郭瑞鵬，馮 毅

(1.河南化工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042;2.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

0 引言

電阻焊技術(shù)誕生于19世紀(jì)末，因具有效率高、質(zhì)量好、成本低且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，目前在汽車制造、航空航天、家電制造、儀器、儀表、量具刃具等領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用。電阻焊電極是電阻焊中向焊件傳輸焊接電流、施加焊接力并消散焊接區(qū)熱量的工具，在焊接過程中，電極在高溫和高壓下，不斷的與工件進(jìn)行接觸，這就要求電極具備較高的高溫強(qiáng)度和硬度、抗氧化性和良好的導(dǎo)電性能，但目前大量使用的鉻鋯銅合金電極，軟化溫度低，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)變形和粘附，使用壽命較短，使用過程中要不斷的進(jìn)行電極的修整和更換，在很大程度上降低了生產(chǎn)效率［1］。

近年來，由于汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，具有優(yōu)良耐蝕性的鍍鋅板得到了越來越多的應(yīng)用，但是鍍鋅板在焊接時(shí)，由于鋅會(huì)固溶于電極中，造成電極與焊件的粘連，會(huì)嚴(yán)重影響電阻焊的質(zhì)量和效率［2-3］。

基于電阻焊電極在焊接過程中存在的問題，研究熱穩(wěn)定性更好、壽命更長(zhǎng)的電極，成為了電阻焊研究領(lǐng)域亟待解決的問題。

1 國內(nèi)外電阻焊電極的研究現(xiàn)狀

電阻焊電極是一種消耗品，目前，在電阻焊領(lǐng)域使用的電極主要有Cr-Zr-Cu銅合金電極、氧化鋁彌散強(qiáng)化銅合金電極和涂層電極。其中，Cr-Zr-Cu銅合金電極由于本身物理化學(xué)特性優(yōu)良，且性價(jià)比高，在電阻焊領(lǐng)域仍有著廣泛的應(yīng)用。氧化鋁彌散強(qiáng)化銅合金電極雖然使用性能優(yōu)良、壽命長(zhǎng)，但由于其成本較高，目前在國內(nèi)尚沒有得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。涂層電極由于工藝性優(yōu)良，且價(jià)格低廉，是國內(nèi)外電阻焊電極領(lǐng)域研究的熱門方向［4］。

1.1 Cr-Zr-Cu銅合金電極的現(xiàn)狀

Cr-Zr-Cu銅合金電極焊接鍍鋅板時(shí)存在易粘連、壽命短等問題，吳志生等人利用深冷技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了處理，深冷處理后的電極基體致密性、導(dǎo)電導(dǎo)熱能力得到了提高，焊接時(shí)產(chǎn)熱減少，降低了銅鋅的合金化傾向，減少了焊接飛濺，電極壽命最高可達(dá)到未處理電極的4倍左右。但深冷技術(shù)處理銅合金電極成本較高，因此，實(shí)際推廣應(yīng)用還存在較大困難［4］。

1.2 彌散強(qiáng)化銅合金在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

作為新型電阻焊電極材料，氧化物彌散強(qiáng)化銅合金由于導(dǎo)電性能良好、硬度高、抗高溫軟化性能好，受到了越來越多的關(guān)注。國內(nèi)外也對(duì)該材料的制備和加工應(yīng)用，做了大量的研究工作［2］。

1.2.1 彌散強(qiáng)化銅合金國外發(fā)展現(xiàn)狀

1973年，美國的SCM公司采用全新制造工藝，推出了Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金材料，與傳統(tǒng)的Cr-Zr-Cu電極材料相比，其軟化溫度高達(dá)900℃。此外，Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金還具有良好的耐磨性和導(dǎo)電性，作為電阻焊電極材料進(jìn)行鍍鋅板焊接時(shí)，銅合金中彌散分布的Al2O3可阻止鋅向電極中擴(kuò)散，從而阻止了電極端部的合金化，減少了脆性黃銅層的形成，降低了因銅合金電極與鋅之間的粘附所造成的電極變形和失效，提高了電極的使用壽命，可達(dá)到普通Cr-Zr-Cu電極的4～10倍。

美國先后研發(fā)并生產(chǎn)了多個(gè)牌號(hào)的氧化物彌散強(qiáng)化銅合金產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)納入ASTM標(biāo)準(zhǔn)。日本在該領(lǐng)域也進(jìn)行了大量的研究，并開發(fā)生產(chǎn)了商品名為DEMⅠRAS的氧化物彌散強(qiáng)化銅合金電極材料，并將其納入日本的 JⅠS標(biāo)準(zhǔn)［5-6］。目前，美國、法國、日本等國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了彌散強(qiáng)化銅合金的規(guī)?；a(chǎn)，作為電極材料，在電阻焊領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2.2 彌散強(qiáng)化銅合金國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)的一些高校和科研院所先后進(jìn)行了氧化物彌散強(qiáng)化銅合金的研究工作，中鋁洛陽銅業(yè)有限公司最先開展了氧化物彌散強(qiáng)化銅合金的研制，并在90年代建立了國內(nèi)第一條小規(guī)模生產(chǎn)線，目前已具備年產(chǎn)50 t以上的生產(chǎn)能力。昆明貴金屬研究所經(jīng)過多年的研究開發(fā)，已率先采用粉末冶金的方法成功制備出彌散強(qiáng)化銅合金，并制定了規(guī)模化生產(chǎn)的工藝路線，產(chǎn)品具有較高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，熱穩(wěn)定性良好［7-8］。

目前，國內(nèi)雖然具備了一定的氧化物彌散強(qiáng)化銅合金生產(chǎn)能力，但制備工藝復(fù)雜，成本較高，且與國外同類產(chǎn)品相比，其性能偏低(HRB:75左右)、后續(xù)加工困難，目前產(chǎn)品主要用于微波管結(jié)構(gòu)件和高壓隔離開關(guān)導(dǎo)電桿，電極用彌散強(qiáng)化銅合金材料還主要依靠進(jìn)口。因此，如何簡(jiǎn)化氧化物彌散強(qiáng)化銅合金的加工流程、降低成本，同時(shí)提高產(chǎn)品的性能，成為國內(nèi)氧化物彌散強(qiáng)化銅合金研究領(lǐng)域亟待解決的問題。基于目前國內(nèi)電極用彌散強(qiáng)化銅合金發(fā)展存在的問題，一些專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究［9］。

向紫琪等人采用改進(jìn)的內(nèi)氧化法，制備了A12O3彌散強(qiáng)化銅合金材料，通過金相觀察、掃描電鏡、透射電鏡、XRD等分析手段，以及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，研究了該氧化鋁彌散強(qiáng)化銅合金的微觀組織結(jié)構(gòu)、高溫下的力學(xué)性能以及旋轉(zhuǎn)鍛造加工性能，研究結(jié)果表明，Cu-2.7vol.%Al203彌散強(qiáng)化銅合金，在旋鍛加工和中間退火后，表現(xiàn)出了良好的變形能力和力學(xué)穩(wěn)定性。為高性能氧化鋁彌散強(qiáng)化銅合金的制備和加工性能的改善，提供了有價(jià)值的參考和依據(jù)［10］。

曹先杰等人通過內(nèi)氧化法制得了Cu-0.58wt%高鋁彌散銅合金，并研究了不同加工方法對(duì)合金組織與性能的影響。研究結(jié)果表明，該銅合金具有很好的抗高溫軟化能力，軟化溫度超過1000℃。加工時(shí)的加壓溫度對(duì)其性能有著較大的影響，較適宜的后續(xù)加工方法是冷模鍛［9］。

黃勁松等人經(jīng)過研究，開發(fā)出了低成本的ODS彌散強(qiáng)化銅合金生產(chǎn)技術(shù)，不但有效提高了銅合金的密度，同時(shí)也解決了其尺寸受限的問題，目前，可半連續(xù)生產(chǎn)，所生產(chǎn)坯料可達(dá)噸計(jì)，制備成本可控制在3萬元/噸以內(nèi)［2］。

隨著氧化物彌散強(qiáng)化銅合金生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步、生產(chǎn)成本的降低、以及性能的提高，該合金在電極材料方面的應(yīng)用也會(huì)越來越廣，在目前廣泛應(yīng)用的鍍鋅板焊接中，也將會(huì)得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。

1.3 涂層電極

除氧化物彌散強(qiáng)化銅合金電極外，涂層電極也是目前電阻焊電極研究中的重點(diǎn)內(nèi)容。焊接時(shí)，由于涂層電極使用電流比普通電極小，且焊接時(shí)間短，降低了電能消耗，電極壽命也較長(zhǎng)，因而不需要對(duì)電極頻繁進(jìn)行修磨和更換。由于涂層電極極高的性價(jià)比，將使其成為電阻焊電極應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國內(nèi)通過在Cr-Zr-Cu電極表面熔敷TiC層，使電極壽命提高至普通電極的2.5倍，但應(yīng)用中存在涂層與電極之間存在粘合不牢、易脫落等問題［5］。沈喬等人研究了電極表面的多涂層沉積工藝及其對(duì)涂層質(zhì)量的影響，獲得了涂層沉積的最佳工藝參數(shù)，制得的涂層電極硬度大大高于普通的Cr-Zr-Cu電極，且涂層質(zhì)量好、無缺陷，使電極壽命得到了很大的提高［11］。

王濤等人采用電火花沉積技術(shù)，在Cr-Zr-Cu電極上沉積了Ni/金屬陶瓷涂層，制得了雙涂層的電極，改善了涂層與基體的結(jié)合性能，致密度和韌性也得到了提高，通過驗(yàn)證，對(duì)電極壽命進(jìn)行了綜合評(píng)定。研究表明，在鍍鋅板焊接時(shí)，涂層可限制鋅與電極之間的合金化，提高了電極的抗塑性變形能力，使涂層電極的壽命可達(dá)到普通電極壽命的2.5倍以上。同時(shí)，還獲得了0.8 mm厚鍍鋅板的最佳焊接工藝參數(shù)。目前該涂層電極已經(jīng)在通用、大眾等汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)線上進(jìn)行了試驗(yàn)，效果良好［4］。隨著涂層韌性和致密度、以及與電極表面結(jié)合性能等問題的解決，具有優(yōu)良性能和極高性價(jià)比的涂層電極也會(huì)在電阻焊應(yīng)用領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。

2 展望

隨著電阻焊電極材料研究的不斷深入，熱穩(wěn)定性更好、壽命更長(zhǎng)的電極材料的出現(xiàn)，電阻焊生產(chǎn)效率將會(huì)大幅提高，電極材料的消耗也會(huì)隨之降低，成本也會(huì)相應(yīng)降低。這些研究成果的出現(xiàn)，也將進(jìn)一步推動(dòng)電阻焊在工業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用。

［1］ 田衛(wèi)平，王 峻，允若谷，等.新型電阻焊電極材料——彌散強(qiáng)化銅［J］.電焊機(jī)，1997(4):38-41.

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［3］ 陸艷杰，康志君，崔 舜.氧化物彌散強(qiáng)化銅合金的研究與應(yīng)用［J］電工材料，2005(2):21-24.

［4］ 王 濤.鍍鋅鋼板電阻焊涂層電極壽命及應(yīng)用［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2011.

［5］ 鄒家生，陳艷青，沈 喬，等.鍍鋅鋼板電阻焊電極材料的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.焊接技術(shù)，2009，38(9):11-14.

［6］ 趙桂潔，彭茂公，田衛(wèi)平，等.A12O3彌散強(qiáng)化銅合金材料的制備工藝探討及應(yīng)用［J］.云南冶金，2009，38(2):79-82.

［7］ 程建奕，汪明樸.高強(qiáng)高導(dǎo)高耐熱彌散強(qiáng)化銅合金的研究現(xiàn)狀［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2004，18(2):38-41.

［8］ 李玉娟.Cu-Al合金薄板內(nèi)氧化法制備塊體 Cu-Al2O3復(fù)合材料［D］.洛陽:河南科技大學(xué)，2014.

［9］ 曹先杰，李湘海，蔣長(zhǎng)樂.彌散銅電阻焊電極材料工藝研究［J］.銅加工，2011(1):34-39.

［10］ 向紫琪.Cu-A1203彌散強(qiáng)化銅合金的組織和高溫力學(xué)性能研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2014.

［11］ 沈 喬.鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊涂層電極研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2009.