铝含量对弥散铝铜电极帽组织与性能的影响

靳延鹏，孔德群，王鑫，曹海涛，周昊澍，赵洪生，陆勇

北京奔驰汽车有限公司 北京 101300

1 序言

在汽车制造行业，电阻点焊是非常普遍的一种车身连接技术。电极是电阻点焊的一个重要部分，电极性能的好坏直接影响焊点的质量。电极用来传导焊接电流、传递电极压力，同时还要传导焊接时产生的热量。由于焊接温度较高，同时伴有2～5kN的焊接压力，所以这就要求电极具有良好的导电性、导热性，以及耐高温和较强的硬度。否则，在使用过程中就会出现电极帽塌陷、开裂、修磨不良及黏板等缺陷，从而影响焊接质量和生产效率（见图1）。

图1 电极帽常见质量问题

氧化铝弥散强化铜合金是把微小的氧化铝颗粒弥散在铜基体中，利用粉末冶金技术制成，具有突出的室温和高温强度，软化温度达到1100K以上。同时，兼备优良的导电性和导热性，焊接镀锌钢板时不易产生黏附现象，氧化铝弥散强化铜合金的电极（以下简称弥散铝铜电极）寿命为铬青铜的2～2.7倍，广泛应用于点焊电极材料[1]。

2 试验材料及方法

（1）试验用电极帽材料 其化学成分见表1。

表1 电极帽材料化学成分（质量分数） （%）

（2）试验方法 本试验采取生产现场真实焊接环境进行对比试验，将不同铝含量的弥散铝铜电极帽进行阶段焊接试验，观察生产现场的使用稳定性。利用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度仪及电导率测试仪等设备，对不同成分的弥散铝铜电极帽进行显微组织、显微硬度、电导率进行分析。

3 结果与讨论

3.1 显微组织分析

弥散铝铜电极帽的显微组织如图2所示。从图2a可看出，铜基体的晶粒为长条状形态分布，这是由电极材料在拉拔工艺过程中使晶粒被拉长变形导致的。从图2b可看出，晶粒尺寸为1～12μm，细小的弥散强化相Al2O3均匀分布在铜基体中，并与基体形成良好的结合形态，形成Orowan强化机制[2]，从而提高了强度。对比分析图2b、c可看出，随着铝含量的增加，基体中弥散强化相Al2O3含量明显增多，同时基体中铜晶粒也变得更加细小。这是由于在电极成形过程中，弥散强化相Al2O3颗粒在基体相的塑性流动推动下发生了一系列重排，并持续向基体内部楔入，加剧了铜颗粒的剧烈变形，并由此诱发动态再结晶，进一步细化了组织，最终使强化颗粒相弥散分布于铜基体上[3]。

图2 弥散铝铜电极帽的显微组织

3.2 硬度分析

不同铝含量的弥散铝铜电极帽的硬度变化曲线如图3所示。从图3可看出，随着电极材料中铝含量的增加，硬度随之增大。主要是因为随着铝含量的增加，基体中细小而弥散分布的Al2O3随之增多，从而起到抑制晶粒长大、钉扎晶界阻碍晶体位移的弥散强化作用，最终使电极材料的硬度提高。

图3 不同铝含量弥散铝铜电极帽的硬度值

3.3 电导率分析

利用电导率测试仪对不同成分电极的电导率进行检测分析，见表2。通过表2可看出，不同铝含量的电极电导率都在80%IACS以上，当wAl=0.2%～0.56%时，电极帽导电性能随铝含量的增加并没有降低。

表2 不同铝含量弥散铝铜电极帽的电导率

3.4 失效原因分析

结合不同铝含量的弥散铝铜电极帽显微组织（见图2b、c），以及不同铝含量弥散铝铜电极帽的硬度变化分析（见图3）可知，铝含量低，电极帽硬度不足是弥散铝电极帽在使用过程中出现塌陷、开裂、修磨不良等问题的主要原因。

4 结束语

1）现场使用结果显示，wAl=0.23%、wAl=0.43%的弥散铝铜电极帽出现开裂及塌陷等缺陷问题，wAl=0.54%、wAl=0.56%的弥散铝铜电极帽使用稳定，未出现缺陷问题。

2）显微组织结果显示，随着铝含量的增加，基体中弥散强化相Al2O3含量明显增多，同时基体中铜晶粒也变得更加细小。

3）试验材料中，随着电极材料中铝含量的增加，电极帽的硬度随之增加，电导率无较大差异。当wAl≥0.5%时，其硬达到85HRB，现场使用性能稳定。

综上可知，铝含量较低、电极硬度不足等因素，是在使用过程中导致电极帽出现开裂、塌陷、修磨不良等缺陷问题的主要原因。