镀锌钢板电阻焊电极材料的研究现状及进展

文/邹家生

镀锌钢板由于具有良好的耐腐蚀性能，近年来在钢桶制造业中取代冷轧钢板而被大量使用。电阻焊作为一种重要的生产工艺，在钢桶制造业中得到越来越多的关注和研究。而电阻焊机中最关键的电极接头部位，在焊接镀锌钢板时，其表面的低熔点镀锌层减小了接触电阻和电流密度，与普通钢板（非镀层钢板）电阻焊相比，需增大焊接电流或延长焊接时间，这就更促进电极头部合金化的形成。且在高温、高压下频繁与工件接触，加快了电极磨损，相对于普通钢板焊接而言，电阻焊镀锌钢板电极的寿命一般较短。

为了提高电阻焊时电极材料的使用寿命，新型电阻焊电极材料的研发一直受到人们的高度重视，近年来，各国焊接工作者和材料学家就镀锌钢板电阻焊电极材料进行了大量的研究，一直希望能找出一种既能克服电阻焊中存在的种种性能问题，又能降低制造成本的电极材料。

1 电阻焊电极材料的失效机理

镀锌钢板电阻焊过程中，由于镀层中锌的熔点很低（约为692K），硬度也低（约HB91），且与铜具有较强的亲和力，焊接过程中电极/工件界面处的温度较高，在电极压力作用下，会发生锌与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、硬而脆的黄铜层，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。因此，需及时修整或者更换电极，否则，就不能保证焊接质量和焊点外观质量。

与普通低碳冷轧钢板相比，由于锌的熔点低，镀锌层会先于钢板熔化，在电极压力的作用下，其被挤出焊接区域，形成锌环，由于其分流作用，电阻焊焊接镀锌钢板时焊接工艺参数都要进行调整。实验室和实际焊接生产均表明，在镀锌钢板电阻焊时，需将同厚度的无镀层钢板选用的电极压力增大10％～25％，焊接时间延长25％～50％，焊接电流增大25％～35％，而且镀锌层越厚，所需的焊接电流越大。但焊接时间长将加剧粘附和合金化作用，使电极寿命显著缩短。

另外，电阻焊电极焊接镀锌钢板时，由于高温的作用，在电极表层产生低熔点合金，当电极离开工件时，有些低熔点合金在飞溅作用下离开了电极端面，在电极端面产生了一个个小弧坑，许多小弧坑连成一起的过程就是坑蚀，结果便在电极上形成了坑蚀。当电极某区域的温度高于电极材料的再结晶温度时，则会在电极中产生再结晶和晶粒长大，强度降低，电阻率升高，加快塑性变形。再者电阻焊电极在工作过程中不仅在高温下受力，而且还要承受加热和冷却的循环作用，受到热和力的冲击，产生热疲劳。这些都会加快电极失效。

2 电极材料分类及特征

作为镀锌钢板电阻焊电极材料，要求其高温硬度高，同时热导率也高。因此，根据使用要求，人们制造了很多各种性能的电极材料。

2.1 铜合金电极

早在上世纪70年代，人们就在Cu中加入w（Cd）0.6%～1.0％形成固溶体， 通过高度冷作硬化加工提高硬度的电极材料，导电率和热导率并不比Cu低多少，而且高温硬度比Cu的高。另外，人们还在Cu中加入w（Cr）0.5%～1.0％形成可以热处理强化的合金材料。将其在熔点以下（1000℃）保温1h，进行淬火，再在400～470℃下进行1～2h的回火（析出硬化处理）析出Cr，由于铬铜是热处理合金，高温硬度高，耐用性也好，导电率和热导率也不低，从而得到高硬度和良好的导电性的电极材料。但发现用于镀锌钢板电阻焊时电极寿命很短。

后来人们进行各种合金的试制研究发现，在铬，铜合金中加入少量的Zr 制成的电极材料，其各种性能得到很大改善，并且寿命较前2 种电极材料也有很大的提高。但镀锌钢板电阻焊时，Cr-Zr-Cu合金电极有2个主要缺点：一是电极会与钢板严重粘结，大大降低生产效率；二是电阻焊电极（包括电极头、电极帽、电极板和电极轮）的使用寿命要比焊接无镀层钢板时明显缩短。焊接无镀层钢板时，电阻焊电极（如Cr-Zr-Cu合金电极）的使用寿命通常可达到1000 个焊点以上，而焊接镀锌钢板时，Cr-Zr-Cu合金电极的使用寿命甚至不到250 个焊点。

为了解决上述问题，天津大学吴志生教授等首次将深冷处理技术应用于提高镀锌钢板电阻焊电极寿命的课题研究，进行了深冷处理前后的电阻焊电极寿命试验，研究了深冷处理对镀锌钢板电阻焊电极寿命的影响。结果发现，用未深冷处理的Cr-Zr-Cu合金电极电阻焊镀锌钢板时，前200个焊点的熔核直径变化不大，焊至第300个焊点后熔核直径产生较大变化，而且很快减小，电极寿命只有550个焊点。用深冷处理的Cr-Zr-Cu合金电极电阻焊镀锌钢板时，前1500个焊点的熔核直径较稳定，波动较小。-150℃保温2h与保温4h的深冷电极寿命分别为1687个焊点与1743个焊点，可以认为寿命相同。-170℃保温2h的深冷电极的电阻焊过程更为稳定，在1800个焊点范围内熔核直径没有较大波动，该电极平均寿命达到2234个焊点，寿命进一步提高。此外，用未深冷处理电极电阻焊镀锌钢板时，粘电极现象严重，并有飞溅，焊点表面颜色为黄铜色，而用深冷处理电极电阻焊镀锌钢板时，焊接过程飞溅较小，焊点表面黄铜色极浅，表明铜锌合金化倾向小。

但Cr-Zr-Cu合金仍是最常用的电阻焊电极材料，这是由其自身优良的物理化学特性及很好的性价比所决定的。

（1）Cr-Zr-Cu电极达到了焊接电极4项性能，使指标很好地平衡，优良的导电性保证焊接回路的阻抗最小，可获得优良的焊接质量；高温力学性能可保证焊接高温环境下电极材料的性能及寿命；耐磨性能使电极不易磨损，同时延长寿命，降低成本；较高的硬度和强度可保证电极头在一定的压力下工作，不易变形压溃，保证焊接质量。

（2）电极是工业生产的一种消耗品，用量比较大，因而其价格成本也是需考虑的一个重要因素，Cr-Zr-Cu电极相对其优良的性能来说，价格比较低廉，能满足生产的需要。由于上述原因，Cr-Zr-Cu合金电极目前仍得到广泛的应用。

2.2 复合材料电极

这些复合材料是采用在高温下硬度也不降低的W与导热性好的Cu混合烧结而成的，其中典型的是W-Cu合金。W基高密度合金是在W中加入少量的镍铁或镍铜烧结而成，W-Cu复合材料中有w（Cu）10%～40％，也广泛用于镀锌钢板的电阻焊。

2.3 氧化铝铜电极

在焊接镀锌钢板时，由于Cr-Zr-Cu铜电极经常与工件粘接。在焊接数点后，焊接质量急速降低，严重影响焊点质量的一致性。基于以上原因，焊接设备厂家均希望有更好的电极材料。美国SCM公司在1973年开始推出氧化铝弥散强化铜材料。由于采用了全新的制造工艺，综合性能得到了较大的提高。它与Cr-Zr-Cu相比，具有出色的高温力学性能（软化温度900℃）及良好的导电性（导电率80%～85%IACS）和耐磨性。更主要的是弥散强化铜电极中弥散分布着细小的氧化铝颗粒，可阻止Zn向电极中扩散，从而大大减小粘结所带来的电极损耗，使电极寿命比普通Cu-Cr电极寿命延长2～2.7 倍。氧化铝铜电极成功地应用于电阻焊电极，现在已经正式纳入ASTM标准。随后，日本也开发并制造、销售商品名为DEMIRAS的弥散强化铜电极材料，并且也纳入了日本JIS 标准。2005年，中南大学汪明朴、李周等人制备出零烧氢膨胀纳米弥散强化CuAl2O3合金，与无氧铜相比，其RP0.2比无氧铜的高3～11 倍，抗退火软化温度可高达900℃以上，而导电率可达75%～96%IACS，具有零烧氢膨胀特性。

因此，用上述材料制成的氧化铝铜电极是一种性能优异的电极材料，无论其强度、软化温度还是导电性都非常优越，尤其突出的是用来焊接镀锌板，不会像Cr-Zr-Cu电极那样产生电极与工件粘住的现象，不用经常打磨，可有效解决焊接镀锌板的问题，提高了效率，其使用寿命也提高4倍以上。

氧化铝铜电极虽具有优良的焊接性能，但目前其造价十分昂贵，在价格上比Cu-Cr铜电极高2倍左右，因而目前使用还不普遍，但对镀锌板优异的焊接性能及镀锌板的普遍使用，使得其市场前景广阔。

2.4 涂层电极

涂层电极是国内外电极研究比较热门的方向，其良好的工艺性能、低廉的价格，吸引众多企业和高校积极投入涂层电极研究之中。

目前，国内用电火花在Cr-Zr-Cu电极表面熔敷一层TiC。电阻焊镀锌钢板的电极寿命达到1000余个焊点，是一般Cr-Zr-Cu电极（400个焊点）的2.5倍。主要原因是TiC涂层延缓和阻止了Zn的扩散，延缓了与电极基体Cu的合金化。但由于TiC涂层存在一些缺陷，如裂纹或与电极基体粘合不牢，在焊接过程中Zn通过渗透扩散到TiC涂层下面，与电极基体Cu发生反应。随着焊点的增加，可能形成脆性很大的Cu-Zn合金，在热和力的作用下脱落，与电极基体结合不牢的TiC涂层也一同脱落，致使其有更大的面积与Zn 接触，进一步加快了电极的磨损。目前，北美地区已采用表面处理工艺在电极端部镀上一层TiC颗粒增强的Ni基合金，起到隔离层的作用，防止铜合金与熔融Zn反应，可提高电阻焊接镀锌钢板时的使用寿命。据报道，这种涂层电极目前已在北美三大汽车公司的焊接生产线上得到应用。然而，为了获得性能更好的涂层电极，我国陈铮教授对目前北美的现行产品进行了详细分析和试验。在上述工作的基础上，针对存在的问题，提出了采用双层和多层涂层的新思路。在Cr-Zr-Cu铜合金电极头部先沉积一层Ni基合金，然后再沉积TiC颗粒增强的Ni基合金（双层涂层）。结果发现， 与单层TiC颗粒增强的Ni基合金（美国和加拿大目前的技术）相比，双层涂层的致密度、韧性以及与基体的结合得到大大改善，在焊接过程中也不易开裂。用该双层涂层的电极在南京汽车集团菲亚特轿车、通用和大众汽车公司的试验室和生产线上进行试验，发现涂层电极所需的焊接电流远小于无涂层电极，且寿命是普通无涂层电极的2倍以上。

为了对涂层的成分、沉积工艺和焊接时的冶金行为进行系统的研究，以开发出性能更好、寿命更长的涂层电极，陈铮教授还提出了多层电极的新思路。首先，在电极端部沉积一层很薄的Ni基合金涂层（第1层），该涂层可起到隔离和防止铜合金进入第2层涂层的作用。然后，在第1层涂层上再沉积一层导电金属陶瓷涂层（第2层），该金属陶瓷涂层为TiC或TiB2增强的Ni基或Co基合金。由于Ni对于TiC和TiB2来说是很好的粘结剂（而Cu不是），所以金属陶瓷涂层能与第1层Ni基合金涂层形成良好的结合。由于TiC或TiB2陶瓷与熔融Zn之间几乎不发生粘结，因此，可大大降低涂层与Zn之间的粘结。此外，金属陶瓷的硬度很高，可有效防止电极端部变形致使电极的横截面积增大。为进一步减少涂层与熔融Zn之间的粘结，对第2层涂层最后再进行一次表面固体润滑处理，即沉积一层干润滑膜（第3层）。首次创造性地提出在涂层最顶端沉积一层固体干润滑膜，可显著降低焊接初期涂层与熔融Zn之间的粘附，延缓了基体与Cu的合金化，可大大提高电极寿命。

3 展望

目前，电阻焊镀锌钢板所用的电极材料一般都是铜或铜合金，国内外研究的Cu基复合材料比较多，但由于成本高，价格昂贵，限制了其在生产中的广泛应用。由此可见要想提高电极材料的使用寿命，可从以下三方面入手：

（1） 降低Cu基复合材料的制造成本。

（2）对电极表面进行适当的处理，由于电阻焊镀锌钢板时电极容易与Zn 发生合金化，可以在电极表面沉积一层涂层或多层涂层避免合金化或者减慢合金化。找出涂层沉积的最优工艺参数，从而提高表面涂层的质量，减少裂纹、空洞、涂层脱落等缺陷，提高表面涂层与电极基体的结合强度，从而提高电极的使用寿命。

（3） 更加深入研究镀锌钢板电阻焊时电极失效机理，开发出性能更好、寿命更长的镀锌钢板专用电极材料。