第３１卷第２１期
中国机械工程
V o l ．３１㊀N o ．２１２０２０年１１月
C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N G
p p
郑立好１,２㊀张超１,２㊀张庆鑫１,２㊀张国涛１,２㊀李永兵１,２
１．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海,２００２４０
２．上海交通大学上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室，上海,２００２４０
摘要：针对传统铝合金电阻点焊电极易点蚀，导致生产效率低下以及焊点质量不稳定等问题，开发了一种由碲铬铜合金制备的电阻点焊铜电极.通过对比研究碲铬铜电极与传统铬锆铜电极，得到焊点的熔核直径㊁焊接接头的拉剪力㊁电极与板材间的接触电阻等随着焊接次数的变化规律，结合激光共聚焦 显微镜分析证明了碲铬铜电极相较于传统铬锆铜电极具有更长的电极寿命，最终通过铝铜金属间化合物的生长揭示了电极寿命延长的原因
.
关键词：铝合金；电阻点焊；铜电极；电极寿命中图分类号:T G １４６．１;T G ４３８．２
D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２０．２１．０１４开放科学(资源服务)标识码(O S I D )
:R e s e a r c ho nT e ＧC r ＧC uE l e c t r o d eL i f e f o rA l u m i n u m A l l o y R
S W Z H E N GL i h a o １,
２㊀Z H A N GC h a o q u n １,
２㊀Z H A N G Q i n g x i n １,
２㊀Z H A N G G u o t a o １,
２㊀L IY o n g b i n g
１,
２
１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fM e c h a n i c a l S y s t e ma n dV i b r a t i o n ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y
,S h a n g
h a i ,２００２４０２．S h a n g h a iK e y L a b o r a t o r y o fD i g
i t a lM a n u f a c t u r e f o rT h i n Ｇw a l l e dS t r u c t u r e s ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y ,S h a n g
h a i ,２００２４０A b s t r a c t :I no r d e r t o s o l v e t h e p i t t i n gp h e n o m e n o no f a l u m i n u ma l l o y R
S W e l e c t r o d e ,w h i c h l e d t o l o we f f i c i e n c y a n du n s t a b l ew e l d q u a l i t y ,a n e w R S Wc o p p e r e l e c t r o d em a d e o fT e ＧC r ＧC u a l l o y w
a s s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d ．T h e c h a n g e so fw e l dn u g g e td i a m e t e r ,t e n s i l es h e a r s t r e n g t ha n dc o n t a c t r e Ｇs i s t a n c e o
b t a i n e dw i t h t h e t i m e s o fw e l d i n g w e r e s t u d i e db y
c o m p a r i n g t
h e t r a d i t i o n a lC r ＧZ r ＧC ue l e c Ｇt r o d e s a n dT e ＧC r ＧC ue l e c t r o d e s ．T h e l i f e o f t h e c o p p e r e l e c t r o d e sw a s c h a r a c t e r i z e db y u s i n g c o n f o c a l l a s e r s c a n n i n g m i c r o s c o p e ．I t i s p r o v e d t h a tT e ＧC r ＧC u e l e c t r o d e s h a v e l o n g e r e l e c t r o d e l i f e t h a n t h a t o f t r a d i t i o n a l C r ＧZ r ＧC ue l e c t r o d e s ．T h er e a s o n s f o r t h e p r o l o n g e de l e c t r o d e l i f ew e r er e v e a l e df r o mt h e p o i n t o f r e t a r d i n g t h e g r o w t ho fA l ＧC u i n t e r m e t a l l i c c o m p
o u n d s ．K e y w o r d s :a l u m i n u ma l l o y ;r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g (R S W );c o p p e r e l e c t r o d e ;e l e c t r o d e l i f e 收稿日期:２０１９１１１５
基金项目：国家自然科学基金资助项目(５１６０５２８７)；上海市自然科学基金资助项目(１６Z R １４１７１００
)０㊀引言
近年来，在结构轻量化趋势的主导下，铝合金因其高比强度和优异的耐蚀性能而逐步被应用于汽车白车身制造中，然而铝合金的特有性质却给汽车工业应用最广泛的连接技术
电阻点焊(r e s i s t a n c es p o tw e l d i n g
,
R S W )带来极大的挑战[１Ｇ２]
.在较高的温度下，铝铜金属界面极易生成导电性较差的A l ２C u 和A l ４C u ９等脆性金属间化
合物[３Ｇ４]
，从而导致铜电极表面随着焊接次数的增
加逐渐点蚀，为保证焊点质量的一致性就必须频繁地对电极进行修磨
[５
].点蚀是指铜电极在铝合
金电阻点焊过程中逐渐合金化的现象，表现为电
极端面出现向电极内部侵蚀的凹坑[
６
].通过点蚀的程度可以判断电极是否处于良好的工作状态，在电阻点焊中希望电极点蚀程度越小越好[
７
].一次修磨过后用于点焊铝的铜电极仅能可靠地焊接２０个点左右,
这一数值远低于钢点焊，显著降低了生产效率，提高了生产成本[８]
.由此，如何抑制铝合金与铜电极间的合金化与点蚀问题是铝合金R S W 所必须要解决的.
针对铝合金电阻点焊铜电极寿命的问题，国
内外学者进行了大量研究.G U O 等[９
]对铝/铜
界面金属间化合物结构的生长进行了研究，发现界面处形成了明显的多层相互扩散结构，分别为
A l ２C u ㊁A l C u 和A l ４C u ９.R A S H I D 等[３]
和L UM 等[６
]给出了铝点焊电极寿命的４个阶段，并通过
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E D S和X R D在点焊后铜电极表面检测到了A l２C u和A l４C u９，这与铝铜之间相互扩散得到的金属间化合物的成分是吻合的.与基体金属相比，这些金属间化合物的硬度高㊁塑性差㊁导电性差，是导致铝合金与铜电极间产生点蚀和黏连问题的主要原因.为了应对铝合金点焊铜电极的烧损问题，国内外研究人员尝试了各种的方法来延长铜电极寿命.
F R O N I U S[１０]提出的D e l t a s p o t技术通过配备特制工艺焊带保证每一个焊点拥有全新的接触面，使得铜电极无需打磨，从而保证了焊接质量的稳定性并获得了极长的电极使用时间.M A T U SＧC H E K[１１]专门为铝合金电阻点焊开发了A l u SＧP A T Z＋控制器㊁焊以及修磨器等一整套设备以延长电极寿命.上述方案在一定程度上解决了铝合金电阻点焊现存的问题，然而每套焊接系统都需要重新采购安装且价格不菲，这使得生产线改造成本过高.从另一个角度，美国通用公司[１,１２Ｇ１３]提出利用多环圆顶电极(m u l t iＧr i n g d o m e d,M R D)端面凸起的同心圆环刺穿铝合金表面氧化膜，减小电极/板材之间的接触电阻，但是需要定制专用的修磨器，而且随着电极帽的磨损每次修磨之后环的状态都不一致，无法保证焊接质量的一致性，且一旦环明显变平，铜电极仍旧会出现较为严重的合金化现象.
升级设备的成本过高，改良电极形貌的效果有限，于是工程师尝试通过开发新的铜合金电极来延长电
极寿命，文献[１４Ｇ１５]将由含有细小分散的A l２O３亚显微颗粒的纯铜基体组成的氧化铝弥散强化铜合金(O D S&A l２O３ＧC u)应用于铝合金电阻点焊.分散的A l２O３具有热稳定性，可延缓铜的再结晶，因此，在高温环境下也不会出现明显的软化，且热导率和电导率也比常规铜合金的高. O D S弥散强化铜合金制备的铜电极寿命是普通铬锆铜铜电极寿命的３~５倍，但是价格十分昂贵，这种材料在国内难以实现大规模大尺寸工业化生产.此外,K UMA G A I[１６]开发了一种铜银合金铜电极，其电导率高达９７．８％I A C S(I A C S表示标准退火纯铜的导电率)，热导率也很高，比铬锆铜寿命延长了４倍，价格也十分昂贵.
总而言之，现有铝合金电阻点焊铜电极延寿方案都受成本等方面限制，难以大规模应用，开发更适合铝合金点焊的铜电极材料是目前亟待解决的问题.为了增长铝合金电阻点焊铜电极使用寿命，本文以碲(T e)㊁铬(C r)为主要合金元素，开发了一种碲铬铜合金材料，并以传统铬锆铜C１８１５０
h1n7材料为对照组，从焊接电极点蚀程度㊁焊点熔核直径和焊接接头力学性能等方面对该电极材料进行了研究.
１㊀实验材料和方法
１．１㊀材料制备
本文采用MT D HＧ６００真空电弧炉制备铸态的碲铬铜合金，制备过程如下:①按照设计成分准备铜颗粒(９９．９９％)㊁碲颗粒(９９．９９９％)和铬颗粒(９９．９５％)，考虑各自烧损比后用天平精确称量(精度０．０１g);②将金属颗粒全部放入坩埚内，充分抽真空后通入氩气，在金属熔化后进行电磁搅拌以确保合金混合均匀;③将液态金属液浇铸入石墨模具中，待冷却后将铸锭切割成ϕ２２mmˑ３０mm的铸锭;④将铸锭在８５０ʃ５ħ条件下固溶处理４h后进行水淬，随后将铸锭在４５０ʃ５ħ条件下进行时效处理，处理时长为２h，空冷;⑤将铸锭加工成图１所示尺寸.采用i C A PＧ６３００电感耦合等离子体发射光谱仪对熔炼得到的碲铬铜材料和用于对照的铬锆铜C１８１５０电极材料的实际成分进行测量，结果如表１所示
.
图１㊀铜电极尺寸
F i g．１㊀T h e e l e c t r o d e s i z e
表１㊀铬锆铜与碲铬铜的化学成分㊁硬度和导电性
T a b．１㊀T h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n㊁h a r d n e s s a n d
c o n
d u c t i v i t y o fC rＧZ rＧC ua n dT eＧC rＧC u
质量分数(％)
T e C r Z r F e S i C u
硬度
H V
导电性
(％I A C S)铬锆铜０．３６０．０８０．０２０．０２其余１４５．６７４碲铬铜０．８７０．４０其余１１８．５９０㊀㊀对不同试样在０．５k g载荷下保压１０s进行维氏硬度试验.电导率采用S B AＧ４５８塞贝克系数测试仪在２０ħ的条件下测量，并与标准电导率值进行比较，以标准电导率百分比表示.每个样品进行３次硬度和电导率的测量后取平均以确保数据的准确性，见表１.碲铬铜导电性较好，但是由于是铸态材料，相较于挤压态的铬锆铜材料硬
３３６２
铝合金电阻点焊碲铬铜电极的寿命研究 郑立好㊀张超㊀张庆鑫等
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度偏低.样品电导率
S ＝σs /σS t d
式中,σs 为待测试样品的电阻率;σS t d 为２０ħ下退火纯铜的电阻率
[１７]
.
１．２㊀铜电极点焊寿命测试方法
采用配备有WT C 中频直流控制器的O b a r a D B ６Ｇ１００R １电阻点焊系统进行电极帽焊接磨损
气相法白炭黑
试验.所用焊接板材为厚１．０mm 的A A ６０６１Ｇ
T ６铝合金薄板,
其成分及性能如表２所示[１８]
.为保证铝板表面状态一致，将待焊接的铝板在５０~６０ħ㊁３０~５０g /L 的N a O H 溶液浸泡１~
２m i n [１９]
，用酒精清洗吹干后在自然环境中暴露４８h
.焊接前用酒精对铝合金板材表面进行擦拭清洁.
表２㊀A A ６０６１ＧT ６的化学成分与力学性能[１
８]
T a b ．２㊀T h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p
e r t i e s o fA A ６０６１ＧT ６[１８
]
化学成分的质量分数(％)
C r
C u
F e M g
M n
S i
T i
Z n
A l
屈服强度
(M P a )抗拉强度(M P a )延伸率(％)
０．０４~０．３５
０．１５~０．４
ɤ０．７０．８~１．２ɤ０．１５０．４~０．８ɤ０．１５
ɤ０．２５其余
２３５
２８３
１０~１３㊀㊀采用焊接工艺规范如图
２所示,
电极压力为２k N ，焊接电流为１６k A ，焊接时间为５００m s .焊接过程中５个焊点为一组，每组中前２个焊点按照图
３a 的搭接形式进行焊接，并使用K E Y E N C E
V K Ｇ
X ２６０K 激光共聚焦扫描仪进行铝合金板材焊点压痕的激光共聚焦扫描(C L S M )
和焊点剥离熔核直径的测量[２０
].每组中后３个点按照图３b 的拉剪试
样形式进行焊接，并采用S U N S ＧU T M ５０００万能试验机进行剪切力学性能测试，拉伸速率为３mm /m i n
.拉剪试验中，在板材的夹持部位放置垫片以保证试样的对中性.电极寿命测试实验中，每５个焊点采用M I C R O HM M E T E RZ Y ９８５８微欧姆计进行下层板与下电极间电阻的测量，测量方式见图４，每组数据重复测量３次取平均
.
图２㊀焊接时序图
F i g ．２㊀W e l d i n g s e q
u e n c e (a
)剥离试样设计(b
)拉剪试验设计图３㊀焊接试样设计
F i g ．３㊀S i z e o fw e l d i n g s a m p
l e s 图４㊀接触电阻测量示意图
F i g ．４㊀S c h e m a t i c d i a g
r a mo f c o n t a c t r e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ２㊀结果与讨论
２．１㊀电极表面点蚀规律探究
由电流的帕尔贴效应及预实验可知，电阻点焊过程中下电极(阳极)的合金化及点蚀程度要比上电极(阴极)更为严重，故下文的研究对象选择
为下电极.
两种电极材料进行５０次电阻点焊后各自下
电极(阳极)端面的C L S M 结果见图５.从图５中可以发现，碲铬铜电极相较于铬锆铜电极在铝合金电阻点焊中的点蚀程度更低.
(a
)铬锆铜㊀㊀㊀
(b
)碲铬铜图５㊀电极连续点焊５０次后端面形貌的C L S M 图像F i g ．５㊀T h e s u r f a c em o r p h o l o g y C L S Mi m a g
e o
f e l e c t r o d e a f t e r ５０t i m e sw e l d i n g
由于C L S M 需要对电极进行拆卸,
而为了保证焊接过程的一致性，电极寿命测试过程中无法对电极端面形貌进行拆卸并实时记录，且研
究发
４３６２ 中国机械工程第３１卷第２１期２０２０年１１月上半月
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现下电极的点蚀与下板的黏连具有极强的互补关系，故本文通过记录焊接过程中铝合金板材的表面压痕来表征下电极的点蚀程度.C L S M 结果见图６，可较为直观地观察出，在相同焊接次数下,
碲铬铜电极的点蚀程度比铬锆铜的点蚀程度小
.㊀㊀㊀(a １)铬锆铜第２点
㊀㊀㊀
(a ２)碲铬铜第２点
㊀㊀
(b １)铬锆铜第７点
㊀㊀㊀
理疗裤(b ２)碲铬铜第７点
㊀㊀
(c １)铬锆铜第１
７点㊀㊀㊀
(c ２)碲铬铜第１
７点㊀㊀
(d １)铬锆铜第３
２点㊀㊀㊀
(d ２)碲铬铜第３
２点㊀㊀
(e １)铬锆铜第４
７点㊀㊀㊀
(e ２)碲铬铜第４
７点图６㊀不同点焊次数下的铝合金下板表面压痕形貌F i g ．６㊀T h e s u r f a c e i n d e n t a t i o nm o r p h o l o g y o
f a l u m i n u m a l l o y l o w e r p l a t e u n d e r d i f f e r e n tw e l d i n g
t i m e s 如图７所示，对点蚀程度进行定量化表征：以
铝合金母材下板的下平面为基准面，通过C L S M 得到第１个焊点的铝合金下板纵截面曲线L ０，并在软件中读取第１次焊接电极压痕的凹陷部分体积V ０，以此作为基准.同时，可以得到第n 个焊点的铝合金下板纵截面曲线L １，基准面以上的凸起部分的体积V １，和基准面以下的凹陷部分的体
积V ２，则电极被点蚀的体积V 可以通过下式计算:
V ＝V ０＋V １－V ２
药盒
图８所示为采用铬锆铜电极与碲铬铜电极焊
扭力梁式半独立悬架
接后电极点蚀的体积对比,
可以明显发现不同焊
图７㊀铬锆铜第３２个焊点的铝合金下板纵截面曲线
F i g ．７㊀L o n g i t u d i n a l s e c t i o n c u r v e o f a l u m i n u ma l l o y u
n d e r t h e ３２n dw e l d sw e l d e db y C
u C r Z r e l e c t r o d e 接次数下碲铬铜电极点蚀的体积一直较小，这意味着电极点蚀程度也一直较小，电极状态更有利于焊接
.
图８㊀铬锆铜和碲铬铜电极在不同焊接次数下点蚀体积F i g ．８㊀P i t t i n g v
o l u m e o fC u C r Z r a n dC u T e C r e l e c t r o d e s a t d i f f e r e n tw e l d i n g
t i m e s C L S M 数据表明,
本文开发的碲铬铜电极能有效减小铜电极端面的点蚀程度.２．２㊀焊点质量评价
图９所示为采用铬锆铜电极与碲铬铜电极进
行点焊电极寿命测试过程中熔核直径与最大拉剪力的变化趋势，可以看出，使用碲铬铜作为焊接电极的焊点，不仅熔核直径较为稳定，而且最大拉剪力也没有明显减小的趋势.相反，使用铬锆铜作为焊接电极的焊点，熔核直径与最大拉剪力都随着焊接次数的增加呈减小趋势.无论是从熔核直径角度还是最大拉剪力角度来对比，碲铬铜材料制备的电极都具有更好的寿命表现.２．３㊀电极失效分析
为了进一步分析新电极寿命增长的机理，电极寿命测试过程中使用微欧姆计测量了下层板与
５３６２ 铝合金电阻点焊碲铬铜电极的寿命研究
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(a)熔核直径变化曲线
(b)最大拉剪力变化曲线
图９㊀铝合金电阻点焊焊点质量随焊接次数的变化曲线F i g．９㊀T h e r e l a t i o nb e t w e e n t h e q u a l i t y o fw e l d i n g a n d
t h ew e l d i n g t i m e s
下电极间电阻值，记录其随焊接次数的变化曲线，见图１０.可以发现：采用铬锆铜电极的下层板与下电极间的电阻值随着焊接次数的增加增大趋势较为明显，导致电极与铝合金板材之间的焦耳热较大，进一步加剧了电极的点蚀，导致焊接质量变差；采用碲铬铜电极的实验组的电阻维持在一个
较小且稳定的水平，更利于电极寿命的延长
.
图１０㊀下电极与铝下板间的电阻随焊接次数的变化曲线F i g．１０㊀T h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e r e s i s t a n c e b e t w e e n l o w e r e l e c t r o d e a n d l o w e r p l a t e o f a l u m i n i u ma n d t h e n u m b e r o fw e l d i n g
通过焊接电极与铝合金板截面的S E M图像可以发现，点焊完成后，电极与铝合金板的界面会产生金属间化合物I M C.多次重复实验后选取较为典型的样品进行展示，图１１a是采用铬锆铜电极焊接１mm A A６０６１ＧT６搭接板材２０次以后，电极与铝板界面的金属间化合物最厚位置的图像，图１１b是采用碲铬铜电极焊接１mm A A６０６１ＧT６搭接板材１２０次以后，电极与铝板界面的金属间化合物最厚位置的图像.采用铬锆铜
材料为焊接电极进行点焊时，电极与铝合金板材极易黏连且不易分离，铝铜界面形成连续较厚的金属间化合物层，最厚处可达３７．８２μm，见A３放大图.合金化产生的金属间化合物会降低电极端面的电导率，增大电极端面与板材之间的接触电阻，提高焊接时电极表面的温度，加快合金化和点蚀.采用碲铬铜材料时，焊接电极与铝合金板材不易黏连，铝铜界面点蚀部位有更薄且不连续的金属间化合物层，最厚处仅为１５．１５μm，见B３放大图，这使得碲铬铜电极每次焊接电极的点蚀程度更小，从而可以减小多次焊接后电极与铝合金板材的接触电阻，减少电极与铝合金板材界面的产热.较低的电极端面温度有助于抑制金属间化合物层的生长，降低电极点蚀的程度，从而使得碲铬铜电极相较于传统铬锆铜电极拥有更长的寿命
.
(a)焊接电极材料为铬锆铜
(b)焊接电极材料为碲铬铜
图１１㊀焊接电极与铝合金板连接处截面的显微图像
F i g．１１㊀P h o t o m i c r o g r a p h s o f t h e s e c t i o na t t h e j o i n t b e t w e e n
t h e e l e c t r o d e a n d t h e a l u m i n u m p l a t e
３㊀结论
(１)铸态的碲铬铜电极相较于传统挤压态铬锆铜电极硬度较低，但导电性有大幅提高.
(２)在相同焊接参数下点焊相同次数，相较于铬锆铜电极，碲铬铜电极可以有效地抑制焊接电极的点蚀现象.使用碲铬铜电极获得的焊点具有更大的熔核尺寸和更高的拉剪强度，电极寿命更长.
(３)不同材料电极点焊过程中电极与板材的接触电阻的变化趋势以及不同材料电极与铝合金
６３６２
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