CN111615565A - 用于铝板或钢板的焊接电极以及获得该电极的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于焊接钢板或铝板的电极，其导电性大于或等于90％IACS，并且由合金制成，基于合金的总重量以重量计，该合金包括比例等于或小于0.1％且小于0.4％的铬、比例在0.02％至0.04％之间的锆、比例小于0.015％磷、为铜和比例小于0.1％的不可避免的杂质其余成分，该电极结构有利地包括非共格铬沉淀，大于90％的非共格铬沉淀具有小于1μm²的投影表面，沉淀具有在10和50nm之间的尺寸，电极的纤维结构由厚度小于1mm的径向纤维和直径小于5毫米的基本上中心无纤维区域组成。本发明还涉及一种用于制造电极的方法。

Description

用于铝板或钢板的焊接电极以及获得该电极的方法

技术领域

本发明涉及焊接电极领域。

更具体地，本发明涉及通过铜电阻的焊接电极。

根据本发明的电极将特别关注于将铝板彼此焊接。

根据本发明的电极也可以被实施用于焊接钢板。

作为初步说明，在说明书的其余部分中，“铝板”是指由包含铝的合金制成的板材，特别是由AlMgSi(铝-镁-硅)合金或AlMgMn(铝-镁-锰)合金制成的板材。

这些铝板一旦被焊接和组装，它们特别适用于汽车工业。

背景技术

传统上，通过结合高电气强度和也称为“夹持力”的周期性压力来完成两个板材的焊接。

更具体地说，首先，增加待组装的两个板材之间的夹持力。接下来，在第二阶段期间，并且两个板材一旦被夹住，电流就在位于该板材的两侧的两个电极之间通过。

电流在两个电极之间的通过导致板材的相关区域处的温度增加，直至两个板材之间的熔点，这在固化之后在板材与板材的界面处产生焊接点。

在焊接铝的情况下，夹持力会降低板和电极之间的接触电阻。

压力维持电极与板组件之间的接触。为了焊接，夹具用铜制成的电极挤压组件，铜是一种出色的导电和导热材料。这种选择使得可能减小加热区域，该加热区域受限于待焊接的两个板材之间的接触区域。

一旦达到熔点，就维持压力，并且停止电强度以在将电极与已组装的板材分离而后继续到下一个焊接点之前冷却焊接点。

焊接参数因此尤其取决于板材的电阻、板材与电极之间的界面电阻、组件的总厚度和电极的直径。

例如，这种方法通常用于薄钢板的组装。

尽管不太常见，但是也可以对铝板实施这种方法。

关于电极本身，从现有技术的文献WO 2016/203122中已知一种用于钢板的，特别是用于具有抗腐蚀涂层的板材的焊接电极，其基础成分由铜、铬和锆的合金组成，还包含磷和/或镁。

合金中铬的重量比在0.4和0.8％之间，锆的重量比在0.02和0.09％之间，磷和镁的总重量比大于0.005％，镁的重量含量小于0.1％且磷的重量含量小于0.03％。其余成分由铜组成。

这个电极的金相组织是特殊的，它包括非共格铬沉淀，其中大于90％的非共格铬沉淀具有小于1μm²的投影表面，该非共格铬沉淀具有在10至50nm之间的尺寸。此外，该电极具有纤维结构。

这种用于焊接钢板的电极的导电性大于85％IACS。

这种电极用于焊接钢板特别令人关注，特别是因为它们比典型的电极更好地承受腐蚀现象。这种腐蚀现象是由于电极中的铜和涂层中的锌与钢板中的铁发生化学反应而引起的，并且导致电极表面层的降解，需要定期清除腐蚀层，甚至更换电极。

无论哪种情况，在焊接钢板的情况下，焊接点处的温度达到1560℃，并且在与钢板的表面接触期间，电极的表面将达到700℃以上的温度。

然而在这样的温度水平下，一方面，导致电极表面腐蚀的化学反应被加速，但是另外，电极本身的材料将通过称为“热蠕变”的磨损现象而变形，从而导致表面层从电极横向脱离，因此其端部变宽。

结果，使电极与板材之间的接触表面变大，然后有必要增加电流密度以保持板材的焊接点的质量。但是，增加的表面和增加的电流意味着更宽的腐蚀。

因此，在将钢板彼此焊接期间，如国际申请WO 2016/203122中所描述的电极可以改善在高于700℃的温度下的抗蠕变性，有时可以改善达到800℃的温度下的抗蠕变性。

但是，可以进一步提高这种电极的导电性。

此外，还应注意，为了减轻车身重量，以期限制燃料消耗，当今越来越多的汽车制造商正在用铝板替代钢板，特别是用铝合金，例如AlMgSi(铝镁硅)合金或AlMgMn(铝镁锰)合金制成的铝板。

事实上，铝的密度是迄今为止所使用的钢板密度的35％。

还应注意的是，随着电动汽车的发展以及提高后者电池的自主性的需要，进一步扩大了由铝合金制成的板材替代钢板的趋势。

使用铝板的另一个优点是提高了耐腐蚀性，使得不再需要钢板中必需的锌基防腐涂层。

此外，已经证明，对于汽车制造商来说，完全有可能使用带有电阻焊接机器人的钢板车身组装线来组装铝板车身。考虑到无需投资专用的装配技术(胶合、铆钉、铆接、激光等)，这对于公司而言是真正的优势。

此时，汽车制造商例如将由铜-锆合金(0.15％)制成的电极用于车身铝板的电阻焊接，这些电极通常地也用于焊接钢板。

对于铝板，焊接点必须达到两个板材之间的接触温度660℃，该温度大大低于两块钢板的焊接点上达到的1560℃温度。与电极接触的板材的表面温度也因此将低于在焊接钢期间所观察到的温度。

事实上，铝的导电性比钢的导电性好得多(高4至5倍)，大大降低了电阻加热，从而使得在焊接点处实现熔化成为可能。

因此，在相似的焊接条件下，为了焊接两块铝板，有必要显着增加所施加的强度，与焊接钢板所实施的强度相比典型地增加120％，同时减少焊接时间，后者典型地必须相对于钢的焊接时间除以2。

电极中耗散的能量与强度的平方、电极电阻和焊接时间成正比。具体而言，相对于钢用电极，铝板焊接用电极中的这种耗散能量高2.4倍。

电阻与导电性成反比，为了焊接铝，必须有一个导电性大于90％IACS(国际退火铜标准)的电极，而焊接钢需要导电性大于75％IACS。

此外，为了使铝板的焊接电极具有可接受的寿命，还必须考虑在这个焊接过程中在电极表面与铝板接触期间发生的化学和热机械反应。

化学反应是板材的铝与电极的铜之间热接触的结果，其形成了氧、铝和铜合金的层。这个层比在焊接涂有锌防腐蚀保护层的两块钢板的过程中在电极表面形成的铜和锌合金层的电阻要大得多。

因此，在焊接铝板的过程中，电极的表面层在电阻和所施加的强度的作用下比这同一电极的基体更容易受热，直到有利于氧化铝通过熔化粘附到电极表面，这应该被避免。

典型地，在焊接铝的过程中，电极的表面温度在500和550℃之间，而在钢焊接过程中，这同一温度在700℃以上。

因此，相对于焊接铝板，在焊接钢的情况下，电极的表面与待焊接的金属的温度之间的温度偏差要高得多。

事实上，正如上面的描述中已经提到的那样，当两块板材由钢制成时，两块板材之间的接触温度必须达到1550-1560℃才能发生熔化，而电极的表面温度高于700℃，这导致大约750-850℃的温度偏差。

在焊接铝的情况下，两块板材之间的接触温度必须达到660℃，而电极表面的温度是大约500至550℃，这会导致大约160℃的最大温度偏差。

在焊接钢板的情况下，考虑到锌表面层在热焊接过程中保护板材的钢免受腐蚀，这尤其正确的。锌层通过锌的潜在熔化热的作用阻止了板的加热，并且防止了钢中的铁直接与空气接触。

这种锌的表面层在铝板上不存在。因此，在焊接铝板的情况下不提供保护。从而，包括氧、铝和高电阻铜的合金层在每次将两块铝板彼此焊接在一起时会积聚在电极表面上，这将增加这种电阻效应并且增加电极与铝板之间的接触温度，直到达到铝的熔化温度。

在那时，焊接点处有排出，换句话说，在板材的外面处排出融化金属，结果焊接点的质量退化。

关于在电极的表面与铝板或钢板接触期间的热力学反应，后者一方面是由于在焊接夹具所施加的夹持力的作用下，焊接过程中电极表面的热蠕变引起的，另一方面是由于在焊接结束时，在夹具的开启力的作用下表面从电极上拉出引起的。

在夹持力的作用下，电极的接触面将扩展，从而在相同的焊接强度下导致电流密度降低以及局部加热越来越少。结果，焊接点的直径减小，并且变得不足以保证两个板材的组装。

在焊接钢的情况下，在开启力的作用下，越多电极粘附至钢板，发生的微拉出就越多，越会使电极的接触面降低。

为了恢复铝的焊接，当电极的表面温度达到接近铝的融化温度时，必须避免焊接点的排出。

为此，它可以证明增加夹持力是令人关注的。事实上，夹持力越高，板材与电极之间的接触越好，接触电阻越低并且电极的接触表面处的热量就越少，而且，温度越低，铝的氧化和转移到电极的表面的氧化铝越少。

但是，随着尤其是由夹持力所引起的接触表面的扩展，必须增加焊接电流以保持符合要求的焊接点质量，这导致电极的更大降解。

当电极表面的降解过大时，则必须对这个表面进行机械剥离，以保证焊接点的质量。

然而，这种剥离操作具有要求将电阻焊接机器人停止在板材的装配线上的缺点，不可避免地导致生产率的降低，特别是是剥离频率太高时。

因此，看来有必要提出一种电极，该电极特别地满足用于电阻焊接铝板的方法的需求，典型地用于这个方法的0.15％锆中的CuZr电极相比，具有最佳的导电性和改善的焊接性能。

更普遍地，提出了一种在所有情况下均具有改善的导电性的电极，特别是用于焊接铝基板材，但也用于焊接钢板，并且其使得可以减小板材与电极之间的接触电阻，因此避免在电极的接触表面上加热以及由此所产生的缺点。

发明内容

为此，本发明涉及一种由铜、铬、锆和磷的合金制成的电极，用于焊接由钢和铝或铝合金制成的金属板，其特征在于该合金由重量比大于或等于0.1％且小于0.4％的铬、重量比在0.02至0.04％之间的锆、重量比小于0.015％的磷、为铜和重量比小于0.1％的不可避免的杂质的其余成分，并且该电极的导电性大于或等于90％IACS(国际退火铜标准)。

有利地，该电极的结构包括非共格铬沉淀，其中大于90％的沉淀具有小于1μm²的投影表面，该非共格铬沉淀具有至少在10和50nm之间的尺寸，该电极还具有在表面和化学蚀刻后沿该电极的活性面的横断面可见的纤维结构，该结构由一方面是多条径向纤维及另一方面是直径小于5mm的没有纤维结构的基本上中心的区域组成，该纤维的厚度小于1mm。

特别优选地，当在焊接铝板或铝合金板的情况下应用时，该电极能够在将两块铝板彼此焊接期间维持大于或等于120MPa的比压，以限制该电极与两块铝板之一的外表面之间的接触电阻。

与申请WO 2016/203122中的用于生产钢板的焊接电极的还包含磷和/或镁的CuCrZr合金相比，该初始合金中减少的铬含量，可显着提高导电性，后者系统地大于或等于90％IACS，如下文所提供的示例中所示。

此外，这种减少的铬含量使得能够出乎所有意料地保持非共格铬沉淀，这些沉淀已经是国际申请WO 2016/203122中所描述的用于钢板的电极的改进焊接性能的来源，特别是通过增加这种电极对热蠕变的电阻。

因此，根据本发明的电极特别令人关注于并且特别适用于焊接铝板或铝合金板，而且也适用于焊接钢板，特别是由于其所显示出的特别高的导电性。

有利地，铬的重量比在0.2和0.3％之间。

根据本发明另一个特性，锆的重量比在0.03和0.04％之间。

令人关注地，磷的重量比小于0.01％。

优选地，不可避免的杂质的重量比小于0.05％。

尤其特别地，根据该化学元素对导电性的影响，将权重系数分配给可能作为合金中杂质存在的每种化学元素，以百万分之一计，该化学元素中的每种元素的权重比例之和少于5000。

更优选地，以百万分之一计，该化学元素中的每种元素的权重比例之和少于2000。

本发明还涉及一种自合金通过连续浇铸制造根据本发明的焊接电极的方法，该合金由重量比大于或等于0.1％且小于0.4％的铬、重量比在0.02和0.04％之间的锆、重量比小于0.015％的磷、为铜和重量比小于0.1％的不可避免的杂质的其余成分组成，该方法至少包括以下步骤：

a)在大于或等于1200℃的温度下熔化合金的各种组分，即铜、铬、锆和磷和/或镁；

b)通过直径为d的圆柱形模头连续浇注，能够获得直径接近模头直径d的棒材，同时将在浇注炉中的液态金属保持温度在1100和1300℃之间；

c)固化该棒材并且冷却至低于100℃的温度，冷却速度至少等于10℃/s，直到达到1060℃的棒材温度，然后在1060和1040℃之间冷却速度至少等于15℃/s，然后在1040和1030℃之间冷却速度至少等于20℃/s，然后在1030和1000℃之间冷却速度至少等于25℃/s，然后在1000和900℃之间冷却速度至少等于30℃/s，然后对于900℃以下的温度冷却速度至少等于20℃/s，直到棒材冷却至不超过100℃的温度为止；

d)冷加工以获得直径小于20mm的棒材；

e)剪切该棒材以获得坯料，然后通过去除材料进行冲压或机加工以使该电极形成其最终形状，

该方法包括以下步骤中的至少一个步骤：在步骤e)进行电极成形之前和/或之后，进行时效处理或退火处理，并且在该方法中，该电极的活性面的金相组织包括非共格铬沉淀，其大于90％的沉淀具有小于1μm²的投影表面，该非共格铬沉淀具有至少在10和50nm之间的尺寸，该电极还具有在表面和化学蚀刻后沿该电极的活性面的横断面可见的纤维结构，该结构由一方面是多条径向纤维且另一方面是直径小于3mm的没有纤维结构的基本上中心的区域，该纤维的厚度小于1mm，该电极的导电性大于或等于90％IACS(国际退火铜标准)。

优选地，步骤a)的合金的不同组分的融化在1200℃和1300℃之间的温度下进行。

步骤b)的连续浇注有利地在将浇注炉中的液态金属的温度维持在1150和1250℃之间期间完成。

对于低于900℃的温度，步骤c)中的该棒材的冷却能够以至少等于30℃/s的冷却速度进行，直到棒材被冷却至不超过100℃的温度。

在该方法的第一实施例中，时效处理能够在步骤e)进行电极成形之前完成，并且由在450和480℃之间的温度下进行1至2h的沉淀处理组成。

在第二实施例中，根据使步骤e)电极成形，在450和480℃之间的温度下实施的沉淀处理进行1至2h。

模头的直径d优选在20和70mm之间，优选在20和40mm之间。

在步骤d)进行冷变形期间，有利地实施小于0.5mm厚的外部加工操作，以消除在固化步骤c)期间所产生的表面缺陷。

本发明具有许多优点。

首先，由于用于生产根据本发明的电极的基础合金的组成，后者的导电性性特别高，通常大于或等于90％IACS。这种改善的导电性使得能够解决铝相对于钢的电阻降低的问题。

其次，与当前在汽车工业中用于焊接铝板的CuZr电极相比，根据本发明的电极具有显着改善的抗蠕变性。尽管在焊接过程中在电极及其表面产生了热量，但仍保留了较高的硬度，因而提高了抗蠕变性。

结果，在由焊接夹具施加的夹持力的作用下，电极与板材的接触表面将更不易扩展(spreading)，因此，将限制电极在板材上的粘附。结果，在夹具打开期间，在电极处将发生较少的表面微拉出(surface micro-pulling out)。

这种抗蠕变性使得能够减小接触表面的扩展效应，其能够引起电流密度的减小和焊接点直径的减小，这将不足以保证两个板材的组装。

第三，这种抗蠕变性使得能够维持较高的比压并且减小接触电阻。在焊接铝板或铝合金板的情况下，不良的接触电阻有利于铝在电极表面上的铜中的扩散以及氧化铝向电极表面上的转移。接触电阻由在每次焊接时在电极表面积聚的高电阻氧、铝和铜合金层的形成导致。

在钢焊接的情况下，比压为约80MPa；对于铝，这个压力必须保持大于120MPa，以避免过度的接触电阻。

本发明的电极能够在铝板的焊接期间维持大于120MPa的比压，而不会通过明显的热蠕变而使电极表面快速扩展。

最后，从前文可以看出，相对于当前的CuZr电极，在需要进行机械剥离操作以恢复本发明电极的表面的质量之前，该电极可以使用更高次数的循环，从而在生产率方面产生不可忽视的增长。

具体实施方式

参考唯一的附图，从下面的本发明的非限制性实施例的详细描述中呈现本发明的其他特征和优点，左侧是根据本发明的电极，右侧是由铜和锆合金制成的电极，包含0.15重量％的锆，目前被汽车制造商用于焊接铝板。

在通过应用相同的参数，特别是焊接点数量、施加的电强度、焊接时间等方面，对两个电极进行焊接之后，在两个电极的中每个电极的圆角末端可见的灰色部分显示了通过机械剥离去除的材料数量，以保持最佳的焊接点质量。

本发明特别地涉及由合金制成的电极，该合金由以下制成：

-重量比大于或等于0.1％且小于0.4％的铬，有利地在0.2和0.3％之间，

-重量比在0.02和0.04％之间的锆，更优选在0.03至0.04％之间(或在300和400ppm之间，1ppm相当于1mg/kg)，

-重量比小于0.015％的磷，有利地小于0.01％(小于100ppm)，

-是铜和重量比小于0.1％的不可避免的杂质的其他成分，而且知道，更优选地，杂质中的比例小于0.05％，或小于500ppm。

合金中杂质的存在是该合金开发过程所固有的。然而，用于生产本发明的电极的合金中所有杂质的总重量比不得超过0.1％，以免对该电极的特性，特别是其尤其高的大于或等于90％IACS(国际退火铜标准)的导电性产生负面影响。

不可避免的杂质是由于合金的发展而产生的，并将除合金组成中所含的那些元素以外的所有其他元素归为一类，其可能会损害导电性，但不包括银。

事实上，在不损害电极性能的情况下，可以想到添加多达0.05％重量(500ppm)的银。

因此，在杂质中将不考虑银，并且在不损害根据本发明的电极的特性的情况下，银可添加至最高达到500ppm的比例。

如上所述，重要的是所存在的杂质不降低导电性。然而，这里被认为是杂质的某些元素比其他元素对降低导电性的影响更大。

因此，在为每种杂质分配权重系数时应考虑到这一点，如下表1所示。

表1：根据化学元素的权重系数值

以加权系数ppm计，每种杂质的比例之和不得超过5000。

有利地，杂质的加权总和不超过2000。

因此，例如，如果合金中的杂质以指定比例存在，则为100ppm的硅(Si)，100ppm的铁(Fe)，50ppm的锡(Sn)，50ppm的铝(Al)，50ppm的锌(Zn)，20ppm的硫(S)和100ppm的其他杂质，杂质的总比例为470ppm。

杂质的加权总和如下计算：将存在的每种杂质的以ppm计的比例乘以其各自的加权系数，然后将这些加权比例相加。

再次使用上面示例中给出的杂质，其加权总和因此如下计算：

100×10+50×2+50×2+50×1+20×20＝2650。

本发明还涉及一种由合金制成电阻焊接电极的方法，该合金的组成由铜、铬、锆和磷组成，其比例特别地如上所述。

电极的制造方法为连续浇铸法，其至少包括以下步骤：

a)在1200℃以上温度融化合金的不同组分，优选地在1200℃和1300℃之间；

b)通过直径为d的圆柱形模头或圆柱形模具进行连续浇注，以获得棒料；

能够在将浇注炉中的液态金属保持在1100和1300℃之间，优选在1150和1250℃之间的温度下进行这个浇注。

c)固化该棒材，并且优选地以定义的冷却速度使其冷却至低于100℃的温度，冷却速度至少等于10℃/s，直到达到1060℃的棒材温度，然后在1060和1040℃之间至少等于15℃/s，然后在1040和1030℃之间至少等于20℃/s，然后在1030和1000℃之间至少等于25℃/s，然后在1000和900℃之间至少等于30℃，然后对于900℃以下的温度至少等于20℃/s，直到棒材被冷却至不超过100℃的温度为止。

冷却速度因此为至少20℃/s，直至至少达到100℃的棒材温度。

优选地，对于低于900℃的温度，冷却速度至少等于30℃/s，直到棒材被冷却至不超过100℃的温度。

有利地，对于700℃以下的温度，步骤c)中的该棒材的冷却仍然以至少等于30℃/s的冷却速度完成。

这个固化和冷却步骤不包括特定的热处理，直到在1060℃固化结束时才可以将其放置在溶液中。

d)对该棒进行冷变形，以获得直径小于20mm，优选在12和19mm之间的棒材；可选地，能够进行有利地小于0.5mm厚的外部加工操作，以消除由先前步骤所产生的任何表面缺陷；

e)通过剪切该棒材来完成电极的成形以获得坯料，然后通过去除材料进行冲压或机加工以使该电极形成其最终形状，

在该方法期间，进行至少一种时效处理或退火处理。这个步骤在步骤e)进行电极成形之前和/或之后进行。

这种时效处理包括能够以不同方式进行的热处理。

优选地，在450和480℃之间的温度下实施沉淀处理1至2h。

因此，能够在步骤d)进行冷变形和步骤e)进行电极成形之间的1至2h的时间，在450至480℃之间的温度下进行这种沉淀处理。

根据另一个实施例，在步骤e)进行电极成形之后实施沉淀处理，作为该方法的唯一时效处理。

在步骤e)之后，在该方法的最后完成沉淀处理的实施方式的优点是为电极的机械特性提供了更大的稳定性。

也可以在前述持续时间和温度条件下进行两次沉淀处理，第一次在步骤e)之前，第二次在该步骤e)进行电极成形之后。

特别有利地，在本发明方法的步骤b)中，圆柱形连续浇注模头的直径d小于70mm。

优选地，该直径d在20和70mm之间，并且更优选地，该直径在20和40mm之间。

此外，在该方法的步骤c)期间施加的并且允许棒材的固化然后进行固体冷却的冷却速度是特别重要的，这导致快速固化和非常强大的外围冷却。

优选地，冷却速度还根据该棒材的温度而变化。

更具体地，当棒材的温度大于1060℃时，该冷却速度有利地至少等于10℃/s，而当温度在1060和1040℃之间时，该冷却速度至少等于15℃/s。然后当温度在1040和1030℃之间时，该冷却速度至少等于20℃/s，然后当温度在1030和1000℃之间时，该冷却速度至少等于25℃/s，然后当温度在900至1000℃之间时，该冷却速度至少等于30℃/s。对于低于900℃的棒材温度，冷却优选以至少等于20℃/s的速度进行。

对于900℃以下的温度，冷却速度还能够至少等于30℃/s。

优选地，在根据本发明的方法中，冷却未施加在固体上，而是施加在液体上，并且从固相线开始，也就是说，在大约1070℃的温度。特别地，已经显示出在1060和900℃之间的温度范围，以在定义方法时使用的最小冷却速度改善溶液中的放置。

900℃以下，则无法放置在溶液中；对于900℃以下的温度，一定要以至少20℃/s的速度继续冷却，以免产生不受控制的时效(aging)。

更具体地，非常快速的固化和冷却，直到铬原子的扩散受到限制的温度，才允许共格和非共格铬沉淀均匀分布。

这些冷却条件被进一步应用于到具有减小的直径在20和70的mm之间，优选地在20和40mm之间的圆柱形模具上，参与获得具有径向取向的柱状固化织构的棒材。通过在该棒材中以及在棒材的整个体积上进行横向切割，可以看到这种织构。

具有圆柱形形状的模头或模具优选地被外壳包围，在该外壳中，油或冷却气体或冷却水在其中循环，以允许固化和冷却。

本发明方法的另一个优点在于，事实上，由于加热和同时发生的变形，能够避免动态的热重结晶。结果，保留了由于实施本发明方法而产生的所关注的沉淀和织构。

在用于生产新颖的焊接电极的碱性合金中，铬含量优选在大于或等于0.1％且小于0.4％的重量比内，这个比例优选在0.2和0.3％之间。

使用根据本发明的方法，使非共格铬沉淀，即与基质没有结晶学关系的颗粒超过溶解度极限。

事实上，在本发明的方法中，淬火处理作为合金的固化的应用，其在大约1070℃的温度下完成，使得能够使铬在铜中的溶解度最大化并且保持晶粒接头处的铜铬共晶。

特别令出人意料地，可以确定铬的比例大于或等于0.1％且小于0.4％使得能够产生期望的铬沉淀。

因此，与现有技术中普遍存在的想法相反，尽管减少了合金中铬的比例，但在本文所描述的合金组成上实施的方法的步骤的组合仍能够保持非共格铬沉淀，而不会产生过大的铬沉淀，其可能会在步骤d)进行冷转化期间引起分层。

通过实施本发明的方法获得的非常细的柱状固化织构使得特别有利地能够在通过该方法所获得的焊接电极的整个体积中均匀地分布铬成分(固溶体中的铬、共晶铬和金属铬)的不均匀性。

通过增加电极对热蠕变的抵抗力，这些铬沉淀是改善电极焊接性能的来源。值得注意的是，对于具有锌涂层的钢板的焊接，这些沉淀用于延迟或阻止铁和锌的扩散，铁和锌是该电极的活性面的化学腐蚀的源头。

本发明的方法，特别是在固相冷却的优选应用，还促进了共格铬沉淀的均匀分布，也就是说，沉淀与基体的晶体结构具有连续性。

通过本发明方法的实施，由于存在铜沉淀或晶粒，而所得的电极又具有纤维结构，因此其反过来也具有非常纤维化的形式。

根据本发明的电极在冲压之后(结果未示出)的纵向截面，似乎纤维结构是左右对称的，纤维从活性面开始并且在电极的内部冷却面附近，并且朝向电极的裙边变得越来越紧。

在这个相同电极的横断面中，纤维类似车轮的辐条，其中轮毂对应于电极的没有明显纤维结构的中心区域，其直径小于5mm，优选地小于3mm。细的径向纤维的厚度有利地小于1mm，并且还更有利地小于0.5mm。

这种纤维织构是通过实施本发明方法获得的电极的特征，是该方法的步骤c)之后获得的金相组织的直接结果，并且与某些常规电极的精细且均匀的结构非常不同。

通过本发明的方法获得的电极的纤维结构，特别是由于存在显着长度的针状铜晶粒，使得能够改善焊接期间该电极的活性面的角度对包括变形场和温度场在内的热机械应力场的抵抗力。

更具体地，本发明的电极的纤维结构在钢板或铝板的焊接期间有利于从温度最高的电极的中央区域朝着冷区域径向和纵向排放热量，也就是说，电极的内表面和外围。结果，本发明的电极特别地更耐蠕变现象。

为了获得根据本发明的该电极，先前已经提到了基础合金的组成。这个合金包含铜和铬，后一组分在合金中的比例大于或等于0.1％且小于0.4％。

除了这两种组分外，根据本发明的合金还包含重量比优选在0.02和0.04％之间的锆。这样的比例有利地使得能够避免产生会促进材料冷裂的沉淀。

锆的比例还更有利地在300和400ppm之间，或在0.03和0.04％之间。

有利地，基础合金包含重量比小于0.015％的磷，这个比例优选小于100ppm。

当考虑到大批量生产时，这个元素脱氧既比铬多，又比锆少，则有助于很好地控制残留锆的含量。

本发明还涉及一种可以使用前述方法获得的电极。

如前所述，根据本发明的该电极相对于常规电极具有原始的微观特性。

在焊接之前和之后，通过透射显微镜对本发明的电极的材料的结构进行分析，使得能够显示出相对于常规CuZr电极的微观结构的差异，尤其是晶粒的形态以及铬沉淀的尺寸和分布。

尤其是，在微观尺度上观察到，根据本发明的电极的材料包括超过90％的非共格铬沉淀，其投影表面小于1μm²。

此外，在纳米尺度上，除了尺寸为2至5nm的共格铬沉淀之外，还观察到尺寸在10和50nm之间，更具体地在10和20nm之间的非共格铬沉淀的群体。

这些非共格铬沉淀是本发明电极的特征，并且在常规CuZr电极的材料上见不到。

此外，应该指出的是，所进行的分析还表明，在板材焊接步骤中，在手边钢板带有锌涂层的情况下，使用本发明的电极，这些非共格铬沉淀的尺寸演变。

事实上，在焊接镀锌钢板的过程中，观察到接近电极活性面时的沉淀聚结，更具体地说，层β中30至50nm处以及层γ中100至150nm处的非共格纳米沉淀。

典型地，化学反应层的层β离电极的表面最远。它是锌在铜中的黄色扩散层，含40％锌。在表面上，化学反应层包括富铁层，典型地25％，该富铁层是在钢板在850℃以上温度中粘附在电极表面时形成的。最后，在层β和富铁层之间，存在着含55％锌的层γ。

在根据在本发明的电极上进行的其他分析表明，存在于层γ中的非共格铬沉淀富含铁，因此能够阻止铁的扩散。

最后，还对使用根据本发明的方法获得的电极进行了热机械特性测试。这些测试的结果表明，相对于某些常规电极的蠕变温度，该电极的蠕变温度提高了100℃。

更具体地，在焊接钢板的情况下，通常，在焊接操作期间，在大约700℃的温度下，常规电极的活性面的蠕变变得敏感。事实上，随着电极的表面软化，存在表面蠕变和层γ破裂，这促使铁在层γ中扩散，然后以FeZn沉淀的形式在层β中扩散。层β变为电阻性(resistive)，被加热到850℃以上，导致层γ消失。结果，该传统电极的材料将在焊接点的过程中开始拉出，导致焊接点的快速降解。

相反，对于根据本发明的电极，在焊接钢板的情况下，这种蠕变温度为约800℃，这使得能够延迟层γ的机械应力，从而促使在该电极的活性面上保护性地维持该层γ。

结果，通过实施本方法获得的电极尤其地具有增加的寿命和改善的焊接性能。

为了说明根据本发明的电极对铝板的电阻焊接的利益(interest)和技术特征，在下面给出将该电极的性能与当前具有铝车身的汽车制造商所使用的铜-锆(0.15％)电极的性能进行比较的三个示例。

示例1：热处理前后距电极表面3mm处的层的特性对比测试

在500℃热处理持续8h前后，在距汽车制造商目前使用的CuZr电极的表面和根据本发明的电极表面及其至少3mm处测量布氏硬度(硬度HB)。

此外，还在热处理(HT)之前和之后测量了这两个电极的％IACS导电性。

用于制造被测电极的合金成分如下：

-Cr：0.2至0.3％；

-Zr：300至400ppm；

-P：80至120ppm；

-余量：铜和比例小于300ppm的不可避免的杂质，加权总和<2000。

在这些对比测试中获得的结果总结在下表2中。

表2：典型的CuZr电极与根据本发明的电极在热处理前后的“硬度”和“导电性”特性的比较

表2中给出的结果表明，与常规的CuZr电极相比，在施加的热处理之前和之后，根据本发明的电极的“硬度HB”和“导电性％IACS”更加恒定。

事实上，在热处理之前，新的CuZr电极的表面的导电性低于根据本发明的新电极的表面，导电性％IACS为86对91。

结果，常规的CuZr电极加热更明显并且也不能承受热软化，这反映为在在100HB对140HB下进行热处理之后，根据本发明的电极的硬度的降低。

导电性的这种差异最终导致与根据本发明的电极相比，CuZr电极的表面蠕变更大。

示例2：焊接后表层特性的对比测试

在焊接之前(“新”电极)和焊接之后(“焊接结束”)，在汽车制造商当前使用的CuZr电极和根据本发明的电极的表面及距其至少3mm处测量布氏硬度(硬度HB)。还仅对根据本发明的电极，在30个焊接点之后也测量了硬度HB。

此外，在热处理(HT)之前和之后，以及对于根据本发明的电极在30个焊接点之后，对这两种电极测量％IACS导电性。

在这些对比测试中获得的结果总结在下表3中。

表3：典型的CuZr电极与根据本发明的电极在焊接前后的“硬度”和“导电性”特性的比较

这个表格中总结的结果还表明，根据本发明的电极在焊接前后之间更加一致。

根据本发明的电极在其整个操作周期中，一方面具有较高的导电性(在90和92之间，对比86-88)，另一方面具有更好的抗软化性。事实上，根据本发明的电极在焊接结束时还具有150的表面硬度HB，而通常的电极在焊接结束时具有125HB的硬度。

所得结果还表明，CuZr电极上的软化损失集中在表面上。事实上，距表面至少3mm处的硬度基本上保持恒定，约为140-150HB，并且导电性尚未提高到94。尽管如此，CuZr电极的表面蠕变导致接触面扩散并且导致焊点直径不足。

根据本发明的电极在保持其机械特性的范围内工作。

特别地，尽管在焊接期间在电极中产生了热量，但是根据本发明的电极仍保持高水平的硬度，因此提高了耐蠕变性。

结果，该电极在焊接期间变形较小，由于机械剥离的频率降低，从而使用户能够提高生产率。

示例3：焊接性能对比测试

参照唯一的附图，第三种测试包括对制造商典型应用的CuZr电极与根据本发明的电极之间的焊接性能进行比较。

由于在焊接过程中具有更好的抗蠕变性，并且所有其他参数都相同(就焊接参数而言：强度，夹持时间，尤其是冷却)，因此在使电极表面恢复到初始状态的机械剥离过程中，根据本发明的电极去除的材料为15％或更少。

在机械剥离操作期间，从根据本发明的电极1中去除的材料的数量对应于附图1的灰色部分。本发明的电极1需要去除的材料量与传统的CuZr电极2相比较小，后者的蠕变会导致其端部扩展，如图1所示。

一个周期对应于执行机械剥离操作之前焊接的点数。

在必须对本发明的该电极进行机械剥离以保持最佳焊接点质量之前，相对于当前使用的CuZr电极的平均循环次数，利用根据本发明的电极，并且在不改变焊接参数的情况下，一方面可以将循环次数增加15％，另一方面可以将每个循环的点数增加10％。

因此，根据本发明的电极能够在不改变焊接参数的情况下将生产率提高约27％。

通过实现为CuZr电极的优化使用而特别定义的焊接参数，根据本发明的电极在铝板上的焊接循环期间具有非常好的稳定性。

这意味着，为这些CuZr电极定义的焊接参数不会使根据本发明的电极的表面降解(degrade)，即使后者的焊接点数量增加了27％。

因此，对于本领域技术人员而言显而易见的是，限定本发明电极特有的焊接参数将允许在焊接点数量方面的额外改进。

Claims (16)

1.一种由铜、铬、锆和磷的合金制成的用于焊接由钢和铝或铝合金制成的金属板的电极，其特征在于，所述合金由重量比大于或等于0.1％且小于0.4％的铬、重量比在0.02至0.04％之间的锆、重量比小于0.015％的磷、为铜和重量比小于0.1％的不可避免的杂质的其余成分组成，并且所述电极的导电性大于或等于90％IACS(国际退火铜标准)，并且，所述电极的结构包括非共格铬沉淀，大于90％的所述非共格铬沉淀具有小于1μm²的投影表面，所述非共格铬沉淀具有至少在10和50nm之间的尺寸，所述电极还具有在表面蚀刻和化学蚀刻后沿所述电极的活性面的横断面可见的纤维结构，所述结构由一方面是多条径向纤维及另一方面是直径小于5mm的没有纤维结构的基本上中心的区域组成，所述纤维的厚度小于1mm。

2.根据前述权利要求所述的由铜合金制成的用于焊接由铝或铝合金制成的金属板的电极，其特征在于，所述电极能够在所述两块铝板彼此焊接期间维持比压大于或等于120Mpa，以限制所述电极与两块铝板之一的外表面之间的接触电阻。

3.根据前述权利要求中任一所述的由铜合金制成的电极，其特征在于，所述铬的重量比在0.2和0.3％之间。

4.根据前述权利要求中任一所述的由铜合金制成的电极，其特征在于，所述锆的重量比在0.03和0.04％之间。

5.根据前述权利要求中任一所述的由铜合金制成的电极，其特征在于，所述磷的重量比小于0.01％。

6.根据前述权利要求中任一所述的由铜合金制成的电极，其特征在于，所述不可避免的杂质的重量比小于0.05％。

7.根据前述权利要求中任一所述的由铜合金制成的电极，其特征在于，根据所述化学元素对导电性的影响，权重系数被分配给可能作为合金中的杂质存在的每种化学元素，以百万分之一计，所述化学元素中的每种元素的权重比例之和少于5000。

8.根据前述权利要求中任一所述的由铜合金制成的电极，其特征在于，以百万分之一计，所述化学元素中的每种元素的权重比例之和少于2000。

9.一种自合金通过连续浇铸制造前述权利要求中任一项所述的焊接电极的方法，所述合金由重量比大于或等于0.1％且小于0.4％的铬、重量比在0.02至0.04％之间的锆、重量比小于0.015％的磷、为铜和重量比小于0.1％的不可避免的杂质的其余成分组成，所述方法至少包括以下步骤：

a)在大于或等于1200℃的温度下熔化所述合金的各种组分，即铜、铬、锆和磷；

b)通过直径为d的圆柱形模头连续浇注，能够获得直径接近模头直径d的棒材，同时将在浇注炉中的液态金属保持温度在1100和1300℃之间；

c)固化所述棒材并且冷却至低于100℃的温度，冷却速度至少等于10℃/s，直到达到1060℃的棒材温度，然后在1060和1040℃之间所述冷却速度至少等于15℃/s，然后在1040和1030℃之间所述冷却速度至少等于20℃/s，然后在1030和1000℃之间所述冷却速度至少等于25℃/s，然后在1000和900℃之间所述冷却速度至少等于30℃，然后对于900℃以下的温度所述冷却速度至少等于20℃/s，直到所述棒材冷却至不超过100℃的温度；

d)冷加工以获得直径小于20mm的棒材；

e)剪切所述棒材以获得坯料，然后通过去除材料进行冲压或机加工以使所述电极形成其最终形状，

所述方法包括以下步骤中的至少一个步骤：在步骤e)进行电极成形之前和/或之后，进行时效处理或退火处理，并且在所述方法中，所述电极的活性面的金相组织包括非共格铬沉淀，大于90％的非共格铬沉淀具有小于1μm²的投影表面，所述非共格铬沉淀具有至少在10和50nm之间的尺寸，所述电极还具有在表面蚀刻和化学蚀刻后沿所述电极的活性面的横断面可见的纤维结构，所述结构由一方面是多条径向纤维及另一方面是直径小于3mm的没有纤维结构的基本上中心的区域组成，所述纤维的厚度小于1mm，所述电极的导电性大于或等于90％IACS(国际退火铜标准)。

10.根据前述权利要求所述的焊接电极的制造方法，其中步骤a)的合金的不同组分的融化在1200℃和1300℃之间的温度下进行。

11.根据前述权利要求9或10中任一所述的焊接电极的制造方法，其中步骤b)的连续浇注在将浇注炉中的液态金属的温度维持在1150和1250℃之间期间完成。

12.根据前述权利要求9至11中任一所述的焊接电极的制造方法，其中对于低于900℃的温度，步骤c)中的所述棒材的冷却能够以至少等于30℃/s的冷却速度进行，直到所述棒材被冷却至不超过100℃的温度。

13.根据前述权利要求9至12中任一所述的焊接电极的制造方法，其中时效处理能够在步骤e)进行电极成形之前完成，并且由在450和480℃之间的温度下进行1至2h的沉淀处理组成。

14.根据前述权利要求9至13中任一所述的焊接电极的制造方法，其中根据步骤e)进行电极成形，在450和480℃之间的温度下实施沉淀处理1至2h。

15.根据前述权利要求9至14中任一所述的焊接电极的制造方法，其中所述模头的所述直径d在20和70mm之间，优选地在20和40mm之间。

16.根据前述权利要求9至15中任一所述的焊接电极的制造方法，其中在步骤d)进行冷变形期间，实施小于0.5mm厚的外部加工操作，以消除在固化步骤c)期间所产生的表面缺陷。

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