣孔、熱裂傾向大及接頭性能下降等現(xiàn)象；因此，選擇具有針對(duì)性的焊接方式尤其重要。

（1）熱熔焊接［39－40］。首先，用加熱工具干燥模具，用毛刷清潔導(dǎo)線及熔模表面，將要連接的導(dǎo)體安放于模具相應(yīng)位置并檢查接觸面的密合度，防止作業(yè)時(shí)銅液從縫隙處滲漏。其次，用模夾卡緊模具、反復(fù)調(diào)整夾距直至模夾密合度與模具密合度相匹配，導(dǎo)入相應(yīng)劑量焊粉并留一些引火粉于模唇上，合上模具上蓋，如圖8示。最后，點(diǎn)火槍向模唇的引火粉點(diǎn)火，使焊接反應(yīng)在腔中進(jìn)行，即發(fā)生3Cu2O＋2Al2O3＋熱量（溫度可達(dá)2 537℃以上）的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為15～20s，開(kāi)模取出熔接好的導(dǎo)線接頭，清潔模具。熱熔焊需要的配件有熱熔焊接模具、熱熔焊接模夾、熱熔焊接焊粉、熱熔焊接專(zhuān)用毛刷。

（2）熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG／MAG焊）［41］。采用惰性氣體作為保護(hù)氣（通常是氬氣或氦氣或它們的混合氣），使用焊絲銅作為熔化電極的一種電弧焊方法。焊前準(zhǔn)備主要包括焊接坡口準(zhǔn)備、焊件及焊絲表面處理、焊件組裝、焊接設(shè)備檢查等，清理方法有機(jī)械清理和化學(xué)清理。焊接參數(shù)主要有焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲伸出長(zhǎng)度、焊絲傾角、焊絲直徑保護(hù)氣體的種類(lèi)及其流量。通常是根據(jù)焊件的厚度及焊縫熔深選擇焊接電流及焊絲直徑，根據(jù)焊接電流確定送絲速度。在焊絲直徑一定的情況下，再根據(jù)焊接電流匹配合適的電弧電壓，從而形成合適的熔滴過(guò)渡形式及穩(wěn)定的焊接過(guò)程。焊絲的伸出長(zhǎng)度增加，其電阻熱增加，焊絲的熔化速度增加。對(duì)于短路過(guò)渡焊接，合適的伸出長(zhǎng)度為6～13cm；其他形式的熔滴過(guò)渡焊接，合適的伸出長(zhǎng)度為13～25cm。常用的熔化極氬弧焊噴嘴孔徑約為20mm，保護(hù)氣體流量為10～30L／min。

（3）超聲波金屬焊接［42－43］。超聲波金屬焊接是利用超聲波頻率（一般頻率應(yīng)大于16kHz）的機(jī)械振動(dòng)能，將同種或異種金屬進(jìn)行連接的一種特殊方法。在對(duì)金屬進(jìn)行超聲波焊接時(shí)，不用向工件輸送電流及高溫?zé)嵩矗皇窃陟o壓力作用下將彈性振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ缑娴哪Σ凉?、形變能及有限的溫升，使焊接區(qū)域的金屬原子瞬間激活，兩相界面處的分子相互滲透，最終實(shí)現(xiàn)金屬焊件的同態(tài)連接。超聲波金屬焊接的主要工藝參數(shù)包括：振動(dòng)頻率f′、振幅A′、靜壓力P及焊接時(shí)間t。頻率的選取與焊件的厚度及物理性能有關(guān)，厚度越大頻率越?。徽穹赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器輸出功率W（W＝，其中，k為常數(shù)，H為材料的顯微硬度，δ為焊接材料厚度）來(lái)調(diào)節(jié)，超聲波焊接的靜壓力與焊接強(qiáng)度呈反比（超聲焊縫的靜壓力一般為0.1～0.5MPa）；焊接時(shí)間一般與工藝條件有關(guān)。

對(duì)銅制螺旋彈簧觸指，首先用工具頭在銅線端部進(jìn)行滾壓焊一次，使銅線端面形成微齒狀。其次在工具頭靜壓作用下帶動(dòng)銅線以頻率f′震動(dòng)，使銅線之間產(chǎn)生劇烈摩擦后溫度升高；在靜壓力作用下，接觸面產(chǎn)生大塑性變形，由于電子橋的形成和彼此間接近到原子力作用范圍，故貼合面形成牢固的焊接接頭。

（4）電阻點(diǎn)焊［45－46］。首先，將焊件組合好，通過(guò)電極施加壓力（預(yù)壓時(shí)電流為零，使工件間接觸電阻穩(wěn)定，防止焊接時(shí)接觸電阻太大引起飛濺）；接通電流，在熱和機(jī)械力聯(lián)合作用下完成焊接。其次，維持階段，此時(shí)有壓力但電流為零，為冷卻結(jié)晶階段。最后為休止階段，壓力為零，電流為零。一般情況下，所選的工藝參數(shù)包括：焊接能量6.0～8.0J，電壓80V，電極電壓4～8V，壓力80N，時(shí)間0.5～1.0s。

（5）激光點(diǎn)焊［47－48］。試驗(yàn)前，用丙酮和酒精清洗銅絲表面去除油污，然后在銅合金焊接部位涂一層對(duì)激光吸收率很強(qiáng)的粉末（銅合金很容易將激光能量反射掉），采用純氮?dú)馔S保護(hù)，焊接速度定位1.5mm／s，離焦量為2mm。采用尖峰激光脈沖設(shè)計(jì)快速上升、緩慢下降的激光脈沖波形。主要控制參數(shù)有脈沖峰值電流Ip、脈沖峰值時(shí)間Tp、脈沖頻率f″3個(gè)因素。

4 結(jié) 語(yǔ)

螺旋彈簧觸指最早由ABB公司開(kāi)發(fā)并應(yīng)用到開(kāi)關(guān)行業(yè)。20世紀(jì)末，中國(guó)開(kāi)始引進(jìn)并研究該螺旋彈簧觸指結(jié)構(gòu)。近幾年，我國(guó)在重工業(yè)方面的投入加大，特別是鐵路、高鐵、高壓線路等對(duì)螺旋彈簧觸指的需求急劇增加，人們對(duì)螺旋彈簧觸指性能提出了更高的要求。一方面要求提高彈性材料的強(qiáng)度，另一方面要求長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)能保持可靠的電接觸，即保持良好的彈性穩(wěn)定性，同時(shí)還要求耐腐蝕、耐高溫、高導(dǎo)電等以適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境。

通過(guò)幾十年的努力，我國(guó)在螺旋彈簧觸指材料的選取和螺旋彈簧觸指制備工藝方面取得很大進(jìn)展，但是與國(guó)外相比還有不小差距，如高性能材料主要靠進(jìn)口、制備工藝不是很完備、螺旋彈簧觸指使用范圍較窄等。今后，除加強(qiáng)高強(qiáng)、高導(dǎo)、高彈銅合金性能的研究外，還應(yīng)該在制備工藝及裝備上進(jìn)行創(chuàng)新。

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