镀锌板焊接电极失效原因分析及改进

镀锌板焊接电极失效原因分析及改进

镀锌板焊接电极失效原因分析及改进 篇1

镀锌板焊接电极失效原因分析及改进

张冬平，钟万良，陈 峰，叶富兴，刘 慧，刘诗桥（广东省材料与加工研究所，广东 广州 510651）摘 要：文章对目前镀锌板焊接时电极失效的形式及原因进行了分析，指出传统铬锆铜电极材料在焊接镀锌板时的缺点，使用Al2O3弥散强化铜电极材料进行了镀锌板焊接实验，分析了Al2O3弥散强化铜作为电极材料在焊接镀锌板时减少电极失效的原因。关键词：镀锌板；弥散强化铜；电极；失效 随着现代汽车工业的发展，为了提高使用寿命，车身通常采用耐腐蚀性能较好的镀层钢板，尤其以镀锌钢板的使用量为最大，镀锌板已经在越来越多的汽车零部件上得到应用[1-4]。由于镀锌板的大量应用，汽车零部件最常规的组装方法——焊接，也带来了新的技术问题，汽车焊接主要采用电阻焊焊接。目前国内汽车厂使用的焊接镀锌板电极材料一般为铬锆铜，铬锆铜在焊接低碳钢时具有很好的可靠性。但焊接镀锌板时，由于铜和锌在高温情况下发生冶金结合，生成锌黄铜，从而出现电极粘连镀锌板的情况，严重影响产品的焊接质量，减少了电极的使用寿命，频繁的更换电极，降低了生产效率。1 镀锌板点焊电极使用条件及失效现象 电阻焊在汽车焊接上广泛应用，电阻焊的焊接原理是利用在电极之间通过大电流而产生大量热量，使钢板在电极压力下形成焊核，从而达到联接钢板的目的。焊接时不同位置的温度如图1所示。图1 不同位置温度图 镀锌板焊接过程是个复杂的物理及化学变化的过程，其中最典型的化学变化就是锌与铜结合产生了黄铜。由于镀锌板上的锌溶点较低，焊接加热时，锌会首先熔化析出与电极表面的铜结合产生黄铜，黏附在电极表面，导致电极导电率下降，因此黄铜的存在会直接影响到下一次焊接的效果，同时铬是锌与铜发生化学反应产成黄铜的催化剂。用含铬这种元素的铜合金来制作电极，在冷轧钢板的焊接过程中，可以增加电极的硬度，减少修磨次数，从而提高电极的使用寿命，但是在进行镀锌板的焊接时，却会在焊接过程中产生黄铜，导致电极和镀锌板容易发生粘连，增加修磨次数。由此可见，铬锆铜对于镀锌板焊接来说反而不是一种理想的电极材料。对于目前使用铬锆铜作为电极材料焊接镀锌板，电极失效主要有3个方面：首先电极变软，出现蘑菇头状，如图2所示，使电极使用寿命变短，影响焊接质量；其次，焊接过程中出现“炸枪”，火花过大，焊点质量差，出现毛边、飞刺；最后，出现焊接工件与电极粘连现象，导致电极烧蚀，如图3所示，工件虚焊、电极脱落，严重影响焊接质量和生产效率。2 失效原因分析 2.1 软化 汽车电阻焊焊接过程是高温冶金过程，电极的不同位置，温度有所不同。由于在焊接时温度很高，在导致钢板软化产生塑性变形的同时，也会使电极发生软化，因此会使电极的形状发生变化，受压力影响，出现蘑菇头状。不同材料的软化温度不尽相同，这是材料的物理特性决定的，对于目汽车焊接使用的铬锆铜电极材料，软化温度最高不超过550℃，然而对于焊接需要，电极需要抵抗大约900℃的温度。所以出现电极软化，蘑菇头状失效，是电阻焊电极材料作为焊接消耗品的最主要的失效现象，工作人员也通过各种方法来尽量减慢这种失效现象。对于镀锌板焊接，为了缓解电极与镀锌板的粘连，往往通过加大电流的方式来击穿镀锌板的锌层，从而导致铬锆铜电极材料在焊接镀锌板时出现蘑菇头失效的现象更为严重，使用寿命更短。图2 蘑菇头失效电极 图3 烧蚀失效电极 2.2 炸枪 焊接过程中出现“炸枪”火花过大是由于电极与工件的贴合面喷出微细熔化的金属颗粒而造成的，产生这种飞溅不仅会造成工作环境恶劣，同时会造成焊点表面不光洁，出现毛刺，焊点熔合半径过大等问题，影响产品质量。造成这种失效的原因主要是焊接电流过大，焊接压力过大以及电极与工件接触面不平整等原因，对于镀锌板的焊接来说，由于表面低熔点锌层更易被熔化，所以出现这种“炸枪”现象更多。2.3 电极粘连工件 电极粘连工件是汽车焊接过程中最忌讳出现的现象，会导致严重的质量问题。造成电极与工件的粘连主要从以下几个方面考虑：（1）电流过大，造成粘电极现象。当电流过大时，在焊接回路中电流密度大于正常焊接时电极工作面的电流，造成电极与零件达到可焊性的温度，形成电极与零件的熔合连接，从而出现电极粘连工件的现象。如果在焊接工艺已经调节好的情况下出现粘电极的现象，势必考虑电流局部过大的问题，造成电流局部过大的原因主要有两点：①上下电极工作面不平行。当两电极面不平行时，电极工作面局部与零件接触，接触电阻增大，造成回路中电流减小，但局部接触点的电流密度大于正常焊接时工作面的电流密度，从而造成接触点的温度达到电极与零件的可焊温度，造成粘电极现象；②电极工作面粗糙。当电极帽出现粗糙时，同样会出现局部接触的现象，从而造成局部电流过大，出现粘连电极现象。（2）电极压力不足，造成粘电极现象。当电极的压力不足时会造成电极与零件之间的接触电阻增大，从而造成接触部位的电阻热增加，使电极与零件接触面的温度升高达到电极与零件的可焊温度，形成电极也零件的熔合，出现粘电极现象。（3）电极冷却效果不好，造成粘电极现象。由于焊枪长时间使用，会出现冷却管路堵塞等现象，如果冷却效果不好，电极会出现温度过高，尤其是在连续点焊时温度升高会更快，温度达到电极与零件可焊性的温度时就会出现电极和零件的熔合，出现粘连现象。对于镀锌板的电阻焊焊接，即使严格控制了上述因素，但仍然不能很好的解决粘连问题，其主要是由于镀锌层的存在，锌层会优先于母材熔化，加大了电极与接触面的面积，降低了焊接电流密度，从而与普通钢板焊接相比，需要更大的焊接电流。另外，使用传统的铬锆铜电极焊接镀锌板，需要使用更大的电流来击穿锌层，大电流的存在，加速了锌与铜的冶金结合，从而导致电极与工件的粘连现象更加严重。铬锆铜电极材料焊接镀锌板电极与工件粘连是电极失效的最主要表现。3 主要改进措施 镀锌板焊接电极失效可以从电极的失效原因入手，但是由于镀锌板的锌层与铜在高温的情况下发生冶金结合，这是一个不可能避免发生的过程。电流越大，温度越高，越容易出现电极与工件粘连，电极蘑菇头状失效，及“炸枪”现象，使用传统的铬锆铜电极材料无法从根本解决上述问题。因此解决点焊镀锌板工件粘连电极，减缓电极失效，最好的解决办法还是更换电极材料。因为传统的铬锆铜与锌在高温时发生冶金结合生成锌黄铜，材料的自身性质决定了铬锆铜与镀锌板在电焊过程中会发生粘连现象。目前焊接镀锌板最好的材料是Al2O3弥散强化铜。对于Al2O3弥散强化铜电极材料，可以在某汽车轮罩加强板进行了试验，使用传统铬锆铜电极在焊接80点后必须进行修模，否则会出现工件粘连及虚焊现象。使用氧化铝铜电极材料焊接200点后的实验报告如图4所示，从中可以看到，在200点焊接后Al2O3弥散强化铜电极与工件无粘连，且熔核半径合格，无虚焊，大大提高了焊接质量和生产效率。图4 氧化铝铜电极焊接实验报告 Al2O3弥散强化铜作为电极材料焊接镀锌板时的优点，主要是因为Al2O3弥散强化铜基体弥散分布着大量的纳米三氧化二铝颗粒，在镀锌层与铜电极发生冶金结合时，大量的氧化铝颗粒，可以作为一种缺陷源，使其不能达到完美的冶金结合效果，在电极与工件分离的时候，能够顺利的分开，从而可以有效地阻止铜与锌之间发生冶金结合，达到抗粘连的效果。另外Al2O3弥散强化铜由于大量的氧化铝颗粒的钉扎作用[5-6]，阻碍了金属晶粒的回复再结晶，使其能够在高温情况下保持较高的强度，从而具有比传统电极材料铬锆铜的（约550℃）高很多的软化温度。一般情况下Al2O3弥散强化铜的软化温度可达到900℃以上，从而大大提高了使用寿命，减少蘑菇头状失效的发生。由于Al2O3弥散强化铜电极大大缓解与镀锌层之间的粘连，所以不必要使用大电流击穿锌层后再焊接，从而减小了电流，对炸枪显现也有了明显的改善。目前Al2O3弥散强化铜电极已慢慢开始被大型汽车厂认可，国内的上海荣威、长城汽车、北京现代、东风日产、神龙汽车、上海通用等汽车厂已经初步开始大规模的应用在整车生产线上。随着镀锌板在汽车上的应用更加广泛，相信Al2O3弥散强化铜电极也会具有跟大的应用市场。4 结论（1）镀锌板焊接电极的失效形式主要为出现蘑菇头损耗、炸枪及电极与工件粘连。（2）目前使用的传统铬锆铜电极材料在焊接镀锌板时由于铜与锌在高温条件下发生冶金结合，与焊接普通冷轧板相比，电极失效更为严重。（3）Al2O3弥散强化铜由于其铜基体上分布着大量的氧化铝颗粒，能够有效的阻碍高温下铜与锌发生冶金结合，另外由于氧化铝颗粒的钉扎作用，大大提高了氧化铜弥散强化铜的软化温度，因此该材料是目前焊接镀锌板材料的最佳选择。参考文献： [1]李美霞,罗骥,郭志猛.内氧化发制备Al2O3弥散铜复合材料的研究[J].粉末冶金技术,2011,29(3):214-217.[2]刘平,任凤章,贾淑果,等.铜合金及其应用[M].北京:化学工业出版社,2007:316.[3]SHEIBANI S,ATAIE A.Influence of Al2O3 reinforcement on precipitation kinetic of Cu-Cr nanocomposite [J].Thermochimica Acta,2011,(9):222-228.[4]田宝红,宋克兴,刘平,等.高性能弥散强化铜合金复合材料及其制备技术[M].北京:科学出版社,2011:245.[5]梁淑华,范志康.超细Al2O3 颗粒增强铜基复合材料的研究[J].复合材料学报,1998,15(3):44-48.[6]郭明星,汪明朴,李周,等.原位复合发制备纳米粒子弥散强化铜合金研究进展[J].机械工程材料,2005,(4):1-3.Analysis and Improvement of the Galvanized Plate Welding Electrode Failure Zhang Dongping, Zhong Wanliang ,Chen Feng, Ye Fuxing, Liu Hui,Liu Shiqiao(Guangdong Institute of Materials an Processing,Guangdong Guangzhou 510651)Abstract：This paper analyzes the forms and reasons of the failure of the galvanized plate welding electrode, pointed out the shortcomings of the traditional chromium zirconium copper electrode materials in welding of galvanized steel plate, the use of Al2O3 dispersion strengthened copper electrode of galvanized plate welding experiment materials, analyzes the reasons of reducing the failure of Al2O3 dispersion strengthened copper as electrode material in welding of galvanized plate.Keywords：Galvanized sheet;Gispersion strengthened copper;Electrode;Failure 中图分类号：TG4 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2017）07-0005-02 作者简介：张冬平（1980-），男，工程师，研究方向：铜合金及耐磨材料研究。