氧化鋁彌散強化銅電極材料在焊接鍍鋅板中的應用

張冬平，鐘萬良，陳峰，葉富興，劉慧

（廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651）

氧化鋁彌散強化銅電極材料在焊接鍍鋅板中的應用

張冬平，鐘萬良，陳峰，葉富興，劉慧

（廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651）

文章對目前鍍鋅板的焊接出現的問題進行了分析，指出鍍鋅板焊接問題產生的原因，分析了氧化鋁彌散強化銅作為電極材料在焊接鍍鋅板過程中的優勢，對今后氧化鋁彌散強化銅的應用及存在的問題進行了展望和分析。

鍍鋅板；焊接；氧化鋁彌散強化銅；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，近年來在汽車、家電、建筑等行業的應用越來越廣泛，尤其是在汽車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，其質量直接影響到焊接產品質量，同時，由于其作為一種大量使用的易耗品，其對生產成本的貢獻也不可忽略。

1 電阻焊焊接鍍鋅板的特點及目前存在的問題

鍍鋅板焊接時，由于其表面存在低熔點低硬度的鍍鋅層，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焊接時間，由于更高溫度的存在，從而促進了焊接時電極銅與鍍鋅層形成鋅銅合金，造成生產上所說的粘連工件現象，嚴重影響產品質量，增加了電極的修模次數，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，不斷通過更改電流的大小、脈沖次數等方式來解決鍍鋅板的焊接問題，但是又會造成焊接工件熔核過深（如圖 1）或者工件表面粘銅（如圖 2）等缺陷，無法從根本上解決鍍鋅板焊接存在的問題，隨著鍍鋅板使用的越來越廣泛，研究出新型的電極材料，解決電極與鍍鋅板的粘連現象，提高電極使用壽命，并且成功的進行工業化生產是材料研究的一項重要工作。

圖1 焊接熔核過深

圖2 工件表面粘銅

2 氧化鋁彌散強化銅焊接鍍鋅板的優點

目前，汽車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，不能避免鍍鋅板焊接時存在的問題，在焊接過程中，鉻鋯銅電極有2個主要缺點：一是電極會與鋼板嚴重粘連，大大降低生產效率，同時會導致電極的導電率下降，出現虛焊等問題，產品質量難以保證；二是軟化溫度低，焊接過程中很快軟化，出現“蘑菇頭”狀失效，在焊接一定數量的焊點后，焊接質量急速降低，嚴重影響焊點質量的一致性，這些問題直接影響著汽車的生產效率，并且加大了相關焊接設備的損耗和焊接生產成本。但基于以上原因，焊接設備廠家均希望有更好的電極材料。美國 SCM公司在上世紀末期開始推出氧化鋁彌散強化銅材料。氧化鋁彌散強化銅與鉻鋯銅銅物理性能對比如表 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性能（軟化溫度 900℃）及耐磨性，更主要的是氧化鋁彌散強化銅電極中彌散分布著納米級的氧化鋁顆粒，在焊接時，由于高溫熔化了鍍鋅板的鍍鋅層，加劇鋅向銅基體擴散，形成冶金化合金，而在銅基體中彌散分布著納米級的氧化鋁顆粒具有良好的熱穩定性，可阻止 Zn向電極中擴散，同時，可以起到破壞鋅和銅的冶金結合，從而大大減小粘連所帶來的電極損耗；另外，由于氧化鋁彌散強化銅具有 900℃以上的軟化溫度，焊接過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，焊接時也不用調大電流或者二次脈沖等，節約了大量能源，提高了生產率，對于目前使用機器化生產的汽車領域來說，彌散強化銅電極的推廣應用，是焊接生產線上的一次改革，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比

3 氧化鋁彌散強化銅的強化機理

氧化鋁彌散強化銅具有高強度，高導電率，高的軟化溫度，這與作為強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系。其作用主要分為三個方面，第一，彌散分布的氧化鋁粒子提供了位錯源，增加了位錯密度，提高了材料的強度。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，使得動態再結晶很難發生，從而使氧化鋁彌散強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在晶界、亞晶界上的運動，阻礙晶粒的長大，對位錯起到釘扎作用，提高符合材料的強度。其釘扎位錯機理為著名的奧羅萬（Orowan）機理[6]，當位錯遇到氧化鋁顆粒時，無法切斷硬質第二相而通過，在外力作用下位錯繼續運動，會繞過氧化鋁顆粒而發生彎曲，最后在氧化鋁顆粒周圍留下一個位錯環，而位錯繼續前進，由于位錯的產生，增加了晶格畸變能，是位錯運動阻力增加，滑移抗力增大，從而提高了材料的強度。彌散的氧化鋁粒子的尺寸對基體的強化非常關鍵，當氧化鋁粒子達到納米級時，強化效果非常明顯，因此，氧化鋁顆粒的大小是彌散強化的關鍵。

4 氧化鋁彌散強化銅應用的問題與展望

氧化鋁彌散強化銅具有優良的焊接性能，尤其是在汽車焊接領域中，隨著鍍鋅板的普及，氧化鋁彌散強化銅作為電極材料具有明顯的優勢，氧化鋁彌散強化銅具有非常好的高溫強度，高溫導電、高溫導熱性能優異，在高溫下具有優異的抗軟化能力，同時具有良好的塑性和機械加工性能。

目前氧化鋁彌散強化銅還不夠普及，其最主要的原因是由于其生產為粉末冶金發制備，生產工藝流程長，工藝復雜，產品回收困難，所以造成價格比傳統電極材料要高，如何簡化氧化鋁彌散強化銅的生產工藝，研究氧化鋁彌散強化銅的回收工藝，減少生產成本，如何通過新技術、新方法有效的解決該材料在工業化生產的上述問題，是材料研究面臨的新課題。相信隨著技術的不斷進步，氧化鋁彌散強化銅一定會有一個非常廣泛的應用前景。

[1] 劉平,任鳳章,賈淑果,等.銅合金及其應用[M].北京:化學工業出版社,2007:316.

[2] 李美霞,羅驥,郭志猛.內氧化發制備 Al2O3彌散銅復合材料的研究[J].粉末冶金技術,2011,29（3）:214-217.

[3] 田寶紅,宋克興,劉平,等.高性能彌散強化銅合金復合材料及其制備技術[M].北京:科學出版社,2011:245.

[4] SHEIBANI S,ATAIE A. Influence of Al2O3 reinforcement on precipitation kinetic of Cu-Cr nanocomposite [J].Thermochimica Acta,2011(9):222-228.

[5] 郭明星,汪明樸,李周,等.原位復合發制備納米粒子彌散強化銅合金研究進展[J].機械工程材料,20054:（1-3）.

[6] 張延杰,曾泉浦,毛小南,等.顆粒增強MMCS中小顆粒子強化作用[J].稀有金屬材料與工程,1999（1）:14-16.

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 。