电阻焊电极材料的研究进展*

郭瑞鹏，冯 毅

(1.河南化工职业学院，河南 郑州 450042;2.兰州工业学院，甘肃兰州 730050)

0 引言

电阻焊技术诞生于19世纪末，因具有效率高、质量好、成本低且易于实现自动化等优点，目前在汽车制造、航空航天、家电制造、仪器、仪表、量具刃具等领域，得到了广泛的应用。电阻焊电极是电阻焊中向焊件传输焊接电流、施加焊接力并消散焊接区热量的工具，在焊接过程中，电极在高温和高压下，不断的与工件进行接触，这就要求电极具备较高的高温强度和硬度、抗氧化性和良好的导电性能，但目前大量使用的铬锆铜合金电极，软化温度低，经常会出现变形和粘附，使用寿命较短，使用过程中要不断的进行电极的修整和更换，在很大程度上降低了生产效率［1］。

近年来，由于汽车工业蓬勃发展，具有优良耐蚀性的镀锌板得到了越来越多的应用，但是镀锌板在焊接时，由于锌会固溶于电极中，造成电极与焊件的粘连，会严重影响电阻焊的质量和效率［2-3］。

基于电阻焊电极在焊接过程中存在的问题，研究热稳定性更好、寿命更长的电极，成为了电阻焊研究领域亟待解决的问题。

1 国内外电阻焊电极的研究现状

电阻焊电极是一种消耗品，目前，在电阻焊领域使用的电极主要有Cr-Zr-Cu铜合金电极、氧化铝弥散强化铜合金电极和涂层电极。其中，Cr-Zr-Cu铜合金电极由于本身物理化学特性优良，且性价比高，在电阻焊领域仍有着广泛的应用。氧化铝弥散强化铜合金电极虽然使用性能优良、寿命长，但由于其成本较高，目前在国内尚没有得到大规模的推广应用。涂层电极由于工艺性优良，且价格低廉，是国内外电阻焊电极领域研究的热门方向［4］。

1.1 Cr-Zr-Cu铜合金电极的现状

Cr-Zr-Cu铜合金电极焊接镀锌板时存在易粘连、寿命短等问题，吴志生等人利用深冷技术对其进行了处理，深冷处理后的电极基体致密性、导电导热能力得到了提高，焊接时产热减少，降低了铜锌的合金化倾向，减少了焊接飞溅，电极寿命最高可达到未处理电极的4倍左右。但深冷技术处理铜合金电极成本较高，因此，实际推广应用还存在较大困难［4］。

1.2 弥散强化铜合金在国内外的发展现状

作为新型电阻焊电极材料，氧化物弥散强化铜合金由于导电性能良好、硬度高、抗高温软化性能好，受到了越来越多的关注。国内外也对该材料的制备和加工应用，做了大量的研究工作［2］。

1.2.1 弥散强化铜合金国外发展现状

1973年，美国的SCM公司采用全新制造工艺，推出了Al2O3弥散强化铜合金材料，与传统的Cr-Zr-Cu电极材料相比，其软化温度高达900℃。此外，Al2O3弥散强化铜合金还具有良好的耐磨性和导电性，作为电阻焊电极材料进行镀锌板焊接时，铜合金中弥散分布的Al2O3可阻止锌向电极中扩散，从而阻止了电极端部的合金化，减少了脆性黄铜层的形成，降低了因铜合金电极与锌之间的粘附所造成的电极变形和失效，提高了电极的使用寿命，可达到普通Cr-Zr-Cu电极的4～10倍。

美国先后研发并生产了多个牌号的氧化物弥散强化铜合金产品，现在已经纳入ASTM标准。日本在该领域也进行了大量的研究，并开发生产了商品名为DEMⅠRAS的氧化物弥散强化铜合金电极材料，并将其纳入日本的 JⅠS标准［5-6］。目前，美国、法国、日本等国已经实现了弥散强化铜合金的规模化生产，作为电极材料，在电阻焊领域得到了广泛的应用。

1.2.2 弥散强化铜合金国内发展现状

从20世纪60年代开始，国内的一些高校和科研院所先后进行了氧化物弥散强化铜合金的研究工作，中铝洛阳铜业有限公司最先开展了氧化物弥散强化铜合金的研制，并在90年代建立了国内第一条小规模生产线，目前已具备年产50 t以上的生产能力。昆明贵金属研究所经过多年的研究开发，已率先采用粉末冶金的方法成功制备出弥散强化铜合金，并制定了规模化生产的工艺路线，产品具有较高的导热性和导电性，热稳定性良好［7-8］。

目前，国内虽然具备了一定的氧化物弥散强化铜合金生产能力，但制备工艺复杂，成本较高，且与国外同类产品相比，其性能偏低(HRB:75左右)、后续加工困难，目前产品主要用于微波管结构件和高压隔离开关导电杆，电极用弥散强化铜合金材料还主要依靠进口。因此，如何简化氧化物弥散强化铜合金的加工流程、降低成本，同时提高产品的性能，成为国内氧化物弥散强化铜合金研究领域亟待解决的问题。基于目前国内电极用弥散强化铜合金发展存在的问题，一些专家学者对此进行了大量的研究［9］。

向紫琪等人采用改进的内氧化法，制备了A12O3弥散强化铜合金材料，通过金相观察、扫描电镜、透射电镜、XRD等分析手段，以及力学性能实验，研究了该氧化铝弥散强化铜合金的微观组织结构、高温下的力学性能以及旋转锻造加工性能，研究结果表明，Cu-2.7vol.%Al203弥散强化铜合金，在旋锻加工和中间退火后，表现出了良好的变形能力和力学稳定性。为高性能氧化铝弥散强化铜合金的制备和加工性能的改善，提供了有价值的参考和依据［10］。

曹先杰等人通过内氧化法制得了Cu-0.58wt%高铝弥散铜合金，并研究了不同加工方法对合金组织与性能的影响。研究结果表明，该铜合金具有很好的抗高温软化能力，软化温度超过1000℃。加工时的加压温度对其性能有着较大的影响，较适宜的后续加工方法是冷模锻［9］。

黄劲松等人经过研究，开发出了低成本的ODS弥散强化铜合金生产技术，不但有效提高了铜合金的密度，同时也解决了其尺寸受限的问题，目前，可半连续生产，所生产坯料可达吨计，制备成本可控制在3万元/吨以内［2］。

随着氧化物弥散强化铜合金生产技术的进步、生产成本的降低、以及性能的提高，该合金在电极材料方面的应用也会越来越广，在目前广泛应用的镀锌板焊接中，也将会得到更广泛的推广和应用。

1.3 涂层电极

除氧化物弥散强化铜合金电极外，涂层电极也是目前电阻焊电极研究中的重点内容。焊接时，由于涂层电极使用电流比普通电极小，且焊接时间短，降低了电能消耗，电极寿命也较长，因而不需要对电极频繁进行修磨和更换。由于涂层电极极高的性价比，将使其成为电阻焊电极应用领域的发展趋势。

目前，国内通过在Cr-Zr-Cu电极表面熔敷TiC层，使电极寿命提高至普通电极的2.5倍，但应用中存在涂层与电极之间存在粘合不牢、易脱落等问题［5］。沈乔等人研究了电极表面的多涂层沉积工艺及其对涂层质量的影响，获得了涂层沉积的最佳工艺参数，制得的涂层电极硬度大大高于普通的Cr-Zr-Cu电极，且涂层质量好、无缺陷，使电极寿命得到了很大的提高［11］。

王涛等人采用电火花沉积技术，在Cr-Zr-Cu电极上沉积了Ni/金属陶瓷涂层，制得了双涂层的电极，改善了涂层与基体的结合性能，致密度和韧性也得到了提高，通过验证，对电极寿命进行了综合评定。研究表明，在镀锌板焊接时，涂层可限制锌与电极之间的合金化，提高了电极的抗塑性变形能力，使涂层电极的寿命可达到普通电极寿命的2.5倍以上。同时，还获得了0.8 mm厚镀锌板的最佳焊接工艺参数。目前该涂层电极已经在通用、大众等汽车制造企业的生产线上进行了试验，效果良好［4］。随着涂层韧性和致密度、以及与电极表面结合性能等问题的解决，具有优良性能和极高性价比的涂层电极也会在电阻焊应用领域得到越来越多的应用。

2 展望

随着电阻焊电极材料研究的不断深入，热稳定性更好、寿命更长的电极材料的出现，电阻焊生产效率将会大幅提高，电极材料的消耗也会随之降低，成本也会相应降低。这些研究成果的出现，也将进一步推动电阻焊在工业中的发展和应用。

［1］ 田卫平，王 峻，允若谷，等.新型电阻焊电极材料——弥散强化铜［J］.电焊机，1997(4):38-41.

［2］ 黄劲松，甘子旸，张仲灵.弥散强化铜合金［J］.矿冶工程，2014，34(3):108-111.

［3］ 陆艳杰，康志君，崔 舜.氧化物弥散强化铜合金的研究与应用［J］电工材料，2005(2):21-24.

［4］ 王 涛.镀锌钢板电阻焊涂层电极寿命及应用［D］.镇江:江苏科技大学，2011.

［5］ 邹家生，陈艳青，沈 乔，等.镀锌钢板电阻焊电极材料的研究现状及进展［J］.焊接技术，2009，38(9):11-14.

［6］ 赵桂洁，彭茂公，田卫平，等.A12O3弥散强化铜合金材料的制备工艺探讨及应用［J］.云南冶金，2009，38(2):79-82.

［7］ 程建奕，汪明朴.高强高导高耐热弥散强化铜合金的研究现状［J］.材料导报，2004，18(2):38-41.

［8］ 李玉娟.Cu-Al合金薄板内氧化法制备块体 Cu-Al2O3复合材料［D］.洛阳:河南科技大学，2014.

［9］ 曹先杰，李湘海，蒋长乐.弥散铜电阻焊电极材料工艺研究［J］.铜加工，2011(1):34-39.

［10］ 向紫琪.Cu-A1203弥散强化铜合金的组织和高温力学性能研究［D］.长沙:中南大学，2014.

［11］ 沈 乔.镀锌钢板电阻点焊涂层电极研究［D］.镇江:江苏科技大学，2009.