FI88887C

FI88887C - Kopparlegering avsedd att anvaendas i svetselektroder vid motstaondssvetsning

Info

Publication number: FI88887C
Application number: FI892214A
Authority: FI
Inventors: Asko Helenius
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 1989-05-09
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 1993-07-26
Also published as: EP0397061A1; US5032358A; FI892214A; FI88887B; FI892214A0; KR900018399A; JPH02303686A

Description

' 98887

VASTUSHITSAUSELEKTRODINA KÄYTETTÄVÄ KUPARISEOS

Tämä keksintö kohdistuu vastushitsauksessa käytettävän elektrodin materiaaliin. Erityisesti pinnoitettujen levyjen pistehitsaukseen käytettävien elektrodien käyttöikä on tällä hetkellä suhteellisen lyhyt. Nyt on kehitetty elektrodimateriaaliksi kupariseos, jossa tavallisten seosaineiden lisäksi on vähintään 20 ppm telluuria tai jotain muuta kalkogeenia kuten seleeniä tai rikkiä, ja kehitetyn uuden elektrodimateriaalin ansiosta elektrodien kestoikä on noussut oleellisesti.

Pistehitsaus on merkittävin ohutlevyteollisuuden liittämismenetelmä. Esimerkiksi autoteollisuus käyttää n x 10^ pistehitsauselektrodia vuosittain. Elektrodin tehtävänä on välittää liitokseen tarvittava puristusvoima ja sähkövirta sekä virrankatkaisun jälkeen jäähdyttää piste. Elektrodimateriaalilta vaaditaan hyvää mekaanista lujuutta, kuumankestävyyttä ja sähkön- sekä lämmönjohtavuutta. Tuotteiden korroosionkeston lisäämiseksi pinnoitettujen, kuten kutuna- tai sähkösinkittyjen levyjen käyttö lisääntyy voimakkaasti erityisesti autoteollisuudessa. Vastaavasti alumiinin käyttö painon vähentämiseksi lisääntyy.

Pinnoittamattomien levyjen vastushitsaus on kehittynyt vuosikymmenien aikana hyvin hallituksi. Pinnoitettujen levyjen käyttöönotto on sen sijaan tuonut joukon . . ongelmia. Pinnoitettujen levyjen vastushitsauksessa käy tettävien elektrodien kestoikä on murto-osa verrattuna | pinnoittamattoman levyn hitsaukseen ja elektrodin tart tuminen hitsattavaan pintaan saattaa irroittaa elektrodin pitimestään. Ratkaisua kulumisongelmaan on haettu mm. muokkauslujittumista lisäävästä ja pehmenemislämpötilaa nostavasta seostuksesta kuten CuCdl tai CuAg6 (ISO 5182 2 e ε 887

Al/2 ja ISO A4/3) seka erkautuskarkenevista seoksista, jollaisia ovat esim. CuCrl ja CuCrlZr (ISO A2/1 ja ISO A2/2). Oleellista parannusta elektrodien kestoikään ei ole kuitenkaan saavutettu näillä seostuksilla. Vastaavasti käytetään myös seosta CuZr (RWMA Group A Class 1) ja dispersiolujitettua kuparia DSCu (RWMA Group C Class 20) , joiden kesto- ja tarttumisominaisuudet ovat tyydyttäviä.

Patenttihakemuksissa DE 34 43 131, JP 60227997 ja JP

59001074 on kuvattu erilaisia elektrodien pinnoitus- tai pintakäsittelytapoja ja patenttihakemuksessa DE 28 08 392 on kuvattu tapa elektrodimateriaalin lämpökäsittele-miseksi. US-patenttijulkaisun 4 327 272 mukaan elektrodin päässä voi olla teräspalloja. Näistä elektrodityypeistä ei tiettävästi mikään ole tuotantoasteella.

Aikaisemmin on kokeiltu myös CuTe-seoksen käyttöä vastus-hitsauksen elektrodimateriaalina, kuten on kuvattu artikkelissa R. Loiseau, B. Richy: "Alliages de cuivre pour de la soudage electrique par resistance", Revue de la Soudure, voi. 32, 5/1976. Seoksen soveltuvuutta käyttöön on tutkittu johtavuus - kovuus - pehmenemislämpötila-kriteerien kannalta. Tällöin on todettu, että telluuri parantaa materiaalin koneistettavuutta ja silti sähkönjohtavuus säilyy hyvänä, mutta kuitenkin seosta on pidetty korkeintaan keskinkertaisena elektrodimateriaalina. Artikkelissa ei ole mitään mainintaa ko. seoksen käytöstä pinnoitettujen materiaalien vastushitsauksessa ja erityisesti siinä käytössä saavutettavista eduista kuten elektrodin kestoiän pidentymisestä.

Vastushitsauselektrodin kulumismekanismin selvittäminen antaa mahdollisuudet elektrodin kestoiän parantamiselle. Pinnoittamatonta levyä hitsattaessa elektrodin lujuus, kovuus ja korkea pehmenemislämpötila auttavat välttämään 3 e ε 887 elektrodin deformoitumisen ja takaavat hyvän kestoiän. Pinnoitettuja teräslevyjä tai alumiinilevyjä hitsattaessa era. ominaisuuksienkaan parantaminen ei anna tyydyttävää tulosta, sillä deformoitumista oleellisempi tulokseen vaikuttava tekijä on elektrodimateriaalin ja hitsattavan levyn pinnan välinen vuorovaikutus.

Hitsattaessa sinkittyä levyä kuparipohjaisella elektrodilla pinnoitteen sinkki ja elektrodin kupari muodostavat rajapinnassa huonosti sähköä johtavaa CuZn-seosta. Seostuminen aiheuttaa elektrodin tarttumista levyyn saattaen jopa irrottaa elektrodin pitimistään. Toisaalta CuZn-kerroksen murtuminen elektrodin puolelta kuluttaa elektrodia nopeasti. Lisäksi irtoaminen voi tapahtua paikoitellen aiheuttaen pistemäisiä koloja elektrodin pintaan. Hitsattaessa kolot täyttyvät nopeasti Cu-, Zn-, Fe-oksideilla, jotka ovat sähköä johtamattomia. Tämä aiheuttaa virran epätasaisen jakautumisen hitsattavassa kappaleessa ja näin ollen epämääräisen, hylättävän hitsa-uspisteen (linssin).

Kuten edellä on jo todettu, vastushitsauselektrodi-materiaalin vaatimuksia käytettävyyden ja kestoiän kannalta ovat mm. hyvä sähkön- ja lämmön j ohtavuus, hyvä mekaaninen lujuus, ja korkea pehmenemislämpötila, jotka saavutetaan seostamalla sekä muokkaus- erkautus- tai dispersiolujituksella. Tämän lisäksi tärkeitä elektrodin ominaisuuksia ovat vähäinen tarttuminen ja kolonmuodos-.. . tumisen puuttuminen.

Kupari seoksineen on omiaan vastushitsauselektrodiksi hyvän sähkön- ja lämmön johtokykynsä sekä muokattavuutensa ansiosta. Sinkkipinnoitettuja levyjä hitsattaessa esiin . tulee kestoikä- ja käyttöongelmia, ja ratkaisuja näihin on haettava seostuksesta, joka muuttaa sinkin ja kuparin käyttäytymisen niiden rajapinnassa. Tämän keksinnön 4 88087 mukaisesti on nyt kehitetty pinnoitettujen materiaalien vastushitsauselektrodina käytettävä uusi kupariseos, jonka ansiosta elektrodien kestoikä pitenee huomattavasti entisestä. Keksinnön mukaisesti vastushitsauselektrodi-materiaalia seostetaan telluurilla tai muulla kalkogee-nilla kuten seleenillä tai rikillä ja sen lisäksi seokseen lisätään 0,05 - 2,0% kromia ja/tai zirkoniumia. Tällä tavoin voidaan saavuttaa elektrodimateriaalille asetetut edellytykset. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille vaatimuksesta 1.

Keksintöä on kuvattu tarkemmin myös oheisten kuvien avulla, joissa kuva 1 esittää sinkki-telluuri tasapainopiirrosta, kuva 2 kuvaa telluurin liukoisuutta sulaan sinkkiin lämpötilavälillä 550 - 1000°C, ja kuvassa 3 on esitetty kuparitelluridin ja sinkin välisen reaktion Gibbsin energian muutos ja sinkin aktiivisuus, kun aCu2Te=aCu=1* Äskettäin suoritettujen termodynaamisten analyysien (Sharma, R., Chang, Y.: The Te-Zn (Tellurium-Zinc) System. Bull. Alloy Phase Diagr. 8 (1987) 1, 14-19) pohjalta voidaan nähdä, että sinkin käyttäytymisen kannalta ratkaiseva seosaine on hapen sukulainen telluuri Te (ja muut kalkogeeniryhmän alkuaineet kuten Se ja S) . Kuvassa 1 olevan Zn-Te-tasapainopiirroksen perusteella voidaan päätellä, että systeemin ainoa intermetallinen yhdiste ZnTe on käyttöolosuhteissa termodynaamisesti stabiili, koska telluridin liukoisuus sulaan sinkkiin on hyvin alhainen ja sen sulamispiste noin 850°C komponenttiensa sulamispistettä korkeampi.

Sharma & Changin mukaan telluurin liukoisuus sinkkisulaan systeemin invarianttilämpötilassa 419.59°C on käytännöl- 5 88087 lisesti katsoen nolla (580°C:ssa 0.0009 at-%) ja saavuttaa 907°C:ssa tason 0.1 at-% (T)zn- Kuvassa 2 on esitetty

Sharma & Changin mukaan sinkin likviduskäyrä tarkemmin lämpötiloissa 550 - 1000°C.

Yleisesti tunnetaan, että telluuri erkautuu olennaisesti kokonaan kuparista kiinteässä tilassa muodostaen kupari (II) telluridin, Cu2Te, ja sinkin reaktioita telluuri- kuparin kanssa voidaan tarkastella yksinkertaisen vaihto-reaktion avulla: (1) Cu2Te(s) + Zn(l) = 2 Cu(s) + ZnTe(s).

Reaktion (1) standardi Gibbs'in energian muutoksille saadaan Mills'in mukaan numeerinen arvo (Mills, K.: Thermodynamic Data for Inorganic Sulphides, Selenides and Tellurides, Butterworths, London, 1974): (2) G°/kcal/mol = -18500 + 13.6*T/K, jonka käyttäytyminen lämpötilan funktiona on esitetty kuvassa 3. Tasapaino on etenkin diagrammin alhaisemmissa lämpötiloissa selvästi reaktiotuotteiden puolella. Tällöin sinkkisula hajoittaa vähemmän stabiilin kupari-telluridin muodostaen itse kiinteää sinkki-telluridia.

Kuvaan 3 on laadittu myös tasapainoreaktion (1) mukainen sinkin aktiivisuuden käyttäytyminen. Se kuvaa määritelmän mukaan tilannetta, jossa reaktioon osallistuvien muiden komponenttien reaktiivisuudet ovat ykkösiä eli, kun aCu2Te=aZnTe=aCu=1· .. . Kuvasta 3 havaitaan myös, että sinkin aktiivisuus (oikea akseli) lämpötila-alueella 500 - 800°C on alhainen, alle 0.2. Sinkin aktiivisuus Cu-Zn systeemin beta-faasissa, sen sinkkirikkaalla faasirajalla, on raja-arvo, joka tässä tilanteessa määrää messingin syntymistä hitsaus-elektrodin ja sinkkipinnoitteen välillä.

6 58887

Edellä esitetyn lyhyen tarkastelun tuloksena voidaan todeta seuraavat seikat: 1. Telluurin seostaminen kupariin kohottaa erittäin voimakkaasti sen kanssa kontaktissa olevan sinkin likvi-duspintaa, so. sulamispistettä lämpötila-alueella 450 -700°C. Koska siis telluuriseostus ehkäisee kuparin ja sinkin lejeerautumisen, tästä on seurauksena, että levyn sinkkipinnoitteen ja elektrodin rajapinnan välillle ei synny hitsausta haittaavia seoksia, jotka lisäävät tarttumistodennäköisyyttä ja näin lyhentävät elektrodin käyttöikää.

2. Telluurin vaikutus on erittäin tuntuva jo hyvin pienillä telluuripitoisuuksilla. Jo 20 ppm:n Te-lisäys saa aikaan positiivisen muutoksen elektrodimateriaalissa. Samalla telluuri laskee voimakkaasti sinkin aktiivisuutta hitsissä vähentäen huurun muodostusta.

3. Sinkki kykenee liuottamaan kuparissa erkautuneina olevat kuparitelluridit Cu2Te, jolloin niiden vaikutus sinkin likviduspintaa kohottavana tekijänä on kuin puhtaan telluurilisäyksen sinkkiin.

4. Koska seleeni ja rikki kuuluvat samaan kalkogeenien ryhmään ja ovat samantyyppisiä, sama tulos on saavutettavissa myös seostettaessa kupariseokseen näitä alkuaineita.

Yleensä vastushitsauselektrodina käytettävä kupariseos valmistetaan konventionaalisesti sulatus-kuumamuokkaus-kylmämuokkausmenetelmällä, ja elektrodit koneistetaan tai kylmämuovataan muodostetusta kupariseostangosta. Jos kuitenkin katsotaan tarpeelliseksi käyttää yli 2%:n Te-(Se-,S-)seostusta, on syntyvä kupariseos niin hauras, että sen käsittely suoritetaan pulverimetallurgisesti. Yli 6%:n telluuriseostus ei anna enää mitään merkittäviä lisäetuja.

i 7 P u ε 8 7

Keksinnön mukainen kupariseos voi sisältää seosaineenaan ainoastaan telluurin (seleenin tai rikin) ja kromin ja/tai zirkoniumin, tai seoksessa voi olla esim. pieni määrä fosforia. Kromin ja/tai zirkoniumin määrä seoksessa on 0,05 - 2,0%. Kupariseos voi olla myös jokin edellämainituista seoksista, joissa on esim. hopean seostuksella lisätty muokkauslujittumista ja nostettu puoliksipehmenemislämpötilaa; kupariin on voitu lisätä rautaa ja fosforia 0.05 - 2.0%, jolloin saadaan nostettua mekaanisia lujuusarvoja ja nostettua puoliksipehmenemislämpötilaa erkautumis-karkenemisen avulla; kupari on voitu myös dispersiolujittaa alumiinioksidin, zirkonium-oksidin tai titaaniboridin avulla. Näiden seoksien ominaisuuksia niiden toimiessa vastushitsauselektrodina voidaan nyt parantaa keksinnön mukaisella telluuri-lisäyksellä.

Edellä on puhuttu lähinnä pistehitsaukseen käytettävistä elektrodeista, mutta on selvää, että keksinnön mukaisia elektrodeja voidaan käyttää myös muussa vastushitsauk-sessa, kuten käsnä-, kiekko-, tyssä- ja leimuhitsaukses-sa. Lisäksi keksinnön mukainen elektrodimateriaali ei rajoitu ainoastaan pinnoitettujen levyjen hitsaukseen, vaan sitä voidaan käyttää myös esim. alumiinin hitsaukseen.

Keksintöä kuvataan vielä oheisten esimerkkien avulla: Esimerkki 1.

Valmistetaan konventionaalisella sulatus-kuumamuokkaus-kylmämuokkausmenetelmällä seosta CuTeP (Te 0.6%, P 70 ppm) . Tästä kupariseostangosta sorvatulla elektrodilla saavutetaan huomattavasti korkeampi kestoikä kuin tähän asti käytetyillä elektrodeilla sekä kuumasinkittyä että sähkösinkittyä levyä hitsattaessa. Tulokset ohessa taulukon muodossa: 8 £8887

Elektrodi Kuumasinkitty levy Sähkösinkitty levy (pistettä) (pistettä)

CuTeP 4040 11800

CuZr 2300 10400

CuCrlZr 2400 5100 DSCu 3900 8000

Esimerkki 2

Valmistetaan vastaavasti erkautuskarkeneva seos CuCrlZrTe (Cr 0.7%, Zr 0.1%, Te 0.4%). Tulokset sähkösinkityn levyn hitsauksesta vertailuineen ohessa:

Elektrodi Kuumasinkitty levy Sähkösinkitty levy (pistettä) (pistettä)

CuCrlZrTe 4060 19200

CuZr 2300 10400

CuCrlZr 2400 5100 DSCu 3900 8060

Claims

9 88887

1. Vastushitsauksen elektrodeissa käytettävä metalliseos, tunnettu siitä, että pinnoitettujen materiaalien vastushitsauselektrodeissa käytettävä metalliseos on kupariseos, joka sisältää kromia ja/tai zirkoniumia 0.05 - 2%, ja jossa on seosaineena lisäksi telluuria tai muuta kalkogeenia kuten seleeniä tai rikkiä, ja telluurin tai muun kalkogeenin määrä on vähintään 20 ppm.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen seos, tunnettu siitä, että telluurin tai muun kalkogeenin määrä kupari-seoksessa on 20 ppm - 2%.

3. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen seos, tunnet-t u siitä, että kupariseos on valmistettu konventionaa-lisesti sulatus-kuumamuokkaus-kylmämuokkausmenetelmällä.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen seos, tunnettu siitä, että telluurin tai muun kalkogeenin määrä seoksessa on 2 - 6 %.

5. Patenttivaatimuksen 1 ja 4 mukainen seos, tunnettu siitä, että seos on valmistettu pulverimetallur-gisesti.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen seos, tunnettu siitä, että kupariseos on dispersiolujitettu kupariseos.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukaisesta kupariseoksesta valmistettu elektrodi, tunnettu siitä, että vastushitsaukseen käytettävä elektrodi valmistetaan koneistamalla tai muovaamalla.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukaisesta seoksesta valmistettu elektrodi, tunnettu siitä, että elektrodi on pistehitsauselektrodi. »o 8 C ε 8 7 H c G S 8 7