中圖分類號：U466 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250102

Abstract：To address the issue of cooling water leakage in resistance spot welding，this paperanalyzes the interfacebetween the electrodecapandthe electrodearm.Through microstructural analysisand hardnessgradient analysisof theadhesivematerialontheelectrodearm，itisfoundthatforcopperalloysofdiferentmaterialsunderthe combined action of electric fieldsand pressure，thecopper alloy with lower strength undergoes strengthening.This strengthening phenomenon leads to adverse effects in the application of automotive BIW welding.

Keywords：Electrodematerial，Hardnessgradient，Interfacefusion

1前言

銅合金是常用的焊接電極材料。在白車身制造中，焊接工藝應用較多，包括電阻點焊、激光焊、熔化極惰性氣體保護焊、螺柱焊、凸焊、阿普拉斯焊等。上述焊接工藝在控制端需要大量銅合金導電機構，在執(zhí)行端需要大量銅合金損耗件，如電極臂、電極帽、導電嘴、夾頭等，其中，電阻點焊電極應用最廣泛。電阻點焊電極是電阻點焊中向焊件傳輸焊接電流、施加焊接力并消散焊接區(qū)熱量的部件，在工作中承載壓力和電流循環(huán)載荷。在焊接過程中，電極在高溫和高壓下，不斷與工件接觸，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。

2 應用背景

銅合金電極材料在滿足導電性能的同時，還需滿足特定的力學性能要求。熱處理強化是提高銅合金高溫強度的有效方法，通過熱處理和冷變形加工，添加少量析出強化合金元素進行合金化，可在不明顯降低電導率的同時，顯著提高合金的強度和使用溫度2。彌散氧化物銅基合金廣泛應用于電極材料，氧化物具有較高的硬度和良好的化學穩(wěn)定性。在銅基體中引入熱穩(wěn)定性高、呈彌散分布的氧化物粒子，可阻礙位錯運動、抑制再結晶，使其力學性能，尤其是高溫力學性能大幅提高[?？估瓘姸雀哂?600MPa 的銅合金多為固溶時效強化型合金，是高強度、中等電導率的電極材料，該類材料的鑄件通過適當?shù)臒崽幚砜删邆浣咏懠牧W性能，常用材料有鍍鈷銅、鎳鍍銅。同時，也出現(xiàn)了專用性能銅合金，如合金硬度很高的鈹銅，要求高硬度及軟化溫度的鎢銅、銅-碳化鎢燒結材料[4]。

高強度高電導率銅合金按合金成分可分為CuFeP、CuCrZr、CuNiSi、CuNiSn 等[5-10]。其中，CuCrZr系列合金具有良好的力學性能和導電性能，如圖1所示。在CuCrZr電導率達到純銅電導率的 80% 的情況下，其抗拉強度超過 500MPa 。CuNiSn合金強度雖然很高，但電導率較低。 CuZn 合金和CuFeP合金的強度和電導率表現(xiàn)較好，但均低于CuCrZr合金，使CuCrZr合金作為焊接電極時有明顯的強度和電導率優(yōu)勢。當然，銅合金在加工成電極后，微結構也會發(fā)生變化，導致力學性能產生變化，如拉拔成型和沖壓成型會拉長銅合金晶粒，形成條狀織構，車削加工的材料表面會形成細碎晶粒等。

圖1不同系列典型銅合金的極限抗拉強度與電導性能[11]在汽車焊裝設備中， Cu-CrZr 、CuNiSi和

CuAl₂O₃ 等銅基合金應用較為廣泛，需根據(jù)零件所需的力學和導電性能選用相應的材質。由于部分器件同時承受壓力和電負荷，而不同材質的銅合金在相同負荷下產生的力學行為不同，銅合金的強度、硬度、熔合和斷裂方式等會直接影響器件的使用壽命。目前，不同材質銅合金在壓力和電場下的力學行為研究較少，當不同材質的銅合金配合使用時需考慮異種材質的不同力學行為所產生的影響。

在汽車生產中，銅合金電極材料應用廣泛。除變壓器、逆變器等電氣元件外，導電橋、大臂、匯流排、電極臂、電極帽等導電部件均采用銅合金。其中，電極臂和電極帽在焊接時不僅承受電負荷，同時承受壓力負荷，因此，電極材料的導電性能和力學性能的可靠性非常重要。以某汽車生產線為例，根據(jù)所焊接板材厚度，設置電阻點焊的焊接電流為 7～10kA 、焊接壓力為 2～6kN 。焊接中的電流和壓力通過電極臂和電極帽傳遞至焊點。

2.1 電阻點焊工作原理

電阻點焊是通過在金屬板材之間施加壓力和電流，使電極之間的金屬板材發(fā)生熔合的焊接方式。金屬板材發(fā)生熔化的能量可用焦耳定律Q=I²RT 計算。在焊接過程中，焊接電流和焊接時間根據(jù)需要設定，焊接電阻主要包括電極與板材之間的電阻 R_ew 、板材自身電阻 R_w 和板材之間的電阻 R_c 。電極帽承受的熱量主要包括電極帽與板材之間的電阻 R_ew 產生的熱量和板材之間熔化傳導至電極帽的熱量，如圖2所示。電極臂內通過循環(huán)冷卻水降低電極溫度，避免電極臂與電極帽在焊接過程中過熱粘連，如圖3所示。

圖2電阻點焊電阻分布

圖3電極冷卻示意

2.2 電極配合使用問題

由于電極帽直接與焊點接觸，在使用過程中會產生磨損和氧化，焊接一定點數(shù)之后需進行修磨，即清除電極帽表面的氧化物和臟污，同時將磨損的電極帽端面修整為標準形狀。電極帽在修磨一定次數(shù)后需更換，通常1對電極帽可焊接約3300個焊點。當焊接點數(shù)達到設定值時，需使用專用扳手更換電極帽。電極臂可長期使用，電極臂的使用壽命通常在90天以上，部分可達150天。

在某車型自動化生產線上，電極臂材質原為CuCrZr，變更為CuSiNi后，電極臂漏水問題頻發(fā)，導致其使用壽命大幅降低，電極臂的失效模式均為冷卻水泄漏，泄露位置為電極帽和電極臂結合面，如圖4所示。

經(jīng)考察，其他工廠使用同材質的電極臂均未發(fā)生類似漏水問題。經(jīng)統(tǒng)計，當CuCrZr電極帽與CuSiNi電極臂配合使用時，電極臂使用壽命為 0.5～2 天，當 CuCrZr 電極帽和CuCrZr電極臂、 CuAl₂O₃ 電極帽與CuSiNi電極臂配合使用時，電極臂平均使用壽命超過90天，如表1所示。電極臂頻繁漏水導致耗材成本增加，除此之外，由于機器人島內電路復雜，冷卻水泄漏易產生短路風險。對高效穩(wěn)定的自動化生產線而言，冷卻水泄漏后的電極臂更換以及后續(xù)工藝驗證和調整會造成大量停機時間，大幅降低生產效率。

鑒于CuCrZr電極帽和CuSiNi電極臂配合使用時出現(xiàn)冷卻水泄露問題，本文對其成分和力學性能進行測試。

2.3電阻點焊焊槍的電極臂

電阻點焊焊槍電極臂材料主要為 CuCrZr 、鈹銅、CuSiNi等銅基合金。電極臂材料的選擇主要考慮使用壽命和成本。本文中電極臂材質為CuSiNi，具體成分如表2所示，硬度如表3所示。

圖4冷卻水泄漏位置

測量電極臂硬度后發(fā)現(xiàn)，電極臂硬度較高，5次測量平均值為 242.8HV1 。電極臂采用高硬度銅合金，降低了磨損量，提高了使用壽命。同時，降低了電極帽更換時外力導致的端面變形，提高了電極臂的穩(wěn)定性。

2.4電阻點焊焊槍的電極帽

白車身由多種板材焊接而成，包括鍍鋅板、高強鋼板、相變誘導塑性鋼、烘烤硬化鋼、熱形成鋼等。為提高電極材料的焊接適用性， CuAl₂O₃ 和CuCrZr 成為電極帽使用最廣泛的材料。 CuAl₂O₃ 與CuCrZr的常溫硬度接近， CuAl₂O₃ 具有更高的軟化溫度3]。本文所述的漏水問題中，所用電極帽的材質為 CuCrZr ，成分如表4所示，硬度如表5所示。

CuCrZr電極帽的硬度明顯低于CuSiNi電極臂，理論上，這2種硬度的材質配合使用較為理想。電極帽作為消耗件，需定期更換，低硬度可降低電極臂的磨損。低硬度材質在受外力后，更易貼合高硬度材質，提高了界面結合的嚴密性，降低了漏水風險。

3電極材料熔合行為分析

電極帽安裝在電極臂上，電極帽內壁與電極臂端面貼合，當二者接合面貼合不良時，冷卻水會從空隙泄漏。對漏水的電極臂端面和電極帽內壁進行分析，從外觀來看，與電極帽接觸的表面附著數(shù)圈粘連材料，如圖5所示。在電極帽側與電極臂接觸的表面發(fā)現(xiàn)數(shù)圈凹槽，如圖6所示。

圖5電極臂端面材料粘連

圖6電極帽內壁表面凹槽

直觀來看，電極帽內壁的材料易脫落，粘連在電極臂端面上，使電極臂端面變得粗糙。由于電極帽是損耗件，更換電極帽后會造成電極帽內壁與電極臂端面貼合不良，導致冷卻水泄漏。將電極臂和電極帽縱切，分析電極臂粘連位置和電極帽材料脫落位置的金相、硬度和成分，研究異種銅基合金在電場和壓力作用下發(fā)生材料粘連的原因和機理。圖7中紅圈內為發(fā)生粘連導致冷卻水泄漏的位置。

圖7電極帽與電極臂縱切圖

3.1金相分析

金相試驗采用重鉻酸鉀 2g 、硫酸（比重1.84）8mL 、飽和氯化鈉溶液 4mL 水 100mL 組成的腐蝕劑，在使用前加入5滴鹽酸，腐蝕 10s 。圖8所示的金相照片中，電極臂發(fā)生粘連位置下部淺色區(qū)域為電極臂，上部深色區(qū)域為粘連的電極帽材料。

圖8電極臂粘連位置的金相

經(jīng)測量，電極臂粘連長度為 942.67μm ，最大處高度為 80.23μm 。由金相可知，電極臂和電極帽材質有明顯區(qū)別。電極臂材料晶粒清晰可見，電極帽材料呈細碎組織狀態(tài)，很難分辨晶界，該特征大多由大量形變或機械加工導致晶粒破碎形成。2種材料大部分保存有原有界面，但2種界面已完全熔合成一體，中間沒有分裂。其中，在圖8紅圈區(qū)域處，2種材料的晶粒已經(jīng)發(fā)生侵入，晶界不再明顯，2種晶粒已熔合。

2種硬度不同的材料熔合后，在外力作用下分離，通常硬度低的材料先斷裂。如圖9所示，電極帽的凹槽部位發(fā)現(xiàn)明顯斷裂和變形痕跡。發(fā)生斷裂的位置晶粒破碎，無法分辨原有晶界。而電極帽基體材料的晶界清晰，與斷裂位置有明顯區(qū)別。

圖9電極帽粘連位置的金相

從金相可判斷，CuSiNi電極臂與 CuCrZr 電極帽在配合使用時，在電場和壓力復合作用下，2種不同的銅基合金發(fā)生熔合，在更換電極帽時，熔合位置斷裂，斷裂位置為硬度相對較低的電極帽側。安裝新電極帽后，電極帽內壁平整，與表面凸起的電極臂外表面貼合不良，導致冷卻水從電極臂與電極帽的間隙漏出。

3.2 硬度梯度分析

電極帽材料發(fā)生斷裂的位置取決于電極帽的強度梯度和應力狀態(tài)。當電極帽未發(fā)生熔合時，基本趨于均質材料，平均硬度為 171.4HV1 。當發(fā)生熔合后，由于壓力和熱量的作用，電極帽材料的微結構和力學性能均發(fā)生變化。

分別測量電極帽和電極臂縱切面的硬度，測量位置如圖10黃色箭頭所示，電極臂側為負向，電極帽側為正向，電極臂和電極帽貼合界面為0點。

圖10硬度梯度測量位置示意

從電極臂基體向表面依次測量硬度，由表6硬度分布可知，從 -60μm 處到 -10μm 處，電極臂的硬度分布均勻，平均硬度為 246.5HV0.25 。電極帽粘連在電極臂上的材料，即表6中 10μm 處到 40μm 處，硬度明顯低于電極臂，且均勻分布，平均值為207HV0.25 。

從電極帽表面向基體測量，不同深度的硬度如表7所示，距表面 50μm 處硬度為 206HV0.25 ，與電極臂上的粘連材料硬度基本相同。隨著測量位置越來越向基體深入，從 75μm 處到 200μm 處，硬度逐漸降低。當深度超過 225μm 后，硬度開始趨向均勻，直至深度 300μm ，硬度無明顯變化。

電極臂和電極帽的硬度梯度如圖11所示，紅線為電極帽斷裂位置，黃線為電極帽與電極臂材料分界線。由圖11可知，電極帽表面產生強化，但硬度依然明顯低于電極臂，且向基體方向硬度逐漸降低，直至降至基體硬度。

CuCrZr電極帽與CuSiNi電極臂的熔合與強化，在工程應用中產生了不良影響。當2種材質熔合后，電極帽與電極臂之間的界面消失，電極帽與電極臂接觸面材質發(fā)生強化，晶粒變得更細碎，強度變得更高。由于電極帽是損耗件，當與電極臂熔合且表層被強化后，在拆卸過程中，分離面必然偏向電極帽側，會有一定厚度的電極帽材料粘連在電極臂上。粘連的厚度與強化后的強度分布和電極帽材料承受的扭力分布有關。當新電極帽安裝后，光滑的電極帽內壁與有一定厚度粘連材料的電極臂外壁的配合出現(xiàn)間隙，電極臂內的冷卻水會從間隙漏出產生冷卻水泄漏。

圖11電極臂與電極帽硬度分布

4結束語

針對電極材料在工程應用中出現(xiàn)的冷卻水泄漏問題，通過顯微組織分析、顯微硬度梯度分析等方法，研究在CuCrZr和CuSiNi的配合使用過程中，2種不同銅基合金之間的材料粘連現(xiàn)象。粘連原因為CuCrZr和CuSiNi在電場和壓力復合作用下產生熔合，且使 CuCrZr 表面晶粒細碎化，強度提高。2種零件在外力下作用分離時，在 CuCrZr 電極帽基體發(fā)生斷裂，斷裂位置與電極帽的強度分布和扭力分布有關。 CuCrZr 電極帽發(fā)生強化的深度為225μm ，當超過 225μm 后，基本趨于電極帽基體硬度，被強化區(qū)域的硬度最高為 209HV0.25 ，低于CuSiNi電極臂基體的平均硬度。電極帽上發(fā)生斷裂位置的深度約為 50μm ，該厚度的材料附著在電極臂端面，足以使其在與新電極帽配合使用時產生冷卻水泄漏。

當電極帽采用 CuAl₂O₃ 材料時，與CuSiNi電極臂配合使用時未出現(xiàn)熔合斷裂行為。由于自動化生產線實際產能很大程度上取決于綜合設備利用率，而發(fā)生停機故障會直接降低綜合設備利用率，所以在電極臂和電極帽設計時，需充分考慮材料特性，避免CuCrZr電極帽和CuSiNi電極臂配合使用。

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