张冬平，钟万良，陈峰，叶富兴，刘慧

（广东省材料与加工研究所，广东 广州 510651）

氧化铝弥散强化铜电极材料在焊接镀锌板中的应用

张冬平，钟万良，陈峰，叶富兴，刘慧

（广东省材料与加工研究所，广东 广州 510651）

文章对目前镀锌板的焊接出现的问题进行了分析，指出镀锌板焊接问题产生的原因，分析了氧化铝弥散强化铜作为电极材料在焊接镀锌板过程中的优势，对今后氧化铝弥散强化铜的应用及存在的问题进行了展望和分析。

镀锌板；焊接；氧化铝弥散强化铜；电极

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)11-63-02

镀锌钢板由于具有良好的耐腐蚀性，近年来在汽车、家电、建筑等行业的应用越来越广泛，尤其是在汽车制造中取代冷轧钢板而被大量使用[1-5]。通常情况下，镀锌板的连接主要以电阻焊为主要的连接方法，电阻焊的电极头作为易耗品直接与镀锌板接触，其质量直接影响到焊接产品质量，同时，由于其作为一种大量使用的易耗品，其对生产成本的贡献也不可忽略。

1 电阻焊焊接镀锌板的特点及目前存在的问题

镀锌板焊接时，由于其表面存在低熔点低硬度的镀锌层，减小了接触电阻和电流密度，从而与不带镀层的普通钢板相比，需要增大焊接电流或者延长焊接时间，由于更高温度的存在，从而促进了焊接时电极铜与镀锌层形成锌铜合金，造成生产上所说的粘连工件现象，严重影响产品质量，增加了电极的修模次数，镀锌层越厚、焊接温度越高、压力越大、焊接频率越高，电极头的使用寿命就越短。近些年来，不断通过更改电流的大小、脉冲次数等方式来解决镀锌板的焊接问题，但是又会造成焊接工件熔核过深（如图 1）或者工件表面粘铜（如图 2）等缺陷，无法从根本上解决镀锌板焊接存在的问题，随着镀锌板使用的越来越广泛，研究出新型的电极材料，解决电极与镀锌板的粘连现象，提高电极使用寿命，并且成功的进行工业化生产是材料研究的一项重要工作。

图1 焊接熔核过深

图2 工件表面粘铜

2 氧化铝弥散强化铜焊接镀锌板的优点

目前，汽车焊接中使用的电极材料主要为铬锆铜，而铬锆铜作为电极焊接镀锌板时，不能避免镀锌板焊接时存在的问题，在焊接过程中，铬锆铜电极有2个主要缺点：一是电极会与钢板严重粘连，大大降低生产效率，同时会导致电极的导电率下降，出现虚焊等问题，产品质量难以保证；二是软化温度低，焊接过程中很快软化，出现“蘑菇头”状失效，在焊接一定数量的焊点后，焊接质量急速降低，严重影响焊点质量的一致性，这些问题直接影响着汽车的生产效率，并且加大了相关焊接设备的损耗和焊接生产成本。但基于以上原因，焊接设备厂家均希望有更好的电极材料。美国 SCM公司在上世纪末期开始推出氧化铝弥散强化铜材料。氧化铝弥散强化铜与铬锆铜铜物理性能对比如表 1，常温下，这种材料与铬锆铜相似，但其具有出色的高温力学性能（软化温度 900℃）及耐磨性，更主要的是氧化铝弥散强化铜电极中弥散分布着纳米级的氧化铝颗粒，在焊接时，由于高温熔化了镀锌板的镀锌层，加剧锌向铜基体扩散，形成冶金化合金，而在铜基体中弥散分布着纳米级的氧化铝颗粒具有良好的热稳定性，可阻止 Zn向电极中扩散，同时，可以起到破坏锌和铜的冶金结合，从而大大减小粘连所带来的电极损耗；另外，由于氧化铝弥散强化铜具有 900℃以上的软化温度，焊接过程中电极头部形成蘑菇状的速率较慢，减少了修模及更换电极次数，焊接时也不用调大电流或者二次脉冲等，节约了大量能源，提高了生产率，对于目前使用机器化生产的汽车领域来说，弥散强化铜电极的推广应用，是焊接生产线上的一次改革，它成功的为镀锌钢板的焊接提供了终端的解决方案。

表1 氧化铝铜弥散铜与铬锆铜物理性能对比

3 氧化铝弥散强化铜的强化机理

氧化铝弥散强化铜具有高强度，高导电率，高的软化温度，这与作为强化相的氧化铝粒子的在铜基体中的弥散分布具有很大的联系。其作用主要分为三个方面，第一，弥散分布的氧化铝粒子提供了位错源，增加了位错密度，提高了材料的强度。第二，氧化铝粒子弥散存在于铜基体中，能够极大地抑制晶界、亚晶界迁移，使得动态再结晶很难发生，从而使氧化铝弥散强化铜与其他铜合金相比具有更高的软化温度。第三，氧化铝颗粒阻碍位错在晶界、亚晶界上的运动，阻碍晶粒的长大，对位错起到钉扎作用，提高符合材料的强度。其钉扎位错机理为著名的奥罗万（Orowan）机理[6]，当位错遇到氧化铝颗粒时，无法切断硬质第二相而通过，在外力作用下位错继续运动，会绕过氧化铝颗粒而发生弯曲，最后在氧化铝颗粒周围留下一个位错环，而位错继续前进，由于位错的产生，增加了晶格畸变能，是位错运动阻力增加，滑移抗力增大，从而提高了材料的强度。弥散的氧化铝粒子的尺寸对基体的强化非常关键，当氧化铝粒子达到纳米级时，强化效果非常明显，因此，氧化铝颗粒的大小是弥散强化的关键。

4 氧化铝弥散强化铜应用的问题与展望

氧化铝弥散强化铜具有优良的焊接性能，尤其是在汽车焊接领域中，随着镀锌板的普及，氧化铝弥散强化铜作为电极材料具有明显的优势，氧化铝弥散强化铜具有非常好的高温强度，高温导电、高温导热性能优异，在高温下具有优异的抗软化能力，同时具有良好的塑性和机械加工性能。

目前氧化铝弥散强化铜还不够普及，其最主要的原因是由于其生产为粉末冶金发制备，生产工艺流程长，工艺复杂，产品回收困难，所以造成价格比传统电极材料要高，如何简化氧化铝弥散强化铜的生产工艺，研究氧化铝弥散强化铜的回收工艺，减少生产成本，如何通过新技术、新方法有效的解决该材料在工业化生产的上述问题，是材料研究面临的新课题。相信随着技术的不断进步，氧化铝弥散强化铜一定会有一个非常广泛的应用前景。

[1] 刘平,任凤章,贾淑果,等.铜合金及其应用[M].北京:化学工业出版社,2007:316.

[2] 李美霞,罗骥,郭志猛.内氧化发制备 Al2O3弥散铜复合材料的研究[J].粉末冶金技术,2011,29（3）:214-217.

[3] 田宝红,宋克兴,刘平,等.高性能弥散强化铜合金复合材料及其制备技术[M].北京:科学出版社,2011:245.

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[5] 郭明星,汪明朴,李周,等.原位复合发制备纳米粒子弥散强化铜合金研究进展[J].机械工程材料,20054:（1-3）.

[6] 张延杰,曾泉浦,毛小南,等.颗粒增强MMCS中小颗粒子强化作用[J].稀有金属材料与工程,1999（1）:14-16.

Application of the alumina dispersion strengthened copper as electrode material in the welding process of galvanized sheet

Zhang Dongping, Zhong Wanliang, Chen Feng, Ye Fuxing, Liu Hui（Guangdong Institute of Materials an Processing, Guangdong Guangzhou 510651）

This paper analyzes the current problems of the welding of galvanized sheet, galvanized sheet welding problems have pointed out the reason, analysis of the alumina dispersion strengthened copper as electrode material in the welding process of galvanized sheet advantages for future alumina dispersion strengthened copper application and existing problems were discussed and analyzed.

galvanized sheet; welded; aluminum oxide dispersion strengthened copper; electrode

U467

：A

：1671-7988 (2017)11-63-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.11.022

张冬平（1980-），男，工程师，就职于广东省材料与加工研究所，主要从事铜合金及耐磨材料研究 。