于匯泳，周慧琳，劉 丹

鋁合金汽車車身點(diǎn)焊電極失效機(jī)理及延壽技術(shù)研究

于匯泳1，周慧琳2，劉 丹3

（1.河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240）

通過試驗(yàn)對鋁合金車身點(diǎn)焊電極燒損的失效機(jī)理進(jìn)行了分析。點(diǎn)焊時，由于電極和鋁合金工件間的不均勻點(diǎn)接觸引起的局部強(qiáng)烈反應(yīng)，加快了電極的燒損失效速度。利用點(diǎn)焊時的加壓作用和其產(chǎn)生的電阻熱，在鋁合金點(diǎn)焊電極端面成功制得Cu-Ti-B復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層可減輕電極的燒損，延長電極的使用壽命。

鋁合金點(diǎn)焊；電極燒損；涂層

在鋁合金汽車車身自動化生產(chǎn)中，電阻點(diǎn)焊是重要的焊接加工方法。但是鋁合金的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能非常好，其表面往往又存在一層致密的氧化膜，該氧化膜熔點(diǎn)非常高，這些都會導(dǎo)致鋁合金點(diǎn)焊時極易產(chǎn)生電極燒損，不斷更換電極不僅增加成本，也嚴(yán)重阻礙了車身的自動化生產(chǎn)。因此，提高點(diǎn)焊電極的使用壽命已成為鋁合金汽車車身自動化生產(chǎn)的一個核心問題[1,2]。

本文主要針對鋁合金車身點(diǎn)焊電極的失效原因進(jìn)行分析，并對如何提高其使用壽命進(jìn)行探討。

1 鋁合金車身點(diǎn)焊電極失效機(jī)理研究

傳統(tǒng)的電極失效機(jī)理認(rèn)為引起點(diǎn)焊電極失效的原因主要有電極的磨損、點(diǎn)焊時電極本身產(chǎn)生的塑性變形、電極和工件間產(chǎn)生的合金化等，并且這些失效形式往往相互促進(jìn)，更是加快了電極的失效[3]。本文通過試驗(yàn)對點(diǎn)焊一定次數(shù)后的電極尺寸和形貌的變化進(jìn)行了分析，提出了鋁合金車身點(diǎn)焊電極失效的機(jī)理。

1.1 鋁合金點(diǎn)焊電極失效機(jī)理試驗(yàn)

試驗(yàn)采用逆變式直流電阻點(diǎn)焊機(jī)和端面直徑為4.5m的銅鉻鋯電極，并以厚度為0.8mm 的LF2鋁合金為試樣。把試樣分成兩組，第一組試樣點(diǎn)焊前不做任何處理，第二組試樣在點(diǎn)焊前去除表面的氧化膜。試驗(yàn)采用如表1所示的工藝參數(shù)對兩組試樣分別進(jìn)行點(diǎn)焊，用顯微鏡分析電極端面尺寸和形貌。

表1 鋁合金點(diǎn)焊工藝參數(shù)

圖1是電極端面原始狀態(tài)圖，圖2是第一組試樣點(diǎn)焊1次后電極端面狀態(tài)圖，可以看到邊緣處已出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，并且有一些顆粒狀物質(zhì)生成，呈灰白色。第二組試樣點(diǎn)焊1次后的試驗(yàn)現(xiàn)象和第一組一樣，但沒有第一組明顯。

隨著點(diǎn)焊次數(shù)的增多，電極端面狀態(tài)開始發(fā)生明顯變化。兩組試樣點(diǎn)焊200次后電極端面狀態(tài)如圖3、圖4所示，電極表面尺寸如表2所示。從圖3可看出第一組試樣點(diǎn)焊200次后電極端面中心處有少量的灰白色生成物，在凹坑處有不均勻的大塊的白色生成物。從圖4可看出第二組試樣點(diǎn)焊200次后電極端面中心處有比較均勻的大片的灰白色生成物，在凹坑處有不均勻的小塊的白色生成物，但相對較少。

圖1 電極端面原始形貌

圖2 點(diǎn)焊1次后電極端面形貌

圖3 第一組試樣點(diǎn)焊200次后的電端面形貌

圖4 第二組試樣點(diǎn)焊200次后的電極端面形貌

表2 兩組試樣點(diǎn)焊200次后的電極表面直徑 mm

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

第一組試樣，其表面存在一層電阻很大的氧化膜，在通電瞬間這層氧化膜會不均勻地局部破碎，使產(chǎn)生的熱量分布不均勻，造成局部強(qiáng)烈反應(yīng)而形成較大的鋁飛濺，圖3中凹坑處的大塊白色物質(zhì)就是鋁飛濺。同時在電極表面產(chǎn)生的局部塑性變形處鋁飛濺會較多地?cái)U(kuò)散，形成脆性的銅鋁金屬間化合物，圖3中的灰白色產(chǎn)物就是銅鋁化合物。當(dāng)電極抬起時，由于機(jī)械撕扯力的作用，在銅鋁合金化和不均勻點(diǎn)接觸引起的局部小爆炸的交互作用下，生成的脆性銅鋁金屬間化合物會剝落下來而在電極表面形成新的凹坑，從而又在電極表面形成新的不均勻點(diǎn)接觸，如此循環(huán)下去，就加快了電極的燒損速度。

第二組試樣，其表面的氧化膜被除掉，點(diǎn)焊時在電極壓力的作用下電極和工件接觸得比較好，產(chǎn)生的熱量分布相對比較均勻，并且因?yàn)榻佑|面面積比較大，電流密度比較小，在通電瞬間產(chǎn)生的局部小爆炸比較小，形成的鋁飛濺比較少，電極表面產(chǎn)生的局部塑性變形也比較小，并且因?yàn)槿コ斯ぜ砻娴难趸?，鋁的擴(kuò)散也就更加容易，所以在電極和工件接觸處形成銅鋁化合物就會比較容易且分布也比較均勻，在圖4中可以看到比圖3更為明顯的大片灰白色銅鋁化合物。

2 電極延壽技術(shù)研究

從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，提高電極壽命可以從兩方面來考慮：（1）盡量減少點(diǎn)焊電極和鋁合金工件兩者之間的銅鋁合金化反應(yīng)；（2）盡量減少點(diǎn)焊電極和鋁合金工件兩者之間的不均勻點(diǎn)接觸。本文因此提出在鋁合金點(diǎn)焊電極表面形成一層涂層的方法來達(dá)到以上兩方面的要求，以減輕電極燒損，提高電極的使用壽命。試驗(yàn)采用含有TiB2的銅基復(fù)合涂層，這是因?yàn)門iB2可以與電極銅基體形成良好的冶金作用，并且TiB2可以增強(qiáng)制得的復(fù)合涂層基體強(qiáng)度，減輕在點(diǎn)焊過程中電極端部產(chǎn)生的塑性變形，從而減少點(diǎn)焊電極和鋁合金工件兩者之間的不均勻點(diǎn)接觸。并且TiB2導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，且不和鋁發(fā)生反應(yīng)，能減輕點(diǎn)焊電極和鋁合金工件間的銅鋁合金化反應(yīng)[4,5]。

2.1 電極表面復(fù)合涂層的制備工藝

試驗(yàn)采用直流電阻點(diǎn)焊機(jī)和直徑為5mm鉻鋯青銅電極，并以厚度為1.2mm LF21鋁合金為試樣，點(diǎn)焊前對試樣進(jìn)行除膜處理。試驗(yàn)中，混合粉末中B4C和Ti按摩爾比1∶2的量加入，Cu粉所占比例為60%。采用的復(fù)合涂層成型裝置如圖5所示，采用的點(diǎn)焊參數(shù)如表3所示。

從試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，因?yàn)榉磻?yīng)室不是完全密封的，所以在點(diǎn)焊瞬間會有少量的粉末在沖擊力的作用下沿電極和電木間的空隙飛出，產(chǎn)生火花；電木因?yàn)槭軣嶙饔卯a(chǎn)生黑煙。試驗(yàn)中剛開始采用較小的點(diǎn)焊電流，并逐漸增長點(diǎn)焊時間，因此混合粉末受到的熱沖擊會比較小，產(chǎn)生的飛濺也比較小。把制得的復(fù)合涂層連同部分銅基體橫向切開，做成金相試樣。

圖5 復(fù)合涂層制備示意圖

表3 點(diǎn)焊參數(shù)（點(diǎn)焊壓力F：4000N）

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

用光學(xué)顯微鏡觀察可以看到，金相試樣的一部分是電極銅基體，另一部分是試驗(yàn)制成的復(fù)合涂層。如圖6所示，上面的是涂層組織，呈灰黑色；下面的是銅基體，呈黃白色。

2.2.1 涂層組織1分析

（1）組織分析。圖7所示的組織稱為涂層組織1，我們可以觀察到在涂層中彌散分布著不規(guī)則形狀的顆粒狀物質(zhì)。試驗(yàn)中，當(dāng)采用比較小的點(diǎn)焊電流和短的通電時間時，這種組織出現(xiàn)得比較多，并且在基體中分布的也比較均勻，如圖7所示。但如果增大點(diǎn)焊電流和通電時間，產(chǎn)生的電阻熱也會增多，這種組織會因?yàn)槲樟溯^多的電阻熱而快速熔化，導(dǎo)致數(shù)量減少，并且變細(xì)變小，分布也開始變得不均勻，如圖8所示。

圖6 復(fù)合涂層與銅電極基體結(jié)合良好

圖7 試樣中帶棱角的顆粒彌散分布

圖8 局部區(qū)域帶棱角的顆粒變細(xì)變小

圖9 試樣中帶有棱角的顆粒彌散分布在涂層基體上

（2）成分分析。對試樣中的涂層做掃描電鏡觀察（放大1000×），如圖9所示。

表4是其中黑色顆粒的能譜成分分析結(jié)果。從表4中可以看出，顆粒中大部分的成分是C和B元素，雖然它們的原子個數(shù)比不是1∶4，但由于C的存在形式有很多種，故很難準(zhǔn)確測定其含量，但結(jié)合顆粒的形貌綜合判斷可以得出這種黑色顆粒就是B4C[6]。

表4 試樣中有棱角顆粒的能譜成分分析

表5是對試樣涂層基體的能譜成分分析結(jié)果，可以看到其中含有比較多的銅和鈦，我們認(rèn)為基體是Cu/Ti合金[7]。Cu/Ti合金比純銅要穩(wěn)定，可以抑制電極表面的銅鋁合金化。

表5 試樣中基體的能譜成分分析

2.2.2 涂層組織2分析

（1）組織分析。圖10所示的組織為涂層組織2，可以觀察到有一種細(xì)小的顆粒狀物質(zhì)彌散分布在涂層基體中。試驗(yàn)中，當(dāng)采用比較小的點(diǎn)焊電流和短的通電時間時，這種顆粒會比較小，但如果增大點(diǎn)焊電流和通電時間，產(chǎn)生的電阻熱就會增多，這種小顆粒會迅速長大，甚至長大成長條狀。

圖10 試樣中的粒狀TiB2

（2）成分分析。表6是試樣中的細(xì)小顆粒的能譜成分分析結(jié)果。我們可以看到其中含有比較多的B、C、Cu、Ti，因?yàn)閺?fù)合涂層的基體是Cu/Ti合金，故可以從小顆粒的形貌綜合判斷出它就是粒狀的TiB2[8]。

表6 試樣2中細(xì)小顆粒的能譜成分分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)分析了鋁合金車身點(diǎn)焊電極失效的原因，提出了一種提高鋁合金點(diǎn)焊電極壽命的技術(shù)，并得出如下結(jié)論。

（1）引起鋁合金點(diǎn)焊電極燒損失效的原因是點(diǎn)焊時點(diǎn)焊電極和鋁合金工件兩者之間存在不均勻的點(diǎn)接觸，在通電瞬間這些不均勻的點(diǎn)接觸會造成局部強(qiáng)烈反應(yīng)和銅鋁合金化，這種局部強(qiáng)烈反應(yīng)和銅鋁合金化交互作用，加快了電極的燒損失效。

（2）利用點(diǎn)焊條件，可以在電極端面制成Cu-Ti-B復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層可減輕電極燒損，提高電極的使用壽命。

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The Research on the Failure Mechanism and Life Extension Technology of Spot Welding Electrode for Aluminum Alloy Automobile Body

YU Hui-yong1, ZHOU Hui-lin2, LIU Dan3

(1.College of Vehicle and Traffic Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China；2.College of Materials Science and Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China；3.Shanghai Turbine Plant Company Limited, Shanghai 200240, China)

The paper explored the failure mechanism of electrode burnout during spot welding of automotive aluminum alloys through experiment which indicates that the local strong reaction caused by uneven point contact between the electrode and the aluminum alloy work piece during spot welding accelerates the burning loss of electrodes. The Cu-Ti-B composite coating was successfully fabricated on the end face of the aluminum alloy spot welding electrode by means of the pressurization effect and resistance heat generated during spot welding. The composite coating can reduce the burning loss of the electrode and prolong the service life of the electrode.

aluminum alloy spot welding; electrode burnout; coating

TB333

A

2096–7772(2020)01–0055–05

2019-11-20

河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2016GGJS-196）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（192102210214）

于匯泳（1980―），男，河南許昌人，副教授，博士，主要從事材料加工研究。

（責(zé)任編輯呂春紅）