退火工藝對純鎢電阻點焊電極顯微組織性能及使用壽命的影響

鐘昌熾

（贛州虹飛鎢鉬材料有限公司，江西 贛州 341008）

電阻點焊主要應用于金屬薄板結構件中，因其具有低能耗、低成本、高質量、高效率、且易于實現自動化、使用方便等優點，被廣泛應用于汽車制造、航空航天、家電制造、儀器儀表等眾多領域。電阻點焊電極作為向焊件傳輸焊接電流、施加焊接壓力并消散焊接區熱量的載體，在長時間工作中由于反復承受高溫高壓的聯合作用，極易發生損壞，從而致使電極材料出現塑性變形、裂紋、剝蝕、合金化、自愈合、再結晶、熱疲勞等失效形式[1-3]。

隨著各種有色金屬材料的出現并廣泛應用，焊接工件朝著小型化、結構復雜化，并兼具高導電、高導熱的特性方向發展，傳統的銅合金電極難以適用于日益苛刻的焊接條件，純鎢電阻點焊電極應運而生，并得到了越來越廣泛的應用[4]。電極是電阻點焊工作過程中最關鍵的部件，電極材料性能的優劣直接影響點焊的焊接質量和焊接效率。電阻點焊電極經過多次反復使用后，在交變熱應力的作用下會引起熱疲勞，從而導致電極材料產生開裂而失效，而電極開裂不僅大幅度降低電極材料的使用壽命，更直接影響焊接生產效率[5]。純鎢電阻焊電極塑性加工后的退火過程是控制電極材料微觀組織及性能、保障其使用壽命的關鍵[6]。本文通過對比不同高頻退火工藝下的純鎢電阻點焊電極的組織性能差異及點焊使用情況，分析材料顯微組織特性對純鎢電阻點焊電極使用壽命的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次試驗采用贛州虹飛鎢鉬材料有限公司生產的HWP3N5純鎢圓棒，棒材直徑為Φ18.0 mm，鎢棒密度為18.0 g/cm3，晶粒度為3 000~5 000個/mm2。其化學成分如表1所示。

表1 HWP3N5純鎢圓棒化學成分

1.2 試驗方法

選擇同一批次、同一爐號的中頻燒結純鎢圓棒，通過公司KOCKS三輥Y型軋機連續軋制及歸圓制備Φ9.4 mm的純鎢桿，然后將軋制后的純鎢桿進行不同退火溫度的高頻退火處理，以制備不同顯微組織特性的純鎢桿，退火工藝參數如表2所示。高頻退火后的純鎢桿經旋鍛、定長切割、磨光、機械加工、去應力退火后制備成Φ4.0 mm的純鎢圓柱，再通過紫銅鑲嵌處理制備成銅鑲鎢電極。最后將銅鑲鎢電極進行電阻點焊試驗及材料組織性能分析。

表2 純鎢圓棒高頻退火處理工藝參數

2 試驗結果及分析

2.1 純鎢電阻點焊電極原始顯微組織形貌分析

分別取三種高頻退火處理工藝參數下的純鎢電阻點焊電極進行原始顯微組織特性的分析，材料的硬度和晶粒數如下頁表3所示，×1 000倍的橫向顯微組織形貌如下頁圖1所示。

圖1 不同退火工藝的顯微組織形貌

表3 不同高頻退火工藝的純鎢電阻點焊電極硬度和晶粒數

通過對比3種高頻退火工藝參數下的電極材料橫向截面組織特性，可以發現：1號工藝的鎢晶粒發生了明顯的再結晶長大，晶粒長寬比較小，晶界趨于平直，呈明顯的等軸晶特征，材料硬度出現明顯的下降；2號工藝鎢晶體出現了部分再結晶，晶界發生遷移，鎢結晶大小形態差異較大，材料硬度出現一定程度的下降；3號樣鎢晶粒出現少量的晶粒長大，整體晶粒度未發生明顯的形態變化，材料的硬度變化較小。

2.2 點焊測試后電極材料組織特性分析

在相同的工況下對三種不同高頻退火工藝的純鎢電阻點焊電極進行點焊測試，試驗結果如表4所示。取樣對比分析失效后的1~3號樣品的微觀組織形態，各樣品在200倍金相顯微組織及裂紋擴展情況如圖2所示。

圖2 點焊測試后微觀形貌

表4 不同高頻退火工藝的純鎢電阻點焊電極點焊測試結果

點焊測試結果表明：2號退火工藝下的純鎢電阻點焊電極點焊使用壽命長，打磨次數少，綜合使用性能最佳。觀察1~3號樣品失效后的橫向截面微觀組織及裂紋擴展情況，可以發現純鎢電阻點焊電極在使用過程中均發生不同程度的在晶粒粗化情況，微裂紋均從電極材料焊接面的邊緣向心部擴展，裂紋擴展深度及組織劣化程度為3號樣品＞1號樣品＞2號樣品。1號樣品裂紋擴展間距較大，2號樣品裂紋間距相對較小，3號樣品裂紋尺寸間距居中，但同時出現橫向分叉裂紋。

3 試驗結果討論

1）純鎢電阻點焊電極材料的顯微組織特性對其使用壽命有明顯的影響，通過高頻退火工藝將電極材料的晶粒度控制在10 000~12 000個/mm2，硬度（HV）控制在405左右，能夠顯著減少材料的打磨次數，增加有效點焊使用次數，從而提升電極材料的使用壽命及綜合性能。

2）純鎢電阻點焊電極材料在焊接過程中，焊接面區域晶粒會出現明顯的粗化，熱疲勞產生的微裂紋均從材料焊接面的邊緣向心部擴展。