熱鍍鋅高強鋼點焊工藝及電極失效分析

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽馬鞍山243000）

0 前言

隨著汽車工業的發展，節能減排成為汽車制造企業的重要考核指標，汽車的輕量化是實現節能減排最直接的手段。熱鍍鋅先進高強鋼的應用能減輕車身質量、提高車身的防腐性能，進而達到節能環保的目的[1]。

電阻點焊具有效率高、自動化程度高等優點，是汽車制造中重要的一種連接方法[2]。采用普通電極焊接高強度鍍鋅板時，電極壽命較短，需反復修磨電極頭，降低了生產節拍。文獻[3-4]表明，采用氧化鋁電極焊接鍍鋅板時，電極壽命可大幅提升，但目前尚缺乏對采用普通電極和氧化鋁電極的點焊工藝和電極失效內因方面的研究。在此就兩種不同的電極焊接鍍鋅先進高強鋼時的點焊工藝和電極失效機理進行研究，為主機廠選擇電極頭提供參考依據。

1 試驗材料和方法

試驗材料為強度800 MPa級熱鍍鋅雙相鋼，化學成分見表1。試樣尺寸1.5 mm×50 mm×150 mm，搭接形式如圖1所示。焊接設備為伺服中頻焊機。電極頭的斷面直徑為φ6 mm。可焊性范圍、焊點拉剪力以及電極頭的壽命均依據相關標準測試，焊接實驗參數見表2。采用FEI Quanta 450掃描電鏡和EDS對電極頭斷面進行分析和元素測定。

表1 DP800化學成分 %

圖1 搭接尺寸

表2 焊接實驗參數

2 試驗結果和分析

2.1 不同電極材料下DPD800的焊接窗口

分別采用鉻鋯銅電極以及氧化鋁電極焊接DPD800，焊接窗口如圖2所示。依據相關標準，鉻鋯銅電極下的有效電流區間約為1.2 kA，氧化鋁電極下的有效電流區間約為2.6 kA。采用氧化鋁電極時焊接窗口右移，氧化鋁電極焊接窗口最大電流（12.6 kA），高于鉻鋯銅電極（1.3 kA）。焊接窗口中各節點處的拉剪力如圖3所示，氧化鋁電極下節點處的焊點拉剪力較大。

圖2 不同電極材料點焊焊接窗口

圖3 焊接窗口節點處焊點的拉剪力

氧化鋁電極因彌散相的均勻分布而具有較高的軟化溫度[5]，焊接過程中電極端部不易產生變形，電流密度較為均勻，焊接過程也更加穩定，能夠在較大電流下獲得合格的點焊接頭。反之，鉻鋯銅電極軟化溫度相對較低，電極端面易發生變形導致局部壓強和電流密度不均，在焊核形成過程中塑性環不易穩態擴展，電流較大時易發生飛濺，進而導致焊核熔融金屬的溫度降低，焊點直徑無法滿足要求而失效。如果軟化溫度較高，在高溫下可保持較為原始的端面形貌，飛濺電流增大，從而獲得較大的焊核直徑。基于上述原因，氧化鋁電極下焊接DPD800時具有更大的焊接窗口和較高的焊點拉剪力。

2.2 不同電極材料下電極壽命及失效分析

鉻鋯銅和氧化鋁電極壽命測試結果如圖4所示。隨著焊點次數的增加，鉻鋯銅電極下的焊核直徑持續降低，在焊點次數達到250個時，焊核直徑低于4.9 mm，可判定電極已失效。氧化鋁電極下的焊核直徑隨著點焊次數的增加保持穩定，遠高于臨界焊核直徑，次數達到500時，焊點未發生失效。由此可知，同樣條件下，焊接DPD800時氧化鋁電極的有效點焊次數遠高于鉻鋯銅電極。

圖4 不同電極下焊點形核直徑的變化

為深入分析上述現象的內因，采用SEM觀測焊接500次后的電極端面形貌，結果如圖5所示。由圖5a可知，鉻鋯銅電極端面出現嚴重的鐓粗區域，電極端面形貌變為不規則的橢圓狀，端面外緣出現皸裂。由圖5b可知，氧化鋁電極端面未發生明顯鐓粗，僅在端面外緣出現不連續的粘連現象。

鉻鋯銅電極和氧化鋁電極端面中心局部微觀形貌如圖6所示，其中圖6a為圖5中Ⅰ區放大圖，圖6b為圖5中Ⅱ區放大圖。由圖6可知，鉻鋯銅電極端面出現了大量的微裂紋和不均勻脫落坑，而氧化鋁電極表面無可見微裂紋，且表面存在均勻的脫落坑和網狀白色物。

圖5 電極端面宏觀形貌

圖6 電極端面中心區域SEM圖

圖6中的A區和B區的EDS分析測試結果如表3所示。由表3可知，鉻鋯銅表面主要由Zn-Cu兩種合金元素構成。由二元相圖可知，當w（Zn）＞30%時，Cu和Zn可生成多種金屬間化合物[5-6]，結合EDS測試結果可推測焊接時鋅層與鉻鋯銅電極形成了硬脆的Zn-Cu金屬間化合物。由于Zn-Cu脆性相的電阻率大且硬度高、塑性較差，在電極壓力和高溫的雙重作用下，表面產生裂紋，經過多次的熱-力循環后，表面的Zn-Cu脆性相發生脫落形成脫落坑。氧化鋁電極表面w（Zn）僅為28.8%，因此，氧化鋁電極與鋅層之間的冶金反應遠遠小于同樣工藝下的鉻鋯銅電極。分析認為，白色網狀 物質的產生是由于晶界中的畸變能較大，鋅層優先通過擴散進入晶界內部，并與Cu元素發生反應生成Zn-Cu化合物，所有晶界處的化合物連在一起形成白色網狀物。氧化鋁電極中的彌散相可以穩定晶粒結構，減緩鋅層和電極之間的冶金反應，晶界由于Zn-Cu脆硬相的產生而發生弱化，在循環多次的電極壓力-電阻熱作用下，表面的晶粒直接從晶界處發生脫落，因此氧化鋁電極端面出現小而均勻的脫落坑。其次，氧化銅電極的軟化溫度高，Zn層和端面的反應較少，因此氧化鋁電極表面未出現裂紋。

表3 EDS測試結果 %

3 結論

（1）對于DPD800的點焊，氧化鋁電極下的焊接窗口是鉻鋯銅電極的1.5倍，焊接窗口節點處的焊點拉剪力普遍高于鉻鋯銅電極，氧化鋁電極焊接500次時仍未失效，而鉻鋯銅電極壽命僅為200次。

（2）采用鉻鋯銅電極點焊時，由于Zn與Cu形成了Zn-Cu硬脆相，在高溫和電極壓力的作用下，表面產生裂紋，經過多次的熱-力循環后，表面的合金層發生脫落形成脫落坑，直至電極失效。

（3）氧化鋁電極中Zn與晶粒內部反應極少，僅在晶界處生成網狀物，在反復的熱-力循環作用下，晶粒從表面脫落，形成分布和大小均勻的坑。

（4）鋅層與電極中Cu元素的合金化是造成電極失效的內因，氧化鋁電極中Al2O3相可以抑制Cu與Zn的合金化，從而提高電極壽命。