鍍鋅鋼板電阻焊電極材料的研究現狀及進展

文/鄒家生

鍍鋅鋼板由于具有良好的耐腐蝕性能，近年來在鋼桶制造業中取代冷軋鋼板而被大量使用。電阻焊作為一種重要的生產工藝，在鋼桶制造業中得到越來越多的關注和研究。而電阻焊機中最關鍵的電極接頭部位，在焊接鍍鋅鋼板時，其表面的低熔點鍍鋅層減小了接觸電阻和電流密度，與普通鋼板（非鍍層鋼板）電阻焊相比，需增大焊接電流或延長焊接時間，這就更促進電極頭部合金化的形成。且在高溫、高壓下頻繁與工件接觸，加快了電極磨損，相對于普通鋼板焊接而言，電阻焊鍍鋅鋼板電極的壽命一般較短。

為了提高電阻焊時電極材料的使用壽命，新型電阻焊電極材料的研發一直受到人們的高度重視，近年來，各國焊接工作者和材料學家就鍍鋅鋼板電阻焊電極材料進行了大量的研究，一直希望能找出一種既能克服電阻焊中存在的種種性能問題，又能降低制造成本的電極材料。

1 電阻焊電極材料的失效機理

鍍鋅鋼板電阻焊過程中，由于鍍層中鋅的熔點很低（約為692K），硬度也低（約HB91），且與銅具有較強的親和力，焊接過程中電極/工件界面處的溫度較高，在電極壓力作用下，會發生鋅與銅合金電極端部的粘附，并且發生了合金化作用，形成導電、導熱能力差、硬而脆的黃銅層，使得焊接過程中電極／工件界面的溫度更高，電極端部很快就變成蘑菇狀而變粗，降低了焊接電流密度，使焊點強度降低，甚至電極由于坑蝕作用而失效、報廢。因此，需及時修整或者更換電極，否則，就不能保證焊接質量和焊點外觀質量。

與普通低碳冷軋鋼板相比，由于鋅的熔點低，鍍鋅層會先于鋼板熔化，在電極壓力的作用下，其被擠出焊接區域，形成鋅環，由于其分流作用，電阻焊焊接鍍鋅鋼板時焊接工藝參數都要進行調整。實驗室和實際焊接生產均表明，在鍍鋅鋼板電阻焊時，需將同厚度的無鍍層鋼板選用的電極壓力增大10％～25％，焊接時間延長25％～50％，焊接電流增大25％～35％，而且鍍鋅層越厚，所需的焊接電流越大。但焊接時間長將加劇粘附和合金化作用，使電極壽命顯著縮短。

另外，電阻焊電極焊接鍍鋅鋼板時，由于高溫的作用，在電極表層產生低熔點合金，當電極離開工件時，有些低熔點合金在飛濺作用下離開了電極端面，在電極端面產生了一個個小弧坑，許多小弧坑連成一起的過程就是坑蝕，結果便在電極上形成了坑蝕。當電極某區域的溫度高于電極材料的再結晶溫度時，則會在電極中產生再結晶和晶粒長大，強度降低，電阻率升高，加快塑性變形。再者電阻焊電極在工作過程中不僅在高溫下受力，而且還要承受加熱和冷卻的循環作用，受到熱和力的沖擊，產生熱疲勞。這些都會加快電極失效。

2 電極材料分類及特征

作為鍍鋅鋼板電阻焊電極材料，要求其高溫硬度高，同時熱導率也高。因此，根據使用要求，人們制造了很多各種性能的電極材料。

2.1 銅合金電極

早在上世紀70年代，人們就在Cu中加入w（Cd）0.6%～1.0％形成固溶體， 通過高度冷作硬化加工提高硬度的電極材料，導電率和熱導率并不比Cu低多少，而且高溫硬度比Cu的高。另外，人們還在Cu中加入w（Cr）0.5%～1.0％形成可以熱處理強化的合金材料。將其在熔點以下（1000℃）保溫1h，進行淬火，再在400～470℃下進行1～2h的回火（析出硬化處理）析出Cr，由于鉻銅是熱處理合金，高溫硬度高，耐用性也好，導電率和熱導率也不低，從而得到高硬度和良好的導電性的電極材料。但發現用于鍍鋅鋼板電阻焊時電極壽命很短。

后來人們進行各種合金的試制研究發現，在鉻，銅合金中加入少量的Zr 制成的電極材料，其各種性能得到很大改善，并且壽命較前2 種電極材料也有很大的提高。但鍍鋅鋼板電阻焊時，Cr-Zr-Cu合金電極有2個主要缺點：一是電極會與鋼板嚴重粘結，大大降低生產效率；二是電阻焊電極（包括電極頭、電極帽、電極板和電極輪）的使用壽命要比焊接無鍍層鋼板時明顯縮短。焊接無鍍層鋼板時，電阻焊電極（如Cr-Zr-Cu合金電極）的使用壽命通常可達到1000 個焊點以上，而焊接鍍鋅鋼板時，Cr-Zr-Cu合金電極的使用壽命甚至不到250 個焊點。

為了解決上述問題，天津大學吳志生教授等首次將深冷處理技術應用于提高鍍鋅鋼板電阻焊電極壽命的課題研究，進行了深冷處理前后的電阻焊電極壽命試驗，研究了深冷處理對鍍鋅鋼板電阻焊電極壽命的影響。結果發現，用未深冷處理的Cr-Zr-Cu合金電極電阻焊鍍鋅鋼板時，前200個焊點的熔核直徑變化不大，焊至第300個焊點后熔核直徑產生較大變化，而且很快減小，電極壽命只有550個焊點。用深冷處理的Cr-Zr-Cu合金電極電阻焊鍍鋅鋼板時，前1500個焊點的熔核直徑較穩定，波動較小。-150℃保溫2h與保溫4h的深冷電極壽命分別為1687個焊點與1743個焊點，可以認為壽命相同。-170℃保溫2h的深冷電極的電阻焊過程更為穩定，在1800個焊點范圍內熔核直徑沒有較大波動，該電極平均壽命達到2234個焊點，壽命進一步提高。此外，用未深冷處理電極電阻焊鍍鋅鋼板時，粘電極現象嚴重，并有飛濺，焊點表面顏色為黃銅色，而用深冷處理電極電阻焊鍍鋅鋼板時，焊接過程飛濺較小，焊點表面黃銅色極淺，表明銅鋅合金化傾向小。

但Cr-Zr-Cu合金仍是最常用的電阻焊電極材料，這是由其自身優良的物理化學特性及很好的性價比所決定的。

（1）Cr-Zr-Cu電極達到了焊接電極4項性能，使指標很好地平衡，優良的導電性保證焊接回路的阻抗最小，可獲得優良的焊接質量；高溫力學性能可保證焊接高溫環境下電極材料的性能及壽命；耐磨性能使電極不易磨損，同時延長壽命，降低成本；較高的硬度和強度可保證電極頭在一定的壓力下工作，不易變形壓潰，保證焊接質量。

（2）電極是工業生產的一種消耗品，用量比較大，因而其價格成本也是需考慮的一個重要因素，Cr-Zr-Cu電極相對其優良的性能來說，價格比較低廉，能滿足生產的需要。由于上述原因，Cr-Zr-Cu合金電極目前仍得到廣泛的應用。

2.2 復合材料電極

這些復合材料是采用在高溫下硬度也不降低的W與導熱性好的Cu混合燒結而成的，其中典型的是W-Cu合金。W基高密度合金是在W中加入少量的鎳鐵或鎳銅燒結而成，W-Cu復合材料中有w（Cu）10%～40％，也廣泛用于鍍鋅鋼板的電阻焊。

2.3 氧化鋁銅電極

在焊接鍍鋅鋼板時，由于Cr-Zr-Cu銅電極經常與工件粘接。在焊接數點后，焊接質量急速降低，嚴重影響焊點質量的一致性。基于以上原因，焊接設備廠家均希望有更好的電極材料。美國SCM公司在1973年開始推出氧化鋁彌散強化銅材料。由于采用了全新的制造工藝，綜合性能得到了較大的提高。它與Cr-Zr-Cu相比，具有出色的高溫力學性能（軟化溫度900℃）及良好的導電性（導電率80%～85%IACS）和耐磨性。更主要的是彌散強化銅電極中彌散分布著細小的氧化鋁顆粒，可阻止Zn向電極中擴散，從而大大減小粘結所帶來的電極損耗，使電極壽命比普通Cu-Cr電極壽命延長2～2.7 倍。氧化鋁銅電極成功地應用于電阻焊電極，現在已經正式納入ASTM標準。隨后，日本也開發并制造、銷售商品名為DEMIRAS的彌散強化銅電極材料，并且也納入了日本JIS 標準。2005年，中南大學汪明樸、李周等人制備出零燒氫膨脹納米彌散強化CuAl2O3合金，與無氧銅相比，其RP0.2比無氧銅的高3～11 倍，抗退火軟化溫度可高達900℃以上，而導電率可達75%～96%IACS，具有零燒氫膨脹特性。

因此，用上述材料制成的氧化鋁銅電極是一種性能優異的電極材料，無論其強度、軟化溫度還是導電性都非常優越，尤其突出的是用來焊接鍍鋅板，不會像Cr-Zr-Cu電極那樣產生電極與工件粘住的現象，不用經常打磨，可有效解決焊接鍍鋅板的問題，提高了效率，其使用壽命也提高4倍以上。

氧化鋁銅電極雖具有優良的焊接性能，但目前其造價十分昂貴，在價格上比Cu-Cr銅電極高2倍左右，因而目前使用還不普遍，但對鍍鋅板優異的焊接性能及鍍鋅板的普遍使用，使得其市場前景廣闊。

2.4 涂層電極

涂層電極是國內外電極研究比較熱門的方向，其良好的工藝性能、低廉的價格，吸引眾多企業和高校積極投入涂層電極研究之中。

目前，國內用電火花在Cr-Zr-Cu電極表面熔敷一層TiC。電阻焊鍍鋅鋼板的電極壽命達到1000余個焊點，是一般Cr-Zr-Cu電極（400個焊點）的2.5倍。主要原因是TiC涂層延緩和阻止了Zn的擴散，延緩了與電極基體Cu的合金化。但由于TiC涂層存在一些缺陷，如裂紋或與電極基體粘合不牢，在焊接過程中Zn通過滲透擴散到TiC涂層下面，與電極基體Cu發生反應。隨著焊點的增加，可能形成脆性很大的Cu-Zn合金，在熱和力的作用下脫落，與電極基體結合不牢的TiC涂層也一同脫落，致使其有更大的面積與Zn 接觸，進一步加快了電極的磨損。目前，北美地區已采用表面處理工藝在電極端部鍍上一層TiC顆粒增強的Ni基合金，起到隔離層的作用，防止銅合金與熔融Zn反應，可提高電阻焊接鍍鋅鋼板時的使用壽命。據報道，這種涂層電極目前已在北美三大汽車公司的焊接生產線上得到應用。然而，為了獲得性能更好的涂層電極，我國陳錚教授對目前北美的現行產品進行了詳細分析和試驗。在上述工作的基礎上，針對存在的問題，提出了采用雙層和多層涂層的新思路。在Cr-Zr-Cu銅合金電極頭部先沉積一層Ni基合金，然后再沉積TiC顆粒增強的Ni基合金（雙層涂層）。結果發現， 與單層TiC顆粒增強的Ni基合金（美國和加拿大目前的技術）相比，雙層涂層的致密度、韌性以及與基體的結合得到大大改善，在焊接過程中也不易開裂。用該雙層涂層的電極在南京汽車集團菲亞特轎車、通用和大眾汽車公司的試驗室和生產線上進行試驗，發現涂層電極所需的焊接電流遠小于無涂層電極，且壽命是普通無涂層電極的2倍以上。

為了對涂層的成分、沉積工藝和焊接時的冶金行為進行系統的研究，以開發出性能更好、壽命更長的涂層電極，陳錚教授還提出了多層電極的新思路。首先，在電極端部沉積一層很薄的Ni基合金涂層（第1層），該涂層可起到隔離和防止銅合金進入第2層涂層的作用。然后，在第1層涂層上再沉積一層導電金屬陶瓷涂層（第2層），該金屬陶瓷涂層為TiC或TiB2增強的Ni基或Co基合金。由于Ni對于TiC和TiB2來說是很好的粘結劑（而Cu不是），所以金屬陶瓷涂層能與第1層Ni基合金涂層形成良好的結合。由于TiC或TiB2陶瓷與熔融Zn之間幾乎不發生粘結，因此，可大大降低涂層與Zn之間的粘結。此外，金屬陶瓷的硬度很高，可有效防止電極端部變形致使電極的橫截面積增大。為進一步減少涂層與熔融Zn之間的粘結，對第2層涂層最后再進行一次表面固體潤滑處理，即沉積一層干潤滑膜（第3層）。首次創造性地提出在涂層最頂端沉積一層固體干潤滑膜，可顯著降低焊接初期涂層與熔融Zn之間的粘附，延緩了基體與Cu的合金化，可大大提高電極壽命。

3 展望

目前，電阻焊鍍鋅鋼板所用的電極材料一般都是銅或銅合金，國內外研究的Cu基復合材料比較多，但由于成本高，價格昂貴，限制了其在生產中的廣泛應用。由此可見要想提高電極材料的使用壽命，可從以下三方面入手：

（1） 降低Cu基復合材料的制造成本。

（2）對電極表面進行適當的處理，由于電阻焊鍍鋅鋼板時電極容易與Zn 發生合金化，可以在電極表面沉積一層涂層或多層涂層避免合金化或者減慢合金化。找出涂層沉積的最優工藝參數，從而提高表面涂層的質量，減少裂紋、空洞、涂層脫落等缺陷，提高表面涂層與電極基體的結合強度，從而提高電極的使用壽命。

（3） 更加深入研究鍍鋅鋼板電阻焊時電極失效機理，開發出性能更好、壽命更長的鍍鋅鋼板專用電極材料。