國內(nèi)錨鏈、礦用鏈閃光對焊用電極銅合金現(xiàn)狀

孫愛俊　李學(xué)浩　朱仁萍

摘要：介紹了國內(nèi)錨鏈、礦用鏈閃光對焊用銅合金電極的使用現(xiàn)狀，小容量、頂鍛力小的焊機(jī)電極基本選用CuCrZr合金，中大容量、頂鍛力大的焊機(jī)電極則以CuNi2Be（Zr）、CuNiCoBe（Zr）合金為主，也有部分廠家使用CuNi2SiCr合金。分析了錨鏈、礦用鏈對焊電極正常失效和非正常失效兩種形式，并列舉了解決兩種失效形式的措施。

關(guān)鍵詞：錨鏈;閃光對焊;銅合金電極;失效

中圖分類號：TG146.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）02-0092-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.18

0 前言

經(jīng)過30 多的發(fā)展，截止2010年我國錨鏈的年生產(chǎn)能力約為40 萬噸，并呈逐年上升趨勢，隨著國外生產(chǎn)力成本和原材料成本的提高，世界錨鏈?zhǔn)袌鲋饾u向國內(nèi)生產(chǎn)廠轉(zhuǎn)移，目前我國已成為世界上主要的錨鏈生產(chǎn)制造國[1]。錨鏈、礦用鏈按其制造方法分為鑄鋼錨鏈、電焊錨鏈和鍛造錨鏈等。電焊錨鏈?zhǔn)怯梅弦蟮膱A鋼材料彎制并焊接而成，具有生產(chǎn)工藝先進(jìn)、簡單、成本低、質(zhì)量好等優(yōu)點。目前錨鏈和礦用鏈的焊接基本采用閃光對焊。閃光焊分為連續(xù)閃光焊和預(yù)熱閃光焊，連續(xù)閃光焊的焊接工藝過程包括閃光、頂鍛、保持和恢復(fù)等階段，閃光和頂鍛是形成焊接接頭的重要階段;預(yù)熱閃光焊的工藝過程與連續(xù)閃光焊不同之處在于，閃光階段之前還有一個預(yù)熱階段，通過預(yù)熱使工件端面溫度提高到一個合適的溫度值后，再進(jìn)行閃光和頂鍛[2]。閃光焊接需要電極夾持工件使工件焊接部位接觸，頂鍛要求電極對工件有一個較大的夾持力，焊接時電流經(jīng)過電極傳輸?shù)焦ぜ?。因此，在焊接過程中電極承受夾持工件的壓力和一定的溫度，而電極溫度的升高主要來自電極自身發(fā)熱、電極和工件接觸電阻熱、工件傳導(dǎo)給電極的熱量，這就要求電極具有較好的導(dǎo)電性能、較高的硬度和塑性、抗氧化性能、耐磨和抗軟化性能[3]，電極的選擇決定了閃光對焊的焊接質(zhì)量、生產(chǎn)率和電極的壽命。

1 錨鏈、礦用鏈閃光對焊原理

錨鏈和礦用鏈的閃光對焊原理如圖1所示。電極2夾緊焊件1，接通阻焊變壓器3，移動電極使兩工件輕微接觸，形成多個接觸點，通電熔化接觸點，形成連接兩端面的液體金屬過梁。由于液體過梁中的電流密度極高，導(dǎo)致過梁中的液體金屬蒸發(fā)，過梁爆破，在蒸汽壓力和電磁力作用下，液態(tài)金屬微粒不斷從對口件噴射出來，形成火花激流-閃光。在閃光過程結(jié)束前必須使整個端面形成一層液態(tài)金屬層，并在一定深度上使金屬達(dá)到塑性變形溫度，此時，動電極突然加速，對工件施加足夠大的頂鍛力，對口間隙迅速減小，過梁停止爆破，隨即切斷電源，封閉工件端面的間隙和過梁爆破后留下的火口，擠出端面的液態(tài)金屬及氧化夾雜，使?jié)崈舻乃苄越饘倬o密接觸，并使接頭區(qū)產(chǎn)生一定的塑性變形，以促進(jìn)再結(jié)晶的進(jìn)行，形成共同晶粒，獲得牢固的接頭[3]，焊接實例如圖2所示。

2 國內(nèi)錨鏈、礦用鏈對焊用電極的使用現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)80年代起廣泛開展電阻焊電極研究，較早的銅合金材料有CuCo2Be、CuNi2Be和CuCrZr[4-8]，CuCrZr電極雖然導(dǎo)電性能較高，但硬度與CuCo2Be、CuNi2Be合金相差很多，在大型閃光焊機(jī)或?qū)棺冃文芰σ蟾叩那闆r下以CuCo2Be、CuNi2Be合金電極為主。從降低CuCo2Be合金價格和減少Co、Be用量考慮，根據(jù)CuCo2Be、CuNi2Be的成分和性能特點不斷開發(fā)了同時含鎳、鈷、鈹?shù)腃uNiCoBe合金，為了提高合金的耐高溫軟化性能和塑性，在CuNi2Be和CuNiCoBe的基礎(chǔ)上加入0.1%～0.3%的Zr元素。國外采用含Be銅合金材料作為電極的電阻焊電機(jī)越來越少，開發(fā)了多種中導(dǎo)高強(qiáng)度銅合金系列;國內(nèi)在引進(jìn)國外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，先后開發(fā)了CuNi2SiCr、CuCo2CrSi和CuNi2TiCr等多種銅合金[3，9]，但是，綜合性能尤其是抗高溫軟化性上與含Be、Zr的銅合金相比還存在一定差距。

根據(jù)鏈環(huán)焊接用料直徑和焊機(jī)功率大小將制鏈機(jī)組分為3#～11#，統(tǒng)計了國內(nèi)錨鏈、礦用鏈電極銅合金的使用狀況如表1所示。由表1可知，3#以下的小型機(jī)組以生產(chǎn)礦用鏈為主，電極形狀為長條狀，內(nèi)部不設(shè)置通水孔，使用過程以自身導(dǎo)熱和空氣自然冷卻，采用導(dǎo)電導(dǎo)熱率高的CuCrZr銅合金作為電極。3#及以上機(jī)組電極形狀一般為方形，電極內(nèi)部設(shè)置有通水孔，焊接過程以水冷為主。3#、4#、5#焊接機(jī)組用于生產(chǎn)錨鏈和礦用鏈，多為生產(chǎn)礦用鏈，電極采用CuCrZr銅合金，也有少量廠家選擇CuNi2SiCr銅合金電極;6#以上焊接機(jī)組主要用于焊接直徑大于φ36的錨鏈生產(chǎn)，使用的電極材料有CuNi2SiCr、CuCo2Be、CuNi2Be（Zr）、CuNiCoBe（Zr），我國北方錨鏈生產(chǎn)廠家多采用CuNi2SiCr，而南方廠家多采用CuNi2Be（Zr）、CuNiCoBe（Zr），也有不少廠家在6#、7#機(jī)組上采用CuCrZr電極材料。

綜上所述，目前國內(nèi)錨鏈和礦用鏈閃光對焊大型機(jī)組在焊接大直徑鏈時的電極材料仍以CuNi2Be（Zr）、CuNiCoBe（Zr）為主，小型機(jī)組在焊接小直徑鏈時電極主要選擇CuCrZr，CuCo2Be合金雖開發(fā)得較早，但很少使用，CuNi2SiCr、CuCo2CrSi和CuNi2TiCr作為含鈹銅合金電極的代用材料，只有CuNi2SiCr電極被少量廠家使用，CuCo2CrSi和CuNi2TiCr未有廠家使用。造成該情況可能有以下原因：（1）CuCo2Be合金是多種對焊電極系列中價格最高的，CuNi2Be（Zr）、CuNiCoBe（Zr）合金和CuCo2Be合金的性能接近;（2）目前市場情況下，CuNi2SiCr、CuCo2CrSi和CuNi2TiCr系電極合金性能上和含Be銅合金還存在一定差距;（3）含Be銅合金、CuCrZr銅合金電極開發(fā)較早，市場認(rèn)識度較高，電極的使用廠家已形成習(xí)慣，加之對其他電極材料的不了解，不易接受新的材料，造成CuNi2SiCr、CuCo2CrSi和CuNi2TiCr很難大面積的推廣;（4）CuCo2CrSi和CuNi2TiCr材料相比于含Be銅合金、CuCrZr、CuNi2SiCr，技術(shù)成熟度低，電極生產(chǎn)廠家不愿花代價進(jìn)行技術(shù)的二次開發(fā)。

3 國內(nèi)錨鏈、礦用鏈對焊用電極的性能和生產(chǎn)現(xiàn)狀

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4281、JB/T7598、HB5420規(guī)定了電阻焊電極銅合金的成分和性能，實際使用廠家眾多，對電極銅合金的要求也不相同，大多數(shù)廠家關(guān)注點為使用壽命和經(jīng)濟(jì)性，對成分無嚴(yán)格要求。國內(nèi)電阻焊電極的生產(chǎn)和銷售廠家也很多，閃光對焊電極的生產(chǎn)廠家規(guī)模較小，生產(chǎn)設(shè)備差別很大，工藝要求也不盡相同，對電極銅合金質(zhì)量起主要作用的熔煉鑄造環(huán)節(jié)，雖然中頻感應(yīng)爐和真空熔煉爐的生產(chǎn)已占主導(dǎo)地位，還是有不少電極廠家使用地坑爐等生產(chǎn)設(shè)備，造成電極價格差別很大，市場競爭很大，即使是質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長的電極價格也很難提高，因此，很少有廠家對原電極的改性和新的電極、工藝研究開發(fā)感興趣。

國內(nèi)市場已經(jīng)形成了幾種生產(chǎn)較為穩(wěn)定的錨鏈、礦用鏈閃光對焊電極，其化學(xué)成分如表2所示。實際生產(chǎn)的CuNi2Be（Co、Zr）合金成分有多種;每一電極廠家CuCrZr的成分相對比較一致;CuNi2SiCr的Ni、Si成分相差不大，不同廠家Cr的成分為0.1%～0.8%。選取多家電阻對焊電極廠家的產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，硬度和導(dǎo)電率數(shù)據(jù)如表3所示，因每一生產(chǎn)廠家的設(shè)備、工藝、成分各有不同，性能差別較大。

4 國內(nèi)錨鏈、礦用鏈對焊用電極的失效形式

錨鏈、礦用鏈對焊電極失效形式包括因工況條件造成的正常失效和因電極材料問題引起的非正常失效。

錨鏈、礦用鏈對焊電極的作用除向焊件傳輸焊接電流和頂鍛力外，還承受夾持焊件時的巨大夾緊力。對焊電極與焊件的接觸面積較大，電流密度相對較低，對電極材料導(dǎo)電率要求不高。對焊電極與點焊、縫焊電極不同，不直接接觸焊件高溫區(qū)，但是焊接時間長于點焊和縫焊時間，這足以使一部分溫度傳遞到電極，電極與焊件接觸面也會產(chǎn)生電阻熱。這些工況情況決定了對焊電極的正常失效形式有：（1）塑性變形。高的夾緊力和電極的溫升是造成電極塑性變形的原因。（2）磨損。電極在夾緊力下工作，與焊件之間有強(qiáng)烈的摩擦造成疲勞磨損。（3）電極表面因閃光飛濺金屬造成的通電打火現(xiàn)象。

為了減少塑性變形和疲勞磨損，必須選擇與夾持力和焊接金屬相對應(yīng)強(qiáng)度、硬度的電極材料，容量小、頂鍛力小的設(shè)備或焊件金屬硬度較低時，一般選擇高導(dǎo)電率、硬度強(qiáng)度相對較低的電極材料，中等以上容量、頂鍛力較大的設(shè)備或焊接金屬硬度較高時，選擇中等導(dǎo)電率、較高硬度強(qiáng)度和耐高溫軟化能力強(qiáng)的電極材料，以延長電極壽命。

引起電極材料非正常失效的原因主要有電極材料內(nèi)部的疏松、組織粗大和硬度強(qiáng)度較低。電極材料的疏松是在熔煉鑄造過程產(chǎn)生的，通過規(guī)范熔煉工藝和選擇合適的鑄造方式可以避免疏松的產(chǎn)生[10]。組織粗大和硬度強(qiáng)度低一般是熱冷變形及熱處理工藝不當(dāng)造成，在電極制造過程中必須嚴(yán)格控制工藝過程和工藝參數(shù)。

5 閃光對焊電極材料的選擇

（1）閃光對焊高硬度或直徑大的錨鏈、礦用鏈時，頂鍛力和夾持力較大，一般選擇CuNiBe、CuCoBe和Cu（Ni+Co）Be系銅合金電極，考慮降低電極的使用成本，也可選擇CuNiSi和CuNiTi等系列銅合金。

（2）閃光對焊硬度相對較低或直徑較小的錨鏈、礦用鏈時，頂鍛力和夾持力小，一般選擇CuCrZr合金電極，CuCrZr合金成本較低、生產(chǎn)廠家多。

（3）電極材料內(nèi)部疏松和組織粗大問題除加強(qiáng)電極生產(chǎn)過程的控制外，還可以采用超聲波無損探傷的方式進(jìn)行檢測[11-12]，以防止使用有問題電極的帶來的損失。

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