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焊接用电极材料
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:11/29/2006 阅读:16894

 

 

焊接用电极材料

 

 

电弧焊所用的电极有熔化电极和非熔化电极。熔化电极在焊接时既作电极又不断熔化而作为填充金属,如手工电弧焊所用的焊条,埋弧焊所用的焊丝等;非熔化电极在焊接时既不熔化又不作传导电流,还要传递压力,最常用的电阻焊电极是铜及铜合金电极,简称为铜电极。非熔化电极在高温下长期使用会发生不同程度的烧损、磨损或变形,经常要磨修或更换,在焊接生产中属于消耗材料。

1 钨极氩弧焊及等离子弧焊用电极

由钨金属棒作为钨极氩弧焊(TIG)或等离子弧焊(PAW)的电极称为钨电极,简称钨极,属于非熔化电极的一种。焊接过程中对非熔化电极的基本要求是:能传导电流、发射电子的能力强、在高温下工作不熔化并且使用寿命长等。金属钨能导电,其熔点(3410)和沸点(5900)比其他金属都高,电子逸出功为4.5eV,与铁相当,在高温时有强烈的电子发射能力。所以金属钨是最适合作钨极氩弧焊或等离子弧焊所用电极的非熔化电极材料。

1.1  钨极的种类及特点

钨极氩弧焊用的电极材料与等离子弧焊相同,常用的钨极主要有纯钨、铈钨、钍钨和锆钨等。常用钨极的种类及化学组成见表1。国外部分钨极牌号及主要化学成分见表2

1  常用钨极的种类及化学组成

钨极类型

牌号

化学组成/%

W

ThO2

CeO

ZrO

SiO2

Fe2O3+Al2O3

Mo

CaO

纯钨极

W1

99.92

0.03

0.03

0.01

0.01

W2

99.85

杂质总含量<0.15

钍钨极

WTh-7

余量

0.70.99

0.06

0.02

0.01

0.01

WTh-10

余量

1.01.49

0.06

0.02

0.01

0.01

WTh-15

余量

1.52.0

0.06

0.02

0.01

0.01

WTh-30

余量

3.03.5

0.06

0.02

0.01

0.01

铈钨极

WCe-5

余量

0.50

杂质总含量<0.1

WCe-13

余量

1.30

杂质总含量<0.1

WCe-20

余量

1.82.0

杂质总含量<0.1

锆钨极

WZr

99.2

0.150.40

其他≤0.5

纯钨极熔点和沸点高,不易熔化蒸发、烧损,但电子发射能力较其他钨极差,不利于电弧稳定燃烧。此外,电流承载能力较低,抗污染性能差。

钍钨极的电子发射能力强,电子逸出功为2.7eV,允许的电流密度大,电弧燃烧较稳定,寿命较长,但钍元素具有一定的放射性,在国外较常采用。

2  国外部分钨极牌号及主要化学成分

 

      / %

标准颜色

   

 

W

WP

WT4

WT10

WT20

WT30

WT40

WZ3

WZ8

WL10

WC20

ThO2

ThO2

ThO2

ThO2

ThO2

ZrO2

ZrO2

LaO2

CeO2

0.350.55

0.851.20

1.702.20

2.803.20

3.804.20

0.150.50

0.700.90

0.901.20

1.802.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

99.8

余量

余量

余量

余量

余量

余量

余量

余量

余量

绿色

蓝色

黄色

红色

紫色

橙色

棕色

白色

黑色

灰色

铈钨极电子逸出功低(2.4eV),引弧和稳弧性能不亚于钍钨极,化学稳定性高,允许的电流密度大,无放射性,是目前国内普遍采用的一种。

锆钨极的各种性能介于纯钨极和钍钨极之间。在需要防止电极污染焊缝金属的特殊条件下使用。焊接时,电极尖端易保持半球形,适于交流焊接。

1.2  钨极承载电流的能力

钨极的电流承载能力除了与它们的化学成分有关外,还受到许多其他因素的影响,如焊枪的形式、电极夹头的极性、电极直径、电源种类、电极从焊枪中伸出的长度、焊接位置、保护气体的性质等。

在工艺条件相同的情况下,用直流电焊接对各种类型电极的载流能力的影响没有很大的差别。钨极的载流能力大都与其极性有关,大约2/3的热量产生在阳极上,1/3的热量产生在阴极上。因此,在不过热条件下,电极接负极(正接法)时可以承载的电流比电极接正极(反接法)时大得多(约10倍);同样,直流电源情况下电极接负极时的载流能力比交流电情况下的载流能力大。

交流电时,纯钨极的载流能力低于其他钨极,而各类电极在对称波形交流电情况下的电流承载能力要比在非对称形交流电时的电流承载能力小。表3列出了部分国产电极的载流能力。由于电极的最大载流能力取决于很多因素,该表给出一个近似的电流范围以表达电极载流能力。

3  钨电极的载流能力/A

电极直径

/mm

直流正接

直流反接

 

 

 

 

  

1.0

2060

1580

2080

1.6

40100

70150

50160

1030

20100

2.0

60150

100200

100200

3.0

140180

200300

2040

100160

4.0

240320

300400

3050

140220

5.0

300400

420520

4080

200280

6.0

350450

450550

60100

250300

纯钨极价格不太昂贵,一般用于对焊接质量要求不太严格的情况下,不过用交流电进行焊接时,纯钨极的载流能力较低且抗污染性能差。钍钨极载流能力较好,寿命比较长,抗污染性能较好,易引弧,电弧燃烧较稳定。手工钨极氩弧焊时,钍钨极的消耗量只有纯钨极的10%20%。等离子弧焊时,国内主要采用钍钨或铈钨电极,表4给出钍钨电极的许用电流,也可供铈钨电极参考。

4  等离子弧焊钨极的许用电流(直流正接)

电极直径/mm

0.25

0.5

1.0

1.6

2.4

3.2

4.0

电流范围/A

15

520

1580

70150

150250

250400

400500

 

1.3  钨极的表面质量和形状尺寸

1)钨极的表面质量

钨极材料表面在拉拔或锻造加工之后要经过清洗、抛光或磨光。经过磨削后的钨极表面具有较低的粗糙度,能保证钨极与焊枪的电极夹头之间最大的接触面积,从而可以获得最大的载流能力;如果采用化学清理,会使得钨极表面较粗糙,接触电阻会降低载流能力。

对于有疤痕、裂纹、缩孔、毛剌或非金属夹杂等缺陷的电极,不应当使用,因为这些缺陷会影响其载流能力。电极表面的凹凸不平会引起弧柱“回火”现象。

2)钨极的形状尺寸

钨极直径范围一般为0.56.4mm,长度范围为76610mm。正确使用钨极可以获得较稳定的电弧,并能延长钨极的使用寿命。当选定钨极之后,使用时其形状和尺寸是影响电弧和焊接质量的重要因素。

若钨极端面凹凸不平,则产生的电弧不集中也不稳定,所以在使用前,需对其端部进行磨削以呈尖锥状。磨尖程度应根据焊丝直径和使用的电流大小来确定,例如在焊接薄板和使用小电流时,可选用小直径钨极,且其末端磨得尖些,这样容易引弧并且电弧燃烧稳定;但电流较大时,会由于电流密度过大而使末端过热熔化,从而使钨极烧损增加,同时电弧斑点也会扩展到钨极末端的锥面上,使弧柱扩散或飘摆不定,故在这种情况下锥角要适当加大或采用平顶锥形的钨极。表5列出推荐使用的钨极末端形状和电流范围。

5  钨极末端的形状和使用电流范围

电极直径

/mm

尖端直径

/mm

  

/ (°)

     

恒定电流范围/A

脉冲电流范围/A

1.0

0.125

12

215

225

0.25

20

530

560

1.6

0.5

25

850

8100

0.8

30

1070

10140

2.4

0.8

35

1290

12180

1.1

45

15150

15250

3.2

1.1

60

20200

20300

1.5

90

25250

25300

当采用交流钨极氩弧焊时,一般将钨极末端磨成半圆球状,随着电流增加,球径也应随之增加,最大时等于钨极直径(即不带锥角)。随着钨极末端锥角增大,弧柱的扩散倾向减小,但熔深增大,熔宽减小,焊缝横断面积基本不变。

采用等离子弧焊时,钨电极必须完全是圆柱形并且同心。为便于引弧和提高电弧燃烧的稳定性,电极顶端应磨尖呈锥状,夹角在20°~60°之间,随着电流增大,其尖锥可稍微磨平或磨成锥球状、球状等以减慢电极的烧损。

1.4  氩弧焊钨极的选用

钨极氩弧焊(TIG)时,选用钨极的种类要综合考虑如下几个因素:各种钨极的电弧特性(引弧与稳弧)、载流能力、被焊金属的材质、焊件厚度、电流类型及电极极性,此外,还要考虑电极的来源、使用寿命及价格等。不同金属钨极氩弧焊时推荐用的钨极及保护气体见表6

6  不同金属钨极氩弧焊时推荐用的钨极及保护气体

金属种类

金属厚度

电流类型

   

保护气体

所有厚度

交流

纯钨或锆钨极

ArAr+He

厚件

直流正接

钍钨或铈钨极

Ar+HeAr

薄件

直流反接

铈钨、钍钨或锆钨极

Ar

铜及铜合金

所有厚度

直流正接

铈钨或钍钨极

Ar+HeAr

薄件

交流

纯钨或锆钨极

Ar

镁合金

所有厚度

交流

纯钨或锆钨极

Ar

薄件

直流反接

锆钨、铈钨或钍钨极

Ar

镍及镍合金

所有厚度

直流正接

铈钨或钍钨极

Ar

低碳、低合金钢

所有厚度

直流正接

铈钨或钍钨极

Ar+HeAr

薄件

交流

纯钨或锆钨极

Ar

不锈钢

所有厚度

直流正接

铈钨或钍钨极

Ar+HeAr

薄件

交流

纯钨或锆钨极

Ar

所有厚度

直流正接

铈钨或钍钨极

Ar

一般厚板焊接时要求能获得较大的熔深,为此应采用直流正接和大电流来进行焊接,宜选用载流能力强的钍钨或铈钨极;薄板焊接要求熔深较浅,所以焊接时电流宜小,应采用直流反接的方法,但容易使电极发热,因此,电极宜选用引弧容易、稳定性好、载流能力强的钍钨极或铈钨极。铝、镁及其合金的焊接要求采用交流电,这种情况下电极烧损的程度比直流反接时的小,可以选用较为便宜的纯钨极。

美国产锆钨极(Zr0.15%0.4%),其载流能力和引弧性能均比纯钨极好,但比钍钨极差。我国不生产锆钨极,但有铈钨极,铈钨极的综合性能优于钍钨极,若价格和供货条件允许,可以取代钍钨极,因为钍钨极有微量的放射性,会给操作人员的身体健康带来不利的影响。

对于铈钨极,它是我国研制成功的产品,其X射线剂量及抗氧性能和钍钨极相比有了较大的改善。铈钨极的弧束细长,热量集中,可提高电流密度5%8%,使用寿命长,而且电子逸出功比钍钨极低,故引弧相对容易,燃弧稳定性好。另外,铈钨极化学稳定性好,阴极斑点小,压降低,烧损小,完全可以取代钍钨极。在机械化焊接应用中,铈钨极或钍钨极均比纯钨极更合适,毕竟纯钨极消耗的速度太快。

2  电阻焊用电极

电阻焊的点焊、缝焊、凸焊和对焊等都需使用不熔化电极,尽管这些电极的形状各不相同,但在焊接过程中都用来向焊件传输焊接电流和焊接压力。有些焊接场合,其电极还是焊模、夹具或定位装置。电极是电阻焊机的易耗零件。

电阻焊中电极的工作条件比较恶劣。制造电极的材料除了应有较好的导电和导热性能外,还应能承受高温和高压。目前最常用的电阻焊电极材料是铜及铜合金,在特殊焊接场合,也可采用钨、钼及氧化铝等耐高温的粉末烧结材料作为电极。在电阻焊中,电极材料和电极形状的不同选择直接会影响到焊接质量、生产成本和劳动生产率。

2.1  电阻焊用电极的功能及损坏形式

1)电极的功能

以点焊电极为例,其主要功能是传导电流、传递压力和散热。

1)传导电流

焊接时流过电极的电流因被焊金属的性质和厚度不同而不同,电流值可高达数千至数万安培,流过电极工作面的电流密度可达数百至数千安培每平方毫米。例如,点焊低碳钢时的电流密度为200300A/mm2,点焊铝及铝合金时的电流密度为10002000A/mm2,是常用导线安全电流密度的数十至数百倍。

2)传递压力

为了使接头连接牢固,不产生飞溅、裂纹或疏松等缺陷以及保持焊接质量稳定,必须通过电极向焊件施加一定的焊接压力或锻压力。根据焊件金属性质的不同,压力变化范围很大,例如点焊低碳钢的电极压力为30140MPa,焊接高温合金的电极压力高达400900MPa。但是电极传递的压力也不能太大,因为电极工作面与焊点直接接触,焊接所产生的高温若使电极已达到或超过电极材料在该温度下的屈服点,就会引起电极工作面的变形和压溃,从而使得电极无法正常工作。

3)散热

点焊焊接电流通过焊件所产生的热量,只有一小部分用于生成熔核,绝大部分热量是通过上、下电极的传导而散失掉。被焊板件越薄,电极散失的热量就越多,例如焊接厚度为1mm的低碳钢,电极散失掉的热量约占输入点处总热量的70%80%。如果焊接产生的热量不易散失,电极便全升温而产生变形、压溃及黏附现象,使得熔核难以形成。

2)电极的损坏形式

点焊、缝焊时,电极损坏的主要形式是变形和黏附。变形是由于电极材料在高温下产生了压溃,黏附是电极工作面和被焊金属间出现的扩散和合金化现象。

影响电极变形的主要因素是电极材料、电极头部形状、冷却条件及焊接工艺参数。电极的黏附现象跟电极材料和头部形状有关。所以合理选择电极材料、正确设计电极头部形状、加速电极的冷却及采用适宜的焊接工艺参数(如电流、通电时间及电极压力等)是提高电极使用寿命的主要措施。

2.2  电阻焊用铜电极材料

1)对铜电极材料的基本要求

根据电极在电阻焊中需传导电流、传递压力及逸散焊接区热量的特点,对电极材料提出了如下基本要求。

a、高的电导率和热导率,自身电阻发热小,能迅速逸散焊接区传来的热量,以改善焊件的受热状态,延长电极的使用寿命。

b、高温下具有高的强度和硬度,有良好的抗变形和抗磨损能力。

c、高温下与焊件金属形成合金化的倾向小,物理性能稳定,不易发生黏附。

d、材料生产成本低,加工方便,变形或损坏后便于更换。

2)铜电极材料分类及用途

国际上对电极材料分成铜及铜合金与粉末烧结材料两大组,每组又分成若干类。我国行业标准JB/T 42811991《电阻焊电极和附件用材料》对常用电极材料的分类和性能参数做了规定,具体见表7

7  电阻焊电极材料的分类和性能

编号

名称

成分/%

材料形式

 

HV/

(最小值)

电导率/MS·m-1

(最小值)

软化温度

/

(最小值)

A

1

1

Cu-ETP

Cu=99.9

(Ag微量)

棒≥25mm

棒<25mm

锻件

铸件

85

90

50

40

56

56

56

50

150

2

CuCd1

Cd=0.71.3

棒≥25mm

棒<25mm

锻件

90

95

90

45

43

45

250

2

1

CuCr1

Cr=0.31.2

棒≥25mm

棒<25mm

锻件

铸件

125

140

100

85

43

43

43

43

475

2

CuCr1Zr

Cr=0.51.4

Zr=0.020.2

棒≥25mm

棒<25mm

锻件

130

140

100

43

43

43

43

500

3

1

CuCo2Be

Co=2.02.8

Be=0.40.7

棒≥25mm

棒<25mm

锻件

铸件

180

190

180

180

23

23

23

23

475

2

CuNi2Si

Ni=1.62.5

Si=0.50.8

棒≥25mm

棒<25mm

锻件

铸件

200

200

168

158

18

17

19

17

500

4

1

CuNi1P

Ni=0.81.2

P=0.160.25

棒≥25mm

棒<25mm

锻件

铸件

130

140

130

110

29

29

29

29

475

2

CuBe2CoNi

Be=1.11.8

Co-Ni-Fe=0.20.6

棒≥25mm

棒<25mm

锻件

铸件

350

350

350

350

12

12

12

12

300

3

CuAg6

Ag=6.07.0

锻件≥25mm

铸件2550mm

140

120

40

40

400

4

CuAl19Fe5Ni5

Al-8.511.5

Fe=2.06.0

Ni=4.06.0

Mn=02.0

锻件

铸件

170

170

4

4

650

B

10

11

12

13

14

15

W75Cu

W78Cu

WC70Cu

Mo

W

W65Ag

Cu=25

Cu=22

Cu=30

Mo=99.5

W=99.5

Ag=35

220

240

300

150

420

140

17

16

12

17

17

29

1000

1000

1000

1000

1000

900

①材料的成分供参考,应按本表所示性能对电极进行加工。

 

    1A组——铜及铜合金材料

按其成分和性能特点可分成四类。

①第1类型  为高电导率、中等硬度的非热处理硬化合金。这类材料只能通过冷作硬化来提高其硬度,再结晶温度较低。常用的该类电极材料有纯铜、镉铜和银铜等。

②第2   为热处理强化合金。通过热处理和冷却变形联合加工以获得良好的力学性能和物理性能。其电导率略低于第1类材料,但力学性能和再结晶温度远高于第一类,是国内外应用最广泛的一种制造电极用的铜合金。典型的有铬铜和铬锆铜等。

③第3   为热处理强化合金。其力学性能高于第2类材料,但电导率低于上述两类,属高强度、中等电导率的电极材料。常用的有铍钴铜和镍硅铜等。

④第4   具有专用性能的铜合金。有些硬度很高,但其电导度不高;有的电导率高,但硬度不很高,它们之间不宜取代使用。常用的该类电极材料有铍铜和Ag6%的银铜等。

2B­——粉末烧结材料

这组材料由钨、钼金属以及它们的粉末与铜粉(或银粉)以一定比例混合后,经烧结而成的。按成分的不同,可归纳如下。

①铜和钨粉末烧结的材料   如第10类和第11类,前者含钨量低于后者。这两类电极材料有很高的硬度和软化温度,其电导率随钨含量的增加而降低。

②铜和碳化钨粉末烧结的材料   为第12类,因碳化钨的硬度高于钨,故这类材料的硬度比上述两类高,另外,其电导率较低,软化温度和上述材料相同。

③纯钼或纯钨   分别为第13类和第14类,后者的硬度远高于前者,两者的软化温度相同,均为1273

④银和钨粉末烧结的材料   为第15类,这种材料具有较好的抗氧化性能,电导率高于铜钨,和其他材料相比,其硬度和软化温度略低。

3)电阻焊铜电极的性能

在电阻焊的电极材料中,应用最广、用量最大的是铜及铜合金。在铜中还添加了少量的合金元素以改善铜的物理性能和力学性能,特别是提高其硬度和软化温度,以满足焊接中对电极的使用要求。

电极铜合金中常用的合金元素有镉(Cd)、银(Ag)、铬(Cr)、锆(Zr)、镍(Ni)、硅(Si)、铍(Be)、钴(Co)、和铝(Al)等。这些合金元素与铜组成二元、三元或多元合金而具有不同的性能,从而适应各种金属材料焊接的需要。目前常用的电极铜合金主要有镉铜、铬铜、锆铜、铬锆铜、铬铝镁铜、镍硅铜、铍钴铜和铍铜等。先分别对几种典型材料简述如下。

1)纯铜

纯铜即工业纯铜,含铜量在99.9%以上,密度为8.9g/cm3,熔点为1083,具有优良的导电、导热性能,是最重要的导电、导热材料。纯铜在退火状态下塑性高而强度低,故适于各种冷热加工。冷作加工能提高铜的强度和硬度,降低塑性,而对电导率的影响却很小,纯铜的这一特性使得其成为焊接纯铝的重要电极材料之一。

冷作硬化会降低铜的再结晶温度,所以纯铜作电极的焊接温度不宜高于150,否则会使铜迅速软化,影响焊接质量。

总之,纯铜电极只适用于压强小、焊接温度低和产品批量不大的情况。

2)镉铜

镉铜是电极铜合金中最重要的一种材料,Cd0.7%1.0%,属于热处理强化合金,可通过冷作硬化提高其硬度(可达140HV)。镉铜具有良好的导电、导热性能和耐磨与抗蚀性能,冷作硬化后其再结晶温度较低,故只适于在200以下使用,而且焊接时需加强对电极的冷却,以提高其使用寿命。

3)铬铜

铬铜具有高强度高导电性的特点,应用最为广泛,Cr0.5%1.0%,电导率可达纯铜的80%90%,属于热处理强化合金。经热处理后的铬以弥散形式在晶粒间沉淀析出,使基体得到强化且电导率增加。若再经过冷加工,其力学性能会进一步提高。铬铜软化温度较高,具有良好的耐热性,可在450477℃高温下安全工作,不过使用温度仍要防止超过铬铜的软化温度并加强冷却。

在铬铜中若加入少量银、铝、镁和硅等元素,形成多元铜合金,如铬银铜和铬铝镁铜等,可以进一步提高力学性能和软化温度。

4)锆铜

锆铜是一种高电导率、高热导率的热处理强化合金。铜中加入锆能显著提高铜的力学性能和软化温度,常用的有Zr0.2%Zr0.4%两种锆铜合金。锆铜在经过固溶处理及一定程度的冷加工再时效强化后才具有较高的力学性能和软化温度。使用性能优于铬铜和铬锆铜,但锆价格比铬贵,制造成本较高。

5)铬锆铜

铬锆铜是高强度、高电导率热处理强化铜合金中性能最好的一种,兼有铬铜的高失效强化性能和锆铜的高软化温度的优点,因而在常温和高温下均有较高的硬度。Cr0.25%0.80%,Zr0.08%0.50%,还含有少量的Mg。经固溶和失效热处理后,在铜基体上均匀析出弥散的CrCuZr粒子,改善其性能。加入少量Mg是为了提高其热稳定性。

实践表明,用铬锆铜做成点焊电极来焊接低碳钢或镀层钢,电极寿命会比用铬铝镁铜电极提高510倍。

6)铍铜

铍铜是铜合金中强度和硬度最高的一种,Be2.0%。铍铜经固溶和时效热处理后,其强度和抗磨性可达到高强度合金钢水平。但铍铜的电导率和软化温度较低,使用温度超过550时,便完全软化,因此不适用于接触面积小、焊接表面温度高的点焊或缝焊电极,否则会因导电、导热性能低而引起严重黏附。

7)铍钴铜

铍钴铜属高强度、中等电导率电极铜合金的一种,Be0.4%0.7%,Co2.0%2.8%,属热处理强化合金。加入铍和钴可以形成高熔点高硬度的金属韶华合物,以显著提高铜的强度,钴还能提高合金沉淀硬化效果。

8)镍硅铜

镍硅铜属热处理强化型合金,具有较高的强度和硬度,有良好的耐磨性,可替代铍铜作电极材料,通常Ni2.4%3.4%,Si0.6%1.1%。该合金在热处理时镍和硅能形成金属间化合物并呈弥散相析出,使基体得到强化,所以其力学性能和电导率较高。

8列出了电阻焊用常用铜及铜合金电极的特点及主要性能。

8  常用铜及铜合金电极的特点及主要性能

材料名称

牌号

主要成分/%

加工特点

国外同类材料

抗拉强度

/MPa

伸长率

/%

硬度

HBS

电导率

/MS·m-1

软化温度

/

纯铜

T2

Cu99.9

退火状态

225235

50

4050

58

美国:Ampcoloy99Elkonite ATipaloy100

前苏联:M1

T2

Cu99.9

  437697退火,50%冷变形

392490

2

80100

57

150

镉铜

QCd1

Cd0.91.2

797退火,

50%冷变形

588

26

110115

4852

280

美国:Ampcoloy97

Elkaloy A

前苏联:MK

英国:Matthey A

法国:Soudallox 100

银铜

QAg0.2

Ag0.2

797退火,

冷加工

345441

24

110115

4852

280

前苏联:MC

德国:Wirbalit L

铬铜

QCr0.5

Cr0.51.0

947977淬火,冷变形,

447时效

441490

15

110130

4449

475

美国:Ampcoloy95

Mallory3

  前苏联:Bpx

  英国:Matthey3

  法国:Soudalox 200

德国:Wirbalit N

锆铜

QZr0.2

Zr0.150.25

947淬火,

75%冷变形,

447时效

392441

10

120130

52

500

美国:Amzirc

QZr0.4

Zr0.300.50

947淬火,

75%冷变形,

447时效

441490

10

130140

46

500

铬银铜

QCr0.50.1

Cr0.5,Ag0.1,

Zn0.15

997淬火,

60%冷变形,

467时效

392412

24

130

48

500

铬铝镁铜

QCr0.5-

0.2-0.1

Cr0.5,Al0.2,

Mg0.1

997淬火,

60%冷变形,

467时效

392441

18

110130

4144

510

前苏联:Mn4

铬锆铜

Cr0.30.5,

Zr0.10.15

967淬火,

50%冷变形,

467时效

490

10

HV

145

46

550

美国:Amax-MZC

  前苏联:Mn5,Mn5A,

  英国:Matthey 328,

  法国:CRM-16

德国:Wirbalit HF

日本:MCZ

Cr0.50.7,

Zr0.150.25

967淬火,

50%冷变形,

467时效

539

10

HV

150

44

550

Zr0.080.15,

Cr0.250.5,

Te0.10.2

967淬火,

50%冷变形,

467时效

490

10

HV

145

46

550

铍钴铜

Be0.4,Co2.5

947淬火,

50%冷变形,

447时效

637735

9

180210

2326

500

美国:Mallory 100

  英国:Matthey 100,

  法国:Soudalox 300

德国:WirbalitB

铍铜

QBe-2

Be1.92.2,

Ni0.20.5

777787

淬火,297

317时效

1176

1.5

360

1215

300

  美国:Ampcoloy 83

Tipaloy  T4

镍硅铜

QSi1-3

Si0.61.0,

Ni2.43.4

897淬火,

447时效

588735

3

150180

2326

543

  前苏联:33

镍硅铬铜

Si0.50.8,

Ni2.03.0,

Cr0.20.6

897淬火,

50%冷变形,

447时效

637

18

200220

2326

550

  美国:Ampcoloy 940

Tipaloy 240

铬锆钴铜

Zr0.10.25,

Cr0.30.8,

Co1.53.0

490590

810

160180

2325

625

铝镍铁铜

QAl10-4

-4

Ni3.55.5,

Al9.511,

Fe3.55.5

947淬火,

497时效

8821078

45

170220

6

650

  美国:Tipaloy  T5

4)电阻焊用钨、钼和粉末烧结电极材料

1)钨和钼电极

用纯钨或纯钼制作电阻焊电极是利用了它们的熔点高、硬度高、有良好的抗黏附性及电导率高于铁等金属等特点。

钨金属在室温下塑性差,容易脆裂。比如电子产品中的小型铜合金零件的点焊,因其焊接电流小,压力低,故可以采用钨棒作电极;在大电流高压力情况下焊接时,通常是把钨棒或钨片镶嵌在铜合金电极的头部,构成复合电极,这样既提高了电极的导电性能,又改善了钨极的散热效果,还能防止钨极在焊接时受冲击而碎裂。

和钨相比,钼的熔点和硬度较低,但韧性较好且易于加工;其他性能与钨相近,故用作电极的情况和钨相同,常与铜合金电极一起制作成镶嵌式复合电极。

2)粉末烧结材料

粉末烧结材料是利用铜粉或银粉和一定比例的钨粉混合,经过压制和烧结制作而成的,根据对硬度和电导率的不同要求,可以制作成一系列的粉末烧结材料。这种材料的软化温度接近于铜和银的熔点,而硬度和电导率取决于钨粉的含量、颗粒度及其分布情况。粉末烧结材料的最大优点是能加工成不同形状和尺寸的电极,而不像纯钨或纯钼那样受到限制。此外,粉末烧结材料的硬度和电导率可以通过调整配比来达到。

-钨烧结材料中钨的含量大于或等于60%。银-钨烧结材料的性能与铜-钨相似,但电导率和抗氧化性优于铜-钨,抗黏附能力则不如铜-钨,且其价格较贵。铜-碳化钨烧结材料在高温下具有较强的抗氧化性,用作电极的接触电阻稳定,抗黏附性能好,但硬度较高,不易于加工。

9  列举了国内常用钨、钼和粉末烧结电极材料的主要性能。

9  钨、钼和粉末烧结电极材料的主要性能

 

 

密度/g·cm-3

电阻率/×10-6Ω·cm-1

布氏硬度HBS

抗拉强度/MPa

W

19.3

5.5

350

17604070

Mo

10.2

5.1

140185

13702450

-

Cu-W60

12.8

3.5

160

590

Cu-W70

14.0

4.1

200

640

Cu-W80

15.1

5.2

220

690

-

Ag-W40

12.5

2.7

85

880

Ag-W70

14.8

3.4

180

1080

-碳化钨

Cu-W50

11.1

2.4

90100HRB

-碳化钨

Ag-WC40

12.0

3.6

90HRB

Ag-WC60

12.9

5.5

110HRB

2.3  电阻焊用电极材料的选用要点

1)熟悉电极材料的基本特性

从表7中可以看出,用于制作电阻焊电极的材料随着硬度的增加,其电导率一般是降低的。这反映出一般硬度高的电极材料耐磨、抗压能力强;电导率高的材料,其热导率也高,散热也快。软的电极材料是不能用于承受大的焊接压力的,但其电导率高,可以用于大电流情况下的焊接。软化温度低的电极材料不耐热,只能用于冷却条件好的情况。表7B组电极材料多为粉末烧结材料,比较适合于高温、焊接通电时间长、冷却不足或压力高的场合。

2)注意电阻焊焊接方法的工艺特点

在电阻焊中,点焊和缝焊电极的工作条件最为恶劣,所以对电极材料要求非常苛刻,既要求其导电、导热性能好,又要求耐热、耐压和耐磨。相比之下,电阻凸焊和对焊对电极材料的要求简单得多。电阻对焊的电极通常是夹钳的组成部分,一般不直接接触焊件的高温区,而且与焊件接触面积较大,电流密度相对较低,不要求电极有很高的电导率和热导率,但它除了向焊件传输焊接电流和顶锻力外,还承受着夹持焊件的巨大压紧力,这样会与焊件之间产生强烈的摩擦,因此,电极须有足够的强度和硬度以减少变形和磨损。所以了解电极的工作条件是正确选用电极材料的关键。

3)根据被焊金属材料的特点来选电极材料

以点焊为例,不同金属材料对电极的要求并一不样。比如铝及铝合金具有较高的电导率和热导率、低的高温强度和低的熔点、塑性温度范围窄等特点。点焊时要求大电流快速焊接,对电极的要求主要是具有高电导率,而对硬度和耐高温性无特别严格的要求,因此选用铝类或纯铜作电极材料较为合适;而对于不锈钢的点焊,因其电阻率比低碳钢高,而热导率比低碳钢低,焊接时要求比焊接低碳钢用更大的电极压力和较小的焊接电流,因此宜选用硬度较高、电导率较低的电极材料,例如低碳钢Q235类材料。

4)保证重点兼顾其他

焊接对电极材料的要求很多,也很严格,但几乎目前已有的电极材料难以同时满足这嘴要求。在不可兼得的情况下,选择能满足对焊接质量起决定性作用的性能要求的寻种电极材料,其他方面的要求只能有所兼顾或以某些措施(如改变电极形状、加强冷却或预热等)来弥补电极材料的不足之处。

10列出了各类电阻电极材料的用途。

10  各类电阻焊电极材料的用途

 

 

 

 

闪光焊或对焊

辅助设备

Q195/Q195

焊铝

  焊铝

  无应力导电部件,叠片分路

Q195/Q215

  焊铝电极、焊镀层钢(镀锌、锡、铝、铅)电极

  焊铝电极、焊镀层钢(镀锌、锡、铝、铅)电极轮

  焊低碳钢的模具或镶嵌电极

  高频电阻焊或焊非铁磁金属用电极

Q215/Q195

  焊低碳钢电极、握杆、轴和衬垫材料

  焊低碳钢电极

  大型模具

  焊低碳钢、碳钢、不锈钢和耐热钢用模具或镶嵌电极

  受应力导电部件,B组烧结材料的衬垫

Q215/Q215

  焊低碳钢和镀层钢电极

  焊低碳钢和镀层钢电极

Q235/Q195

  焊不锈钢和耐热钢用电极,受应力电极握杆、轴和电极

  焊不锈钢和耐热钢用电极轮、轴和衬套

模具或蓑嵌电极

  高夹紧力下的模具或镶嵌电极

  受应力导电部件

Q235/Q215

  受应力电极握杆、轴和电极臂

轴和衬套

  受应力导电部件

Q255/Q195

  电极握杆和弯电极臂

  轴和衬套

  受应力导电部件

Q255/Q215

  极大机械应力下的电极握杆和轴

  极大机械应力下的机臂

  高电极压力下的模具和镶嵌电极

闪光焊用的长模具

Q255/Q235

  高热应力下焊低碳钢用的电极轮

Q255/Q255

  电极握杆

  低负荷下的轴和衬套

  压板和模具

 

3. 碳弧气刨用电极

碳弧气刨是利用碳棒或石墨棒作电极,与工件间产生电弧将金属熔化,并用压缩空气将熔化金属吹除的一种表面加工沟槽的方法。在焊接生产中,主要用来刨槽、清除焊缝缺陷和背面清根等。

碳弧气刨用碳棒具有以下性能:导电性能良好、耐高温、损耗小、电弧稳定、成本低等。碳棒的性能与原材料的质量有关,含有夹杂物的碳棒,会对母材产生不良影响,因此碳棒应选用高级碳素材料来制作。用高纯度及细颗粒的原料制作的碳棒允许的电流密度高、碳棒的消耗小。碳棒由石墨、碳粉和黏结剂混合后经压制成形,然后经石墨化处理后再在表面镀铜制作而成,镀铜层的厚度为0.30.4mm

3.1  圆碳棒和矩形碳棒

碳弧气刨常用的碳棒有圆形碳棒和矩形(扁形)碳棒两种。表11列出常用碳棒的型号和规格。表12列出各种规格碳棒的适用电流。圆碳棒主要用于焊缝的清根、背面开槽及清除焊接缺陷等;矩形碳棒则用于刨除构件上残留的临时焊道和焊疤、清除焊缝余高和焊瘤,有时候也用于碳弧切割中。

11  常用碳棒的型号和规格

 

截面形状

规格尺寸/mm

 

 

 

B505B514

圆形

56789

305

101214

355

B5412B5620

矩形

4×12  5×10

5×12  5×15

305

5×18  5×20

5×25  6×20

355

12  碳棒的适用工作电流

圆形碳棒

矩形碳棒

碳棒直径/mm

适用电流/A

断面规格/mm

适用电流/A

3

4

5

6

7

8

10

12

150180

150200

150250

180300

200350

250400

350500

450550

3×12

4×8

4×12

5×10

5×12

5×15

5×18

5×20

200300

180270

200400

300400

350450

400500

450550

500600

 

3.2  碳棒的选用及特殊碳棒

选择碳棒的直径,一般按工件厚度来确定,但也要考虑到槽宽的需要。通常碳棒直径比所要求刨槽的宽度小24mm为宜,推荐选用见表13

13  碳棒直径的选用

工件厚度/mm

碳棒直径/mm

工件厚度/mm

碳棒直径/mm

46

68

812

4

56

67

10

18

710

10

为适应各种刨削作业的需要,除常用碳棒外,还有一些特殊碳棒,其品种主要如下。

① 管状碳棒   用于使槽道底部扩宽。

② 多角形碳棒   用于一次刨削且欲获得较宽或较深的槽道。

③ 自动碳弧气刨用碳棒   这种碳棒的前端呈锥形,末端有一段为中空形,专用于自动碳弧气刨过程中碳棒的自动接续。

④ 交流电碳刨用碳棒   这种碳棒在其中心部位有稳弧剂,使电流交变时电弧有较好的稳定性。

 

 
 
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