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镀锌板焊接电极失效原因分析及改进

第一篇：镀锌板焊接电极失效原因分析及改进镀锌板焊接电极失效原因分析及改进张冬平，钟万良，陈峰，叶富兴，刘慧，刘诗桥（广东省材料与加工研究所，广东广州510651）摘要：文章对目前镀锌板焊接时电极失效的形式及原因进行了分析，指出传统铬锆铜电极材料在焊接镀锌板时的缺点，使用Al2O3弥散强化铜电极材料进行了镀锌板焊接实验，分析了Al2O3弥散强化铜作为电极材料在焊接镀锌板时减少电极失效的原因。关键词：镀锌板；弥散强化铜；电极；失效随着现代汽车工业的发展，为了提高使用寿命，车身通常采用耐腐蚀性能较好的镀层钢板，尤其以镀锌钢板的使用量为最大，镀锌板已经在越来越多的汽车零部件上得到应用[1-4]。由于镀锌板的大量应用，汽车零部件最常规的组装方法——焊接，也带来了新的技术问题，汽车焊接主要采用电阻焊焊接。目前国内汽车厂使用的焊接镀锌板电极材料一般为铬锆铜，铬锆铜在焊接低碳钢时具有很好的可靠性。但焊接镀锌板时，由于铜和锌在高温情况下发生冶金结合，生成锌黄铜，从而出现电极粘连镀锌板的情况，严重影响产品的焊接质量，减少了电极的使用寿命，频繁的更换电极，降低了生产效率。1镀锌板点焊电极使用条件及失效现象电阻焊在汽车焊接上广泛应用，电阻焊的焊接原理是利用在电极之间通过大电流而产生大量热量，使钢板在电极压力下形成焊核，从而达到联接钢板的目的。焊接时不同位置的温度如图1所示。图1不同位置温度图镀锌板焊接过程是个复杂的物理及化学变化的过程，其中最典型的化学变化就是锌与铜结合产生了黄铜。由于镀锌板上的锌溶点较低，焊接加热时，锌会首先熔化析出与电极表面的铜结合产生黄铜，黏附在电极表面，导致电极导电率下降，因此黄铜的存在会直接影响到下一次焊接的效果，同时铬是锌与铜发生化学反应产成黄铜的催化剂。用含铬这种元素的铜合金来制作电极，在冷轧钢板的焊接过程中，可以增加电极的硬度，减少修磨次数，从而提高电极的使用寿命，但是在进行镀锌板的焊接时，却会在焊接过程中产生黄铜，导致电极和镀锌板容易发生粘连，增加修磨次数。由此可见，铬锆铜对于镀锌板焊接来说反而不是一种理想的电极材料。对于目前使用铬锆铜作为电极材料焊接镀锌板，电极失效主要有3个方面：首先电极变软，出现蘑菇头状，如图2所示，使电极使用寿命变短，影响焊接质量；其次，焊接过程中出现“炸枪”，火花过大，焊点质量差，出现毛边、飞刺；最后，出现焊接工件与电极粘连现象，导致电极烧蚀，如图3所示，工件虚焊、电极脱落，严重影响焊接质量和生产效率。2失效原因分析2.1软化汽车电阻焊焊接过程是高温冶金过程，电极的不同位置，温度有所不同。由于在焊接时温度很高，在导致钢板软化产生塑性变形的同时，也会使电极发生软化，因此会使电极的形状发生变化，受压力影响，出现蘑菇头状。不同材料的软化温度不尽相同，这是材料的物理特性决定的，对于目汽车焊接使用的铬锆铜电极材料，软化温度最高不超过550℃，然而对于焊接需要，电极需要抵抗大约900℃的温度。所以出现电极软化，蘑菇头状失效，是电阻焊电极材料作为焊接消耗品的最主要的失效现象，工作人员也通过各种方法来尽量减慢这种失效现象。对于镀锌板焊接，为了缓解电极与镀锌板的粘连，往往通过加大电流的方式来击穿镀锌板的锌层，从而导致铬锆铜电极材料在焊接镀锌板时出现蘑菇头失效的现象更为严重，使用寿命更短。图2蘑菇头失效电极图3烧蚀失效电极2.2炸枪焊接过程中出现“炸枪”火花过大是由于电极与工件的贴合面喷出微细熔化的金属颗粒而造成的，产生这种飞溅不仅会造成工作环境恶劣，同时会造成焊点表面不光洁，出现毛刺，焊点熔合半径过大等问题，影响产品质量。造成这种失效的原因主要是焊接电流过大，焊接压力过大以及电极与工件接触面不平整等原因，对于镀锌板的焊接来说，由于表面低熔点锌层更易被熔化，所以出现这种“炸枪”现象更多。2.3电极粘连工件电极粘连工件是汽车焊接过程中最忌讳出现的现象，会导致严重的质量问题。造成电极与工件的粘连主要从以下几个方面考虑：（1）电流过大，造成粘电极现象。当电流过大时，在焊接回路中电流密度大于正常焊接时电极工作面的电流，造成电极与零件达到可焊性的温度，形成电极与零件的熔合连接，从而出现电极粘连工件的现象。如果在焊接工艺已经调节好的情况下出现粘电极的现象，势必考虑电流局部过大的问题，造成电流局部过大的原因主要有两点：①上下电极工作面不平行。当两电极面不平行时，电极工作面局部与零件接触，接触电阻增大，造成回路中电流减小，但局部接触点的电流密度大于正常焊接时工作面的电流密度，从而造成接触点的温度达到电极与零件的可焊温度，造成粘电极现象；②电极工作面粗糙。当电极帽出现粗糙时，同样会出现局部接触的现象，从而造成局部电流过大，出现粘连电极现象。（2）电极压力不足，造成粘电极现象。当电极的压力不足时