鋁含量對彌散鋁銅電極帽組織與性能的影響

靳延鵬，孔德群，王鑫，曹海濤，周昊澍，趙洪生，陸勇

北京奔馳汽車有限公司 北京 101300

1 序言

在汽車制造行業，電阻點焊是非常普遍的一種車身連接技術。電極是電阻點焊的一個重要部分，電極性能的好壞直接影響焊點的質量。電極用來傳導焊接電流、傳遞電極壓力，同時還要傳導焊接時產生的熱量。由于焊接溫度較高，同時伴有2～5kN的焊接壓力，所以這就要求電極具有良好的導電性、導熱性，以及耐高溫和較強的硬度。否則，在使用過程中就會出現電極帽塌陷、開裂、修磨不良及黏板等缺陷，從而影響焊接質量和生產效率（見圖1）。

圖1 電極帽常見質量問題

氧化鋁彌散強化銅合金是把微小的氧化鋁顆粒彌散在銅基體中，利用粉末冶金技術制成，具有突出的室溫和高溫強度，軟化溫度達到1100K以上。同時，兼備優良的導電性和導熱性，焊接鍍鋅鋼板時不易產生黏附現象，氧化鋁彌散強化銅合金的電極（以下簡稱彌散鋁銅電極）壽命為鉻青銅的2～2.7倍，廣泛應用于點焊電極材料[1]。

2 試驗材料及方法

（1）試驗用電極帽材料 其化學成分見表1。

表1 電極帽材料化學成分（質量分數） （%）

（2）試驗方法 本試驗采取生產現場真實焊接環境進行對比試驗，將不同鋁含量的彌散鋁銅電極帽進行階段焊接試驗，觀察生產現場的使用穩定性。利用金相顯微鏡、掃描電鏡、顯微硬度儀及電導率測試儀等設備，對不同成分的彌散鋁銅電極帽進行顯微組織、顯微硬度、電導率進行分析。

3 結果與討論

3.1 顯微組織分析

彌散鋁銅電極帽的顯微組織如圖2所示。從圖2a可看出，銅基體的晶粒為長條狀形態分布，這是由電極材料在拉拔工藝過程中使晶粒被拉長變形導致的。從圖2b可看出，晶粒尺寸為1～12μm，細小的彌散強化相Al2O3均勻分布在銅基體中，并與基體形成良好的結合形態，形成Orowan強化機制[2]，從而提高了強度。對比分析圖2b、c可看出，隨著鋁含量的增加，基體中彌散強化相Al2O3含量明顯增多，同時基體中銅晶粒也變得更加細小。這是由于在電極成形過程中，彌散強化相Al2O3顆粒在基體相的塑性流動推動下發生了一系列重排，并持續向基體內部楔入，加劇了銅顆粒的劇烈變形，并由此誘發動態再結晶，進一步細化了組織，最終使強化顆粒相彌散分布于銅基體上[3]。

圖2 彌散鋁銅電極帽的顯微組織

3.2 硬度分析

不同鋁含量的彌散鋁銅電極帽的硬度變化曲線如圖3所示。從圖3可看出，隨著電極材料中鋁含量的增加，硬度隨之增大。主要是因為隨著鋁含量的增加，基體中細小而彌散分布的Al2O3隨之增多，從而起到抑制晶粒長大、釘扎晶界阻礙晶體位移的彌散強化作用，最終使電極材料的硬度提高。

圖3 不同鋁含量彌散鋁銅電極帽的硬度值

3.3 電導率分析

利用電導率測試儀對不同成分電極的電導率進行檢測分析，見表2。通過表2可看出，不同鋁含量的電極電導率都在80%IACS以上，當wAl=0.2%～0.56%時，電極帽導電性能隨鋁含量的增加并沒有降低。

表2 不同鋁含量彌散鋁銅電極帽的電導率

3.4 失效原因分析

結合不同鋁含量的彌散鋁銅電極帽顯微組織（見圖2b、c），以及不同鋁含量彌散鋁銅電極帽的硬度變化分析（見圖3）可知，鋁含量低，電極帽硬度不足是彌散鋁電極帽在使用過程中出現塌陷、開裂、修磨不良等問題的主要原因。

4 結束語

1）現場使用結果顯示，wAl=0.23%、wAl=0.43%的彌散鋁銅電極帽出現開裂及塌陷等缺陷問題，wAl=0.54%、wAl=0.56%的彌散鋁銅電極帽使用穩定，未出現缺陷問題。

2）顯微組織結果顯示，隨著鋁含量的增加，基體中彌散強化相Al2O3含量明顯增多，同時基體中銅晶粒也變得更加細小。

3）試驗材料中，隨著電極材料中鋁含量的增加，電極帽的硬度隨之增加，電導率無較大差異。當wAl≥0.5%時，其硬達到85HRB，現場使用性能穩定。

綜上可知，鋁含量較低、電極硬度不足等因素，是在使用過程中導致電極帽出現開裂、塌陷、修磨不良等缺陷問題的主要原因。