氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極材料在焊接鍍鋅板中的應(yīng)用

張冬平，鐘萬(wàn)良，陳峰，葉富興，劉慧

（廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651）

氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極材料在焊接鍍鋅板中的應(yīng)用

張冬平，鐘萬(wàn)良，陳峰，葉富興，劉慧

（廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651）

文章對(duì)目前鍍鋅板的焊接出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出鍍鋅板焊接問(wèn)題產(chǎn)生的原因，分析了氧化鋁彌散強(qiáng)化銅作為電極材料在焊接鍍鋅板過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)今后氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的應(yīng)用及存在的問(wèn)題進(jìn)行了展望和分析。

鍍鋅板；焊接；氧化鋁彌散強(qiáng)化銅；電極

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)11-63-02

鍍鋅鋼板由于具有良好的耐腐蝕性，近年來(lái)在汽車(chē)、家電、建筑等行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在汽車(chē)制造中取代冷軋鋼板而被大量使用[1-5]。通常情況下，鍍鋅板的連接主要以電阻焊為主要的連接方法，電阻焊的電極頭作為易耗品直接與鍍鋅板接觸，其質(zhì)量直接影響到焊接產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)，由于其作為一種大量使用的易耗品，其對(duì)生產(chǎn)成本的貢獻(xiàn)也不可忽略。

1 電阻焊焊接鍍鋅板的特點(diǎn)及目前存在的問(wèn)題

鍍鋅板焊接時(shí)，由于其表面存在低熔點(diǎn)低硬度的鍍鋅層，減小了接觸電阻和電流密度，從而與不帶鍍層的普通鋼板相比，需要增大焊接電流或者延長(zhǎng)焊接時(shí)間，由于更高溫度的存在，從而促進(jìn)了焊接時(shí)電極銅與鍍鋅層形成鋅銅合金，造成生產(chǎn)上所說(shuō)的粘連工件現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，增加了電極的修模次數(shù)，鍍鋅層越厚、焊接溫度越高、壓力越大、焊接頻率越高，電極頭的使用壽命就越短。近些年來(lái)，不斷通過(guò)更改電流的大小、脈沖次數(shù)等方式來(lái)解決鍍鋅板的焊接問(wèn)題，但是又會(huì)造成焊接工件熔核過(guò)深（如圖 1）或者工件表面粘銅（如圖 2）等缺陷，無(wú)法從根本上解決鍍鋅板焊接存在的問(wèn)題，隨著鍍鋅板使用的越來(lái)越廣泛，研究出新型的電極材料，解決電極與鍍鋅板的粘連現(xiàn)象，提高電極使用壽命，并且成功的進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)是材料研究的一項(xiàng)重要工作。

圖1 焊接熔核過(guò)深

圖2 工件表面粘銅

2 氧化鋁彌散強(qiáng)化銅焊接鍍鋅板的優(yōu)點(diǎn)

目前，汽車(chē)焊接中使用的電極材料主要為鉻鋯銅，而鉻鋯銅作為電極焊接鍍鋅板時(shí)，不能避免鍍鋅板焊接時(shí)存在的問(wèn)題，在焊接過(guò)程中，鉻鋯銅電極有2個(gè)主要缺點(diǎn)：一是電極會(huì)與鋼板嚴(yán)重粘連，大大降低生產(chǎn)效率，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電極的導(dǎo)電率下降，出現(xiàn)虛焊等問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證；二是軟化溫度低，焊接過(guò)程中很快軟化，出現(xiàn)“蘑菇頭”狀失效，在焊接一定數(shù)量的焊點(diǎn)后，焊接質(zhì)量急速降低，嚴(yán)重影響焊點(diǎn)質(zhì)量的一致性，這些問(wèn)題直接影響著汽車(chē)的生產(chǎn)效率，并且加大了相關(guān)焊接設(shè)備的損耗和焊接生產(chǎn)成本。但基于以上原因，焊接設(shè)備廠家均希望有更好的電極材料。美國(guó) SCM公司在上世紀(jì)末期開(kāi)始推出氧化鋁彌散強(qiáng)化銅材料。氧化鋁彌散強(qiáng)化銅與鉻鋯銅銅物理性能對(duì)比如表 1，常溫下，這種材料與鉻鋯銅相似，但其具有出色的高溫力學(xué)性能（軟化溫度 900℃）及耐磨性，更主要的是氧化鋁彌散強(qiáng)化銅電極中彌散分布著納米級(jí)的氧化鋁顆粒，在焊接時(shí)，由于高溫熔化了鍍鋅板的鍍鋅層，加劇鋅向銅基體擴(kuò)散，形成冶金化合金，而在銅基體中彌散分布著納米級(jí)的氧化鋁顆粒具有良好的熱穩(wěn)定性，可阻止 Zn向電極中擴(kuò)散，同時(shí)，可以起到破壞鋅和銅的冶金結(jié)合，從而大大減小粘連所帶來(lái)的電極損耗；另外，由于氧化鋁彌散強(qiáng)化銅具有 900℃以上的軟化溫度，焊接過(guò)程中電極頭部形成蘑菇狀的速率較慢，減少了修模及更換電極次數(shù)，焊接時(shí)也不用調(diào)大電流或者二次脈沖等，節(jié)約了大量能源，提高了生產(chǎn)率，對(duì)于目前使用機(jī)器化生產(chǎn)的汽車(chē)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，彌散強(qiáng)化銅電極的推廣應(yīng)用，是焊接生產(chǎn)線上的一次改革，它成功的為鍍鋅鋼板的焊接提供了終端的解決方案。

表1 氧化鋁銅彌散銅與鉻鋯銅物理性能對(duì)比

3 氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的強(qiáng)化機(jī)理

氧化鋁彌散強(qiáng)化銅具有高強(qiáng)度，高導(dǎo)電率，高的軟化溫度，這與作為強(qiáng)化相的氧化鋁粒子的在銅基體中的彌散分布具有很大的聯(lián)系。其作用主要分為三個(gè)方面，第一，彌散分布的氧化鋁粒子提供了位錯(cuò)源，增加了位錯(cuò)密度，提高了材料的強(qiáng)度。第二，氧化鋁粒子彌散存在于銅基體中，能夠極大地抑制晶界、亞晶界遷移，使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶很難發(fā)生，從而使氧化鋁彌散強(qiáng)化銅與其他銅合金相比具有更高的軟化溫度。第三，氧化鋁顆粒阻礙位錯(cuò)在晶界、亞晶界上的運(yùn)動(dòng)，阻礙晶粒的長(zhǎng)大，對(duì)位錯(cuò)起到釘扎作用，提高符合材料的強(qiáng)度。其釘扎位錯(cuò)機(jī)理為著名的奧羅萬(wàn)（Orowan）機(jī)理[6]，當(dāng)位錯(cuò)遇到氧化鋁顆粒時(shí)，無(wú)法切斷硬質(zhì)第二相而通過(guò)，在外力作用下位錯(cuò)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，會(huì)繞過(guò)氧化鋁顆粒而發(fā)生彎曲，最后在氧化鋁顆粒周?chē)粝乱粋€(gè)位錯(cuò)環(huán)，而位錯(cuò)繼續(xù)前進(jìn)，由于位錯(cuò)的產(chǎn)生，增加了晶格畸變能，是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，滑移抗力增大，從而提高了材料的強(qiáng)度。彌散的氧化鋁粒子的尺寸對(duì)基體的強(qiáng)化非常關(guān)鍵，當(dāng)氧化鋁粒子達(dá)到納米級(jí)時(shí)，強(qiáng)化效果非常明顯，因此，氧化鋁顆粒的大小是彌散強(qiáng)化的關(guān)鍵。

4 氧化鋁彌散強(qiáng)化銅應(yīng)用的問(wèn)題與展望

氧化鋁彌散強(qiáng)化銅具有優(yōu)良的焊接性能，尤其是在汽車(chē)焊接領(lǐng)域中，隨著鍍鋅板的普及，氧化鋁彌散強(qiáng)化銅作為電極材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，氧化鋁彌散強(qiáng)化銅具有非常好的高溫強(qiáng)度，高溫導(dǎo)電、高溫導(dǎo)熱性能優(yōu)異，在高溫下具有優(yōu)異的抗軟化能力，同時(shí)具有良好的塑性和機(jī)械加工性能。

目前氧化鋁彌散強(qiáng)化銅還不夠普及，其最主要的原因是由于其生產(chǎn)為粉末冶金發(fā)制備，生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，產(chǎn)品回收困難，所以造成價(jià)格比傳統(tǒng)電極材料要高，如何簡(jiǎn)化氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的生產(chǎn)工藝，研究氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的回收工藝，減少生產(chǎn)成本，如何通過(guò)新技術(shù)、新方法有效的解決該材料在工業(yè)化生產(chǎn)的上述問(wèn)題，是材料研究面臨的新課題。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氧化鋁彌散強(qiáng)化銅一定會(huì)有一個(gè)非常廣泛的應(yīng)用前景。

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Application of the alumina dispersion strengthened copper as electrode material in the welding process of galvanized sheet

Zhang Dongping, Zhong Wanliang, Chen Feng, Ye Fuxing, Liu Hui（Guangdong Institute of Materials an Processing, Guangdong Guangzhou 510651）

This paper analyzes the current problems of the welding of galvanized sheet, galvanized sheet welding problems have pointed out the reason, analysis of the alumina dispersion strengthened copper as electrode material in the welding process of galvanized sheet advantages for future alumina dispersion strengthened copper application and existing problems were discussed and analyzed.

galvanized sheet; welded; aluminum oxide dispersion strengthened copper; electrode

U467

：A

：1671-7988 (2017)11-63-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.11.022

張冬平（1980-），男，工程師，就職于廣東省材料與加工研究所，主要從事銅合金及耐磨材料研究 。