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电阻焊电极用铜合金材料的研究进展

文/李美霞

电阻焊方法自19世纪末问世以来发展迅速,尤其是随着汽车工业等大批量生产企业的兴起,其应用日趋广泛。电阻焊是指焊件组合后,通过电极施加压力,利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。电极是电阻焊机向焊件传输焊接电流、焊接力和逸散焊接区热量的工具。电阻焊电极的工作条件比较恶劣,因此,要求制造电极的材料满足以下要求:1)有足够的高温硬度与强度,再结晶温度高;2)有高的抗氧化能力,与焊件材料形成合金的倾向小;3)在常温和高温都有合适的导电、导热性;4)具有良好的加工性能。

1 电极用铜合金的发展

铜的电导率在金属中仅次于银,价格远远低于银。在铜中添加少量合金元素可以显著改善铜的物理-力学性能,尤其是硬度和软化温度有较大提高,因此,在电阻焊中广泛应用的是铜合金。电极用铜合金中常用的合金元素有镉、银、铬、锆、镍、硅、铍、钴、铝等。它们与铜组成的二元合金、三元合金或多元合金,具有不同的性能,能适应各种金属材料焊接的不同需要。电阻焊电极用铜合金材料的发展历史分3个阶段。第1阶段,20世纪70年代末之前是高导电、中等硬度的非热处理硬化合金。这类材料只能通过冷作硬化提高硬度,且再结晶温度低,适用于焊接要求不高的地方。常用的电极材料有紫铜、镉铜、银铜。第2阶段,从20世纪80年代初至20世纪90年代初是热处理强化合金。通过热处理和冷变形联合加工,利用添加少量析出强化合金元素进行合金化,在不显著降低电导率的同时显著提高合金的强度和使用温度,是国内外应用最广泛的电极用铜合金。常用的典型材料有铬铜和铬锆铜。第3阶段,从20世纪90年代开始,要求电极材料的抗拉强度在600MPa以上,同时具有高的电导率。此类铜合金材料多为固溶时效强化型合金,是高强度、中等电导率的电极材料。这类材料的铸件通过适当的热处理,可以有接近锻件的力学性能。常用材料有铍钴铜、镍铍铜。同时也发展了一些具有专用性能的铜合金, 如合金硬度很高的铍铜要求高硬度及软化温度的钨铜、铜和碳化钨等烧结材料。近年来世界各国开始采用弥散强化、原位复合强化等特殊方法研制和开发性能更高的电极用铜合
金 。

2 各种电极用铜合金特点

目前常用的电极用铜合金主要有镉铜、铬铜、锆铜、铬锆铜、铬铝镁铜、镍硅铜、铍钴铜、铍铜。有关电阻焊的电极材料的国内外标准较多,如JB4281-1986,HB/T5420-1989和JB/T7598-1994等,标准中对材料进行了分类,规定了化学成分、物理和力学性能要求。但是,电极材料的选用需要兼顾它的多方面性能,即要根据被焊材料、结构及电阻焊方法综合考虑。例如:在焊接不锈钢或其他高温合金时,由于需要施加较大的焊接力,所以在选择电极材料时应重点考虑它的高温强度和硬度及耐磨性,适当降低对电导率和热导率的要求;而在点焊铝合金类高电导率和热导率材料时,选用电极材料就应重点考虑它的电导率和热导率,适当降低对材料高温强度和硬度的要求,并减少电极与焊件的粘连等。目前,实际生产中常用电极材料的成分及性能见表1。

表1 常用电极材料的成分及性能


材料名称

化学成分的质量分数/%

材料性能

适用范围

硬度(HV30)

电导率/(MSm-1)

软化温度/K

纯铜Cu-ETP

w(Cu)≥99.9

50-90

56

423

制造焊铝及铝合金电极;镀层钢板电焊

镉铜CuCd1

w(Cd)=0.7-1.3

90-95

43-45

523

锆铜CuZrNb

w(Zr)=0.10-0.25

107

48

773

铬铜CuCr1

w(Cr)=0.3-1.2

100-140

43

748

最通用的电极材料,广泛用于电焊低碳钢、低合金钢、不锈钢、高温合金、电导率低的铜合金以及镀层钢

铬锆铜CuCr1Zr

w(Cr)=0.25-0.65

135

43

823

w(Zr)=0.08-0.20

铬铝镁铜CuCrAlMg

w(Cr)=0.4-0.7

126

40

-

w(Al)=0.15-0.25

w(Mg)=0.15-0.25

铬锆铌铜CuCrZrNb

w(Cr)=0.15-0.4

142

45

848

w(Zr)=0.10-0.25

w(Nb)=0.08-0.25

w(Ce)=0.02-0.16

铍钴铜CuCo2Be

w(Co)=2.0-2.8

180-190

23

748

适用于电焊电阻率和高温强度高的材料,如不锈
钢、高温合金等,凸焊或对焊电极夹具及镶嵌电极

w(Be)=0.4-0.7

硅镍铜CuNi2Si

w(Ni)=1.6-2.5

168-200

17-19

773

w(Si)=0.5-0.8

钴铬硅铜CuCo2CrSi

w(Co)=1.8-2.3

183

26

600-873

w(Cr)=0.3-1.0

w(Si)=0.3-1.0

w(Nb)=0.05-0.15

99.5

420

17

1273

电焊高导电性能有色金属(Ag,Cu)的复合电极镶块

99.5

150

17

1273

W75Cu

w(Cu)=25

220

17

1273

复合电极镶块材料;对焊时镶嵌电极

W78Cu

w(Cu)=22

240

16

1273

W70Cu

w(Cu)=30

300

12

1273

W65Ag

w(Ag)=35

140

29

1173

抗氧化性好

随着现代工业生产中自动焊机、焊接机器人的大量使用,电阻焊需在高速、高节拍下完成,这对电极材料的强度、软化点和导电性能等提出了更高的要求。颗粒强化铜基复合材料(又称弥散强化铜)作为新型电极材料受到重视,是由于铜基体中加入或通过一定的工艺原位生成微细、弥散分布、具有良好热稳定的第二相粒子,而该粒子可阻碍位错运动,提高材料的室温强度,同时可以阻碍再结晶的发生,从而提高材料的高温强度。目前,可采用内氧化法和机械合金化法制取弥散强化铜复合材料。国内外典型的弥散强化铜电阻焊电极材料的成分及性能见表2。

表2 典型的弥散强化铜电阻焊电极材料的成分及性能

材料

抗拉强度/MPa

伸长率/%

电导率(MSM-1)

使用范围

Cu-0.38Al2O3

490

5

84

汽车制造、使用寿命为铬铜点焊电极的4-10倍

Cu-0.94Al2O3

503

7

83

Cu-0.16Zr-0.26Al2O3

434

8

88

Cu-0.16Zr0.94Al2O3

538

5

76

3 结语

电阻焊技术操作简单、可机械化程度高,在未来的应用里仍会占有重要地位。作为电阻焊技术关键部件的电极用铜合金不可替代。人们对析出强化高强度、高导电铜合金电极材料的研究已开展了几十年,也研制出了许多具有优异性能的合金系列。今后的研究重点是:对现有合金系的强化机理进一步研究以提高其使用性能;继续研究开发具有自主知识产权的新型电阻焊电极用铜合金;合金元素多元化以及工艺的优化。高强度、高导电铜基复合材料具有比铜合金更为优越的性能,是今后发展的方向。目前,内氧化法制备的Al2O3弥散强化铜的性能已达到了较高的水平,但工艺复杂。今后的研究重点是如何简化工艺以降低成本和进一步提高材料性能,同时加强对一些新的制备方法,如复合电沉积法、真空混合铸造法、XD 法的研究。形变铜基复合材料和稀土合金化材料具有优异的综合性能,但成本很高,尺寸受到限制,目前还没有广泛应用于电极材料,今后的发展趋势是简化工艺,并通过多元合金化途径降低成本,使电极用铜合金的选择使用范围更广。

 

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