CN110814500A - 适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料及其制备方法，该铜电极材料主要包括0.19‑0.72wt％铬和0.40‑1.33wt％碲，余量为铜；该制备方法包括将铬颗粒、碲颗粒和铜颗粒进行熔炼混合，得到金属液；将金属液浇铸模具内，得到铸锭；将铸锭进行切割，得到切割后的铸锭；将切割后的铸锭进行固溶和淬火处理；之后进行时效处理即可；本发明的铜合金材料中含有的碲元素可以抑制铝铜金属间化合物的生长，从而可以减缓铝合金电阻点焊中电极的点蚀问题，延长了铜电极的使用寿命；另外，本发明的铜合金材料中含有的铬元素可以提高铜合金的强度，铬元素和碲元素的相互作用，保证了焊接质量，因此可广泛应用于铝合金电阻点焊中。

Description

适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金及电阻点焊技术领域，具体涉及一种适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料及其制备方法。

背景技术

电极帽属于焊接电极的一种，因为套于电极连杆上，故而称作电极帽。电极帽用于电阻焊接设备的焊接。电极帽主要的功能有：1.向待焊接工件传导电流；2.向待焊接工件传递压力；3.传导焊接余热，冷却工件。

随着汽车轻量化的趋势，铝合金被广泛地应用于汽车白车身的制造。电阻点焊(RSW)是汽车工业在钢结构制造中应用最广泛的焊接技术，但是使用电阻点焊技术焊接铝合金还存在很多问题。由于铝合金表面在空气会形成一层高电阻，高热阻的氧化膜。在焊接的过程中电极与铝板界面接触电阻导致产生较高的温度。这使得铝铜之间形成脆性金属间化合物，从而导致铜电极表面烧损。相较于点焊钢而言，电极寿命仅为约百分之一。电极帽使用寿命短，烧损后需要员工经常对电极帽进行修磨或更换，当电极帽修磨到极限规定值时，就必须更换整个电极帽。电极烧损的现象即会影响焊点质量，也会影响生产线的生产效率，造成了生产成本的增加。

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各样的方法来提高铜电极寿命。

美国通用在美国专利US 8222560 B2中提出使用多环圆顶电极(Multi-RingDomed,MRD)的焊接工艺，通过电极端面同心圆环刺穿铝合金表面氧化膜，降低电极/板材之间的接触电阻，改善了点焊过程中电极/板材的传热，实现了铝合金材料的点焊连接。MRD能够获得直径较大、全等轴晶焊核。但是一旦同心圆环明显变平，铜电极也会逐渐合金化。

美国专利US 20050029234 A1公开了一种复合电阻点焊电极，包括同轴环形颈环、同轴嵌套、同轴环形套筒及其组合。该类型电极可以改善焊点熔核形成，延长电极寿命。但是电极设计复杂，不易修磨。

中国专利CN 208276337 U公开了一种铝合金用的点焊电极，其包括：一体成型的电极本体；电极柱安装槽，其开设在电极本体的底部；铜基复合材料涂层，其通过对铝合金板面进行点焊时产生的电阻热和加压作用，在电极本体的顶端原位合成，可以提高TiB₂的利用率，减缓点焊过程中电极的烧损，使电极的使用寿命得到延长。该发明的电极点焊在若干次或修磨以后，涂层难以持续起作用。

发明内容

针对现有技术中铝合金电阻点焊电极帽点蚀严重的问题，本发明的首要目的是提供一种适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料。

本发明的第二个目的是提供上述铜电极材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料，其包括如下组分：

铬 0.19-0.72wt％，

碲 0.40-1.33wt％，

铜 余量。

作为本发明的进一步改进，适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料还包括如下组分：

一种上述的适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)、将铬颗粒、碲颗粒、铜颗粒、锆颗粒、镍颗粒、钴颗粒、硅颗粒、镁颗粒、锡颗粒、银颗粒、铁颗粒、铝颗粒、锌颗粒和硼颗粒进行熔炼混合，得到金属液；

(2)、将金属液浇铸模具内，得到铸锭；

(3)、将铸锭进行切割，得到切割后的铸锭；

(4)、将切割后的铸锭进行固溶和淬火处理；

(5)、将淬火处理后的铸锭进行时效处理，得到适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料。

优选地，步骤(2)中，金属液浇铸的温度为1130-1180℃。

优选地，步骤(4)中，固溶的温度为800-1000℃，固溶的时间为60-300min。

优选地，步骤(5)中，时效处理的温度为400-500℃，时效处理的时间为60-300min。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

本发明的铜合金材料中含有的Te元素可以抑制铝铜金属间化合物的生长，从而可以减缓铝合金电阻点焊中电极的点蚀问题，延长了电极帽的使用寿命；另外，本发明的铜合金材料中含有的Cr元素可以提高铜合金的强度，Cr元素和Te元素的相互作用，进一步保证了焊接质量，因此可广泛应用于铝合金电阻点焊中。

附图说明

图1为本发明中实施例5碲铬铜合金和对比例1铬锆铜的合金材料在相同温度和时间下扩散后，铝铜界面金属间化合物的生长情况示意图。

图2为本发明中实施例5碲铬铜合金与对比例1铬锆铜制备的电极进行铝合金电阻点焊焊点质量随焊接次数的变化曲线示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料及其制备方法。

<适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料>

本发明的适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料的主要组分包括：0.19-0.72wt％铬(Cr)和0.40-1.33wt％碲(Te)，余量为铜(Cu)。该铜电极材料中含有Cu₂Te、Cr_xTe_y(Cr₂Te₃、Cr₃Te₄、Cr₅Te₈等)金属间化合物及Cr单质。

实际上，当Cr含量低于0.19wt％时，形成不了足够多的Cr_xTe_y相，铜合金的硬度较低；而当Cr含量高于0.72wt％时，将明显降低铜合金的导电性能。因此本发明Cr的控制量为0.19-0.72wt％。

当Te含量低于0.40wt％时，若此时Cr的含量过高，没有足够的Te，不能形成足够的Cu₂Te、Cr_xTe_y相，会严重影响铜合金的导电性和硬度，且Te含量较低时，抑制电极点蚀的效果也不明显；而当Te含量高于1.33wt％时，Te过多地固溶在铜基体中将明显降低铜合金的导电性能。因此本发明Te的控制量为0.40-1.33wt％。

另外，本发明的适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料还包括：0.01-0.2wt％锆(Zr)、0.01-0.5wt％镍(Ni)、0.01-0.5wt％钴(Co)、0.01-0.6wt％硅(Si)、0.01-0.2wt％镁(Mg)、0.01-0.2wt％锡(Sn)、0.01-0.1wt％银(Ag)、0.01-0.1wt％铁(Fe)、0.01-0.1wt％铝(Al)、0.01-0.2wt％锌(Zn)和0.01-0.1wt％硼(B)。

<适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料的制备方法>

本发明的适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料的工艺流程为配料→熔铸→锯切→固溶于淬火处理→时效处理→机加工，制备方法具体包括如下步骤：

(1)、配料：按照设计成分准备铜颗粒(铜元素的纯度为99.99％)、碲颗粒(碲元素的纯度为99.99％)和铬颗粒(铬元素的纯度为99.95％)等合金元素，考虑各自烧损比后用天平精确称量(精度0.01g)；

(2)、熔铸：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(熔化温度为1130℃)后进行电磁搅拌以确保合金混合均匀，最终将液态金属液浇铸入准备好的石墨模具中，得到铸锭；

(3)、锯切：对铸锭进行切割，得到切割后的铸锭，其直径为22-30mm，高度为30-50mm；

(4)、固溶和淬火处理：对切割后的铸锭进行固溶处理，固溶的温度为800-1000℃，保温60-300min，并进行水淬；

(5)、时效处理：对水淬后的铸锭进行时效处理，时效处理的温度为400-500℃，保温60-300min；

(6)、机加工：将热处理后的铜合金材料加工为端面直径为6mm的标准电极形状，从而与焊枪匹配。

其中，在步骤(2)中，金属液浇铸的温度为1130-1180℃。

在步骤(4)和步骤(5)中，Cr、Te通过固溶并淬火处理溶入铜基体中形成过饱和固溶体，然后通过时效处理析出Cu₂Te以及Cr_xTe_y金属间化合物，析出的金属间化合物在铜合金中起弥散强化作用。

在步骤(4)中，固溶的温度可以为800-1000℃，优选为850±5℃；固溶的时间可以为60-300min，优选为240min。目的是确保在该温度和时间下，Cr、Te等元素可以充分溶入铜基体。当温度低于800℃时，固溶不充分；当温度高于1000℃，会出现过热或过烧现象。当时间低于60min时，部分固溶原子由于扩散不充分而没有完全溶入铜基体；当时间长于300min时，铜合金晶粒长大现象会比较严重，影响铜合金性能。

在步骤(5)中，时效处理的温度可以为400-500℃，优选为450±5℃；时效处理的时间可以为60-300min，优选为120min。目的是确保在该温度和时间下，过饱和固溶体中可以充分析出强化相粒子Cu₂Te、Cr_xTe_y。当温度低于400℃时，溶质原子扩散速度很慢，无法从过饱和固溶体中析出，影响铜合金的导电性；当温度高于500℃时，充分析出的晶粒会逐渐长大，影响弥散强化效果。当时间低于60min时，部分固溶原子未完全析出；当时间长于300min时，晶粒长大现象会比较严重，影响铜合金性能。

以下结合实施例对本发明作进一步的说明。

对实施例及对比例合金采用iCAP-6300电感耦合等离子体发射光谱仪进行成分测量；并在0.5kgf载荷下保压10s进行维氏硬度试验；电导率采用SBA-458塞贝克系数测试仪在20℃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。每个样品进行三次硬度和电导率的测量以确保数据的准确性。

样品电导率(％Std)＝σ_S/σ_Std×100％

其中，σ_S是待测试样品的电阻率，σ_Std是20℃下退火纯铜的电阻率。

将实施例与对比例铜合金材料与纯铝进行500℃，120min的等温扩散实验，实施例、对比例的成分、导电性、硬度和铝铜界面金属间化合物层平均厚度测试结果见表1。

表1实施例和对比例的成分、导电性、硬度和铝铜界面金属间化合物层平均厚度

由上表可知，本发明的铜电极材料的硬度达100Hv以上、导电率达80％IACS以上，且具有抑制铝铜金属间化合物生长的效果。虽然对比例1的合金材料的硬度高于各个实施例，但是导电性偏低，在焊接过程中由于电流热效应更易产热，且其生成的铝铜金属间化合物层较厚，从而导致电极寿命较短，因此不采用对比例1中组分含量。虽然对比例2的合金材料的电导性较好，但是硬度值偏低，焊接过程中电极容易被镦粗，从而使电流密度降低，影响点焊熔核的形成与生长，形成的点焊熔核直径较小，因此不采用对比例2中组分含量。虽然对比例3中铝铜金属间化合物层的平均厚度较低，且材料硬度较高，但是对比例3的导电性较差，焊接过程中电极产热较大，更高温度会使铝铜的相互扩散的速度加快，且电极软化镦粗现象更明显，从而影响电极寿命与焊接质量，因此不采用对比例3中组分含量。实施例1至实施例9中的合金材料在导电性、硬度、铝铜金属间化合物层厚度三者之间取得了很好的平衡，因此更为适合作为铝合金电阻点焊电极材料，故本发明的铜电极材料中Cr为0.19-0.72wt％，Te为0.40-1.33wt％。

如图1所示，将实施例5与对比例1(C18150)铜合金材料与纯铝进行500℃，120min的等温扩散实验。可以看出实施例5的铝铜界面金属间化合物层厚度要明显更薄，即实施例5的碲铬铜材料的合金化倾向要比对比例1更小，因此，本发明的铜合金材料中含有的Te元素可以抑制铝铜金属间化合物的生长，从而可以减缓铝合金电阻点焊中电极的点蚀问题，延长电极寿命。

对实施例5与对比例1(C18150)材料制备的电极进行铝合金电阻点焊实验，焊接电流为16kA，焊接时间为500ms，焊接压力为2kN，连续焊接双层1mm AA 6061-T6铝合金板材50个点过程中熔核直径与拉剪强度的变化趋势，从图2中可以看出使用实施例5作为焊接电极的焊点，不仅熔核直径较为稳定，而且拉剪强度也没有明显的下降趋势。相反，使用对比例1作为焊接电极的焊点，熔核直径与拉剪强度都随着焊接次数的增加呈下降趋势。

综上，本发明的实施例中铜电极材料的综合性能均优于现有用于铝合金电阻点焊的常用电极材料铬锆铜C18150，因此是进行铝合金电阻点焊的理想电极材料。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料，其特征在于：其包括如下组分：

铬 0.19-0.72wt％，

碲 0.40-1.33wt％，

铜 余量。

2.根据权利要求1所述的适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料，其特征在于：其还包括如下组分：

3.一种根据权利要求1或2所述的适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：

(1)、将铬颗粒、碲颗粒、铜颗粒、锆颗粒、镍颗粒、钴颗粒、硅颗粒、镁颗粒、锡颗粒、银颗粒、铁颗粒、铝颗粒、锌颗粒和硼颗粒进行熔炼混合，得到金属液；

(2)、将所述金属液浇铸模具内，得到铸锭；

(3)、将所述铸锭进行切割，得到切割后的铸锭；

(4)、将所述切割后的铸锭进行固溶和淬火处理；

(5)、将淬火处理后的铸锭进行时效处理，得到适用于铝合金电阻点焊的铜电极材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述金属液浇铸的温度为1130-1180℃。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述固溶的温度为800-1000℃，所述固溶的时间为60-300min。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，所述时效处理的温度为400-500℃，所述时效处理的时间为60-300min。

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