（材料加工工程专业论文）镀锌钢板电阻焊涂层电极寿命及应用研究.pdf

摘 要 i 摘 要 本文采用电火花沉积技术在铬锆铜电极上沉积 n i / 金属陶瓷涂层，并用制备的涂 层电极电阻点焊镀锌钢板， 根据电阻点焊接头的剪切强度标准及熔核直径标准综合评 定电极寿命； 采用扫描电镜、 能谱仪等手段分析了涂层电极与普通电极失效后的形貌、 结构及成分，在此基础上探讨了镀锌钢板点焊电极的失效机理；通过试验分析了点焊 工艺参数对熔核直径的影响，并采用正交试验法对涂层电极点焊工艺参数进行了优 化。 普通电极的使用寿命不少于 800 次，而涂层电极的使用寿命不少于 2200 次，是 普通电极的 2.5 倍以上。涂层电极提高镀锌钢板电阻点焊寿命的机理主要是涂层提高 了电极的抗塑性变形能力和限制了锌和电极间的冶金反应。 在相同的试验条件下，熔核直径达到要求时，涂层电极所需电流为普通电极的 90%左右，即涂层电极比普通电极节约了 10%的能源。涂层电极熔核直径达到要求时 需要的时间比普通电极短，因此涂层电极可以节约时间，提高生产效率，节省能耗。 涂层电极熔核直径达到最大值所需电极压力稍大于普通电极，但涂层电极熔核直径最 大值比普通电极大。涂层电极电阻点焊厚度为 0.8mm的镀锌钢板时最佳工艺参数为： 焊接电流 8ka，焊接时间 8cyc，电极压力 3.0kn。 涂层电极产品实际应用表明：涂层电极使用寿命长，不需经常修磨和更换电极， 因而大大提高了生产效率；涂层电极所需要的焊接电流比普通普通电极的要小 1 0 % 左 右，因而节约了电能的消耗。 关键词： 镀锌钢板；电阻点焊；涂层电极；电火花沉积；界面结构；电极寿命；失 效机理 abstract iii abstract in this paper, ni / ceramic coated were deposited on the cr- zr- cu electrode by spark deposition technology. and the prepared coated electrode was used for the resistance spot welding of galvanized steel. the electrode life was comprehensively evaluated by the standards of nugget diameter and shear strength of resistance spot welding joints. scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy were used to analyze the morphology, structure and composition of both inactive uncoated and coated electrodes. and on this basis, the failure mechanism of both kinds electrodes in the resistance spot welding process was also analyzed in this paper. through spot welding tests, the impact of process parameters on the nugget diameter was analyzed, and the coated electrode welding process parameters were optimized by orthogonal test at the same time. the operational life span of uncoated electrode is more than 800 times, while the coated electrode is more than 2,000 times. compared to the uncoated electrode, the operational span life of coated electrode is 2.5 times more than the uncoated. the mechanism of coated electrode increased the operational span life of the resistance spot welding for galvanized steel are mainly because of two points: improving the plastic deformation resistance of the electrode and restraining the metallurgical reaction between electrode and zn. when the nugget diameter meets the requirements, the current coated electrode required was 90% of the uncoated, which means 10% energy savings. the time that nugget diameter of coated electrode needed to meet the requirements is shorter than the uncoated ones, so using the coated electrode can improve production efficiency and save both time and energy. and apart from that, the electrode pressure which coated electrode need to reach the maximum nugget diameter is slightly larger than the uncoated ones, but the maximum nugget diameter of coated electrode is bigger than the uncoated. the best process parameters for coated electrode resistance spot welding were as follows: welding current 8ka, welding time 8cyc, and electrode pressure 3.0kn. the practical application of the coated electrode in products shows that: the coated electrode has longer operational span life and no regular grinding and replacement are needed for the coated electrode, which means greatly improve the efficiency of production. the current uncoated electrode required was 10% of the coated, which means 10% energy savings. abstract iv keywords: galvanized steel sheet; resistance spot welding; coated electrode; electro- spark deposit; interface structure; electrode life; failure mechanism 江苏科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 江苏科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 镀锌钢板的特点及应用 近年来我国汽车工业发展迅猛。随着汽车产量的增大，特别是轿车在总产量中的 比例不断加大，使人们对汽车的品质提出了更高的要求。其中如何延长其服役寿命并 保持良好的外观质量是一项重要指标，而汽车的耐蚀性是影响汽车使用寿命的重要因 素。但是，传统的冷轧钢板已经不能满足这方面的需求。 由于镀锌钢板具有优异的防腐特性，在汽车、家电、建筑等领域的应用越来越广 泛。尤其在汽车制造业中取代冷轧钢板而被大量使用。镀锌钢板的镀锌工艺方法有热 浸锌、电镀、热喷镀、真空蒸发镀、机械滚镀等。目前汽车行业中常用的镀锌钢板大 致分为热浸镀锌钢板、电镀锌钢板及热喷涂锌钢板。虽然近几十年来电镀锌得到长足 的发展，但由于热镀锌板镀层厚，耐蚀性强、成本低，因此汽车车身在镀锌板中以热 镀锌为主，占全部镀锌板总量的 90%以上1。 在国外，70 年代开始在车身上采用镀锌钢板2，此后镀锌钢板在汽车行业应用的 比例不断增长。1998 年，美国用于汽车制造业的镀锌钢板达到了 240 万吨，占镀锌钢 板总量的 30%。欧洲汽车工业 1987 年消耗镀锌钢板达到 130 万吨，占镀锌钢板总量 的 26%。日本早在 1980 年消耗镀锌板的总量高达 140 万吨3。现在我国已经成为世 界第二大汽车消费国，第三大汽车生产国，第一大潜在市场，汽车出口进入快速增长 阶段。据全球专业调研机构 cms 的预测，到 2011 年，中国将成为仅次于美国的第二 大汽车生产国，汽车产量将突破 1100 万辆。在轿车的生产中（如我省南京汽车集团 公司的菲亚特轿车） ，各厂家均大量选用或全部选用镀锌钢板以提高轿车的耐腐蚀性 能和市场竞争能力，因此，镀锌钢板的广泛使用是汽车行业的发展趋势。 1.2 电阻焊研究现状 1.2.1 电阻焊接基本原理 电阻焊是一种将金属工件连接在一起的焊接方法。它是通过对被焊接工件之间施 加和保持一定的压力，从而使工件之间形成一个稳定的接触电阻，然后使焊接电源输 出的电流通过被焊件之间的接触表面，产生热量，温度升高，局部熔化接触点，从而 达到将金属工件焊接在一起的目的。 江苏科技大学工学硕士学位论文 2 1.2.2 电阻焊基本方式 电阻焊接无耗材，无需焊条、焊丝和焊药等，焊接过程的耗热非常小，不会产生 烟尘等有害物质、无刺眼的光污染，其工作电压只有几个伏特，因此是一种安全、经 济、高效、可靠、无污染的环保型焊接方法。电阻焊接方法，按其接头的不同可分为 对接焊和搭接焊两类，其中搭接焊又可分为点焊、滚焊(又称缝焊)。 1.2.3 电阻焊焊接过程分析 电阻焊焊接过程，即是在热与机械力作用下形成焊点的过程。热作用使焊件贴合 面母材金属熔化，机械力作用使焊接区产生必需的塑性变形，二者适当配合和共同作 用是获得优质点焊接头的基本条件。基本点焊焊接循环由四个阶段组成。 (1) 预压阶段：从电极压力上升到焊接电流开始导通的时间。此阶段的特点为电 极被加上一定的压力，焊接电流为零，其作用是在电极压力的作用下清除一部分接触 表面的不平和氧化膜，为焊接电流的顺利通过和形成熔核做好准备。预压时间的设定 应保证电极压力能达到满值并稳定，否则电极压力过低或不稳定就进入通电阶段，会 产生飞溅或工件击穿现象。 (2) 焊接阶段：焊接电流通过并产生熔核的时间。此阶段的特点为电极压力恒定， 焊接电流恒定。其作用是在热力作用下获得需要的熔核尺寸。焊接时间由具体的工艺 条件如焊件材料、焊件厚度、表面状态等确定，是形成熔核尺寸大小的关键因素之一。 (3) 维持阶段：焊接电流切断，电极压力继续保持的时间。此阶段的特点为电极 压力恒定，焊接电流为零，其作用是在电极压力作用下熔核凝固冷却结晶。维持时间 应保证熔核完成凝固结晶过程。凝固过程时间很短，黑色金属薄件小于5周波。 (4) 休止阶段：电极提起到电极再次接触接缝的时间。只在连续自动点焊时起作 用4- 7。 1.2.4 影响电阻焊的因素 影响点焊、滚焊的焊点大小和强度的因素主要有以下几点。 (1) 焊接电流和通电时间的影响：焊接电流和通电时间对熔核大小的影响是一致 的，焊接电流越大，通电时间越长，所得到的核心也就越大。 (2) 电极直径：它决定了熔核的最大直径，电极直径的变化会引起电流密度的变 化和焊点上压强的变化。 (3) 电极压力：它使被焊材料的表面氧化层破坏并调节接触电阻大小，调节焊接 区域的加热程度，并改变焊点附近金属塑性变性的范围。 (4) 电流分流：分流是在焊接过程中，绕过焊接区的电流，由于分流的存在，总 电流中只有一部分作用在焊接区域，分流降低对焊接区域的加热作用，减小焊点的熔 核直径8。 第 1 章 绪论 3 1.3 电阻点焊中的电极 1.3.1 电极的作用及工作条件 电极在点焊工艺中的作用不可忽视，它担负着五个方面的功能：将焊接电流传递 给工件、向工件焊接区施加适量的压力、使焊接区的热量消散、调节和控制电阻点焊 加热过程中的热平衡、将工件定位并夹持于适当位置。在点焊时，电极头上承受的压 力可达几千牛顿，电流密度为 400- 500a/mm2，通电时间约几个周波到几十个周波， 电极端面温度可达 500- 700甚至更高9，电极的作用决定了其工作条件是承受较大 的电流密度、压缩应力和温度梯度。 1.3.2 电极的应用及研究现状 目前电阻焊电极市场中，电阻焊电极有铜合金电极、复合材料电极、氧化铝铜电 极、涂层电极10- 14。 铜合金电极应用比较广泛，这是由它本身优良的化学物理特性及很好的性价比： (1)铬锆铜电极达到焊接电极四项性能使指标很好的平衡， 优良的导电性保证焊接回路 的阻抗最小，获到优良的焊接质量；高温机械性能是保证焊接高温环境下电极材料的 性能及寿命；耐磨性能使电极不易磨损，同时延长寿命，降低成本；较高的硬度和强 度是保证电极头在一定的压力下工作不易变形压溃，保证焊接质量；(2)电极是一种工 业生产的消耗品，用量比较大，因而其价格成本也是一个考虑的重要因素，铬锆铜电 极相对其优良的性能来说，价格比较便宜，能满足生产的需要。由于上述原因铬锆铜 合金电极目前仍得到广泛的使用。 复合材料电极是用高温下硬度也不降低的钨与导热性高的铜混合烧结而成的。其 中典型的是钨铜合金。 钨基高比重合金是钨中加入少量的镍铁或镍铜烧结而成,钨铜复 合材料(tungsten- copper)含有 10- 40% (重量比)的铜，也广泛用于镀锌钢板的焊接。 氧化铝铜电极是弥散强化铜电极中弥散分布着细小的氧化铝颗粒，可阻止锌向电 极中扩散从而大大减轻粘结所带来的电极损耗。使电极寿命比普通 cucr 电极寿 命延长 22.7 倍。其强度、软化温度还是导电性都非常优越，尤其突出的是用来焊接 镀锌板，它不会像铬锆铜电极那样产生电极与工件粘住的现象，不用经常打磨，有效 解决焊接镀锌板的问题，提高了效率，其使用寿命提高 4 倍以上。然而，其造价十分 昂贵，在价格上比铬锆铜材料高 2 倍左右，因而目前还不能普遍使用，但对镀锌板优 异的焊接性能及镀锌板的普遍使用，使得其市场前景广阔。 涂层电极是国内外电极研究比较热门的方向，其良好的工艺性能，低廉的价格， 吸引众多企业和高校积极投入涂层电极研究之中。 目前国内用电火花在表面熔敷一层 tic 的铬锆铜电极。点焊镀锌钢板的电极寿命达到 1000 余点，是一般铬锆铜电极(400 江苏科技大学工学硕士学位论文 4 点)的 2.5 倍。主要原因是 tic 涂层延缓和阻止了 zn的扩散，延缓了与电极基体铜的 合金化。但由于 tic 涂层存在一些缺陷，如裂纹或与电极基体粘合不牢，在焊接过程 中 zn通过渗透、扩散到 tic 涂层下面，与电极基体 cu发生反应。随着焊点的增加， 可能形成脆性很大的 cu- zn 合金，在热和力的作用下脱落，与电极基体结合不牢的 tic 涂层也一同脱落。 致使有更多的面积与 zn接触， 进一步的加快了电极的磨损15- 19。 1.3.3 电极强化方法 目前大量使用的电极材料是铜和铜基材料。 其强化的方法主要从以下几个方面考 虑： (1) 形变强化：形变强化可大幅度提高铜的硬度和强度，对电导率影响很小，但 当电极温度升至 0.4tm时，这种强化作用显著减弱，此种强化方式对镀锌钢板的焊接 效果不明显。 (2) 合金元素强化：通过在铜中加入少量的合金元素可以大大提高铜的软化温度 和硬度，但合金合金元素的加入使铜的电导率下降较多，目前强化效果较好，同时对 铜的电导率影响较小的元素主要是铬和锆，也是目前实际应用较为广泛的做法。 (3) 弥散强化：弥散强化合金是在铜中加入高硬度、高熔点、具有良好热稳定性 的陶瓷相颗粒，如 zro3、sio2、al2o3、tic 等。制备工艺主要有粉末冶金法、机械 合金化法等。 (4) 深冷处理：深冷处理是指在- 130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(- 196) 作为制冷剂20。用深冷处理后的铬错铜电极提高了 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，减少了热量的 产生，同时导热能力加强，避免了铜合金和镀锌钢板的合金化倾向，深冷处理也细化 了电极材料抗压溃变形的能力，显著提高了电极的寿命21。但深冷处理的方法，成本 较高，实际应用较困难。 1.4 电阻点焊电极的失效机理 由于电阻点焊电极工作条件恶劣，尤其是焊接镀锌钢板，其失效机理主要有塑性 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。 1.4.1 塑性变形 无论是点焊镀锌钢板还是点焊普通钢板，电极的塑性变形导致电极端部形成蘑菇 状和电极直径的增加。 这种塑性变形的产生是由于电极头部在焊接时承受压力和高温 作用的结果。一般讲，电极表面的温度与焊件表面的温度应相等，点焊时钢板的表面 第 1 章 绪论 5 温度大约为 700左右。点焊镀锌钢板时，电流密度比点焊普通钢板电流密度要高 25 50左右。 电极表面的温度能达到 800900。 正是由于电极头部的温度分布不 均匀，使得电极头部产生了不均匀的塑性变形。此外在电极与工件表面的高温还导致 了电极头部产生低屈服强度的 zncu合金。这将加重电极局部的塑性变形。塑性变 形的产生，使得电极头部的直径随焊点数目的增加而增加，从而导致焊接电流密度下 降，焊透率降低，直到熔核直径减少，焊点强度下降，此时必须修整电极或更换电极 14。 1.4.2 合金化 在焊接过程中电极的合金化主要发生在电极和镀层钢板的交界面上，合金主要产 生在电极工作端面及头部的周围。电极合金化的程度取决与在焊接循环过程中电极与 工件交界边作用的温度和时间，镀层元素与电极材料的扩散速度，以及生成物质在电 极端面的形核和长大。一般电极端面与工件接触面积越大、作用的时间越长、工作温 度越高，扩散速度越快，越易合金化，而合金化的产生不仅使电极端面的电导率下降， 提高了焊接时电极表面的温度，更加加快合金化，而且影响了电极表面的分流作用。 1.4.3 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，使得电 极磨损，导致电极直径增大和焊接电流密度的下降。普通点焊时，焊件与焊件之间之 所以能形成电阻点焊熔核是因为它们之间也存在接触电阻并有电流通过，电极与焊件 之间也存在被焊接的可能，只不过是电极与焊件的接触电阻小于焊件与焊件之间的接 触电阻22,23，又由于电极的导热快(电极的导热率高)并且有冷却水通过，使得电极与 焊件之间的焊接没有焊件与焊件之间的焊接容易。但在电阻点焊镀锌钢板时，由于点 焊的电流（或点焊的时间）较普通点焊要高（或长），从而导致电极与焊件之间产生 焊接的可能性大于普通的点焊。当电极抬起时，电极与焊件之间局部焊合的地方就有 可能发生断裂，断裂的部位可能有三种情况：其一是发生在电极端面；其二是发生在 焊合物中间；其三是发生在钢板表面。到底断裂在什么位置主要取决于电极的强度、 钢板表面镀层与钢板间的结合强度以及焊点局部焊接强度之间的大小，如果电极的强 度最低，电极头部就会发生磨损；如果焊件或镀层的强度最低，电极头部就会产生合 金黏附物；如果电极头部和焊点局部焊接的强度介于前两者之间，电极磨损和电极表 面的黏附都会发生。另外影响磨损的因素还有在正常焊接规范下电极撞击工件和对电 极的冷却不足。 1.4.4 坑蚀与自愈合 点焊电极焊接镀层钢板时，由于高温的作用，在电极表层产生低熔点合金。当电 江苏科技大学工学硕士学位论文 6 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，在电极端面产生了一 个个小弧坑，许多小弧坑连成一起的过程就叫坑蚀，坑蚀的结果便形成了蚀坑。坑蚀 的产生，提高了坑蚀周围的电流密度和工作压力密度，导致了蚀坑周围产生更严重的 塑性变形和脱落，从而增加了电极端面的直径和降低了焊点直径。点焊镀层钢板的电 极在点焊过程中表面的蚀坑有“ 自愈合” 现象，自愈合的产生是由于镀层钢板的表面物 质向电极表面转移填满了蚀坑和电极表面的合金物填满了蚀坑。 即使蚀坑被“ 自愈合” ， 但在电极与工件交界面上的温度升高。可加速电极失效或由于焊接电流密度的改变， 使电极达不到要求而使电极报废。 1.4.5 再结晶 一般铬锆铜电极材料的再结晶温度大约在700800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。一旦电极某的 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。当然，点焊电极材料的再结晶 并不一定发生。 1.4.6 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， 而且还要承受加热和冷却的循环作用， 受到热和力的冲击，产生热疲劳而使电极失效或电极表层脱落。 1.5 镀锌钢板电阻点焊电极失效过快机理 点焊镀锌钢板时电极的失效包含与焊接其它材料相同的因素，比如说高温下的塑 性蠕变、机械磨损、热疲劳、再结晶等。而且点焊镀锌钢板比焊接普通钢板时电极磨 损快得多。除了以上共有原因外，还有其自身的特殊机理。对机理的推测，有以下原 因： (1) 点焊电极的作用主要为传递焊接压力、焊接电流和散热，点焊是焊接电流常 达到数千安培甚至数万安培，焊接压力可达几百兆帕，焊件表面温度可达10o0k左右， 在高温和压力的双重作用下电极很快产生变形和粘附，使熔核焊透率降低、焊接接头 强度下降，最终使电极失效24,25。点焊镀锌钢板时采用的焊接电流及电极压力均大于 普通钢板。电极在更高的压力与更大的电流、更高的温度下工作，机械磨损与变形加 剧，电极磨损更快是必然的。 (2) 在点焊镀锌钢板时，由于镀层金属的存在，使接触电阻小镀层表面易烧损粘 污电极且发生合金化26。铜制电极的一部分与锌形成合金，使硬度下降(cu- zn合金的 第 1 章 绪论 7 硬度为50- 190hb，而cu- cr- zr合金硬度为170- 190hb)。硬度下降的电极在高温高压力 变形更加容易，使磨损加快27。 (3) 通电时锌层熔化，熔化了的附着在电极上，使电极导电性恶化接触电阻增加 较快，从而加快电极失效。 (4) 镀层内有机物高温下碳化，粘附在电极头端面上，使电极形状改变。 1.6 镀锌钢板电阻焊电极的发展趋势 从以上介绍，我们发现，镀锌钢板广泛使用是未来发展的趋势。目前，国内外研 究的铜基复合材料比较多，但由于成本高，价格昂贵限制了其在生产中的广泛应用。 可见降低铜基复合材料的制造成本一直是电阻焊电极的主攻方向之一28。 由于电阻焊 镀锌钢板电极容易和锌发生合金化，可以对电极表面进行合适的处理，避免合金化或 者减慢合金化。 对电阻焊电极表面处理提高电极寿命， 一般可以提高表面涂层的质量， 减少裂纹、孔洞等缺陷，提高表面涂层与电极基体的结合强度，从而提高电极的使用 寿命。基于以上讨论，涂层电极的应用必将成为电阻焊电极发展的趋势，其极佳的性 价比必将受到广大汽车、家电等行业的青睐，占据电极市场的主要份额。 1.7 本课题研究的目的和意义 目前广泛使用的铬镐铜电极，在焊接过程中存在高温软化，与工件发生粘结，损 坏严重的问题，弥散强化铜电极虽然在很大程度上克服了铬镐铜电极存在的问题，然 而弥散强化铜的昂贵的价格，使得弥散强化铜电极不能广泛推广，因此，人们正在积 极探索一种既克服焊接中存在种种性能问题，又能降低电极制造成本的电极材料。一 种电阻焊专用涂层电极材料应运而生，其良好的性能，低廉的价格，让许多研究工作 者和厂家都积极投身该电极的研究制造过程中。由于涂层电极的寿命长，不需经常修 磨和更换电极，因而大大提高了生产效率。再有，研究已经表明，涂层电极所需要的 焊接电流比普通电极的要小10%左右，因而节约了电能的消耗。这些因素均进一步显 示出明显的社会和经济效益。 本课题研究的新一代涂层电极主要针对镀锌钢板的电阻焊而开发，主要应用在轿 车制造企业（如南京菲亚特、上海通用汽车集团公司、上海大众汽车公司、北京现代、 沈阳金杯和广州本田等大型企业）和家用电器（如电冰箱、洗衣机、各种电器控制柜 等）制造企业。面对如此激烈的市场竞争，开发并生产专门用于镀锌钢板电阻焊的涂 层电极已成为亟待解决的课题，其将大大提高生产效率，降低制造成本，节约铜材并 降低能源消耗。 江苏科技大学工学硕士学位论文 8 1.8 本课题的研究内容 采用脉冲等离子放电沉积技术在电极端部沉积致密涂层，到汽车工厂中进行实际 应用，然后进行性能评定并制定点焊实用工艺规范参数，具体研究内容如下： (1) 涂层电极制造与实际应用：根据多层涂层的设计概念，首先在电极端部沉积 一层镍基合金涂层（第一层） ，该涂层可起到隔离和防止铜合金进入第二层涂层的作 用。然后，在第一层涂层上再沉积一层导电金属陶瓷涂层（第二层） ，该金属陶瓷涂 层为 tic 或 tib2增强的镍基或钴基合金。由于镍对于 tic 和 tib2来说是很好的粘结 剂（而铜不是） ，所以金属陶瓷涂层能与第一层镍基合金涂层形成良好的结合。由于 tic或tib2陶瓷与熔融锌之间几乎不发生粘结， 因此可大大降低涂层与锌之间的粘结。 此外，金属陶瓷的硬度很高，可有效地防止电极的变形使电极端部面积增大。 金属陶瓷涂层沉积之后，将产品应用于实际生产中，并进行质量跟踪。 (2) 涂层电极与普通寿命对比研究：测定涂层电极与普通电极的使用寿命，重点 对涂层电极与普通电极在电阻焊过程中电极端面塑性变形和元素分布进行详细研究。 具体包括： a.普通电极在电阻焊过程中电极端面变形行为和成分分析； b.研究涂层电极在电阻焊过程中电极端面变形行为和成分分析； c.判定涂层电极与普通电极使用寿命。 (3) 涂层电极与普通电极失效机理研究，具体包括： a.根据涂层电极与普通电阻焊试验过程及结果，分别分析出涂层电极与普通电极 失效机理； b.对比涂层电极与普通电极失效机理，最终得出涂层电极提高电阻焊镀锌钢板寿 命机理。 (4) 涂层电极电阻焊工艺规范参数的确定，具体包括： a 调整点焊工艺参数，使涂层电极获得最佳使用性能。 b 综合分析涂层电极的使用性能及使用寿命，制定合理的电阻焊工艺参数范围。 (5) 涂层电极的性价比分析： 根据普通电极价格与使用寿命，以及涂层电极的使用寿命，计算出涂层电极的 相对价格，并综合涂层电极的使用性能，对涂层电极的综合性能进行评定。 第 2 章 试验方法及设备 9 第 2 章 试验方法及设备 2.1 试验材料 2.1.1 电极材料 本文所使用的电极为市场中所销售普通铬锆铜电极，其外形如图 2.1 所示，电极成 分及主要性能分别如表 2.1、2.2 所示。 图 2.1 电极形貌 fig.2.1morphology of electrodes 表 2.1 试验用电极成分表(wt,%) table 2.1 electrode composition table used in the experiments(wt,%) 元素 cu cr zr 含量 99.10 0.70 0.20 表 2.2 试验用电极性能 table 2.2 test electrode properties 密度(g/cm3) 软化温度() 硬度(hrb) 导电率(iacs%) 延伸率 (%) 抗拉强度 (mpa) 8.9 550 82.85 80 15 420 2.1.2 沉积材料 本文采用电火花沉积方法，在普通电极表面上沉积了镍涂层和金属陶瓷涂层。镍 涂层所需材料为市场上销售的纯镍材料，经线切割加工成 f3 的镍棒。金属陶瓷层为 自主设计设计，主要是为了延缓电极失效，具体设计思路如下。 金属陶瓷涂层是本课题研究的关键，因此金属陶瓷成分设计要求合理。本课题中 江苏科技大学工学硕士学位论文 10 金属陶瓷层选用金属碳化物 tic 为主要成分， 但因金属碳化物 tic 线胀系数较其它添 加金属的过大，所以含量不能过高或过低，过高会在沉积的过程中受到大的应力产生 裂纹，过低则会降低电极的耐磨性29。 ni和 co 对于 tic 来讲，是一种良好的粘结剂， 加入一定量的 ni 和 co 有助于金属陶瓷层与第一层涂层镍的粘结。但是 tic- ni 金属 陶瓷在烧结时由于 ni 不能完全润湿 tic，发生 tic 颗粒聚集长大，导致材料的韧性 很差。而 mo 的主要作用是改善液态金属 ni对 tic 的润湿性，提高金属陶瓷的韧性， 故涂层中要含有少量的 mo。另外，由于 w 熔点高，硬度大，涂层中还含有少量的 w30,31。除此之外，由于电火花沉积过程中，电极温度很高，所以金属陶瓷中所添加 的元素熔点都在 1450以上，保证了金属陶瓷涂层性能的稳定，根据以上分析，进行 金属陶瓷成分配比，结果如表 2.3 所示。 表 2.3 金属陶瓷成分(wt,%) table 2.3 metal ceramics composition (wt,%) 元素 tic ni mo co w 含量 72 18.1 2.6 2.2 5.1 金属陶瓷粉末配好后，需采用球磨法进行研磨，以达到细化粉末的目的。球磨结 束后，将粉末装入模具型腔内，在压力机下压制成致密的坯体。将压制成型的坯体放 入真空炉中烧结，然后加个成 f3 的棒材。 2.1.3 点焊材料 文中电阻点焊试验所采用的镀锌钢板为双面热镀锌钢板，其力学性能和化学成分 分别表 2.4、2.532,33。根据美国焊接标准（aws/saed8.9m: 2002） ，点焊试验试样如 图 2.2 所示。 表 2.4 镀锌钢板力学性能表 table 2.4 mechanical properties of galvanized steel sheet 屈服强度（mpa） 抗拉强度（mpa） 延伸率(%） 198 366 38 表 2.5 镀锌钢板成分含量表(wt,%) table 2.5 galvanized steel sheet ingredients(wt,%) 成分 c si mn p s ti al 含量（wt.%） 0.002 0.06 0.038 0.0034 0.008 0.03 0.00027 第 2 章 试验方法及设备 11 图 2.2 电阻点焊试样 fig.2.2 resistance spot welding specimen 点焊的电极有普通电极和涂层电极。普通电极为普通的锥形铬锆铜电极；涂层电 极是在普通的锥形铬锆铜电极表面先后沉积了镍和金属陶瓷涂层。 普通电极与涂层电 极如图 2.3 所示。 （a）普通铬锆铜电极 （b） 涂层电极 图 2.3 普通电极和涂层电极 fig.2.3 common electrode and the electrode coating 2.2 试验设备 2.2.1 金属陶瓷粉末球磨设备 球磨设备和球磨参数调节仪表如图 2.4 所示。球磨桶是聚乙氟磨料桶；金属球是 硬质合金球，主要成分是 wc 和 co。球磨前首先去除硬质合金球表面氧化膜，方法 是将合金球等分成两份放入两个球磨桶中， 分别加入等量无水乙醇， 旋紧球磨桶瓶盖， 然后把两个球磨桶对称安装在球磨机两个支座上，球磨速度为 150r/min，球磨时间为 30 小时。去氧化皮结束后，将金属球清洗干净，晾干待用。 将清洗干净的金属球及配好的金属陶瓷粉末都均分成两份，放入两个球磨桶中， 江苏科技大学工学硕士学位论文 12 分别加入等量无水乙醇，旋紧球磨桶瓶盖，然后把两个球磨桶对称安装在球磨机两个 支座上，球磨速度为 150r/min，球磨时间为 72 小时。球磨结束后，倒出粉末并加入 汽油作为保护剂，静置。待金属陶瓷粉末沉淀后，倒出汽油，倒入胶体，迅速搅拌， 使胶体包裹在陶瓷粉末的表面，同时使其干燥。 (a) 球磨设备 (b) 球磨参数调节仪表 图 2.4 球磨设备和球磨参数调节仪表 fig.2.4 milling equipment and milling parameters conditioning instrument 2.2.2 电火花沉积设备 r- c 电火花沉积设备的结构原理图如图 2.5 所示，设备主要由脉冲电源和电动机 构成，沉积材料棒和电极均可旋转。脉冲电源向电极和工件供电，使二者之间产生火 花放电34。开始工作时，电源通过电阻 r 和电容 c 向其充电。接着电极接近工件， 使放电回路形成通路，在火花放电通路和相互接触的微小区域内瞬时地流过放电电 流，电流密度高达 105a/cm 2106a/cm2，而放电时间仅为几微秒到几毫秒，使放电微 小区域内产生了约 800025000的高温， 该区域的基体熔化并向周围介质中溅射， 同时使电极和熔化的沉积材料挤压在一起13,19,35- 37。随着接触面积扩大和放电电流减 小，使接触区域的电流密度急剧下降，同时接触电阻也明显减小，因此电能不再使接 触部分发热。相反，由于保护气体介质和铬锆铜电极基体的冷却作用，熔融的材料被 迅速冷却而凝固并粘接在电极上，成为电极表面上的强化点。同时，因放电回路被断 开，电源重新对电容器 c 充电，这就是电火花强化设备的一次充放电的过程。重复这 个充放电过程并移动电极的位置，强化点就相互重叠和融合，在电极表面形成一层沉 积层38- 41。 第 2 章 试验方法及设备 13 图 2.5 电火花沉积设备原理图 fig.2.5 schematic diagram of the esd equipment structure 由于 r- c 脉冲电火花沉积设备具有操作简便，输出功率大，沉积速度快的特点， 因此在电火花沉积工艺探索阶段，可以用 r- c 脉冲电火花沉积设备进行试验。 本课题所用脉冲电源为实验室自主研发，型号为 esd- 250。其设备图如图 2.6 所 示。沉积装置为日本拓克能模具处理有限公司生产的 spark- depo 系列的小型沉积装 置。 此沉积装置内置保护气管道，沉积时可实现对沉积层的保护。 其主要参数如表 2.6 所示。 表 2.6 电火花沉积设备主要性能参数 table 2.6 deposition of the main performance parameters of devices 性能项目 性能参数 工作电压(v) dc100 电极转速(r/min) 2500- 8000 夹持直径(mm) 1- 4 江苏科技大学工学硕士学位论文 14 (a) 沉积电源 (b) 沉积设备 图 2.6 沉积电源与沉积设备 fig.2.6 deposition power and deposition equipment in the experiment 2.2.3 沉积电极旋转设备 本文自主设计了电极旋转设备，如图 2.7 所示。 沉积过程中可将电极固定在旋转 盘上，并可以按照要求调节表盘上的旋转速度，沉积结束后，按停止旋转开关，顶出 电极。 图 2.7 电极旋转设备 fig.2.7 cr- zr- cu electrode rotating equipment 2.2.4 镀锌钢板电阻点焊设备 本试验中所使用的电阻点焊机是由唐山松下产业机器有限公司生产，型号为 yr- 350s 单相交流电阻焊机，如图 2.8 所示。其主要由两平行电极臂，冷却装置，气 第 2 章 试验方法及设备 15 动装置，脚踏板开关，控制面板等组成。该电阻点焊机相关参数如下： 额定功率：35kva 连续额定功率：24.7kva 最大焊接功率：90kva 次级空载电压：1.56.2v 次级最大短路电流：16ka 电极臂间距：200mm 电极臂伸出长度：600mm 图 2.8 yr- 350s 单相交流点焊机 fig.2.8 yr- 350s spot welding machine 这台电阻点焊机为脚踩单点电阻焊机，点焊机外伸两个电极臂：下电极臂为固定 臂，上电极臂为活动臂。在进行电阻点焊焊接时，把两块镀锌钢板叠放在一起，并尽 量保持水平。找准要求点的焊接点位置，然后脚踩脚踏板开关，上下电极臂把两块镀 锌钢板压紧，提供电阻点焊压力，与此同时两电极臂通电加热，在 高温高压的条件下， 完成两块镀锌钢板的点焊焊接过程。当调好试验参数以后，在控制面板上打开控制电 源，关闭“焊接”按钮，打开“调整”按钮，点焊机上电极臂只向下压而不通电，将 电极固定。打开“焊接”按钮，关闭“调整”按钮，点焊机正常工作。点焊机控制面 板中电流调节采用档位调节， 根据差值计算出试验中档位对应的电流值如表2- 7所示。 江苏科技大学工学硕士学位论文 16 表 2.7 不同档位对应的焊接电流值 table 2.7 the welding current corresponding different gear 档位 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 60 焊接电 流 （ka） 6.50 6.76 7.02 7.28 7.54 7.8 8.06 8.32 8.58 8.84 9.1 11.7 2.3 试验方法 2.3.1 涂层沉积试验 本文在普通电极表面沉积了镍和金属陶瓷涂层。镍涂层沉积工艺参数为：沉积电 流 20a，沉积电压 7.5v，电极转速为 40r/min- 60r/min，棒材转速为 3000r/min。沉积 金属陶瓷层的沉积工艺参数： 沉积电流值 20a， 沉积电压值 7.5v， 电极转速在 20r/min 左右，棒材转速为 3500r/min。 试验过程中，沉积材料接正极，铬锆铜电极接负极。沉积时间约为 90s。沉积材 料棒在电极头部的 1/6 圆弧上来回运动，如图 2.9 所示，沉积时，沉积材料棒与铬锆 铜电极之间的运动角度为 60 。 图 2.9 沉积材料沉积范围 fig.2.9 deposition range 2.3.2 点焊接头剪切强度试验 点焊接头剪切强度试样如图 2.10 所示。 试验前将试样用酒精擦洗，除去镀锌钢板 表面的油污、灰尘和污物。点焊时，焊点位置应尽量准确，不能偏离规定位置过大， 以防试验结果出现较大误差。 用于剪切强度试验的设备为 cmt5205 电子拉伸试验机， 第 2 章 试验方法及设备 17 根据美国焊接协会标准 aws/saed8.9m: 2002 要求， 剪切强度试验的夹头位移速率为 10mm/min。在试验过程中要求试验的焊点位于剪切时的垂直位置，为保证作用在焊 点上的力与剪切力方向一致， 可在剪切试样的上下夹头两端垫一块与剪切试样等厚的 镀锌钢板19,42,43。 图 2.10 电阻点焊接头剪切强度试样 fig.2.10 shear strength of resistance spot welding joints experimental sample 2.3.3 焊点熔核几何尺寸的测量 点焊熔核直径试样同图 2.10 所示。试验结束后，将试样沿焊点中间切开，然后用 金相砂纸打磨焊缝，经 8%的硝酸酒精溶液腐蚀后，测量焊点熔核直径(d)，熔核高度 (h)及压痕深度(h1)，并计算出熔透率。如图 2.11 所示。 焊点熔透率可通过公式 2.1 计算得出44。 1 100% h a h = (2.1) 式中 - 板厚 h- 熔核单侧的高度 h1- 压痕深度 江苏科技大学工学硕士学位论文 18 d- 熔核直径 h- 熔核单侧的高度 h1- 压痕深度 图 2.11 焊点几何尺寸 fig.2.11 nuclear size 2.3.4 点焊工艺对熔核直径影响试验 分别取若干对普通铬锆铜电极和涂层电极，用砂纸轻轻打磨电极端部表面，去除 电极表面的氧化皮和油污，然后用无水乙醇擦洗电极端部表面。准备如图 2.2 点焊熔 核直径试样若干块。 经过分析，影响电阻点焊实验的三个重要因素分别是焊接电流、焊接压力、