電阻焊電極材料的研究進展*

郭瑞鵬，馮 毅

(1.河南化工職業學院，河南 鄭州 450042;2.蘭州工業學院，甘肅蘭州 730050)

0 引言

電阻焊技術誕生于19世紀末，因具有效率高、質量好、成本低且易于實現自動化等優點，目前在汽車制造、航空航天、家電制造、儀器、儀表、量具刃具等領域，得到了廣泛的應用。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，不斷的與工件進行接觸，這就要求電極具備較高的高溫強度和硬度、抗氧化性和良好的導電性能，但目前大量使用的鉻鋯銅合金電極，軟化溫度低，經常會出現變形和粘附，使用壽命較短，使用過程中要不斷的進行電極的修整和更換，在很大程度上降低了生產效率［1］。

近年來，由于汽車工業蓬勃發展，具有優良耐蝕性的鍍鋅板得到了越來越多的應用，但是鍍鋅板在焊接時，由于鋅會固溶于電極中，造成電極與焊件的粘連，會嚴重影響電阻焊的質量和效率［2-3］。

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

1 國內外電阻焊電極的研究現狀

電阻焊電極是一種消耗品，目前，在電阻焊領域使用的電極主要有Cr-Zr-Cu銅合金電極、氧化鋁彌散強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特性優良，且性價比高，在電阻焊領域仍有著廣泛的應用。氧化鋁彌散強化銅合金電極雖然使用性能優良、壽命長，但由于其成本較高，目前在國內尚沒有得到大規模的推廣應用。涂層電極由于工藝性優良，且價格低廉，是國內外電阻焊電極領域研究的熱門方向［4］。

1.1 Cr-Zr-Cu銅合金電極的現狀

Cr-Zr-Cu銅合金電極焊接鍍鋅板時存在易粘連、壽命短等問題，吳志生等人利用深冷技術對其進行了處理，深冷處理后的電極基體致密性、導電導熱能力得到了提高，焊接時產熱減少，降低了銅鋅的合金化傾向，減少了焊接飛濺，電極壽命最高可達到未處理電極的4倍左右。但深冷技術處理銅合金電極成本較高，因此，實際推廣應用還存在較大困難［4］。

1.2 彌散強化銅合金在國內外的發展現狀

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

1.2.1 彌散強化銅合金國外發展現狀

1973年，美國的SCM公司采用全新制造工藝，推出了Al2O3彌散強化銅合金材料，與傳統的Cr-Zr-Cu電極材料相比，其軟化溫度高達900℃。此外，Al2O3彌散強化銅合金還具有良好的耐磨性和導電性，作為電阻焊電極材料進行鍍鋅板焊接時，銅合金中彌散分布的Al2O3可阻止鋅向電極中擴散，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，可達到普通Cr-Zr-Cu電極的4～10倍。

美國先后研發并生產了多個牌號的氧化物彌散強化銅合金產品，現在已經納入ASTM標準。日本在該領域也進行了大量的研究，并開發生產了商品名為DEMⅠRAS的氧化物彌散強化銅合金電極材料，并將其納入日本的 JⅠS標準［5-6］。目前，美國、法國、日本等國已經實現了彌散強化銅合金的規模化生產，作為電極材料，在電阻焊領域得到了廣泛的應用。

1.2.2 彌散強化銅合金國內發展現狀

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

目前，國內雖然具備了一定的氧化物彌散強化銅合金生產能力，但制備工藝復雜，成本較高，且與國外同類產品相比，其性能偏低(HRB:75左右)、后續加工困難，目前產品主要用于微波管結構件和高壓隔離開關導電桿，電極用彌散強化銅合金材料還主要依靠進口。因此，如何簡化氧化物彌散強化銅合金的加工流程、降低成本，同時提高產品的性能，成為國內氧化物彌散強化銅合金研究領域亟待解決的問題。基于目前國內電極用彌散強化銅合金發展存在的問題，一些專家學者對此進行了大量的研究［9］。

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

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

黃勁松等人經過研究，開發出了低成本的ODS彌散強化銅合金生產技術，不但有效提高了銅合金的密度，同時也解決了其尺寸受限的問題，目前，可半連續生產，所生產坯料可達噸計，制備成本可控制在3萬元/噸以內［2］。

隨著氧化物彌散強化銅合金生產技術的進步、生產成本的降低、以及性能的提高，該合金在電極材料方面的應用也會越來越廣，在目前廣泛應用的鍍鋅板焊接中，也將會得到更廣泛的推廣和應用。

1.3 涂層電極

除氧化物彌散強化銅合金電極外，涂層電極也是目前電阻焊電極研究中的重點內容。焊接時，由于涂層電極使用電流比普通電極小，且焊接時間短，降低了電能消耗，電極壽命也較長，因而不需要對電極頻繁進行修磨和更換。由于涂層電極極高的性價比，將使其成為電阻焊電極應用領域的發展趨勢。

目前，國內通過在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涂層質量的影響，獲得了涂層沉積的最佳工藝參數，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，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合性能，致密度和韌性也得到了提高，通過驗證，對電極壽命進行了綜合評定。研究表明，在鍍鋅板焊接時，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到普通電極壽命的2.5倍以上。同時，還獲得了0.8 mm厚鍍鋅板的最佳焊接工藝參數。目前該涂層電極已經在通用、大眾等汽車制造企業的生產線上進行了試驗，效果良好［4］。隨著涂層韌性和致密度、以及與電極表面結合性能等問題的解決，具有優良性能和極高性價比的涂層電極也會在電阻焊應用領域得到越來越多的應用。

2 展望

隨著電阻焊電極材料研究的不斷深入，熱穩定性更好、壽命更長的電極材料的出現，電阻焊生產效率將會大幅提高，電極材料的消耗也會隨之降低，成本也會相應降低。這些研究成果的出現，也將進一步推動電阻焊在工業中的發展和應用。

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

［2］ 黃勁松，甘子旸，張仲靈.彌散強化銅合金［J］.礦冶工程，2014，34(3):108-111.

［3］ 陸艷杰，康志君，崔 舜.氧化物彌散強化銅合金的研究與應用［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用［D］.鎮江:江蘇科技大學，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狀及進展［J］.焊接技術，2009，38(9):11-14.

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

［7］ 程建奕，汪明樸.高強高導高耐熱彌散強化銅合金的研究現狀［J］.材料導報，2004，18(2):38-41.

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

［9］ 曹先杰，李湘海，蔣長樂.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彌散強化銅合金的組織和高溫力學性能研究［D］.長沙:中南大學，2014.

［11］ 沈 喬.鍍鋅鋼板電阻點焊涂層電極研究［D］.鎮江:江蘇科技大學，2009.