王 沖，肖 瑤，覃富城，李 智，董仕節(jié)，羅 平

（1.綠色輕工材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

TiB2-ZrB2涂層電極與TiB2-ZrB2/Ni涂層電極失效對(duì)比分析

王 沖1，2，肖 瑤1，2，覃富城1，2，李 智1，2，董仕節(jié)1，2，羅 平1，2

（1.綠色輕工材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

采用掃描電鏡、能譜分析、X射線衍射儀以及顯微硬度等表征手段，分析TiB2-ZrB2涂層與TiB2-ZrB2/Ni涂層電極點(diǎn)焊鍍鋅鋼板時(shí)的失效過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是ZrB2-TiB2涂層還是ZrB2-TiB2/Ni涂層，在一定程度上均具有阻礙鋼板鍍層與點(diǎn)焊電極基體產(chǎn)生合金化反應(yīng)的能力。ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極失效過(guò)程存在些許不同，前者由于涂層與基體間結(jié)合力差，且涂層內(nèi)塑性相相對(duì)較少，導(dǎo)致在點(diǎn)焊熱和力的作用下，涂層逐漸脫落，點(diǎn)焊電極最終在合金化及塑性變形作用下發(fā)生失效。后者由于具有一定塑性，且涂層與基體結(jié)合力較好，點(diǎn)焊過(guò)程中涂層不會(huì)出現(xiàn)完全脫落現(xiàn)象。涂層作用一直持續(xù)至電極失效，電極失效形式主要表現(xiàn)為塑性變形。

涂層電極；電阻點(diǎn)焊；ZrB2-TiB2；電極失效

0 前言

鍍鋅鋼板耐腐蝕性較好，成為目前車(chē)身生產(chǎn)首選材料。鍍鋅層熔點(diǎn)低（692 K），點(diǎn)焊鍍鋅鋼板時(shí)鍍層極易與點(diǎn)焊電極工作面發(fā)生粘連，鋅原子向電極中擴(kuò)散，使銅電極合金化，導(dǎo)致其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能變壞[1]。連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)，電極頭將迅速過(guò)熱而變形，焊點(diǎn)強(qiáng)度逐漸降低，焊點(diǎn)質(zhì)量難以滿足要求而致點(diǎn)焊電極失效。由于電極過(guò)早失效，必然增加更換或修磨點(diǎn)焊電極的頻次，進(jìn)而降低生產(chǎn)效率，且大大增加生產(chǎn)成本。因此，提高點(diǎn)焊鍍鋅鋼板電極壽命是汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中迫切需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

為了提高點(diǎn)焊電極點(diǎn)焊鍍鋅鋼板的使用壽命，針對(duì)性研究工作已經(jīng)開(kāi)展且取得了一些成果。最具代表性的是在點(diǎn)焊電極表面通過(guò)電火花熔敷獲得金屬陶瓷涂層。研究發(fā)現(xiàn)，在點(diǎn)焊電極表面電火花熔敷 TiC[2-4]、TiB2[5-7]、TiC-TiB2[8-11]涂層后，相應(yīng)涂層電極在點(diǎn)焊鍍鋅鋼板時(shí)壽命均有提高。本研究主要討論ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極點(diǎn)焊鍍鋅鋼板時(shí)，涂層電極失效的相關(guān)機(jī)理。

1 試驗(yàn)

ZrB2-TiB2和ZrB2-TiB2/Ni涂層電極通過(guò)自制的電火花沉積裝置制備（見(jiàn)圖1），前者使用ZrB2-TiB2熔敷棒直接在點(diǎn)焊電極表面沉積獲得，后者通過(guò)在點(diǎn)焊電極表面預(yù)沉積一層Ni，然后再于Ni涂層表面電火花沉積ZrB2-TiB2復(fù)合材料獲得，后者為多層結(jié)構(gòu)。

圖1 電火花沉積裝置Fig.1 Electric spark deposition device

點(diǎn)電焊電極壽命測(cè)試在YR-350SA2HGE型單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)上完成；壽命測(cè)試所用鋼板為上海寶鋼DX56D+Z雙面熱鍍鋅鋼板，板厚度0.7 mm焊接參數(shù)見(jiàn)表1。壽命測(cè)試結(jié)果如圖2所示，ZrB2-TiB2/Ni涂層電極壽命最高，平均壽命約為3700個(gè)焊點(diǎn)；ZrB2-TiB2涂層電極相對(duì)無(wú)涂層電極而言，點(diǎn)焊電極壽命也有明顯提高，平均壽命約為2700個(gè)焊點(diǎn)無(wú)涂層點(diǎn)焊電極平均壽命最低，在600個(gè)焊點(diǎn)以下

表1 焊接參數(shù)Table 1 Welding parameters for testing of electrodes

圖2 焊點(diǎn)熔核直徑隨焊點(diǎn)數(shù)變化趨勢(shì)Fig.2 Change tendency of nugget diameter with the number of welds

2 結(jié)果和討論

2.1 塑性變形

無(wú)涂層電極、ZrB2-TiB2涂層電極、ZrB2-TiB2/N涂層電極端部直徑隨焊點(diǎn)數(shù)的變化趨勢(shì)如圖3所示。無(wú)涂層電極相對(duì)ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極而言，其端部直徑增加趨勢(shì)更快，說(shuō)明涂層對(duì)電極端部變形起到了抑制作用。點(diǎn)焊過(guò)程中，電極端部直徑增加的主要原因是在焊接壓力和熱的共同作用下，電極頭部產(chǎn)生塑性變形導(dǎo)致其頭部直徑增加。而且在基體材質(zhì)相同條件下，點(diǎn)焊電極端部硬度是影響其最終塑性變形量的決定性因素。上述幾種點(diǎn)焊電極點(diǎn)焊過(guò)程中，上下電極端部平均顯微硬度變化情況如圖4所示。由圖4a可知，無(wú)涂層電極點(diǎn)焊過(guò)程中，端部平均顯微硬度始終處于基體之下。不僅如此，在無(wú)涂層電極壽命范圍內(nèi)，其端部平均顯微硬度值明顯低于ZrB2-TiB2（見(jiàn)圖4b）和ZrB2-TiB2/Ni涂層電極（見(jiàn)圖4c）。

圖3 電極端部直徑變化Fig.3 Change of electrode tip diameter

圖4 電極端部顯微硬度變化Fig.4 Microhardness change of electrode tip

端部軟化的另一個(gè)直接結(jié)果便是“蘑菇化”。無(wú)涂層點(diǎn)焊電極、ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極第500個(gè)焊點(diǎn)時(shí)的電極截面形貌如圖5所示，圖5a中虛線所示區(qū)域便是典型“蘑菇化”特征。“蘑菇化”特征源于點(diǎn)焊壓應(yīng)力大于電極所處溫度下的屈服強(qiáng)度，由于電極頭部與焊件接觸處溫度最高，所以塑性變形都集中在頭部，這個(gè)過(guò)程被形象稱(chēng)為“蘑菇化”。電極端部“蘑菇化”后，電極端部直徑產(chǎn)生ΔR額外增加量，使得通過(guò)電極端部電流密度減少，進(jìn)而降低焊點(diǎn)形核熱量，導(dǎo)致焊點(diǎn)熔核達(dá)不到要求，電極失效。涂層電極因存在涂層保護(hù)，使電極具有一定抗變形能力，從而避免了“蘑菇化”產(chǎn)生。同時(shí)，涂層材料熱導(dǎo)率相對(duì)基體而言較低，點(diǎn)焊電極表面的陶瓷涂層可以減緩焊點(diǎn)熱量經(jīng)涂層向電極傳導(dǎo)，從而減少點(diǎn)焊電極的升溫，以及由此帶來(lái)的電極材料軟化。無(wú)涂層點(diǎn)焊電極、ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極點(diǎn)焊過(guò)程中，上下電極平均端部直徑增長(zhǎng)率如圖6所示。在無(wú)涂層點(diǎn)焊電極壽命范圍內(nèi)（600點(diǎn)前），其端部平均直徑增長(zhǎng)率最大，達(dá)到了19%。而ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極端部平均直徑增長(zhǎng)率分別為1%和4%。相同點(diǎn)焊數(shù)量?jī)?nèi)，電極端部直徑增長(zhǎng)率越大，說(shuō)明電極端部直徑凈增加值越多。這將使點(diǎn)焊電極與工件接觸面積明顯增加，降低電流密度，導(dǎo)致熔核直徑在一定程度上減少或低于臨界值，致使點(diǎn)焊電極失效。通過(guò)上述結(jié)果分析，對(duì)于無(wú)涂層電極而言，塑性變形應(yīng)是導(dǎo)致其失效的主要因素之一。而ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層在減緩電極端部軟化、避免“蘑菇化”和減緩端部直徑增長(zhǎng)率方面都具有明顯的作用。

圖5 第500點(diǎn)時(shí)點(diǎn)焊電極截面形貌Fig.5 Cross-sectional morphologies of the electrode at 500th solder joints

2.2 點(diǎn)焊電極表面點(diǎn)蝕

無(wú)涂層點(diǎn)焊電極、ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極第500個(gè)焊點(diǎn)時(shí)，上下電極的表面形貌如圖7所示。

圖6 電極端部延展率隨焊點(diǎn)數(shù)變化趨勢(shì)Fig.6 Change tendency of nugget diameter with welding point

圖7 第500點(diǎn)時(shí)點(diǎn)焊電極表面形貌Fig.7 Surface morphology of the electrode at 500th solder joints

由圖7a、7b可知，無(wú)涂層上下點(diǎn)焊電極的點(diǎn)蝕產(chǎn)生相對(duì)ZrB2-TiB2（見(jiàn)圖7c、7d）、ZrB2-TiB2/Ni（見(jiàn)圖7e、7f）涂層電極而言更早。對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)電極端部復(fù)印形貌也說(shuō)明了上述結(jié)論。點(diǎn)蝕產(chǎn)生原因是在高溫、高壓下鍍鋅層與電極端面發(fā)生合金化反應(yīng)，產(chǎn)生了低熔點(diǎn)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性差的合金。當(dāng)點(diǎn)焊電極離開(kāi)工件時(shí)，部分低熔點(diǎn)合金隨飛濺離開(kāi)電極端面，在電極端面產(chǎn)生微小弧坑?；】拥漠a(chǎn)生提高了其周?chē)碾娏髅芏群碗姌O壓力，導(dǎo)致蝕坑周?chē)a(chǎn)生更嚴(yán)重的塑性變形和脫落，使蝕坑進(jìn)一步擴(kuò)大，形成點(diǎn)蝕[12]。點(diǎn)蝕是點(diǎn)焊電極材料從其端部局部損失的結(jié)果[13]。對(duì)涂層電極而言，由于電極基體有涂層保護(hù)，一定程度上減緩了鋼板鍍層與基體間的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而減緩了點(diǎn)蝕產(chǎn)生。點(diǎn)蝕產(chǎn)生后，由于點(diǎn)蝕區(qū)域電流密度急劇增大，會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域溫度過(guò)高，使電極產(chǎn)生軟化（特別是表面）。不僅如此，點(diǎn)蝕還會(huì)導(dǎo)致電極局部區(qū)域應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致電極內(nèi)部產(chǎn)生裂紋（見(jiàn)圖8），最終加速電極失效，降低電極壽命。

圖8 無(wú)涂層上電極第500點(diǎn)時(shí)金相Fig.8 Metallographyof upper part with uncoated electrode at 500th solder joints

對(duì)于ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極，點(diǎn)蝕分別在第1 700和2 000個(gè)焊點(diǎn)以后產(chǎn)生，這從延緩點(diǎn)蝕產(chǎn)生方面反映了涂層電極點(diǎn)焊鍍層鋼板時(shí)的優(yōu)勢(shì)。ZrB2-TiB2涂層電極先于ZrB2-TiB2/Ni涂層電極發(fā)生點(diǎn)蝕，可能原因是涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度存在差異。ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層與基體間結(jié)合力測(cè)量結(jié)果如表2所示，表2的測(cè)量結(jié)果也印證了上述假設(shè)。

表2 涂層結(jié)合強(qiáng)度Table 2 Bonding strength of coating

涂層電極雖然能減緩點(diǎn)蝕產(chǎn)生，但隨著焊接過(guò)程的延續(xù)，點(diǎn)蝕在涂層電極表面也會(huì)出現(xiàn)。使用ZrB2-TiB2涂層電極點(diǎn)焊時(shí)，第1 800個(gè)焊點(diǎn)下電極表面SEM以及主要元素Cu、Zn、Zr、Ti面掃描結(jié)果如圖9所示。從形貌及元素分析結(jié)果可以判定，圖9a虛線所標(biāo)注區(qū)域即為涂層脫落產(chǎn)生的凹坑。

圖9 第1 800點(diǎn)時(shí)ZrB2-TiB2涂層電極表面形貌以及Cu、Zn、Zr、Ti元素面掃描結(jié)果Fig.9 Surface morphology of ZrB2-TiB2coating electrode at 1 800th solder joints，element surface scan results of Cu，Zn，Zr，Ti

對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)形貌及主要元素 Cu、Zn、Zr、Ti面掃描結(jié)果如圖10所示。對(duì)比圖9a和圖10a，并結(jié)合相應(yīng)元素掃描結(jié)果，可以認(rèn)為焊點(diǎn)表面凸起部分（圖10a中虛線標(biāo)注區(qū)域）應(yīng)為點(diǎn)焊電極表面涂層粘連于焊點(diǎn)表面所致。

涂層電極產(chǎn)生點(diǎn)蝕是因?yàn)辄c(diǎn)焊電極工作時(shí)不僅在高溫下受力，還要承受加熱和冷卻循環(huán)作用，產(chǎn)生熱疲勞而使涂層產(chǎn)生脫落。由于基體塑性較好，熱沖擊對(duì)基體影響相對(duì)較小，但對(duì)于脆性較大的涂層影響卻較大。由于工藝及涂層材料性能限制，在電火花沉積過(guò)程中，涂層內(nèi)部已存在微裂紋。在熱循環(huán)作用和熱沖擊作用下也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，促進(jìn)了涂層內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致涂層剝落，形成點(diǎn)蝕。因此對(duì)于涂層電極而言，點(diǎn)蝕產(chǎn)生機(jī)制與無(wú)涂層電極存在些許不同。涂層存在期間，點(diǎn)蝕是由于涂層受循環(huán)熱沖擊作用，致使涂層脫落而形式。當(dāng)涂層脫落后，后期點(diǎn)蝕形成與發(fā)展則與無(wú)涂層電極相同。

圖10 使用ZrB2-TiB2涂層電極點(diǎn)焊第1 800點(diǎn)時(shí)焊點(diǎn)表面形貌以及 Cu、Zn、Zr、Ti元素面掃描結(jié)果Fig.10 Surface morphology of ZrB2-TiB2coating electrode at 1 800th solder joints，element surface scan results of Cu、Zn、Zr、Ti

2.3 點(diǎn)焊電極合金化

無(wú)涂層點(diǎn)焊電極、ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極第500個(gè)焊點(diǎn)時(shí)，電極表面XRD檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。當(dāng)使用無(wú)涂層電極點(diǎn)焊至第500個(gè)焊點(diǎn)時(shí)，電極端部除檢測(cè)到Zn衍射峰外，還存在CuZn衍射峰。這說(shuō)明在點(diǎn)焊過(guò)程中，點(diǎn)焊電極基本材料與鋼板鍍鋅之間產(chǎn)生了明顯合金化反應(yīng)。ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極點(diǎn)焊500點(diǎn)后端部衍射結(jié)果雖有Zn存在，但并未發(fā)現(xiàn)Cu、Zn合金相。

圖11 第500點(diǎn)時(shí)點(diǎn)焊電極表面XRDFig.11 Surface of spot welding electrode for XRD

點(diǎn)焊時(shí)CuZn合金在無(wú)涂層電極表面產(chǎn)生，是因?yàn)镃u、Zn可在相對(duì)低溫度下形成多種合金相，如圖12所示。不僅如此，點(diǎn)焊時(shí)接觸區(qū)溫度較高，超出了鋅的熔點(diǎn)。Babu等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋅呈液態(tài)時(shí)，其在銅內(nèi)擴(kuò)散速率將大大提升，約為其固態(tài)下的500倍，這必將加速無(wú)涂層電極點(diǎn)焊鍍鋅鋼板時(shí)電極工作面與鋼板鍍層間的合金化。電極合金化最直接的結(jié)果是電極導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能下降，連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)，電極頭將迅速過(guò)熱而變形，導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度逐漸降低，直至產(chǎn)生未焊透質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極而言，涂層一方面提高了電極表面硬度，使得每次施焊時(shí)點(diǎn)焊電極塑性變形量有所減少（保證了電流密度）；另一方面，涂層阻礙了鋼板鍍層與點(diǎn)焊電極基體間的直接接觸，減緩了點(diǎn)焊電極合金化產(chǎn)生的進(jìn)程，達(dá)到提高電極點(diǎn)焊鍍鋅鋼板時(shí)壽命的目的

圖12 銅-鋅合金相圖Fig.12 Cu-Zn alloy phase diagram

3 結(jié)論

（1）涂層明顯提高了點(diǎn)焊電極表面硬度，減緩了點(diǎn)焊電極端部塑性變形進(jìn)程。

（2）無(wú)論是ZrB2-TiB2涂層還是ZrB2-TiB2/Ni涂層，在一定程度上均具有阻礙鋼板鍍層與點(diǎn)焊電極產(chǎn)生合金化反應(yīng)的能力。

（3）ZrB2-TiB2、ZrB2-TiB2/Ni涂層電極失效過(guò)程存在些許不同，前者由于涂層與基體間結(jié)合力差，且涂層內(nèi)塑性相相對(duì)較少，導(dǎo)致在點(diǎn)焊熱和力作用下，涂層逐漸脫落，點(diǎn)焊電極最終在合金化及塑性變形作用下發(fā)生失效。后者由于具有一定塑性，且涂層與基體結(jié)合力較好，點(diǎn)焊過(guò)程中涂層不會(huì)出現(xiàn)完全脫落現(xiàn)象。涂層作用一直持續(xù)至電極失效，電極失效形式主要表現(xiàn)為塑性變形。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)電阻焊（Ⅲ）專(zhuān)業(yè)委員會(huì).電阻焊理論與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

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Comparative analysis of electrode degradation between TiB2-ZrB2coated electrode and TiB2-ZrB2/Ni coated electrode

WANG Chong1，2，XIAO Yao1，2，QIN Fucheng1，2，LI Zhi1，2，DONG Shijie1，2，LUO Ping1，2
（1.College of Materials and Chemical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China；2.Hubei Provincial Key Laboratory of Green Materials for Light Industry，Wuhan 430068，China）

Scanning electron microscopy，energy dispersive spectroscopy，X-ray diffractometer and microhardness are used to analyze the degradation process of TiB2-ZrB2coated electrode and TiB2-ZrB2/Ni coated electrode in spot welding of galvanized steel sheet.The results show that both ZrB2-TiB2coating and ZrB2-TiB2/Ni coating have a certain degree of ability to hinder the alloying reaction between the cladding of steel plate and spot welding electrode substrate.The degradation processes of ZrB2-TiB2，ZrB2-TiB2/Ni coating electrodes are a little different.For the former，due to its poor bonding force between the coating and substrate，and relatively small plastic phase in the coating，the coating gradually falls off under the action of heat stress of spot welding，the spot welding electrode degradation finally occurs under the influence of alloying and plastic deformation.For the latter，due to its certain plasticity and good bonding force between the coating and substrate，the coating partly falls off in the process of spot welding.The effect of coating lasts until the electrode degradation and the degradation mode is mainly plastic deformation.

coated electrode；resistance spot welding；ZrB2-TiB2;electrode degradation

TG335.86

A

1001－2303（2017）06－0007-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.02

2017-02-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（51375150）；博士科研啟動(dòng)基金（BSQD2015015）；綠色輕質(zhì)材料與加工湖北工業(yè)大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心開(kāi)放基金(201611A07)

羅 平(1979—)，男，博士，主要從事表面工程、焊接工程方面研究。E-mail：blueknight_0930@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：王沖，肖瑤，覃富城，等.TiB2-ZrB2涂層電極與TiB2-ZrB2/Ni涂層電極失效對(duì)比分析[J].電焊機(jī)，2017，47（06）：7-13.