航空制造工程学院：先进材料连接技术研究进展及其应用

先进材料连接技术课程作业先进材料连接技术研究进展及其应用镀锌钢板点焊电极寿命的研究现状航空制造工程学院前言在汽车制造业中，为了提高车体的使用寿命，增强车体材料的抗腐蚀性能，具有优异防腐蚀性能的镀锌钢板在轿车制造业中的应用越来越广泛。另外，普通的酸洗喷涂钢板在制作过程中对环境的污染很大，而镀锌钢板就比较环保。故在轿车工业发达的日本、美国，轿车用镀锌板逐年增加，并在不久的将来取缔酸洗钢板；在我国，镀锌钢板的应用也越来越普遍。以一汽集团的奥迪轿车生产为例，其车体全部用镀锌钢板制造，每辆轿车用量为550kg,约占该车钢板总量的3/4。但镀锌钢板的焊接性与低碳钢相比较差，点焊过程中飞溅较大，点焊电极烧损较快，电极寿命低，而且焊接质量不稳定。如一对电极点焊无镀层钢板时可焊几千个焊点，而点焊镀锌钢板则只能焊200个焊点就需要更换或修理电极。据统计，在每辆现代化的汽车上约有3000-5000个焊点。因此，随着镀锌钢板用量的大幅度增加，仅就汽车工业而言，提高点焊电极寿命就会产生客观的经济效益。镀锌钢板点焊电极主要的失效机理点焊电极工作条件恶劣，尤其是焊接镀锌钢板，其失效机理主要有塑性变形、合金化、烧损等，这都是高温和压力共同作用的结果。

1.1塑性变形由于电极头部的温度分布不均匀，使得电极头部产生了不均匀的塑性变形。塑性变形的产生，使得电极头部的直径随焊点数目的增加而增加，从而导致焊接电流密度下降，熔核焊透率降低，直到熔核直径减少，焊点强度下降，此时必须休整电极或更换电极。1.2合金化镀锌钢板点焊过程中，由于镀层锌的熔点很低（约为692K)，硬度也低(约91HB)，与铜具有较强的亲和力，焊接过程中电极!工件界面处温度较高，在电极压力作用下，会发生锌对铜合金电极端部的粘附，并且发生了合金化作用，形成导电、导热能力差、硬度低的Cu-Zn合金，使得焊接过程中电极/工件界面的温度更高，电极端部很快就变成蘑菇状而变粗，降低了焊接电流密度，使焊点强度降低，甚至电极由于坑蚀作用而失效、报废。1.3磨损电极的磨损主要发生在电极头部。由于合金化产生导电、导热能力差、硬度低的Cu-Zn合金，使得焊接过程中电极/工件界面的温度更高，电极端部很快就变成蘑菇状而变粗，导致电极直径增大和焊接电流密度的下降。因此，要及时修磨电极，否则就不能保证焊接质量和焊点外观质量。点焊电极的寿命延长方式为了延长电极的寿命，国内外学者做了很多研究。其主要手段分三个方面：一是电极基体的强化，二是电极表面的强化，三是合适焊接工艺参数。

2.1点焊电极的基体强化通过合金化（固溶强化），冷加工硬化（形变强化）及采用陶瓷增强复合材料（弥散强化）及深冷处理可以强化Cu基体，提高电阻点焊电极寿命。冷作硬化与合金化镀锌钢板点焊铜电极最常用的强化方法是形变强化和固溶强化。冷加工可大大提高铜的强度和硬度，对电导率影响较小，因此，工业应用的铜电极广泛使用冷作硬化来强化。但当电极温度升高到0.4Tm时，冷作硬化效果显著减弱，因此焊接温度不宜高于423K，这难以满足对镀锌钢板焊接要求。研究发现，在铜中添加少量合金元素可以明显改善铜的力学性能和物理性能，尤其是硬度和软化温度有较大提高，但杂质元素的增加会降低铜的电导率。目前电极铜合金中常用的合金元素有铬、铝、硅、锆等。由于铬和锆元素可极大提高铜的强度，对电导率影响较小，因此常用做点焊电极的主要是铬铜、锆铜、镉铜、铍铜等。陶瓷增强铜基复合材料为了提高电极的软化温度与耐磨性，需要提高电极的硬度尤其是高温硬度。常用的方法是在铜基体中加入陶瓷颗粒实现弥散强化。这些硬质的陶瓷颗粒具有高的强度与硬度，高的高温性能，因此能显著提高铜电极的高温强度与硬度。常用的陶瓷材料有Al等。弥散强化铜合金是在铜合金中加一定比例的具有高熔点、高硬度、具有良好热稳定性的陶瓷颗粒如等(经过球磨处理后压制和烧结)，制成具有不同硬度和电导率的粉末烧结材料。

制备工艺主要有粉末冶金法、机械合金化以及内氧化法等。铜合金的硬度和电导率取决于陶瓷颗粒的含量、粒度与分布。目前研究最充分的是氧化铝弥散强化铜电极，软化温度在1100K以上，焊接镀锌钢板时不易产生粘附现象，使用寿命为铜电极的4-10倍。采用气体法对点焊电极进行深冷处理，将被处理的铬锆铜电极直接放入液氮中，深冷到-170后保温1.5-2h，在冷箱中缓慢升温至室温。深冷处理后，铜合金的晶粒由159.7nm减小为82.9nm，铜基体上出现了大量弥散分布的Cr、Zr粒，从而提高合金的抗变形能力，改善了铜电极的导电、导热性能，并提高了基体的强度和耐磨性，从而使点焊过程中电极产热减少，散热加快，降低了电极端面的温度，显著提高电极寿命。2.2电极的表面强化铜电极基体强化必然带来导电导热性能的损失。表面强化可最大限度地减少铜电极的优良电、热性能的损失，并增加其表面硬度与耐磨性。因此，表面强化技术有广泛的应用前景。离子注入钨离子注入技术是实现材料表面改性与合金化的手段之一。钨是高熔点、高硬度的元素，抗氧化性强。吴志生等采用离子注入法将钨注入到铜后，电极抗氧化的能力提高，从而增加导电率，减少烧损和飞溅；电极的机械性能提高，从而使电极抗疲劳性能增强，电极直径增加减慢，电极的寿命由原来的600点提高到800点左右，并改善了焊点质量。

渗金属钛镀锌钢板点焊电极寿命低的主要原因是由于铜锌间有较强的亲和力，而导致在点焊过程中的熔融锌与铜电极形成铜锌合金层。因此，选用与铜结合力大于与锌结合力的钛金属，对点焊电极端面进行渗钛处理，以提高镀锌钢板点焊电极的寿采用膏剂法渗钛，使电极表面硬度提高，增强了电极的抗变形能力。渗入的钛与铜的相互作用使电极表面的耐磨性与热稳定性提高，减弱了铜与锌之间的相互作用。避免和减少了铜锌合金层的产生，延长了电极寿命。张跃飞等利用阴极电弧使钛离子借助轰击与扩散渗入试件内部，在铜基体上形成一层均匀的渗层，厚度达200μm，铜表面硬度明显增加(350HV左右)，耐磨性有很大提高。Yuasa研究发现，微量硼、钛在铜合金中有细化晶粒的作用。在点焊电极端面电刷镀一层Co可抑制飞溅、避免粘电极，从而改善了镀锌钢板点焊工艺性。在电极端面电刷镀一层Co可以阻止点焊过程中铜锌合金层的形成。电刷镀层与电极基体的结合强度满足镀锌钢板点焊的工作要求。表面熔敷TiC在电极表面通过电火花熔敷一层厚20～40μm的TiC陶瓷涂层，由于TiC涂层与Cu基体具有良好的润湿性，涂层连续致密，硬度较高因而可以有效地减少电极点焊过程中的塑性变形，阻止基体中Cu元素与钢板中ZnFe的接触，从而使电极寿命提高到原来的2.7倍[10]2.3合适的焊接工艺参数由于镀锌层的熔点、沸点都比钢低很多，在相同的电极压力和电流加热条件下,镀锌层与铜电极端面间必然首先产生熔化和飞溅,而且在电极端面上产生粘附现象。

与此同时,锌与铜电极表面形成Cu-Zn合金层。随点焊时间的延长,镀锌层与铜电极粘附增多,使铜中的含锌量增加。由于黄铜电阻率大,导电性下降,使电极进一步加热,温度上升,以 致过热和压溃变形,不能保持原有的端面尺寸,使电极损坏。因此,减小电极烧损的一个 重要措施是:在接通焊接电流之前施加焊前电流,使锌层先熔化,并在电极压力作用下将 其挤走,从而减弱或避免电极/工件界面铜锌合金化、提高工件/工件间接触电阻,使焊接 区加热均匀,获得同样熔核所需焊接电流减小,电极寿命增加。该方法即电流波形控制 [11]研究表明电流波形控制法可使镀锌钢板点焊电极寿命由原来的400点提 高到980点；适当调整焊前电流波形的幅值或通电时间的长短,可显著降低镀锌钢板点焊 过程的飞溅程度，但无法避免合金化。 结束语点焊电极是一个易耗品，每年的消耗量非常大。如果大量使用强化后电极，可以降 低生产成本，缓解汽车车身生产厂家面临的降成本压力。同时，还可以为子孙后代节约 有色金属Cu 资源，具有一定的社会意义。 参考文献 董仕节，史耀武，雷永平，等.(TiB2+Al2O3)增强铜基复合材料的研究[J].材料工程，2002，7(6)：6-11. 吴志生，单平，廉金瑞，等.深冷处理提高镀锌钢板点焊电极寿命的机理[J].焊接学报，2003，24（2）：7-10. 吴志生，廉金瑞，胡绳孙.离子注入钨的镀锌钢板点焊电极寿命试验研究[J].汽车技术，2003，(2)：35-37. 白凤民，廉金瑞，单平，等.表面渗钛的镀锌钢板点焊电极寿命试验研究[J].电焊机，2003，33（4）：9-11. . [J]. ，1992，35(2)：120-128. 点焊镀锌钢板的电刷镀电极的微观结构与点焊工艺[J].兵器材料科学与工程， 2002，25(6)：29-33. 电火花沉积工艺对点焊电极TiC沉积层厚度的影响[J]. 热加工工艺， 2007，(3)：46-49. [10] 董仕节， Zhou.点焊镀锌钢板时电极表面熔敷TiC沉积层对电极失效的影响[J]. 中国有 色金属学报，2005，15(2)：184-191.[11] 吴志生，单平，廉金瑞，等.用电流波形控制法提高镀锌钢板点焊电极的寿命[J].焊接，2002（11）： 24-26.