（材料加工工程专业论文）提高镀锌钢板电阻点焊电极寿命的研究.pdf

摘要 在家电、汽车等产业中，为了提高产品的使用寿命，增强材料的抗腐蚀性能， 镀锌钢板正得到愈来愈广泛的使用。目前，电阻点焊是家电、汽车等生产中广泛 使用的焊接方法。 ? 与无镀层低碳钢板相比，由于镀锌钢板表面锌层的存在，使镀锌板焊接性恶 l 化，导致电极损耗过快，电极寿命要比焊无镀层钢板低很多，给大批量生产带来 了一系列的问题，成为制约用点焊方法连接镀锌钢板的一个关键问题，因而引起 了焊接界的广泛关注，开始进行了比较深入的研究。虽然已取得了一些进展，但 迄今为止仍没有得到比较圆满的解决。 ； 针对这一问题，本文采用低温工程的方法对电极进行了处理，通过大量的实 验探讨了提高电极寿命的措旌和机理。实验结果表明：对电极采用恰当的低温深 冷处理是减少电极烧损，提高电极寿命和焊接质量的有效方法。 关键词：镀锌钢板电阻点焊深冷处理电极寿命 一 、l 一 一。一一一 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v e p r o d u c t s l i f e - s p a na n d t os t r e n g t h e nm a t e r i a la n t i c o r r o s i o n a b i l i t y ，g a l v a n i z e d s t e e ls h e e t sa r eb e i n ga p p l i e dm o r ea n dm o r ei nt h eh o u s e h o l d e l e c t r i c a la p p l i a n c ea n da u t o m o b i l ei n d u s t r i e s a tp r e s e n t ，r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gi sa p o p u l a rp r o c e s sf o ra s s e m b l yl i n e si nm a s sp r o d u c t i o ni n d u s t r i e s ，s u c ha sh o u s e h o l d e l e c t r i c a la p p l i a n c ea n da u t o m o t i v em a n u f a c t u r e r s b u tt h ee l e c t r o d el i f ei nt h ew e l d i n go f g a l v a n i z e ds t e e ls h e e t si se x t r e m e l y s h o r t c o m p a r e dw i t ht h a to fc o n v e n t i o n a ls t e e ls h e e t s d u ot ot h ez i n cc o a tl e a d st oab a d w e l d a b i l i t y o fg a l v a n i z e ds t e e ls h e e t s t h a tr e s u l t sas e r i a l p r o b l e m s i nm a s s p r o d u c t i o na n db e c o m e s ak e yp r o b l e mi nr e s i s t a n c es p o tw e l d i n go f g a l v a n i z e ds t e e l s h e e t s s o ，t h ep o o re l e c t r o d el i f ec a u s e se x t e n s i v ea t t e n t i o ni nw e l dc i r c l e n u m b e r s s t u d i e sw e r ep e r f o r m e do nt h ee l e c t r o d e l i f e ，s o m ep r o g r e s sh a v eb e e na c h i e v e d h o w e v e l t h ep r o b l e mi sn o tb e i n gr e s o l v e dv e r yw e l ls 0f a r i nv i e wo ft h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e r a p p l i e dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n gm e t h o d t ot r e a t e l e c t r o d ea n dd i s c u s s e dt h em e a s u r e sa n d p r i n c i p l e t oe n h a n c ee l e c t r o d el i f ei nb a s eo f v o l u m ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a t a p p r o p r i a t ec r y o g e n i c t r e a t m e n ti se f f e c t i v em e t h o dt o l i g h t e ne l e c t r o d ew e a r , e n h a n c ee l e c t r o d el i f e a n d w e l d q u a l i t y k e y w o r d s ：g a l v a n i z e ds t e e ls h e e tr e s i s t a n c es p o t w e l d i n g c r y o g e n i ct r e a t m e n t e l e c t r o d el i f e 天律大学顿e 学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 镀锌钢板电阻点焊研究的背景和意义 电阻点焊是一种重要的焊接方法，广泛应用于航空、原子能、电子技术、汽 车一拖拉机制造及轻工业等工业部门【”。它具有原理简单，对操作人员技能要求较 低的优点。而且它生产效率高适合于自动化并易于与其他的制造工艺一起组成 高速生产流水线。因而成为最普遍使用的金属板材连接方法之一，在工业生产中 得到了广泛应用。 在当前工业中，特别是汽车制造业中，为了提高车体的使用寿命，增强车体 材料的抗腐蚀性能，常在钢板表面镀涂覆层进行表面保护。涂覆材料一般为z n 、 c r 、c u 、p b 、s n 、a i z n 及塑料等，但目前用的最多的是镀锌钢板。由于镀锌钢 板具有优异的防腐蚀性能，所以在轿车上得到了越来越广泛的应用。在汽车工业 发达的日本，轿车用镀锌钢板的用量逐年增加。在我国，镀锌钢板的用量也是非 常巨大的，以一汽汽车集团的奥迪轿车生产为例，其车体全部用镀锌钢板制造。 每辆车用量为5 5 0 k g ，约占该车钢板总量的3 t 4 f 2 1 。 与汽车生产中使用的其他金属连接方法如铆接、粘接等相比，电阻点焊不仅 具有生产率高，易于实现自动化的优点，而且焊出的焊点具有强度高而且稳定、 耐久性好等特点，因而目前它在汽车工业中得到了广泛的应用，并且也必将在以 后的焊接生产中继续占据重要的地位【3 1 。但是，由于镀锌钢板表面存在一层熔点较 低的锌( 约4 2 0 。c ) ，就使得它的焊接性与低碳钢相比较差。当通电加热时，低熔 点的锌层先于钢板熔化，在压力作用下被排挤出焊接区域形成一个锌圆环，将 熔核包在其中。由于锌环增大了导电面积，为获得同样大小的熔核，就需要用比 焊低碳钢板更大的焊接电流和延长通电时间。此外，在通电时熔化的锌与电极相 互作用，在电极表面形成一层合金层，同时一些氧化了的锌也附在电极上，这样 就改变了电极的物理性能和形状使得电极迅速“磨损”，寿命大大降低，并使焊 接质量不稳定。如一对电极焊无镀层钢板时可焊数千个焊点，而焊镀锌钢板则可 天律大学硕士学位论文 绪论 能只焊2 0 0 多个就要更换或修理【4 i 。这对大批量生产的汽车工业来说是一个非常严 重的问题，特别是在采用点焊机器人的情况下更是如此。 据统计，在每辆现代化的汽车上约有3 0 0 0 5 0 0 0 个点焊焊点 5 1 。因此，仅仅 从汽车工业的角度考虑，如果在提高电极寿命方面取得一些进展都将产生可观的 经济效益。并且随着我国汽车工业的发展镀锌钢板使用量大幅度增加也是必然 的趋势，但列镀锌钢板点焊时电极损耗过快问题的研究与解决还不深入。因此， 对提高镀锌钢板电阻点焊电极寿命的研究无论是在理论上还是实际生产上都是很 有意义的。 1 2 镀锌钢板点焊存在的问题及研究现状 1 点焊的一般要求 电阻点焊是利用电流通过在电极压力下接触在一起的工件所产生的电阻热， 使接触面焊接起来的一种方法。它通常采 用低电压、大电流、短时间集中加热工件 问接触面，使之形成一个金属熔核。其间 电极头上承受的压力可达几千牛顿，电流一 密度为4 0 0 5 0 0 a m m 2 ，通电时间约几个 周波到十几个周波，电极端部温度可达 5 0 0 7 0 0 。c 甚至更高“。图卜1 点悍焊接区示意图 各个焊点的尺寸和形状主要取决于电极端部的尺寸和形状。熔核形状如图卜1 所示。在截面中，形成合适焊点的熔核呈圆形或椭圆形。在俯视图中，它的形状 与电极端面相同( 一般呈圆形) ，尺寸也大致相同。一个合格的焊点应该满足： ( 1 ) 表面压痕浅、平滑呈均匀过渡，无明显的凸肩或局部挤压的表面鼓起。 不允许外表有环状或径向裂纹；表面不得有熔化或粘附的铜台金。 ( 2 ) 焊点形状应规则、均匀。 ( 3 ) 焊点尺寸应满足结构强度的要求；核心内部无贯穿性或超越规定值的裂 2 天津太学硕士学位论文 绪论 纹。 ( 4 ) 焊点周围无严重过热组织及不允许的缺陷。 2 镀锌钢板的基本性能 目前工业生产中所应用的镀锌钢板大致可分为电镀锌钢板、热镀锌钢板和热喷 涂锌板，前两种方法的镀锌钢板应用较多。表卜l 为各种镀锌薄板的性能比较。 表卜l 不同品种镀锌钢板性能比较 品种耐腐蚀性焊接性成型性涂漆性 电镀锌薄板较差 般优一般 合金电镀锌板良 优良良 热镀锌板优较差 一般 较差 台金热镀锌扳 一般良较差优 3 镀锌钢板点焊的特点 图1 2 镀锌钢板点焊熔核形成过程 图卜2 为镀锌钢板点焊熔核的形成过程。焊点的形成过程与一般钢板点焊基本 相同，但也有不同之处。在点焊开始的预压阶段，由于锌层的熔点低硬度小， 塑性好，在点焊压紧时就很容易使电极端面与板之间，板与板之间的实际接触面 积比一般钢板大，板间的压紧程度也较紧密。在通电时，由于接触面积较大，其 电流密度要比一般钢板( 在相同工艺条件下) 大为减少，如图卜2 a 所示。当通电 加热时，由于锌的熔点较低，所以电极与板，板与板之间的锌层首先产生熔化， 并堆附于电极端面边缘和板的间隙内，如图卜2 b 。当电流继续加热时，锌层熔化 天津人学静 l 学位论文 绪论 区域扩大，与此同时产生熔核，并在电流边缘效应的作用下，产生熔核的塑性坏， 将板间部分锌包围于熔核内。有的残余液态锌可分布在电极端面周围部位或板间 熔核周围，如图卜2 c 所示。再继续维持压力，以促使焊点更加密实，减少熔核缩 孔。 4 镀锌钢板点焊中的问题 如前所述，镀锌钢板点焊工艺程序与一般钢点焊程序是一致的。但由于锌 的熔点( 4 1 9 5 。c ) 和沸点( 9 0 7 c ) 都很低，而钢的熔点在1 5 0 0 c 左右，镀锌层 与钢的物理性能存在较大的差别，因此，由于镀锌层的存在，给点焊过程带来了 一定的困难。 镀锌钢板与普通钢板相比，存在如下问题： ( 1 ) 焊接电流密度减小。在焊接过程中，焊件间的低熔点镀锌层在形核之前 首先熔化后被挤出塑性环，增大了焊件间的接触面，使焊接电流密度减小电流 场分布不稳定影响了熔核的形成和大小。 ( 2 ) 熔化的锌在高温的作用下易与铜电极产生台金化，使电极导电性下降。 因此电极表面易过热变形，降低电极寿命。 ( 3 ) 容易产生焊接飞溅，影响焊点质量的稳定性。 ( 4 ) 易出现裂纹、气孔或软化组织。点焊过程中接头中可能残留部分锌及其 合金，在熔核结晶过程中可能会形成裂纹与气孔。残留锌较多时还会形成软化组 织。为将电极端面与镀锌板间熔化的锌尽量挤出接触面以外，必须增加电极压力， 要比低碳钢点焊时提高2 0 2 5 ，否则将得不到良好的焊点“。 5 镀锌钢板点焊研究状况 电极寿命短和由此造成的焊接质量不稳定是镀锌钢板面临的难题。针对这个 问题，国际上已有不少学者作过研究，其研究可大致分为如下几个方面： ( 1 ) 研究焊接规范、镀锌板性能以及电极几何形状等对电极烧损和焊接质量 的影响，优化电极结构设计，寻找合适的镀锌方法和最佳焊接规范。 4 天津尢学硕 。学位论史绪论 镀锌钢板电阻点焊时焊接规范对焊接质量的影响是研究的热点之一。h o w e 等 人”“研究认为镀锌钢板电阻点焊临界焊接电流应随镀锌层重量的增加而增加。与 普通低碳钢板相比，除需要适当提高电流外，采用上升斜率的加热方式可提高3 0 的电极寿命，上升时间为4 周或更长一些，目的是在电流达到最大值前将熔化锌 层金属排开使得电极直接与钢板接触，减轻电极与锌合金化问题，也减小了电 极工件阃的发热，故可改善电极寿命“”。 工件表面状态对焊接质量与电极寿命也有显著影响，很多研究人员对钢板镀 锌处理方法进行了研究。对于不同的镀锌方法，电极寿命也不一样。这是由于镀 层的阻抗，熔化温度有所不同以及采用不同的焊接电流所致。研究表明热浸 镀锌板的点焊电极寿命最低“。 电极结构不仅影响导热和散热，还会对温度场和力场等产生影响。为此，不 少研究者对电极几何形状做了专门研究。b o w e r g 研究了通电时电极表面径向的电 流分布情况= 。= 。结果表明电极表面边缘存在着更大的电流密度，且随电极锥度角 减小而增加。对于电极头形式，圆锥型被认为最好。圆柱头电极电流密度分布最 均匀。，但易损，机械强度也不足，生产中不太适用。 ( 2 ) 利用有限元方法建立点焊数学模型，研究电阻点焊的微观机理。 数值模拟方法是电阻点焊微观机理研究的一种方法。早在2 0 世纪6 0 年代就 已有学者尝试进行了电阻点焊过程的模拟“j 。那时所建立的模型还是很简单的 一维模型并在很多方面进行了简化。随着计算机技术及其他学科的发展，自2 0 世纪8 0 年代以来，很多学者对电阻点焊过程建立了各种更为复杂的数学模型。分 析了在各种条件下电流，电压和温度分布以及熔核的形成过程等“”“1 。但是， 由于电阻点焊涉及机，电，热和冶金等多方面的因素，尤其是随温度的升高，许 多因素如热与电流通路和材料性能随温度的变化以及相变等，要在模拟过程中将 它们综合考虑进去并与实际情况相接近是非常困难的。因此数值模拟方法在短 期内还很难为镀锌钢板点焊存在的问题提供切实可行的解决方案。 天津人学颂1 。学位论文 ( 3 ) 对点焊过程进行控制 在过去的三十年中，不断有各种点焊质量控制和监控方法提出。这些方法主 要分为两大类：一类是物理方法监控，另一类是点焊电参数控制。 a 物理方法监控 i 温度监控 焊点的温度控制是人们最先想到的方法。焊点的表面温度与熔核中心的最高 温度有对应的关系，而熔核中心的温度与熔核的形成和长大直接相关。这种方法 主要有热电偶监控与红外线辐射监控两种”。“。2 “。热电偶固定在电极或工件上， 对于热辐射，则是电极中心开一小孔，让传感器感受工件表面的辐射强度，将此 信号引出供分析判断。 i i 超声波信号监控 由于超声波在穿透固体和液体时的衰减以及从固体和液体表面上反射时的强 度不一样，因此可以通过监测超声波的强度来监测熔核的大小“。“3 。 m 声发射监控 焊点两个部分间熔合不足，熔核尺寸不够，熔核的脆化或开裂以及电极的过 多压入等缺陷中的大部分都会产生特有的声发射信号。所以可以用来进行信号处 理和质量评估”。 i v 焊点热膨胀控制 热膨胀控制近年来受到了国内外广泛的关注。与其他控制方法相比，熔核的 热膨胀直接反映了熔核的产生及发育情况。焊接生产中产生的焦耳热会导致工件 温度升高产生热膨胀，这会在电极的位移上得到反映。通过电极位移的测量可以 间接了解熔核的形成情况，因为热膨胀参数与焊点尺寸有良好的对应关系。 虽然物耻方法监控提出了许多监控方法，但在应用上还有不少缺点平局限性。 温度监控的方法不足之处在于传感器安装不方便，影响焊机操作。随时间及电流 的变化，温度梯度的改变使得控制对象复杂化，工件表面氧化情况影响热辐射状 天律大掌硕士学位论文结论 态，故温度控制方法难以满足批量生产的要求。 超声波可直接探测熔核的生长发育情况，但超声波设备复杂、价格昂贵且超 声波探头易损。除非在非常特别的场合、要求特别高的情况下，在大量生产中难 以应用。对于声发射技术也有超声波同样的缺点，限制了这种监控技术的应用。 焊点热膨胀控制虽然被认为是一种很有前途的控制方法，但迄今为止由于对 热膨胀过程的认识还不够深入，以及测量和控制装置在技术上不够完善，故未能 在生产中得到广泛应用。 b 点焊电参数控制 电参数控制是目前应用最多的控制方法。这种方法具有采样方便，不需要复 杂传感系统的优点。与无镀层钢板相比，镀锌板的点焊要求有更好的过程控制， 一般都采用微机控制。目前一些比较合理的控制方法有：恒流控制，动态电阻控 制等。 恒流控制是一种较为简单可靠的控制方法。通过对焊接电流的检测，并与给 定值相比较根据差值进行调节，使实际焊接电流与期望值相等，达到恒定输出 电流的目的。 动态电阻控制是以上下电极问的电阻为控制参数。它要计算动态电阻，并与 标准动态电阻曲线相比较“i ”“。 恒流控制与动态电阻控制方法虽然已经应用于生产，但均存在一些不足。如 恒流在分流及电极磨损情况下对电流无补偿作用，使焊点质量变差。动态电阻控 制的采样方式不便，当延长断电时间，由于热效率随时间延长迅速下降而致使熔 核尺寸减小等。此外，除恒流与动态电阻控制外，还有一些其他方法如焊接变压 器一次定电压控制”1 ，热量控制9 ”以及能量积分和二次定电压控制等。但关于这 些控制方法在生产中大量应用的报道还较少见。 ( 4 ) 电极村料 目前对新电极材料的研究主要有两个方面：一是通过引入合金元素强化铜基 天津大学碗卜学位论文 绪论 体形成合金：二是引入第二强化相形成复合材料。 a 合会元素强化法 j 固溶强化 溶质原子溶入溶剂品格后，使固溶体的强度、硬度上升而塑性有所降低。这 一现象称为固溶强化。由于单独利用固溶强化效果不很显著，所以多数情况下是 固溶强化与时效强化同使用。 i i 细晶强化 可以采取必要的措施或采用热处理手段来获得细小的晶粒，也可以加入某种 微量合金元素来细化晶粒，达到细晶强化。由于我国的稀土资源丰富，所以有不 少文献介绍稀土对铜合金晶粒及性能的影响。“1 。“。”1 。 i i i 冷变形+ 时效强化 冷加工强化很少单独使用，它常作为时效强化的辅助促进手段。在铜中有沉 淀硬化效果的合金元素主要有：c r 、z r 、等，c r 和z r 的沉淀硬化效果强烈 尤其是时效后铜合金导电率可以恢复到一个较高水平。所以，c u c r z r 系合金是 目前被广泛使用的铜合金。近年来快速凝固技术十分引人注目。快速凝固是使合 会由液态急剧冷却( 冷速1 0 。一1 0 k s ) 形成微晶或非晶态的过程。其结果是可以 使溶质原子在基体中的固溶度大大增加。冷速更快时，固溶度还会更大，可使沉淀 相在时效过程中以更细小弥散的形式析出，基体组织也更细小，使铜合金在电阻 率略下降的情况下其强度和硬度大大提高“。”1 i v 过剩相强化 这种方式易被人们忽视。但如果能控制过剩相的形态、大小、数量和分布， 使其以等轴状、细小均匀分布可获得很好的强化效果。 v 多种强化方法综合 前面已经提到固溶强化常和时效强化一同使用，从而得到性能优良的高强高 导电铜合金。也可以利用两种析出相的叠加析出，从而得到更好的时效强化效果。 天津凡学坝l 学位论丑 绪论 典型的例子是c u c r z r 合金。n j g r a n t 等还提出时效硬化氧化物弥散材料的 概念。”，将时效强化与氧化物弥散强化结合起来强化导电铜材料。 b 人工复合材料法 这种方法是研制高强高导电铜合金的发展方向。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。 i 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 s ) 是其中的典型代表。除颗粒增强铜咀外， 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电性、 导热性、抗磨损性等受到人们的重视。”3 。 i i 自生复合材判法 这种方法是指向铜中加入一定的台金元素，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、 原位反应复合材制法、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。此后 对合金进行大变形量拉伸，使合金元素的枝晶结构转变为纤维结构，从而使合金 成为纤维增强复合材料。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。用此法制成的材料有c u n b 、 c u v 等复合材料”“”1 。 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台物之间发生放热 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体复合材料相比，其强度有大幅 9 天津大学坝卜学位论文绪论 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 还是从宏观性能上看都极具吸引力“。 原位生长复合木才料是指共晶合金的定向凝固“，在基体中形成定向排列的纤 维增强体的复合材制。不仅共晶成分的合会，偏离共晶成分的合金和有包晶或偏 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，适合的合会系又十 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。 1 3 本课题的研究目的与内容 虽然经过几十年的发展，对镀锌钢板点焊的研究已取得了一定的进展，出现了 一些新的导电铜合金材料，但是研制新材料所需设备复杂、投入大、研制周期长， 尤其是一些高性能复合材料如：o d s 铜、自生复合材料等制备工艺复杂、成品率低， 这就造成了其成本很高，限制了它们在商业应用中的大量使用。因此，本课题利 用低温深冷这种特殊方法对普通电极进行处理，探讨其对电极寿命的影响及机理。 致力于开辟一条在现有电极材料的基础上，通过简单处理就能大幅度提高电极寿 命的新途径。 0 天津大学硕士学位论文 电阻点焊电极的深玲处理 第二章电阻点焊电极的深冷处理 2 1 电极材料 由于点焊时电极在高温、大压力下与工件频繁接触所以电极的工作条件是 很恶劣的。因此，对电极材料有如下要求1 4 5 j ： 1 良好的导电、导热能力 电极的导电能力越强，消耗的能量就越少。焊接时电流通过电极会产生热 量，工件也产生大量的热，其中1 0 - - 3 0 传给了电极，这部分热一部分被冷却水带 走，一部分使电极温度升高。如果电极具有良好的导电、导热能力，一方面自身 产热减少，另一方面使从工件传来的热量迅速导离，不易形成局部高温。 2 有高的强度与高的软化温度 电极通电焊接时受热受压，为减少损耗，保持电极形状和焊接质量，电极必 须要有足够的强度和软化温度。 3 抗氧化性好、合金化倾向小 电极在焊接时的高温高压下容易产生氧化，使导电、导热能力恶化，影响寿 命。因此，电极合金必须有高的抗氧化能力。此外，要求尽量减小电极与工件之 间的合金化倾向，避免和减少粘连。 2 2 影响电极寿命的主要因素 造成电极寿命低主要有三方面的原因 1 材料的熔点 工件或电极材料的熔点越低，在加热过程中越容易造成由于接触面上过热而 出现局部熔化。熔点越高，出现局部熔化以及发生合金作用的可能也就越小。因 此，电极材料的熔点越高会使电极烧损倾向减小。 2 电极与工件材料的化学亲和力 两种材料的化学亲和力越强，在高温下接触时就越容易发生作用，形成固溶 体或金属间化合物。化学亲和力越差则不容易发生作用，也不容易形成合金组 天津大学他i 学位论文电5 且点焊电撒的椿冷处删 织。 镀锌钢板点焊时，由于镀锌层的存在焊接开始时焊件之间实际上是锌与锌 懈母蓑 b 型号删一j 掣鞑。 剀2 1 镀锌板点焊过程 接触( 见图2 - 2 a ) 由于锌硬度低、电阻率低，所以点焊开始时工件与工件间接触 电阻很小。此外，由于锌的熔点较低，在焊接过程中工件间的锌层先熔化，在电 极压力下挤出塑性环，增大了工件之间的接触面( 见图2 - 2 b ) ，这会使平均焊接电 流密度减小。所以，为获得与低碳钢板点焊时同样大小的熔核，镀锌钢板点焊所 需的焊接电流一般需提高2 5 5 0 而且锌层越厚所需电流越大4 6 1 。在大电流作用 下，电极与工件接触面产热量也增加，从而造成工件表面锌层的熔化，熔化的锌 有一部分会粘附在电极上。由于锌与铜的亲和性较强，熔融的锌与铜电极发生相 互作用，在铜电极表面形成c u z n 合金层。随点焊时间延长，电极表面含锌量增 加。由于这层c u z n 台金层电阻率大，导电性下降，所以使电极表面温度进步 升高以至与工件产生粘结，使电极表面烧损。 3 材料的抗变形能力 由于电极的工作条件非常苛刻，焊接时通过电极对工件提供的电流为几千甚 至上万安培，压力可达几千牛顿，即使在常规焊接规范、通水冷却的情况下，电 极端部温度仍可达5 0 0 7 0 0 。c 甚至更高。电极端部反复受热、受压，极易变形失效。 2 3 深冷处理的特点 镀锌钢板点焊时，熔融的锌与电极相互作用，在电极表面形成合金层是造成 电极寿命低与焊点质量不稳定的主要原因。所以，如何获得一种高强、高导电、 高导热、热稳定性好的电极是提高电极寿命改善焊接质量的关键。 2 天津大学硕士学位论文电阻点焊电极的深玲处理 低温是一项十分新奇而具有探索价值的工程。近年来对它的研究已导致了许 多重大发现如：超导现象。温度接近绝对零度时材料表现出一种由无序转变为 有序的奇特现象。虽然对这类现象进行解释的理论尚未形成，低温对材料性能的 影响尚未完全认识，但却吸引着越来越多的研究者进行不断的应用探索研究，来 运用这些已经发现的物理现象改进产品质量、降低成本。低温深冷处理工艺就是 其中的一项。 与传统的热处理工艺相比，低温深冷处理工艺还不太为人们所熟悉，并且往 往容易被人们所忽视，但这种方法往往具有独特的效果。低温深冷工艺既是冷处 理技术的深入发展，又与冷处理技术有实质性的区别。普通冷处理是将工件放在o 一一1 0 0 温度范围内处理。低温深冷处理要将工件置于一1 3 0 一一1 9 6 的低温 下，按一定的工艺过程进行处理，具有比普通冷处理更明显的效果”“。 低温深冷处理效果独特，主要有以下三个方面： 1 延长零部件使用寿命 采用低温深冷处理延长零部件使用寿命有明显效果的材料有：高速钢、工具 钢、模具钢、铜、橡胶和陶瓷等材料_ 删。美国l o u i s a n a 技术大学的r f b a r r n 教授通过实验证明了深冷处理后能提高材料的耐磨性。温度越低，性能越好”。 2 改善材料的稳定性 改善材料的稳定性是深冷处理的又一项成功应用。适用于铝、铜、钛和3 0 0 系列不锈钢等材料。 3 改善材料的性能 深冷处理工艺可用于改变材料的性能。如：强度、抗疲劳性能、耐蚀性能、 导电性能、导热性能等。 此外，深冷处理的另一个特点就是在改变材料性能的同时能保持工件的原貌 而不改变其外部特征。 深冷处理作为一种新型的具有积极应用前景的材料处理方法，其独特的效果 天津大学硕l 学位论文 电阻点焊电极的深冷处理 已经逐渐引起人们的重视，被较多地用于钢铁材料的处理。但有关深冷处理对有 色金属材料组织与性能的影响研究还刚刚起步，这方面的研究还处于初期阶段， 因此，采用深冷方法处理电极，作为提高电极寿命的手段，无论在有色金属深冷 理论的研究方面还是在实际生产应用方面都是很有意义的。 2 4 电极深冷处理方法 1 电极 屯极采用常用的铬锆铜棒制成的锥形电极。电极形状尺寸如图2 2 所示。电 极材料性能参数如表2 1 所示 、f 日 图2 - 2 电极形状尺寸图 表2 - 1 电极材料成分与性能 电极化学成分布氏硬度电导率软化温度 材料 ( )( h r b )( i a c s )( ) 铬锆c r o 2 5 0 4 6 47 5 5 5 0 i 铜z r o 0 8 0 15 2 电极深冷处理 天律大学硕士学位论文 电阻点焊电扳的深冷处理 深冷处理是指 在一1 3 0 以下对材 料进行处理的一种 方法，是常规冷处 理的一种延伸。通 常深冷处理以液氮 ( 一1 9 6 ) 为制冷 剂。根据使用液氮 的方法不同，又可 分为液体法和气体 法。 图2 - 3 深冷装置 1 液氮容器2 手动阀门3 截止阀4 电磁阀5 测温仪表 6 液氮喷管8 导风板9 - 电阻温度计1 0 - 排气管l1 箱体 液体法是将工件直接浸入液氮中，浸泡一定时间后直接或缓慢取出。液体法 的处理温度可达一】5 0 ，缺点是具有热冲击。 气体法是将液氮汽化，以气体状态处理工件。气体法的处理温度要比液体法 低，理论上可达一1 9 6 c ，由于没有热冲击的缺点而被较多的采用1 5 1 3 o 本实验采用气体法，将工件放入图2 3 所示的深冷装置中。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( 4 7 5 8 k c a l k g ) 及低温氮气吸热使冷 箱降温。通过控制液氮的输入量来控制降温速度，实现对温度的自动调节。深冷 装置采用w z p 一2 7 0 型铂电阻温度计测温，热响应时间 9 5 转交量) 的温度为再结晶温度。再结晶温度不是一个常数，随条件的不同( 如变形程度、 材料纯度等) ，再结晶温度可以在一个较宽的范围内变化。 1 7 无律大学硕二卜学位论文深拎处理提高电极寿命的机理探讨 影响再结晶温度的主要因素有： ( 1 ) 金属中的储存能越多，再结晶的驱动力越大，金属的再结晶温度越低 ( 2 ) 杂质及合金元素阻碍原子扩散，因此可以提高再结晶温度。 影响再结晶晶粒长大的主要因素 从整体来看晶体长大的驱动力是晶粒长大前后总的界面能差。细晶粒的晶 界多，界面能高：粗晶粒的晶界少，界面能低。所以细晶粒长大成为粗晶粒是使 金属自由能下降的自发过程。晶粒长大是通过晶界迁移来实现的，所有影响晶界 迁移的因素都会影响晶粒长大。这些因素主要有： ( 1 ) 温度由于晶界迁移的过程就是原子扩散过程，所以温度越高，晶粒 长大速度越快。 ( 2 ) 杂质及台金元素杂质及合金元素能阻碍晶界运动可阻止晶粒长大。 ( 3 ) 第二相质点弥散的第二相质点对阻碍晶界移动起重要作用。第二相 质点越细小，数量越多，阻碍晶粒长大的能力越强晶粒越细小。 由于储存能是再结晶的驱动力，所以，深冷处理使应力释放造成的储存能的 降低必然会推迟电极在受热情况下的再结晶过程，提高电极材料的再结晶温度。 因此，在相同的受热情况下经深冷处理的电极与未处理电极相比具有更良好的 抗软化变形能力。由前面的分析还知道，深冷处理可以改变合令元素的分布情况 与细化晶粒。基体上弥散分布的c r 、z r 会阻碍再结晶的进行，限制晶粒的长大， 提高再结晶温度。而越细的原始晶粒再结晶后的晶粒也越细。因此，与未处理电 极相比，经深冷处理后的电极具有高的再结晶温度，并且在热的作用下其晶粒不 易长大。 4 j 深冷处理对电极寿命的影响 1 镀锌钢板点焊时电极寿命低的原因 与无镀层钢板相比，镀锌钢板点焊时电极寿命低的主要原因在于： ( 1 ) 由于电极端面与工件表面存在微观的凹凸不平，所以点焊预压时会形 天津太学硕t 学位论文蹀冷处理提高电极寿命的机理探讨 成局部接触通电焊接时在这些局部接触点上形成电流积聚，造成局部温度过高 使电极端面局部熔化 ( 2 ) 锌与铜有较强的亲和性，在焊接时形成的高温的作用下，熔化的辞与 铜发生作用，在电极的表面形成铜锌合会层，使电极导电导热能力下降造成电 极产热加剧。 ( 3 ) 电极在焊接时产生的大量的热的作用下发生软化，强度下降，在压力 的作用下被压溃变形， 2 深冷处理对电极寿命的影响 经深冷处理后，电极材料发生的一系列变化提高了电极的寿命： ( 1 ) 电极基体致密性的提高与合金元素分布的变化提高了电极的导电导热 能力，使电极自身产热减少导热能力加强避免了电极温度过高造成的局部熔 化与台金化倾向。 ( 2 ) 晶粒的细化提高了电极的强度，有效地提高了电极抗压溃变形的能力。 ( 3 ) 残余应力的释放降低了电极材料的再结晶驱动力，提高电极的再结晶 温度，降低了电极在高温下的软化倾向。 4 6 本章小结 深冷处理的方法能使电极材料的致密性增加，其导电、导热能力得到提高， 而且深冷处理后经s e m 和x 射线衍射析发现铬锆铜电极基体中的铬、锆元素面分 布有明显变化，有大量弥散分布的c r 、z r 颗粒析出，材料组织明显细化，残余 应力得到释放。这一系列的变化给材料的电、热及机械性能带来了极大的改善， 使材料具有更高的热及机械冲击载荷能力，延长了电极寿命。 天津大学硕士学位论文 结论 第五章结论 本文致力于提高镀锌钢板点焊时的电极寿命研究通过大量的实验，对电极 采用深玲处理的方法，成功地提高了电极的寿命，比较圆满的实现了本课题的预 期目标。通过采用不同处理温度与保温时间，对点焊中常用的铬锆铜电极进行深 冷处理，在大量实验的基础上得到如下主要结论： ( 1 ) 深冷处理后的电极寿命明显提高，由深冷处理前的5 5 0 点提高到处理 后的2 2 3 4 点，寿命延长了4 倍。 ( 2 ) 深冷处理后电极的导电、导热能力与抗变形能力得到了提高，在点焊 镀锌钢板时飞溅明显减少，焊点表面的台金化倾向明显减轻熔核直径变化的分 散程度大为减小，焊接质量也得到了明显改善。 ( 3 ) 在深玲处理参数中，深冷温度对电极寿命的影响最大。随深玲温度的 降低，电极寿命明显提高。深冷温度为一1 5 0 u 时电极寿命为1 6 0 0 多点，当深冷 温度降为一1 7 0 。c n , j - ，电极寿命提高到2 2 0 0 多点。 墨! 圭叁兰些! ：兰些堡兰 墨耋塞堂 0 参考文献 赵熹华压力焊北京：机械工业出版社1 9 9 6 谭善锟、张磊等镀锌板及其在轿车上的应用汽车技术1 9 9 0 ( 5 ) b o bi r v i n g i n t e r e s ti nw e l d e da l u m i n u ma u t o m o b i l e sg a t h e r sm o m e n t u mw o r l d w i d e w e l d i n gj o u r n a l ，l9 9 8 ，( 6 ) ，p p 3 l - 3 5 谤 坚、聂淦生电阻点焊研究进展( 上) 电焊机1 9 9 4 ，( 1 ) m j k a r a g o u l i s an u t s a n d b o l t sa p p r o a c ht ot h ec o n t r o lo f r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g w e l d i n gj o u r n a l ，1 9 9 4 ，( 7 ) ，p p 2 7 3 l 毕惠琴电阻焊北京：机械】：业出版社1 9 8 i 机械工程学会焊接手册机械工业出版社1 9 9 2 1 1 颞钰熹特种工程材料焊接沈阳：辽宁科学技术出版社1 9 9 8 程轩挺、王敏镀锌钢板点焊工艺研究及展望第十次全国焊接会议论文集第一册黑 龙江人民出版社2 0 0 1 p , h o w ea n ds c k a l l e y c o a t i n gw e i g h te f f e c to nt h er a s i s t a n c es p o tw e l d a b i l i t yo f e l e c t r o g a l v a n i z e ds t e e ls h e e t s j w e l d r e s 1 9 8 8 p p 2 7 1 2 8 0 s h o w e s i m p r o v i n g r e s i s t a n c e w e l d i n g o fc o a t e ds t e e l s a u s t r a l a s i a nw e l d j1 9 9 2 ，( 4 ) ，p p 3 2 - 3 4 tn a t a l ea n db i r v i n g a u t o m a k e rs e tt h ep a c ef o rs p o tw e l d i n gt h en e wg a l v a n i z e ds t e e l ， w e l dj 1 9 9 2 ，( 3 ) ，p p 4 7 - 5 2 r _ j b o w e r s c d s o r e n s e n ，t w e a g a r e l e c t r o d eg e o m e t r yi n r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g w e l d i n gj o u r n a l ，i9 9 0 ，( 2 ) ，4 5 s - 5 1s g r a r c h e r c a l c u l a t i o n sf o rt e m p e r a t u r e r e s p o n s e i n s p o tw e l d s w e l d i n gj o u r n a l ， l9 6 0 ，( 8 ) ，p p 3 2 7 s - 3 3 0 s w r i c e ，e j f u n k a na n a l y t i c a li n v e s t i g a t i o no ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nd u r i n g r e s i s t a n c ew e l d i n g w e l d i n gj o u r n a l ，1 9 6 7 ，( 4 ) ，p p l 7 5 s - 1 8 6 s j e g o u l da ne x a m i n a t i o no fn u g g e td e v e l o p m e n td u r i n gs p o tw e l d i n gu s i n gb o t h e x p e r i m e n t a la n da n a l y t i c a l t e c h n i q u e sw e l d i n g j o u r n a l ，1 9 8 7 ，( 1 ) ，l s - 1 0 s h s c h o v j c h oas t u d yo ft h et h e r m a lb e h a v i o ri nr e s i s t a n c es p o tw e l d s w e l d i n g j o u r n a l ，i9 8 9 ，( 1 ) ，p p 2 3 6 s - 2 4 4 s s j n a swp a r kat h e o r e t i c a ls t u d yo ne l e c t r i c a la n dt h e r m a lr e s p o n s ei nr e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g w e l d i n gj o u r n a l ，1 9 9 6 ，( 8 ) p p 2 3 3 s 2 4 1 s z h a n ，j o r o z c o ，j e i n d a c o c h e ，c h c h e n r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ：ah e a tt r a n s f e r 4 垂堡查兰堡! ：兰垡丝兰墅! 二! 堕 s t u d yw e l d i n gj o u r n a l ，1 9 8 9 ，( 9 ) p p 3 6 3 s 3 7 l 2 0 ，a n d r e w s ，d r ，d u r r a a ，b r o m m h e a d ，j d y n a m i cd e v i a t i o nm o n i t o r i n g f o rr e s i s t a n c e w e l d i n g - ai o b u d g e t , s t e m w e l d i n g r e s e a r c hi n t e r n a t i o n a l ，1 9 7 2 、( 4 ) , p p l - 2 7 21 r ks n e e 、jl t a y l o ri n f r a - r e dm o n i t o r i n go fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ，m e t a lc o n s t r u c t i o n a n db r i t i s hw e l d i n gj