CN1775453A - 一种电阻焊铜合金电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电阻焊铜合金电极和制造方法。本发明所提供的电阻焊铜合金电极中，在电极端部基体上至少布有三层材料，与基体相接触的为金属合金层，中间为金属合金复合材料层，最外表面为金属合金层。本发明所提供的电阻焊铜合金电极制造方法，至少采用以下制造步骤：第一步骤，在电极端部表面采用电火化沉积的方法镀上金属合金层；第二步骤，在上述镀上的金属合金层上采用电火化沉积的方法镀上金属合金复合材料层；第三步骤，在上述的金属合金复合材料层上采用电火化沉积的方法镀上金属合金层。与现有技术相比，本发明提供的电阻焊铜合金电极工作寿命明显提高；提供的电阻焊铜合金电极制造方法，采用了简单成熟的工艺，采用的分步电火化沉淀方法使电极端部镀上三层均匀致密的涂层，保证了电阻焊铜合金电极的高工作可靠性和长工作寿命。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种电阻焊铜合金电极及其制造方法。
(二)背景技术
由于镀锌和镀锌铝钢板(包括电镀，热镀和蒸发镀)具有极好的耐腐蚀性能，近年来在汽车，家电，建筑等领域得到了越来越广泛的应用。尤其是汽车行业，已大量使用镀锌板生产车身等部件并采用电阻焊进行焊接。但镀锌钢板电阻焊时，电阻焊电极(包括电极头，电极帽，电极板和电极轮)的使用寿命要比焊接无镀层钢板时明显缩短。焊接无镀层钢板时，电阻焊电极(如Cu-Cr-Zr合金电极)的使用寿命通常在10000个焊点以上，而焊接镀锌钢板时，Cu-Cr-Zr合金电极的使用寿命甚至不到250个焊点。除电极在焊接过程中发热并在高压作用下变形导致电极端部直径增大外，焊接镀锌板时电极寿命显著下降的另一个主要原因是，镀锌层在焊接时熔化，粘附于电极端部，并与铜合金电极发生合金化，形成硬而脆的黄铜层。黄铜层的导电性差，导致电极严重发热。同时，黄铜层极易在焊接压力下开裂，并在随后的焊接过程中从电极端部被粘结到钢板表面，使电极端部直径迅速增大，从而使电流密度下降，导致待焊钢板间的电阻发热不足，不能形成满足标准的焊接熔核尺寸，造成电极失效。当钢板镀层含铝时，铝与铜合金化形成低熔点合金，使电极失效更快。
电极失效后，必须更换新的电极或进行修磨。更换和修磨电极增加了生产成本，同时也大大降低了自动焊接生产线的生产效率。为减少电极重磨的次数，降低焊接成本，提高生产效率，长期以来人们一直期望能开发出一种适用于镀锌钢板电阻焊的铜合金电极材料。例如，氧化铝弥散强化的铜合金电极具有更好的高温强度，且在焊接时会在电极端部表面形成一层富氧化铝层，从而降低了电极与锌之间的粘结，有助于抑制了锌与铜合金的合金化，据报导焊接镀锌板时氧化铝弥散强化铜合金电极使用寿命超过Cu-Cr-Zr合金电极，但氧化铝弥散强化的铜合金电极的价格通常是Cu-Cr-Zr合金电极的两倍以上。此外，碲铜合金由於降低了电极与锌之间的粘结，也有助于提高电极寿命。
另一方面，据报导国外已有人采用电火化沉积的方法在电极端部镀上一层金属陶瓷如TiC或TiB2，可提高电极的使用受命。选择电火花方法进行沉积的好处在於热输入量小，沉积时铜合金基体温度低，不会造成铜合金软化。但是，研究表明，当TiB2等金属陶瓷电火花沉积到铜合金电极表面时部分铜熔化混入涂层，因为铜对於金属陶瓷来说不是良好的粘结剂，因而降低了金属陶瓷的韧性。另一方面，铜合金与金属陶瓷的热膨胀系数相差很大，冷却时在拉伸应力的作用下导致涂层开裂并和铜合金基体分离，明显降低了涂层隔离锌的能力。此外，开裂的涂层在电阻焊接时很容易被沾粘掉，在焊到400个焊点左右时，表面的涂层已几乎全部脱落。因此，对涂层电极，急待解决如下两个问题：(1)如何保证涂层连续致密，并在焊接过程中不开裂；(2)如何降低涂层与锌之间的粘结以降低涂层的损耗。
(三)发明内容
本发明的目的之一就是提供一种工作寿命长的电阻焊铜合金电极。
本发明的另一目的就是提供一种电阻焊铜合金电极制造方法，采用分步电火化沉淀方法使电极端部至少镀上三层均匀致密涂层，保证制造的电阻焊铜合金电极的高工作寿命。
本发明的上述目的通过下列技术措施实现：
一种电阻焊铜合金电极，所说电极端部基体上至少布有三层材料，与基体相接触的为金属合金层，中间为金属合金复合材料层，最外表面为金属合金层。
所说的与基体相接触的金属合金层厚度为10-40微米，所说的金属合金复合材料层厚度为20-50微米。
所说的与基体相接触的和最外表面的金属合金层基体为镍，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨、钴。
所说的金属合金中的其它合金元素占金属合金的重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、钴0-40％。
所说的与基体相接触的和最外表面的金属合金层基体为钴，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨、镍。
所说的金属合金中的其它合金元素占金属合金的重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、镍0-40％。
所说的金属合金复合材料层由金属合金、金属陶瓷增强体和固体自润滑剂混合组成。
所说的金属合金复合材料中的金属合金基体为镍或钴，合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨。
所说的金属合金复合材料中的金属陶瓷增强体由碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)，硼化锆(ZrB2)，硼化钛(TiB2)，氮化钛(TiN)，硅化钼(MoSi2)碳化硼(B4C)和纳米碳管中的一种材料或多种材料组成，所说的金属陶瓷增强体的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为30-60％。
所说的金属合金复合材料中的的固体自润滑剂由石墨、碳纤维及碳纳米管中的一种材料或多种材料组成，所说的固体自润滑剂的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为5％-20％。所说的最外表面金属合金层外再有一层采用化学气相沉积法或物理气相沉积法或高速冷气体流喷涂WS2法形成的一层金属合金层。
一种电阻焊铜合金电极制造方法，至少采用以下制造步骤：第一步骤，在电极端部表面采用电火化沉积的方法镀上金属合金层；第二步骤，在上述镀上的金属合金层上采用电火化沉积的方法镀上金属合金复合材料层；第三步骤，在上述的金属合金复合材料层上采用电火化沉积的方法镀上金属合金层。
所说的第一步骤和第三步骤中，金属合金层基体为镍，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨、钴。
所说的金属合金中的其它合金元素占金属合金的重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、钴0-40％。
所说的第一步骤和第三步骤中，金属合金层基体为钴，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨、镍。
所说的金属合金中的其它合金元素占金属合金的重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、镍0-40％。
所说的第一步骤和第三步骤中，首先，按粉末冶金的方法制备成金属合金棒，直径为1-5毫米，然后再用电火花沉积的方法镀上金属合金层.沉积过程中金属合金棒作为阳极，铜合金电极基体作为阴极，阳极材料在电火花放电过程中融化并传递到阴极表面形成金属合金层。
所说的第二步骤中，金属合金复合材料层由金属合金、金属陶瓷增强体和固体自润滑剂混合组成。
所说的金属合金复合材料中的金属合金基体为镍或钴，合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨。
所说的金属合金复合材料中的金属陶瓷增强体由碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)，硼化锆(ZrB2)，硼化钛(TiB2)，氮化钛(TiN)，硅化钼(MoSi2)碳化硼(B4C)和纳米碳管中的一种材料或多种材料组成，所说的金属陶瓷增强体的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为30-60％。
所说的金属合金复合材料中的固体自润滑剂由石墨、碳纤维及碳纳米管中的一种材料或多种材料组成，所说的固体自润滑剂的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为5％-20％。所说的第二步骤中，电火花沉积工艺参数为电压20-40伏，电容50-1000微法，气氛为空气或氩气，时间30-75秒，厚度30-50微米。
所说的第二步骤中，首先，按粉末冶金的方法制备成金属合金复合材料棒，直径为2-5毫米，然后再用电火花沉积的方法镀上金属合金复合材料层.沉积过程中金属合金复合材料棒作为阳极，铜合金电极基体作为阴极，阳极材料在电火花放电过程中融化并传递到阴极表面形成金属合金复合材料层。
第四步聚，在上述金属合金层上采用化学气相沉积法或物理气相沉积法或高速冷气体流喷涂WS2法形成的一层金属合金层。
与现有技术相比，本发明提供的电阻焊铜合金电极大大降低了电极与工件的粘接现象，减少了摩擦系数，使电极的工作寿命明显提高；提供电阻焊铜合金电极制造方法，采用了简单成熟的工艺，采用的分步电火化沉淀方法使电极端部镀上三层均匀致密的涂层，保证制造的电阻焊铜合金电极的高工作可靠性和长工作寿命。
(四)附图说明
附图1是本发明提供的电阻焊铜合金电极结构示意图。
(五)具体实施方式
本发明所提供的电阻焊铜合金电极，电极端部基体1上先分布有三层材料，与基体相接触的为金属合金层2，中间为金属合金复合材料层3，最外表面为金属合金层4。与基体相接触的金属合金层厚度为10-40微米，中间的金属合金复合材料层厚度为20-50微米。为更好地防止电极的粘接，在最外表面金属合金层外再采用化学气相沉积法或物理气相沉积法或高速冷气体流喷涂WS2法形成的一层致密金属合金层，该金属合金层的厚度约为0.5微米。
上述前三层材料的成分：与基体相接触的和最外表面的金属合金层基体为镍或钴，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨。采用镍基时，重量百分比为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、钴0-40％；采用钴基时，重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、镍0-40％。中间的金属合金复合材料层由金属合金、金属陶瓷增强体和固体自润滑剂混合组成；金属合金基体为镍或钴，合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨；金属陶瓷增强体由碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)，硼化锆(ZrB2)，硼化钛(TiB2)，氮化钛(TiN)，硅化钼(MoSi2)碳化硼(B4C)和纳米碳管中的一种材料或多种材料组成，金属陶瓷增强体的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为30-60％；固体自润滑剂由石墨、碳纤维及碳纳米管中的一种材料或多种材料组成，固体自润滑剂的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为5％-20％。
本发明所提供的电阻焊铜合金电极制造方法如下：
1.第一层金属合金层的制备方法
1.1金属合金的成分：金属合金基体选择镍或钴，这是因为镍和钴均是制备金属陶瓷的良好粘结剂，且与铜之间结合良好，其电阻仅分别为纯铜的4倍和3.7倍，由于涂层很薄，完全不影响电阻焊过程。此外，由於锌在镍和钴合金中的扩散系数小，故还能起到很好的隔离锌的作用。合金中的合金元素包括：硼(B)，铬(Cr)，钼(Mo)，钨(W)，镍(Ni)(钴为基体时)，钴(Co)(镍为基体时)；合金元素起到增强基体强度和硬度的作用。金属合金中合金元素的含量(重量百分比)如下表所示：
| 金属合金 | 硼(B) | 铬(Cr) | 钼(Mo) | 钨(W) | 钴(Co) | 镍(Ni) |
| 镍基合金 | 0-5 | 1-20 | 5-10 | 2-6 | 0-40 | |
| 钴基合金 | 0-5 | 1-20 | 5-10 | 2-6 | 0-40 |
1.2金属合金层的制备方法：首先，按上述成分用粉末冶金的方法制备成金属合金棒，直径为1-5毫米。然后再用电火花沉积的方法制备金属合金层.沉积过程中金属合金棒作为阳极，铜合金电极作为阴极，阳极材料在电火花放电过程中(等离子体加热)融化并传递到阴极表面形成金属合金涂层；第一层金属合金层作为隔离层，可以大大减少铜向第二层金属基复合材料中的混入量，同时也有利于阻止锌与铜合金电极在焊接时的合金化。金属合金电火花沉积工艺参数下表所示：
| 电压(伏) | 电容(微法) | 气氛 | 时间(秒) | 厚度(微米) |
| 3-7 | 50-1000 | 氩气 | 2-5 | 10-40 |
2.第二层金属合金复合材料的制备方法
2.1.复合材料的成份及组成：
复合材料是在上述金属合金中添加金属陶瓷增强体和固体自润滑剂制成。增强体可选择具有较好导电性能的金属陶瓷颗粒和纤维。加入陶瓷增强体可进一步提高涂层的高温硬度和高温强度，并同时降低涂层与锌的粘结。增强体包括：碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)，硼化锆(ZrB2)，硼化钛(TiB2)，氮化钛(TiN)，硅化钼(MoSi2)碳化硼(B4C)和纳米碳管；增强体颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米。加入的金属陶瓷增强体可以是一种，也可以是多种；总的体积分数为30-60％；加入一定量的固体自润滑剂可大大降低涂层与锌之间的沾粘。固体自润滑剂包括石墨，碳纤维及碳纳米管。固体自润滑剂颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米。加入的固体自润滑剂可以是一种，也可以是多种；总的体积分数为5％-20％；
2.2复合材料层的制备方法
复合材料涂层采用电火花沉积的方法制备。首先，用粉末冶金的方法制备成复合材料棒，直径2-5毫米；然后再用电火花沉积的方法制备复合材料涂层。沉积过程中复合材料棒作为阳极，镀有金属合金层的铜合金电极作为阴极，阳极材料在电火花放电过程中融化并传递到阴极表面形成复合材料涂层；复合材料电火花沉积工艺参数如下表所示：
| 电压(伏) | 电容(微法) | 气氛 | 时间(秒) | 厚度(微米) |
| 20-40 | 50-1000 | 空气或氩气 | 30-75 | 30-50 |
3.第三层金属合金层的制备方法
3.1第三层金属合金层的成分与第一层金属合金层的成分相同。
3.2第三层金属合金涂层的制备方法也与第一层金属合金涂层的制备方法相同：由於电火花沉积的金属基复合材料涂层硬度高，韧性低，在残余拉伸应力作用下有时仍难以完全避免开裂，导致在焊接过程中熔融金属锌从这些裂纹穿入涂层，故在第二层金属基复合材料涂层之上再沉积第三层金属合金涂层可以彻底消除涂层的表面裂纹。
4.第四层金属合金层的制备方法
该层金属合金层是为进一步减少电极头的摩擦系数、防止粘接现象而采取的，是最佳实施例的一种。该金属合金层可采用化学气相沉积法或物理气相沉积法或高速冷气体流喷涂WS2法形成，形成后的厚度约为0.5微米。
5、试验结果
按照美国‘电阻焊电极使用寿命试验方法’(AWS D8.9-97)在同样条件下进行有涂层电极和无涂层电极的对比焊接试验，结果表明采用上述方式形成的有涂层电极的使用寿命至少是无涂层电极使用寿命的2倍以上。电阻焊接试验条件和结果如下表所示：
| 焊接电流(安培) | 电极压力(千牛顿) | 焊接时间(周期) | 维持时间(周期) | 焊接速度(焊点/分钟) | 水流(升/分钟) | 寿命(焊点) | |
| 无涂层电极 | 9200 | 1.94 | 11 | 5 | 25 | 2 | ＜600 |
| 有涂层电极 | 9200 | 1.94 | 11 | 5 | 25 | 2 | ＞1200 |
Claims (24)
1、一种电阻焊铜合金电极，其特征在于：所说电极端部基体上至少布有三层材料，与基体相接触的为金属合金层，中间为金属合金复合材料层，最外表面为金属合金层。
2、根据权利要求1所说的电阻焊铜合金电极，其特征在于：所说的与基体相接触的金属合金层厚度为10-40微米，所说的金属合金复合材料层厚度为20-50微米。
3、根据权利要求1所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的与基体相接触的和最外表面的金属合金层基体为镍，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨、钴。
4、根据权利要求3所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的金属合金中的其它合金元素占金属合金的重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、钴0-40％。
5、根据权利要求1所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的与基体相接触的和最外表面的金属合金层基体为钴，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨、镍。
6、根据权利要求5所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的金属合金中的其它合金元素占金属合金的重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、镍0-40％。
7、根据权利要求1所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的金属合金复合材料层由金属合金、金属陶瓷增强体和固体自润滑剂混合组成。
8、根据权利要求7所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的金属合金复合材料中的金属合金基体为镍或钴，合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨。
9、根据权利要求7所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的金属合金复合材料中的金属陶瓷增强体由碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)，硼化锆(ZrB2)，硼化钛(TiB2)，氮化钛(TiN)，硅化钼(MoSi2)碳化硼(B4C)和纳米碳管中的一种材料或多种材料组成，所说的金属陶瓷增强体的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为30-60％。
10、根据权利要求7所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的金属合金复合材料中的的固体自润滑剂由石墨、碳纤维及碳纳米管中的一种材料或多种材料组成，所说的固体自润滑剂的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为5％-20％。
11、根据权利要求1所说的电阻焊铜合金电极，其特征为：所说的最外表面金属合金层外再有一层采用化学气相沉积法或物理气相沉积法或高速冷气体流喷涂WS2法形成的一层金属合金层。
12、一种电阻焊铜合金电极制造方法，至少采用以下制造步骤：第一步骤，在电极端部表面采用电火化沉积的方法镀上金属合金层；第二步骤，在上述镀上的金属合金层上采用电火化沉积的方法镀上金属合金复合材料层；第三步骤，在上述的金属合金复合材料层上采用电火化沉积的方法镀上金属合金层。
13、根据权利要求12所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的第一步骤和第三步骤中，金属合金层基体为镍，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨、钴。
14、根据权利要求13所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的金属合金中的其它合金元素占金属合金的重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、钴0-40％。
15、根据权利要求12所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的第一步骤和第三步骤中，金属合金层基体为钴，金属合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨、镍。
16、根据权利要求15所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的金属合金中的其它合金元素占金属合金的重量百分比分别为硼0-5％、铬1-20％、钼5-10％、钨2-6％、镍0-40％。
17、根据权利要求12所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的第一步骤和第三步骤中，首先，按粉末冶金的方法制备成金属合金棒，直径为1-5毫米，然后再用电火花沉积的方法镀上金属合金层.沉积过程中金属合金棒作为阳极，铜合金电极基体作为阴极，阳极材料在电火花放电过程中融化并传递到阴极表面形成金属合金层。
18、根据权利要求12所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的第二步骤中，金属合金复合材料层由金属合金、金属陶瓷增强体和固体自润滑剂混合组成。
19、根据权利要求18所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的金属合金复合材料中的金属合金基体为镍或钴，合金中的其它合金元素包括硼、铬、钼、钨。
20、根据权利要求18所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的金属合金复合材料中的金属陶瓷增强体由碳化钨(WC)，碳化钛(TiC)，硼化锆(ZrB2)，硼化钛(TiB2)，氮化钛(TiN)，硅化钼(MoSi2)碳化硼(B4C)和纳米碳管中的一种材料或多种材料组成，所说的金属陶瓷增强体的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为30-60％。
21、根据权利要求18所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的金属合金复合材料中的固体自润滑剂由石墨、碳纤维及碳纳米管中的一种材料或多种材料组成，所说的固体自润滑剂的颗粒或纤维的直径为10纳米-10微米，占金属合金复合材料的体积百分比为5％-20％。
22、根据权利要求12所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的第二步骤中，电火花沉积工艺参数为电压20-40伏，电容50-1000微法，气氛为空气或氩气，时间30-75秒，厚度30-50微米。
23、根据权利要求12所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：所说的第二步骤中，首先，按粉末冶金的方法制备成金属合金复合材料棒，直径为2-5毫米，然后再用电火花沉积的方法镀上金属合金复合材料层.沉积过程中金属合金复合材料棒作为阳极，铜合金电极基体作为阴极，阳极材料在电火花放电过程中融化并传递到阴极表面形成金属合金复合材料层。
25、根据权利要求12所说的电阻焊铜合金电极制造方法，其特征为：第四步聚，在上述金属合金层上采用化学气相沉积法或物理气相沉积法或高速冷气体流喷涂WS2法形成的一层金属合金层。
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