（材料加工工程专业论文）铝合金点焊电极的延寿技术研究.pdf

中文摘要 铝合金的电阻点焊是汽车车身自动化生产中最重要的焊接工艺方法，但是铝 合金电阻点焊中存在的一个主要问题就是电极过快烧损，引起电极的频繁更换， 影响生产效率。因此研究铝合金点焊电极的延寿技术至关重要。 本文通过对铝合金点焊电极烧损失效机理的研究发现，点焊时电极与铝合金 工件接触面间的不均匀点接触造成通电瞬间局部小爆炸而使电极端面局部区域 产生塑性变形，这种局部的塑性变形反过来又加剧了电极与工件接触面间的不均 匀点接触，由不均匀点接触引起的局部小爆炸和铜铝合金化交互作用，使电极失 效速度加快。因此，铝合金点焊电极延寿技术研究的基本原则，就是要减轻电极 与铝合金工件接触面间的铜铝合金化以及减少不均匀点接触造成的局部小爆炸。 本文从电极表面和铝合金工件表面两种角度出发，寻找制备涂层材料，以延长电 极的使用寿命。 从电极表面考虑，我们探索性地利用点焊时产生的电阻热和加压作用，成功 地在锆铬青铜电极表面原位合成了c u t i b 复合电极涂层。通过对复合涂层组织、 成分的分析，我们发现其中含有条状以及粒状的t i b 2 。由于t i b 2 具有很好的热 强性，点焊时可以增强涂层基体的强度，减少电极端面局部小爆炸引起的塑性变 形。故用c u t i b 复合涂层电极点焊铝合金是可以延长电极使用寿命的，以后还 要做进一步的研究。 从铝合金工件表面考虑，在铝合金表面涂敷矿物油和b 4 c 的混合物，点焊 时方面可以机械地隔离铜电极中的铜与铝的接触，降低电极与铝合金工件接触 面问的温度，从而减轻铜铝合金化，另一方面还可以减少不均匀点接触造成的局 部小爆炸。因而铝合金表面涂敷矿物油和b 4 c 的混合物时，电极烧损程度较轻， 电极使用寿命得到了延长。 关键词：铝合金点焊；电极烧损；涂层；矿物油；b 。c a b s t r a c t r e s i s t a n c es p o tw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o yi st h em o s ti m p o r t a n tw e l d i n g t e c h n i q u ei nt h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o no fc a rb o d y h o w e v e r , t h e r ei sap r o b l e mt h a t t h ei g n i t i o nl o s so ft h ee l e c t r o d ei st o of a s t ，w h i c hl e a d st of r e q u e n tr e p l a c e m e n t ，s o p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sr e d u c e da n dt h ec o s ti n c r e a s e s c o n s e q u e n t l y , t h et e c h n i q u e o fp r o l o n g i n gt h ee l e c t r o d el i f eo fa l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n gi so fr e a l i t y s i g n i f i c a n c e t h er e s e a r c ho ft h em e c h a n i s mf o rt h ei g n i t i o nl o s so ft h ee l e c t r o d ei ns p o t w e l d i n go fa l u m i n u ma l l o ys h o w st h a t ，p l a s t i cd e f o r m a t i o ni sg e n e r a t e di np a r to f t h e e l e c t r o d es u r f a c eb yb l a s t i n gr i g h ta f t e rt h ee l e c t r i f i c a t i o n , w h i c hi sc a u s e db yt h e n o n u n i f o r mp o i n tc o n t a c tb e t w e e ne l e c t r o d e sa n da l u m i n u ma l l o yw o r k - p i e c e s t h e p l a s t i cd e f o r m a t i o na c c e l e r a t e st h en o n - u n i f o r mp o i n tc o n t a c t b l a s t i n gc a u s e db yt h e n o n - u n i f o r mp o i n tc o n t a c ti np a r to ft h ee l e c t r o d es u r f a c el e a d st ot h ei g n i t i o nl o s s ， w h i c hi n t e r a c t sw i t hc u - a 1s y n t h e s i s ，m a k e st h ee l e c t r o d ew o r s e h e n c e , t h el i f e p r o l o n g i n gt e c h n i q u ei st or e s t r a i nc u - a is y n t h e s i sa tt h ei n t e r f a c e so fe l e c t r o d e sa n d a l u m i n u ma l l o yw o r k - p i e c e sa n dr e d u c eb l a s t i n gc a u s e db yt h en o n - u n i f o r mp o i n t c o n t a c t f r o mt h ep o i mo ft h ee l e c t r o d es u r f a c ea n dt h ea l u m i n u ma l l o yw o r kp i e c e s u r f a c e ，c o a t i n gm a t e r i a l sa r es o u g h ta n dp r e p a r e dt op r o l o n gt h ee l e c t r o d el i f e f o rt h ee l e c t r o d e ，c o m p o u n de l e c t r o d ec o a t i n go fc u - t i bi s s u c c e s s f u l l y s y n t h e s i z e di ns i t ua tt h ez r - c r o c ue l e c t r o d es u r f a c eb yr e s i s t a n c eh e a ta n dp r e s s u r e w h i l es p o tw e l d i n g s t r u c t u r ea n dc o m p o n e n ta n a l y s i ss h o wt h a ti tc o n t a i n st i b 2i n s t r i p sa n dg r a i n yw i mg o o dh e a tr e s i s t a n c ew h i c h c a l li n t e n s i f yt h es t r e n g t ho f c o a t i n g b a s ea n dr e d u c et h ep l a s t i cd e f o r m a t i o ng e n e r a t e di np a r to ft h ee l e c t r o d es u r f a c eb y b l a s t i n gr i g h ta f t e rt h ee l e c t r i f i c a t i o n s oi ti sf e a s i b l et op r o l o n gt h ee l e c t r o d el i f eo f a l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n gb yt h ec u - t i - bc o m p o u n dc o a t i n go ft h ee l e c t r o d e f u r t h e rr e s e a r c hw i l lb eg r a s p e d f o rt h ea l u m i n u ma l l o y ，c o a t i n gm i x t u r eo fm i n e r a lo i la n db 4 cq nt h e w o r k - p i e c ec a nr e d u c et h ec o n t a c to fc ua n da 1 ，a n dt h et e m p e r a t u r ea tt h ei n t e r f a c e s o fe l e c t r o d e sa n da l u m i n u ma l l o yw o r k - p i e c e s ，w h i c hr e s t r a i nc u - a is y n t h e s i so no n e h a n d o nt h eo t h e rh a n dm i n e r a lo i la n da 4 cc a nr e d u c et h en o n - u n i f o r mp o i n tc o n t a c t a n dr e l i e v eb l a s t i n gi np a r to f t h ee l e c t r o d es u r f a c e h e n c e , t h es p o tw e l d i n gr e s u l to f a l u m i n u ma l l o yw i t ht h ec o a t i n gm i x t u r eo fm i n e r a lo i la n db 4 ci sb e t t e r , a n dt h e e l e c t r o d el i f eo f a l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n gi sp r o l o n g e d k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n g ：i g n i t i o nl o s so ft h ee l e c t r o d e ： c o a t i n g ；m i n e r a lo i l ) b 4 c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼态鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 豪9 母 签字日期：力，高年1 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生态鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 吾j 再 签字日期：1 妒睁1 月i ! 日 导师签名： 如壹， 签字日期：口6 年j 月1 1 日 第一章绪论 1 1 耢究熬耋甏意义 第一章绪论 汽车产业在世界各地蓬勃发展，给人类带来极大便利的同时，也带来环境污 絷籀戆源短缺掰大严重豹裁会成本。这键侵汽车产业将来来持续发袋熬核心敖在 环傈和能源上。汽车轻量纯w 解决上述部分问题。试验袭明，汽车质量的轻重与 汽车的能耗有潜直接的关系，即一辆车每减少1 0 的麓量，可相对减少6 - 8 的燃料消耗，燃油效率则提搿5 5 掰“。燃濑效率提高，意味着汽车的耗油量和排 澎爱降低。在鞠嚣耩琵下，赣车装质羹每减轻1 0 0 手炎，每吾公萋懿燃洼港耗将 减少o 4 1 升，若一辆中型轿车( 约3 0 0 0 磅) 减重7 0 0 磅，则这辆汽车在使用年 限内至少能降低约1 0 5 0 0 磷的废气( 注：1 公斤= 2 2 磅) ，节约至少几千升燃料。 衾球汽车拥煮蘩崔2 0 0 0 年聪达爨6 7 3 识辚，其孛轿车5 2 4 钇辆渤。舞果都按以 上盼标准计算，节省的燃料和减少的尾气驻然是天文数字了，可见汽车的轻量化 意义之重大。因此，汽车的轻量化、降低油耗和排放、提高性能及保证安全、延 长汽车使用寿念已经成为汽率工业发展的主要方向，两轻量化技术的水平则被用 警f # 汽车产濂缓琵竞争力鬻量戆基壤。 汽车材料怒影响汽车黧蟹的重要因綮，因此各种新型轻量化材料的开发与应 用已成为汽车材料的应用研究热点，轻型新材料的应用在汽车轻量化中占有举足 辍霪豹蘧盟。壤羲毽雾主汽擎轻覆嚣瓣吏溪骞：寒强发键、锯会金、镁会金、软 念金、塑料等狰j 。 铝及铝合众由于具有比强度高、比熏小、大气环境下耐腐蚀性强、散热性能 好、易于进行多种加工和在巍然界含量款拳富等特点，谯保证相同的翘g 度和强度 下，采焉韬会金稍造轿车孳夯可以减多车体重量酶6 0 意右，获两减少褶当数交 的燃料消耗和环境污染【4 朋。此外，铝合企由于表面有一层致密的氧化物保护膜， 冀表面无需如一般碳钢材料那样进行镀滕处理即可获得满意的抗腐蚀性能，从而 鼹褰汽车兹捷溺寿鑫，瑟毫镀、燕镀锌钢投熬镀垂处璞琴饺工艺复杂、成本较毫， 并且严重污染环境f 6 l 。显然，绿色环保型的铝合金轿攀乃是2 l 世纪汽车制造妲 发展的必然趋势。 铝合金在汽车工业中扮演越来越重要的角色的同时，铝合金焊接的问题也越 来越突出了。由于铝合金所具有独特的物理化学性能，在焊接过程中会产生一系 第一章绪论 列的困难和特点，具体表现为；( 1 ) 铝合金表面有一层致密的氧化铝薄膜( 熔点约 2 0 5 0 ) ，焊接时如未能将其消除，将会影响基体金属的熔化质量，形成夹杂等 质量问题；( 2 ) 热导率大( 约为钢的4 倍) ，导电性好，焊接时若要达到与钢相同 的焊速，则焊接线能量要比焊钢时大2 - _ 4 倍：( 3 ) 线膨胀系数大，焊件有产生较 大的热应力、变形及裂纹的倾向；( 4 ) 易产生气孔；( 5 ) 铝合金焊接接头的强度降 侧7 1 。 铝合金焊接有很多的方法和工艺，但这众所周知，铝合金的电阻点焊是汽车 车身自动化生产中最重要的加工方法。但是，由于铝合金具有非常好的导电、导 热性能，其表面又往往具有一层致密的氧化膜，其熔点温度是铝合金熔点温度的 3 倍以上，这就给铝合金材料的电阻点焊带来了极大的困难。与普通碳钢点焊相 比，铝合金点焊不仅需要采用较大的焊接电流，而且焊接分流影响较大，电极烧 损严重，电极直径变化大，对于一般低碳钢的点焊，电极寿命可以达到几千点， 而铝合金的点焊一般仅能达到几十点，焊接质量难以控制，远远不能满足连续化 生产的要求，从而严重影响了铝合金在汽车工业中的应用。因此，如何提高电极 寿命和焊接质量，便成了问题的核心和关键 8 】。因此，英，美，日本等经济发达 国家都在致力进行铝合金点焊中电极寿命的研究，开展铝合金材料电阻点焊电极 的延寿的研究不仅是当前汽车工业发展的需要，也是电阻点焊，自动化控制等领 域研究的重要课题。 1 2 铝合金点焊所存在的主要问题 目前铝合金电阻点焊所存在的问题主要有以下几方面： 1 焊点质量不稳定 铝合金点焊焊点质量不稳定主要体现在以下四个方面。 ( 1 ) 喷溅与飞溅严重。铝元素非常活泼，在铝合金材料表面非常容易形成氧 化膜，这层氧化膜组织致密、熔点极高、导电性能极差。这就使得接触面上的接 触电阻比较大。在硬规范焊接条件下，接触面上产生较多的热量。另一方面，铝 合金材料熔点低，加热熔化时的塑性温度区间窄，所以很容易在工件间接触面上 造成喷溅，在电极一工件间造成飞溅1 9 1 。喷溅和飞溅的产生会带走部分热量和熔 化金属，严重影响了熔核直径的大小，对焊点质量极为不利。 ( 2 ) 焊点表面质量差。铝与铜合金容易形成低熔点( 5 4 7 ) 共晶物【1 0 】，并 且这种低熔点共晶物的电阻率比较大。铝合金工件较大的热导率及接触面上较大 的产热量使得电极一工件接触面上产生局部熔化并发生较为剧烈的共晶反应，以 致出现电极与工件的粘连，恶化了焊点的表面质量。电极与工件的粘连及飞溅严 第一章绪论 重破坏了电极表面的连续性，进而恶化了后续焊点焊接时电极与工件间的接触状 态，使电极一工件问的接触由起始宏观上的连续接触变为宏观上的不连续接触。 在硬规范条件下，这种宏观上的不连续接触更加剧了飞溅、局部熔化及粘连的产 生，对焊点的表面质量更为不利。 ( 3 ) 熔核尺寸波动大。电极一工件接触面上的局部熔化、飞溅及电极与工件 的粘连，重新破坏了电极表面的连续性。并且在连续点焊过程中电极表面的不连 续性具有较强的随机性，这使得电极一工件间及工件间的接触状态很不稳定。另 外，点焊过程又受工件表面状态、电极压力、焊接电流等因素的影响，铝合金点 焊对各种因素的变化非常敏感，因此连续点焊中熔核直径波动较大。 ( 4 ) 熔核内部易产生缺陷。与弧焊相比，铝合金在点焊时金属的熔化量较少， 其导热系数又比较大，所以熔核的冷却速度非常快。另一方面，由于铝合金是非 导磁材料【l l 】。因此，液态熔核区的流动速度非常小，熔核在凝固时极易形成缩孔、 缩松和气孔。虽然这些缺陷对接头强度影响不大，但对接头的疲劳性能却有显著 影响【2 1 。 2 电极烧损严重 由于电极一工件间的接触电阻较大，铝合金工件的热导率也较大，而铝合金 点焊又是采用硬规范进行焊接，所以电极一工件间接触面上的温度较高。由于铝 与铜之间存在着强烈的合金化倾向，因此铝合金点焊时铜合金电极的烧损非常严 重。铜铝合金化反应生成合金层的主要成分为c u a h 金属间化合物，其电阻率为 铜的5 倍左右【i ”。由于合金层粘附在电极表面，在后续焊点的焊接过程中，合金 层的存在增大了电极一工件间的接触电阻，也增加了电极一工件间的产热量。在 连续点焊过程中，电极表面不连续程度的增加也加剧了电极一工件间局部熔化和 飞溅的产生，同时也加剧了铜铝合金化反应的程度。上述因素使得铝合金点焊时 电极的烧损速度大为增加，其使用寿命非常短。 3 缺乏有效的焊接质量控制方法 铝合金的电阻率低，其阻湿系数也比较小。因为从室温到熔化温度电阻率的 变化幅度仅为3 倍左右，所以铝合金电阻点焊过程很难用焊接电参量的变化来描 述，这给铝合金电阻点焊过程的闭环控制带来很大困难。 铝合金点焊的焊点质量不仅包括了熔核尺寸的波动，而且也包括飞溅和喷溅 严重、焊点表面成形质量差及工件与电极易出现粘连等。因此，铝合金点焊所面 临的质量问题远比低碳钢复杂。针对低碳钢点焊问题所提出的以保证熔核大小稳 定为目标的各种控制方法并不适合于铝合金点焊【1 4 - 2 0 ，尤其是对工件电极的粘 连闯题和焊点表面成形质量差的闯题更是无能为力。 能量是点焊过程的本质问题。从理论上说，能量控制是点焊质量控制中的最 第一章绪论 为本质的方法。能量控制的理论基础是点焊过程中的产热分析和能量分布分析， 而点焊过程中的产热分析和能量分布分析是无法通过试验来进行的。应该说，在 目前能量控制的理论依据及如何实现能量控制还没得到很好的解决。 1 3 电极延寿技术的国内外研究现状 国内外研究者对电极延寿的研究重点更多的集中在改进点焊电极的材料上。 点焊时电极头通过的电流为数千至数万安培，承受的压力达9 8 1 m p a - 4 9 1 m p a ， 瞬时温升达6 0 0 9 0 0 ，因此要求电极有良好的导电性、导热性、热硬性及较高 的抗蚀能力。点焊电极都是用铜合金材料制成的，国外电极材料标准一般分两大 组，a 组为c u 基合金、含c d 、a g 、c r 、z r 、b e 、c o 、n i 、t i 等不同合金成分。 b 组为c u 、w 、m o 等不同比例成分的粉末冶金为了提高铜合金电极的性能， 开发了电极材料的强化方法，一般有4 种强化方法，即：冷加工强化、固熔强化、 时效沉淀强化和弥散强化【2 1 】。以深冷电极为例，深冷处理是指在1 3 0 。c 以下对材 料进行处理改变材料性能的一种方法，深冷处理以液氮( 1 9 6 c ) 为制冷剂。试验 采用气体法加工深冷电极，将电极放入深冷装置，液氮经喷管喷出后在冷箱中直 接汽化，利用液氮的汽化潜热及低温氮气吸热来使冷箱降温。通过控制液氮的输 入量来控制降温速度、保温温度、保温时间等实现对温度的自动调节。实验发现 深冷处理提高了电极基体致密性，改变了合金元素分布，提高了电极的导电、导 热能力，使电极产热减少，导热能力加强，避免了铜合金电极与铝工件的合金化 倾向。深冷处理也细化了电极材料的晶粒，提高了电极抗压溃变形的能力，使得 铝合金点焊电极寿命显著提高【2 2 】。 还有研究使用复合材料作为铝合金点焊的电极材料的。通过引入适当增强相 ( 一种或多种) 的复合强化方式既能同时发挥基体及强化材料的协同作用，又具有 很大的设计自由度，同时导电理论指出固溶在铜基体中的原子引起的铜原子点阵 畸变，对电子的散射作用较第二相引起的散射作用要强的多，因此复合强化不会 明显降低铜基体的导电性【2 3 1 。 从粉末冶金角度，在制取复合材料时，根据强化相引入方式的不同可分为人 工复合材料法和自生复合材料法。 1 人工复合材料法 这种方法是指人工向铜中加入第二相的颗粒，晶须或纤维对铜基体进行强 化，或依靠强化相本身的强度来增大材料强度的方法。 颗粒增强的氧化物弥散强化铜( o d l 】) 是其中的典型代表。除颗粒增强铜以 外，纤维增强也用于开发高强高导电铜合金，炭纤维铜复合材料以其优良的导 第一章绪论 电性、导热性、抗磨损性等受到人们的重视【卅。 2 自生复合材料法 这种方法是指向铜中加入一定的合金元素，通过一定的工艺手段，使铜合金 内部原位生成增强相，与铜基体一起构成复合材料，而并非是加工前就存在增强 体与铜两种材料。目前研究中应用的方法主要有以下几种：塑性变形复合材料法、 原位反应复合材料法和原位生长复合材料法等。 塑性变形复合材料是指向铜中加入过量的合金元素( 如c r , f e ，v , n b 等) 制得 两相复合体，过量元素以单相形式呈枝晶状结构存在于凝固态合金中。适合此法 的合金元素应在铜中溶解度很小，不至于对铜基体电导率产生太大的影响，此外 应具有良好的塑性【2 5 ，2 6 】。 原位反应复合材料指在基体铜中通过元素之间或元素与化合物之间发生放 热反应生成增强体的一类复合材料。这种复合材料中的增强体没有界面污染，与 基体有良好的界面相容性。与传统的人工外加增强复合材料相比，其强度有大幅 度提高，同时保持较好的韧性和良好的高温性能。此方法无论从微观组织结构上 还是宏观性能上看都极具吸引力【2 7 1 。 原位生长复合材料是指共晶合金的定向凝固i 船l ，在基体中形成定向排列的纤 维增强体的复合材料。不仅共晶成分的合金，偏离共晶成分的合金和有偏晶等转 变反应的合金都能定向凝固，生长出规则排列的增强纤维，但它们的凝固条件非 常苛刻。由于原位生长复合材料的制备工艺难以控制，适合的合金系又十分有限， 因而用这种方法制取高强高导电铜的研究还处于初始阶段。 在点焊电极表面涂一层能阻挡合金化的材料( 单质、化合物或复合涂层) 就能 减少点焊电极在点焊过程中的合金化。国内外焊接工作者和表面工程专家在这方 面已经作了大量的工作，研究发现含t i b 2 是很理想的作为点焊电极涂层的材料。 又注意到原位合成工艺已广泛应用于制备颗粒增强的金属基复合材料，与外加法 比较，原位合成法因其工艺简单、材料性能优异，在技术和经济上更为可行【2 9 】。 目前发展了许多原位合成t i b 2 颗粒或晶须增强的金属基复合材料的涂层新 技术。对于t i b 2 系抗高温磨蚀涂层的原位合成制备方法主要有：自蔓延高温合 成、激光熔覆、热喷涂及堆焊和电弧熔炼等方法。 a 自蔓延高温合成 利用自蔓延高温合成( s e l f - p r o p a g a t i n gh i g h - t e m p e r a t u r es y n t h e s i s s h s ) 技 术可以制备多种陶瓷复合材料。在制备金属陶瓷复合材料方面，s h s 也是有效 方法之一。目前，国内外学者对t i b 2 c u 、t i b 2 - a i 等体系作了深入研列3 0 , 3 1 1 。 我国大连理工大学的赵金龙等人也对t i b 2 - a i 体系进行了深入的研究1 3 2 1 。并提出 了一种在常压无气氛保护条件下，通过提高s h s 反应预热点火温度的方法，在 第一章绪论 9 7 3 k 制备出( a 1 2 0 3 + t i b 2 ) a l 复合体系与a 1 连接材料，为利用s h s 法进行 其他金属( m ) 与( a 1 2 0 3 + t i b 2 ) m 体系连接的研究打下了基础。高温s h s 反应 的( a 1 2 0 3 + t i b 2 ) m 复合体系，在一定预热温度可以使体系中不同质量分数的 金属处于熔融状态，作为用s h s 技术制备梯度功能材料的中间过渡层。 b 热喷涂方法l a 3 1 加拿大蒙特利尔碳化物有限公司研究出一种方法使用普通的等离子喷涂设 备( 亚音速型) ，在金属基体上沉积t i b 2 微粒，从而获得系列硼化钛的陶瓷涂层， 涂层中的陶瓷细小而均匀分布。这种一步性工艺所获得的厚涂层具有良好的耐 磨性能。 最近的初步试验表明，高速喷枪也能用来沉积硼化钛涂层。在喷涂过程中， 钛基和硼基合金粉末发生反应合成t i b 2 。由于t i b 2 迅速固化，形成细的t i b 2 晶粒弥散于被喷涂的金属体上。这种合成法比t i b 2 和金属粉末常规烧结具有更 多的优点：由于快速固化，t i b 2 晶粒细小( 平均为l t t m ) ；陶瓷晶粒均匀、有规则 地分布在金属基体上；由于熔池内晶粒润湿性好，t i b 2 与金属界面的结合力很 强；某些情况下，原料合金相对便宜。 c 激光熔覆表面改性处理 激光熔覆是近年来新兴的表面强化技术。它不仅使涂层与基体之问实现了冶 金结合，而且涂层的厚度可在几十微米到几毫米之间变化，是提高零件表面耐磨 性能的有效手段。 利用激光熔覆技术制备t i b ：的研究主要集中在以钢铁材料为基体的复合涂 层上。昆明理工大学的陈敬超等人采用激光熔覆工艺在4 0 c r 钢表面制备了含t i b ： 陶瓷相的覆层材料，覆层平均厚度为1 0 0 1 5 0um ，表层硬度在1 8 0 0 2 5 0 0 h v 之间【3 4 】。磨料磨损试验表明，该工艺提高了材料的表面硬度，改变了磨损状态， 有效提高了材料的耐磨性能。 天津大学的王惜宝 3 5 , 3 6 1 等人对不锈钢表面激光堆焊进行了研究。用金相显微 镜、x 射线衍射、电子探针等微观分析手段对涂层中组成相的类型和形貌进行了 分析。结果发现涂层中t i b ：有针状、棒状以及颗粒状等形态。这与激光加工工艺 参数有关。激光功率密度的提高有利于颗粒状t i b ：的形成。同时由于t i b ：的形 成，消除了该激光熔覆合金中f e b 成分的偏析，从而改善了涂层的显微组织，提 高了涂层的硬度和抗裂性能。 最近哈尔滨工业大学的孙荣禄【3 w 9 肄人对钛合金表面激光熔覆进行了研 究。结果表明，激光熔覆层在微观结构上存在三个区域，由表及里依次为：熔覆 区、结合区和基体热影响区。熔覆区的组织是在堆焊材料形成的初晶和多元共晶 基底上弥散分布着t i b ：等颗粒增强相。结合区是熔覆材料和基体的混熔区，呈定 第一章绪论 向凝固特征。基体热影响区为针状马氏体组织。激光熔覆层的耐磨性能显著提高， 磨损机制是剥层磨损和磨粒磨损。 研究表明【3 9 1 ：激光工艺参数决定了熔覆层稀释率的大小，随稀释率的增加， 熔覆区中“原位”形成了t i b ：等颗粒增强相；激光功率密度的提高有利于颗粒状 t i b ：的形成，并且激光熔覆层的显微硬度由表及里呈阶梯状递减。 1 4 课题提出的背景 由于t i b 2 为共价性极强的化合物，其自扩散系数相当低，难于得到高密度 的烧结体。在2 4 0 0 2 5 0 0 、1 g p a 压力下，其烧结体的密度也只有9 4 5 9 9 ， 常压烧结就更困难【帅l 。几十年来对t i b z 进行的施洛特法即金属液相粘结使硬质 相致密和改善韧性的诸多尝试均未奏效，如s i 、f e 、c r 、n i 、c o 、t i 、w 、m o 、 n i 3 舢等，主要是t i b 2 与f e 、c o 、n i 等粘结相应形成软的低熔点共晶物。为提 高烧结密度，添加了与氧结合能力较强的b 、s i 等元素，但最高烧结密度只能达 到9 5 左右1 4 。为进一步致密化，需要采用象热压一类的致密化方法，因而工 艺过程更加复杂。 从工艺上来看要获得高致密度、机械性能优良的t i b 2 金属陶瓷复合材料涂 层，比较理想的工艺条件是加热、加压，于是我们探索性地提出了利用电阻热作 为热源，在压力作用下制备复合涂层的方法。点焊的特点就是在大电流、短时间、 压力状态下进行焊接，是热一机械( 力) 联合作用的过程，这正是我们想得到的实 验条件。所以本课题利用点焊时产生的电阻热和加压作用，在锆铬青铜电极表面 原位合成c u t i b 复合电极涂层，以期减少点焊电极在铝合金点焊过程中的铜铝 合金化，抑制电极端面的塑性变形，延长铝合金点焊电极的使用寿命。 为了简化工艺过程，我们还采用了铝合金工件表面涂敷涂料的电极延寿技 术，研究了铝合金工件表面涂敷涂料的抗电极烧损机理。 1 5 研究方案与主要研究内容 1 5 1 研究方案 本课题是从锆铬青铜电极表面涂层和被焊铝合金工件表面涂料两方面出发， 来研究使铝合金点焊电极寿命得到延长的方法，具体研究方案如下： 方案一：利用点焊时产生的电阻热和加压作用下制备复合涂层的方法，分别 将不同比例的c u 粉、t i 粉和b c 粉末混合均匀，利用点焊时产生的电阻热和加 第一章绪论 压作用，在锆铬青铜电极表面原位合成一薄层含有t i b 2 的铜基复合材料涂层。 这种电极表面的复合涂层与整体采用t i b 2 c u 的复合材料相比，可以大大提高 t i b 2 的利用率，有效地减缓点焊过程中电极的烧损。 方案- - ：用涂敷方法在铝合金与电极相接触的铝合金板面上，均匀涂敷不同 的涂料。点焊后对实验结果进行对比分析，找到比较有效的铝合金表面涂料，以 减轻铝合金点焊时的铜铝合金化，减少铜电极表面的塑性变形；使电极的使用寿 命得到延长。 1 5 2 主要研究内容 本课题将从两个方面进行研究，其主要研究内容如下。 ( 1 ) 铝合金点焊电极失效机理的研究。将对点焊铝合金一定次数后的电极端 面形貌和端面直径进行分析与讨论，并将提出铝合金点焊电极快速烧损失效的机 理。 ( 2 ) c u t i b 复合电极涂层制备工艺的探索性研究。针对该电极复合涂层制 备成型过程中出现的问题，不断改进，使之得到含t i b ，的电极复合涂层，并将对 该复合涂层中具有代表性的组织进行成分分析。 ( 3 ) 采用铝合金工件表面涂敷涂料的电极延寿技术。主要研究点焊时能减轻 电极烧损的铝合金表面涂料，在铝合金工件表面涂敷不同的涂料点焊一定次数 后，对电极的端面形貌和端面直径作对比分析，并探讨铝合金工件表面涂敷涂料 的抗电极烧损机理。 第二章铝合金点焊电极失效机理的研究 第二章铝合金点焊电极失效机理的研究 点焊电极寿命是指一对电极在连续点焊的情况下，修磨一次能够焊接的合格 焊点的个数。合格焊点数在有些国家的电阻焊相关标准中有具体规定。例如日本 的l s w - p 7 9 0 3 标准中规定：电极寿命为在连续焊接的情况下焊点的强度下降到 标准强度的7 0 时对应的焊点个数。由于点焊接头的强度与熔核的直径近似成正 比关系，一般用熔核直径代替点焊接头强度作为电极寿命的评价标准。设工件板 厚为6 ，则l s w - p 7 9 0 3 标准中规定的标准熔核直径为：d = 5 8 忱，则当熔核直径下 降到临界值d - 3 5 8 m 时对应的焊点数即为电极寿命。 与普通碳钢点焊相比，铝合金点焊不仅需要采用较大的焊接电流，而且电极 烧损严重，对于一般低碳钢的点焊，电极寿命可以达到几千点，而铝合金的点焊 一般仅能达到几十点，所以铝合金电阻点焊中的电极过快烧损就是严重地限制该 工艺在汽车制造工业中应用规模的一个问题。研究铝合金电阻点焊中引起电极过 快烧损的因素，进而提出有效的改善措施，具有重要的意义。 要解决铝合金点焊中存在的电极过快烧损问题，提高点焊电极的使用寿命， 首先就要研究铝合金点焊电极过快烧损而失效的机理。对于铝合金点焊过程中电 极的失效现象，焊接工作者从不同角度迸行了大量的研究，但关于电极过快烧损 而失效的主要因素，不同的学者有不同的说法。本文作者在做铝合金点焊试验时， 发现点焊后电极端面的凹坑处粘附有很多白色的铝合金，这一现象是以前的电极 失效理论研究者没有解释的，所以本文在前人研究的基础上对铝合金点焊电极的 失效现象做了进一步的研究，提出了新的铝合金点焊电极失效机理。 2 1 铝合金点焊电极失效机理的研究现状 2 1 1 传统电极失效机理 有研究显示引起点焊电极失效的原因主要有塑性变形、合金化、磨损、坑蚀、 再结晶、热冲击和热疲劳等，这些都是高温和压力共同作用的结果。 塑性变形电极头部的材料在焊接压力和热的联合作用下产生塑性变形导致 电极头部的直径增加。电极头部与焊件接触处的温度最高，塑性变形都集中在头 部，这个过程被形象的称为“蘑菇化”。塑性变形不仅与电极头部的直径和材料 状态有关，而且与焊接时的压力和电流密度密切相关。 第二章铝合金点焊电极失效机理的研究 合金化点焊时电极头部与焊件之间的高温作用会产生c u - a 1 合金，合金中 低熔点的a l 会粘附在电极的头部，另外低屈服强度的c u - a 1 合金也将加重电极 局部的塑性变形，从而使电极头部的直径增加。 磨损电极的磨损主要发生在电极头部，表现为电极头部的物质转移到工件 上或焊接空间，使得电极磨损，导致电极直径增大和焊接电流密度的下降。 坑蚀在点焊镀层钢板时，由于高温的作用，在电极表层产生低熔点合金， 当电极离开工件时，有些低熔点合金在飞溅作用下离开了电极端面，即在电极端 面产生了一个个小的弧坑，许多小的弧坑连在一起的过程就叫坑蚀。 再结晶一般c r - z r - c u 电极材料的再结晶温度大约在7 0 0 _ - 8 0 0 之间。虽然 电极与工件连接界面上的温度基本低于此温度，但有些微区的温度也可能达到或 超过此温度，这取决于工件与电极间的接触电阻、焊接速度、冷却状况以及电极 合金类型。一旦电极某个区域的温度高于电极材料的再结晶温度，则会在电极中 产生再结晶和晶粒长大，强度降低，电阻率升高，加快塑性变形，最终使电极失 效。 热冲击和热疲劳点焊电极在工作过程中不仅在高温下受力击，产生热疲劳 而使电极失效或电极表层脱落。而且还要承受加热和冷却的循环作用，受到热和 力的冲击作用。 以上这些失效形式往往是交织在一起的，以一种或几种为主，相互促进，加 快电极失效【4 2 】。 2 1 2 现代电极失效理论 也有学者认为在铝合金的连续点焊过程中，铜电极与铝合金工件不断的发生 粘连并形成合金组织，同时电极表面变得凹凸不平，这就是所谓的电极烧损。而 铝合金点焊中电极过快烧损的机理可以描述为：在电极与工件接触的接触面内， 工件出现局部高温熔化，熔化的铝与电极发生接触扩散反应，对电极造成局部熔 蚀，在凝固过程中形成低熔共晶组织，在电极抬起的过程中，这种合金组织被拉 断就形成了电极烧损。 这个理论的提出者通过对大量的试验结果进行分析，得出电极的烧损可以分 为两种基本模式；均匀烧损和非均匀烧损。其中均匀烧损主要发生在工件表面进 行酸洗处理时的情况，而非均匀烧损则主要出现在除酸洗以外的其它表面清理工 艺的情况下。非均匀烧损时电极表面呈现网状或放射状分布的凹沟和不规则分布 的凹坑，电极表面变得凹凸不平；均匀烧损时电极表面比较平整，均匀地粘有一 层合金组织。x 射线衍射物相分析表明，电极烧损时生成的合金层的主要成分是 c u a l 2 金属间化合物。 第二章铝合金点焊电极失效机理的研究 这个理论的支持者提出，接触电阻幅值大而且分布不均匀和铜铝之间强烈的 合金化倾向是造成铝合金点焊时电极过快烧损的两个主要原因。所以，要减少和 避免电极的过快烧损、提高电极的使用寿命，基本方法就是要克服这两方面的不 利影响【4 3 】。 2 2 铝合金点焊电极失效机理的试验研究 2 2 1 铝合金点焊电极失效机理试验 1 试验设备与材料 ( 1 ) 逆变式直流电阻点焊机 ( 2 ) 电极：铬锆青铜电极，端面直径4 5 m m 试验材料：铝工件：l f 2 铝合金，厚度为0 8 m m 2 焊接工艺参数 铝合金点焊的工艺参数如表2 1 所示。 图2 - l 是铝合金点焊过程示意图。 o 图2 i 铝合金点焊过程示意图 表2 - 1 铝合金点焊工艺参数 电流 焊接电流，a焊接时间，m s电极压力，k n冷却水流量，l r a i n 1 8 k 2 4 053 3 试验方法 根据对铝合金工件表面的处理情况把试样分为三组。第一组：工件表面不做 任何处理，保持原始的冷轧状态；第二组：焊前对工件表面进行机械刮皮处理； 第三组：点焊预压时对铝合金工件采取平行转动焊接。对这三组试样分别进行点 焊，用体视显微镜分析电极端面形貌及其尺寸变化。 第二章铝合金点焊电极失效机理的研究 2 2 2 试验现象及结果 在连续点焊过程中，电极端面形貌变化很快。图2 2 是电极端面原始形貌， 在它的表面有很多圆环状的切削纹图2 3 是第一组铝合金工件点焊1 次后电极 端面形貌，边缘处的圆环切削纹周围已出现凹凸不平的现象，在边缘处还发现有 灰白色颗粒状产物生成。第二组和第三组铝合金 工件点焊1 次后也会出现上述现象，只是没有第 一组现象明显。随着点焊次数的增多，电极表面 凹凸不平程度迅速增加，电极端面均存在网状或 放射状的凹沟和凹坑。图2 - 4 是表面未做任何处 理的铝合金工件点焊2 0 0 次后的电极端面形貌， 它的表面中心部位存在少量灰白色产物，在表面 凹坑处还存留着分布不均匀的大块白色物质。图 2 - 5 是表面做机械刮皮处理的铝合金点焊2 0 0 次 图2 - 2 电极端面原始形貌 后的电极端面形貌，与图2 - 4 相比，它的表面中 心部位存在大片比较均匀的灰白色产物，而表面 凹坑处的小块白色物质相对较少。并且分布不均 匀。图2 - 6 是预压时对铝工件做平行转动处理， 点焊2 0 0 次后的电极端面形貌，可以看出镶嵌在 电极表面凹坑处的白色物质与图2 _ 4 、图2 5 相 比明显减少了，表面灰白色产物与图2 4 、图2 5 相比也明显减少了。 尺寸嘉耍星簇善黧麓0 0 2 - 2 嚣蓑翟卧，蒯一形貌尺寸均发生较大的变化，如表所示。从上下 。 一 电极的烧损情况看，焊后每组均是上电极比下电 极烧损的严重j 这与【4 4 】中的结论是一致的。 表2 - 2 点焊2 0 0 次后备组电极端面直径( 单位：n u n ) 序号点焊条件原始直径上电极直径下电极直径上电极直径变化 点焊前表面未做 l 4 。55 9 75 6 11 4 7 任何处理 点焊前对表面做 24 55 8 35 2 91 3 3 机械刮皮处理 点焊预压时对工 34 55 2 65 o so 7 6 件儆平行转动 第二章铝合金点焊电极失效机理的研究 2 2 3 试验结果的分析与讨论 1 铝工件表面未做任何处理与表面做机械刮皮处理的对比分析 为什么在不同的焊接条件下点焊后电极端面形貌会有这么大的差异呢? 对 于表面未做任何处理的铝合金，因为大部分铝合金表面都存在一层氧化膜，这层 氧化膜电阻很大，点焊时在电极压力的作用下会不均匀的破碎，造成局部点接触， 引起产热分布不均匀，使得这些点接触部位 的铝在通电瞬间局部爆炸形成强烈的铝飞 溅。这些铝飞溅一部分沿电极与工件接触面 间的空隙飞出去，一部分粘附到铜电极表 面，图2 4 中所见存在于电极凹坑中的大块 白色物质就是通电瞬间局部爆炸形成的一 部分铝飞溅。同时强大的爆炸冲击力使电极 表面产生局部的塑性变形，粘附到电极表面 的铝飞溅在随后的点焊过程中会在发生局 图2 4 工件表面未做任何处理点焊 部塑性变形的地方产生较多的扩散，形成脆 2 0 0 次后的电极端面形貌 性的铜铝化合物，图2 4 中不均匀分布的灰 白色产物就是铜铝金属间化合物。当电极与 工件脱离时，由于机械撕扯，这种在局部小 爆炸和铜铝合金化交互作用下生成的脆性 物质就优先从电极表面剥落下来，形成新的 凹坑，这为以后的点焊又提供了新的不均匀 点接触，继续点焊时电极表面产热分布更加 不均匀，产生更多的局部小爆炸，局部小爆 炸和铜铝合金化交互作用更加明显，同时存 图2 - 5 工件表面做机械刮皮处理点 留在电极表面的脆性化合物也会与铝合金 焊2 0 0 次后的电极端面形貌 表面的熔融铝发生反应，产生新的脆性物 质，使电极表面脆化程度进一步加剧，如此循环下去，电极表面就会交的更脆， 在机械撕扯力的作用下这些脆性物质更容易剥落，电极表面就会变的更加凹凸不 平，电极烧损得就会更加严重。 对于表面做机械刮皮处理的铝合金，表面氧化膜除掉后，铝合金少了氧化膜 的屏障，又由于铝硬度小，点焊时在电极压力的作用下