《镀锌钢板点焊电极寿命的研究现状1.》.doc

先进材料连接技术课程作业 先进材料连接技术研究进展及其应用 学 号学 院：航空制造工程学院 所 在 系：焊接技术与工程 学 生 姓 名 ：严超英 任 课 教 师 ：邢 丽 2011 年11 月 镀锌钢板点焊电极寿命的研究现状 航空制造工程学院 严超英 前言 在汽车制造业中，为了提高车体的使用寿命，增强车体材料的抗腐蚀性能，具有优异防腐蚀性能的镀锌钢板在轿车制造业中的应用越来越广泛。另外，普通的酸洗喷涂钢板在制作过程中对环境的污染很大，而镀锌钢板就比较环保。故在轿车工业发达的日本、美国，轿车用镀锌板逐年增加，并在不久的将来取缔酸洗钢板；在我国，镀锌钢板的应用也越来越普遍。以一汽集团的奥迪轿车生产为例，其车体全部用镀锌钢板制造，每辆轿车用量为550kg,约占该车钢板总量的3/4[1]。但镀锌钢板的焊接性与低碳钢相比较差，点焊过程中飞溅较大，点焊电极烧损较快，电极寿命低，而且焊接质量不稳定。如一对电极点焊无镀层钢板时可焊几千个焊点，而点焊镀锌钢板则只能焊200个焊点就需要更换或修理电极。据统计，在每辆现代化的汽车上约有3000-5000个焊点。因此，随着镀锌钢板用量的大幅度增加，仅就汽车工业而言，提高点焊电极寿命就会产生客观的经济效益。 1 镀锌钢板点焊电极主要的失效机理 点焊电极工作条件恶劣，尤其是焊接镀锌钢板，其失效机理主要有塑性变形、合金化、烧损等，这都是高温和压力共同作用的结果。 1.1 塑性变形 由于电极头部的温度分布不均匀，使得电极头部产生了不均匀的塑性变形。塑性变形的产生，使得电极头部的直径随焊点数目的增加而增加，从而导致焊接电流密度下降，熔核焊透率降低，直到熔核直径减少，焊点强度下降，此时必须休整电极或更换电极。 1.2 合金化 镀锌钢板点焊过程中，由于镀层锌的熔点很低（约为692K)，硬度也低(约91HB)，与铜具有较强的亲和力，焊接过程中电极!工件界面处温度较高，在电极压力作用下，会发生锌对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、硬度低的Cu-Zn合金，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。 1.3 磨损 电极的磨损主要发生在电极头部。由于合金化产生导电、导热能力差、硬度低的Cu-Zn合金，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，导致电极直径增大和焊接电流密度的下降。因此，要及时修磨电极，否则就不能保证焊接质量和焊点外观质量。 2 点焊电极的寿命延长方式 为了延长电极的寿命，国内外学者做了很多研究。其主要手段分三个方面：一是电极基体的强化，二是电极表面的强化，三是合适焊接工艺参数。 2.1 点焊电极的基体强化 通过合金化（固溶强化），冷加工硬化（形变强化）及采用陶瓷增强复合材料（弥散强化）及深冷处理可以强化Cu基体，提高电阻点焊电极寿命。 (1) 冷作硬化与合金化 镀锌钢板点焊铜电极最常用的强化方法是形变强化和固溶强化。冷加工可大大提高铜的强度和硬度，对电导率影响较小，因此，工业应用的铜电极广泛使用冷作硬化来强化。但当电极温度升高到0.4Tm时，冷作硬化效果显著减弱，因此焊接温度不宜高于423K，这难以满足对镀锌钢板焊接要求。研究发现，在铜中添加少量合金元素可以明显改善铜的力学性能和物理性能， 尤其是硬度和软化温度有较大提高， 但杂质元素的增加会降低铜的电导率。目前电极铜合金中常用的合金元素有铬、铝、硅、锆等。由于铬和锆元素可极大提高铜的强度，对电导率影响较小，因此常用做点焊电极的主要是铬铜、锆铜、镉铜、铍铜等。 (2) 陶瓷增强铜基复合材料 为了提高电极的软化温度与耐磨性，需要提高电极的硬度尤其是高温硬度。常用的方法是在铜基体中加入陶瓷颗粒实现弥散强化。这些硬质的陶瓷颗粒具有高的强度与硬度，高的高温性能，因此能显著提高铜电极的高温强度与硬度。常用的陶瓷材料有Al2O3、TiB2、TiC、Zr2O3等。弥散强化铜合金是在铜合金中加一定比例的具有高熔点、高硬度、具有良好热稳定性的陶瓷颗粒如ZrO2、SiO2、Al2O3TiC 等(经过球磨处理后压制和烧结)，制成具有不同硬度和电导率的粉末烧结材料。制备工艺主要有粉末冶金法、机械合金化以及内氧化法等。铜合金的硬度和电导率取决于陶瓷颗粒的含量、粒度与分布。目前研究最充分的是氧化铝弥散强化铜电极[2]，软化温度在1100K以上，焊接镀锌钢板时不易产生粘附现象，使用寿命为铜电极的4-10倍。 (3) 深冷处理 吴志生等[3]采用气体法对点焊电极进行深冷处理，将被处理的铬锆铜电极直接放入液氮中，深冷到-170℃后保温1.5-2h