电阻点焊电极的研究

作者：王超

来源：《经济技术协作信息》 2018年第10期

电极作为基础与核心对电阻点焊工作进行支撑，同时也是电阻点焊工作不可缺少的组成部分。点焊的质量以及效率会受到多种客观因素的直接影响，其中影响最为直接的为电极性能的优劣。本文主要研究对象为电阻点焊的电极，在研究过程中主要从点焊电极成分、强化工艺和结构设计以及点焊工艺几方面着手，电极的使用寿命可在这一过程中得到明显的改善与提高。

在实际连接薄板结构件的过程中必须实现对电阻点焊的科学使用，电阻点焊其实是一种焊接工艺，操作相对简单、容易实现机械化以及自动化的目标是其明显优势与特征在。在使用上述工艺的基础上可促使生长周期得到有效缩短，并促使其生产效率在原有基础上得到较大幅度提升，最终促使生长的目标得以顺利实现。现阶段该种技术已经实现大面积的推广与使用，对薄板结构件连接问题的解决有积极意义。

一、点焊电极的失效分析

对电极焊接的失效过程及失效机制进行深入了解是提升电焊电极使用寿命的重要手段。在实际进行点焊工作的过程中会有数千牛的压力以及数万安培的电流通过其中，主要是通过电流向被焊工件传递，被焊工件的局部会在这一过程中产生相当强大的热流熔核。

电极与被焊工件之间的接触带有一定的直接性，因此电极在实际工作过程中如果受到较高

温度与压力的联合作用就会导致其出现损坏现象，变形以及粘附是是电极损坏的两种主要形式。

受到损坏的影响熔核的焊透率会在原有基础上有所降低，焊点直径甚至不能实现对相关标准与要求的满足，最终导致电极失效的现象出现。塑性变形、剥蚀、合金化、坑蚀、自愈合、再结晶和热疲劳等是现阶段电极失效的几种主要形式，也就是在实际工作过程中必须实现对上述现象的充分考虑。

二、典型点焊电极材料

1.传统点焊电极材料。国内外针对电极材料所存在的标准相当多，我国航空航天标准在实际对电极进行分类的过程中主要将HB20-19 作为主要依据，分类结果为4 类，但是其中只有3 类经常使用。

通过研究传统的合金化法制备点焊电极我们可以发现多元复合强化是合金化法研究未来发展的主要趋势与方向。受到高温平衡固溶度的强化元素在铜基体中呈现出一种单一析出的现象，在对合金元素容量进行不断提高的基础上固溶、冷变形和时效处理也难以实现对析出相含量的有效提升，强化效果无法在这一过程中实现最大限度的发挥。

2.新型点焊电极材料。新型点焊电极材料是在传统的点焊电极上，采用新型强化工艺强化

而成，或通过新型的制备工艺制备而成，通过改进电极材料的强化工艺可以极大改善电极性能。

根据以往人们对电极强化工艺的研究可以看出，既使制备电极的材料成分相同，但采用不同的强化工艺所制得的电极的性能往往差异很大，为了能使电极材料的强度大幅度提升的同时保持较高的导电率，人们开始采用弥散强化法制备电极，并用电极表面改性技术、电极深冷处理技术强化电极。

三、电极结构

想要延长点焊电极的使用寿命，除制造电极的材料应具有足够高的电导率、导热率、高温硬度和结构强度外，电极还必须有较合理的结构形状设计，以及充分冷却的条件。

对于电极的结构设计主要考虑电极头部形状和尺寸，以及电极冷却系统结构的设计。对于电极的头部形状尺寸，有研究表明端头的尺寸和形状对电极的抗变形能力有显著的影响，同时也有研究表明不同长度的头部电极尺寸L 对电极焊点数有较大的影响，电极头部尺寸越短，消耗每毫米电极平均焊点数越高。因此，正确的选择电极头度尺寸，对保证电极使用寿命和合理利用电极材料有很大的作用。

对于电极冷却系统，人们经过研究表明合理的电极冷却系统可以很大提升电极的散热效果，从而增加电极的使用寿命。然而设计电极冷却系统需要考虑的主要因素有冷却水的流量、冷却水孔和进水管径的尺寸比、冷却水管的出口位置、冷却水在电极冷却水孔中的阻力分析等。为节约材料和提高电极使用寿命，人们设计了各种各样的复合电极。

为了满足特殊形状工件点焊的要求，有时需要设计特殊形状的电极，如普通弯电极、尾部和主体上刻有水槽的弯电极、增大横断面的电极等。

四、点焊工艺对电极的影响

点焊焊接工艺也是影响电极使用寿命的一个重要因素，点焊的焊接工艺包含3 个基本参数：焊接电流、焊接时间、电可知，焊接电流越大，产生的热量就越大，电极因容易变形和粘附而失效，但电流过小则会出现虚焊和脱焊现象，焊接时间对电极的影响与焊接电流相似。

电极压力则是通过电极给焊件所施加的压力，电极压力不宜过小，过小会使焊接区金属塑性变形范围不足，导致焊接时电流密度增大，局部电流过大而失效。相反，电极压力过大时会使电极与焊接件接触面积变大，电流密度减小，焊接散热增加，熔核尺寸下降。在实际焊接生产中，这些参数往往相互影响、相互制约，如焊接生产中的软规范和硬规范。

五、被焊材料对点焊电极的影响

在点焊电极的焊接生产中，不同的被焊材料对电极的要求不一样，如点焊铝合金时，由于铝合金的热导率大、电导率高、线膨胀系数大、表面有致密的氧化薄膜等特点致使其焊接性能比较差。

点焊镀锌钢板时，由于镀层的存在，不仅使焊接区的电流密度降低，而且使电流的分布不稳定，若增大电流则会与电极产生金属间氧化物，加速电极的失效，因此点焊镀锌钢板时一般要选用强度比较高、不易与镀层发生作用的电极材料。

点焊不锈钢时，由于其高温强度大、塑性变形困难，应选用较高的电极压力，以避免产生缩孔、裂纹和喷溅等缺陷，同时电极的结构中应有强烈的内外部水冷系统。点焊高温合金时，由于高温合金比不锈钢具有更大的电阻率、高温强度和更小的热导率，焊接时选择较小的焊接电流，较大的电极压力。

六、发展趋势

未来对于点焊电极研究的主要发展趋势有：

1.利用现有成熟的合金化法制备工艺和焊接性能参数，对点焊电极铜合金进行多元复合强化的研究。通过在铜基体中同时添加多种强化相形成元素，形成多元复合强化效应，再对电极的强化工艺进行优化，从而进一步提高点焊电极用铜合金的强度。

2. 简化电极铜基复合材料的制备工艺，降低制备成本，获取更优化的性能，最终实现产业化。

3. 改进或研究新的电极改性技术，探索更多天然的或人工合成的涂层材料，选择合理的材料体系对电极表面进行改性处理。优化深冷处理工艺，降低深冷处理成本。