[科普中国]-焰压焊接

原理

焰压焊的基本原理是：将金属丝与器件芯同时加热加压，使接触面产生塑性变形，而两种金属的原始交界面处几乎接近到原子间距离范围时，两种金属原子产生相互扩散。同时由于接触面的不平整，当在一定的压力作用下，高低不平的接触表面相互填充，从而产生弹性嵌合作用。最后，使两者紧密结合，形成牢固的键接。

在焰压焊时，为了避免残余应力造成连接的破坏，被连接材料之一应具有大的塑性。焰压焊的温度不得高于被连接材料的低共熔点，通常相当于其中可塑性较高的金属的回火或退火温度。

为了保证焰压焊接能形成可靠的连接，必须具备如下条件：

①在焊接时，两种被焊工件中至少有一种具有可塑性，能在连接区域内产生一定的塑性变形，以防止弹性形变。因为这种弹性形变，在解除压力后的恢复过程中，会使焊接强度变弱。

②必须加以适当的压力，以促使被焊工件完全按触。同时，还必须供给足够的热能，以使被焊工件在合理的时间内产生扩散。

③交界面要清洁，油污和氧化物等会影响焊接的强度。

适合于焰压焊接的材料可分成三类：

①在固态时可形成一系列的固熔体，并有良好的相互扩散作用的金属材料（如银一金、金一铜等）。

②相互间可形成低温共熔体的材料（如铝一硅、金一硅等）。

③通过互相扩散作用，能形成金属间化合物和低共熔点的合金（如金一铝、金一锡等）。

在焰压焊接时，由于被焊工件的双方都不需要全部熔融（像熔焊那样），也不需要加任何填料（像钎焊那样），因此，金一金系统、金一铝及全铝系统的焰压焊接已经广泛应用于各种微电子器件的制造中。

有的书籍把焰压焊分为电阻焊、摩擦焊、气压焊、锻焊和滚焊等。电阻焊和摩擦焊一般都有专门介绍，因此一般把焰压焊作为气压焊、锻焊和滚焊的统称。

焰压焊根据加热方式的不同，又可以分为工作台加热、压头加热、工作台和压头同时加热三种形式。2

分类及特点焰压焊按工艺不同，可分为气压焊、锻焊、缝焊和微电子连接焰压焊四类。焰压焊按加热方式不同，可分为工作台加热、压头加热、工作台和压头同时加热三类。焰压焊按照压头形状不同，又可分为楔形压头、空心压头、带槽压头和带凸缘压头四类。

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工艺特点气压焊气压焊是用气体火焰将待焊工件端面整体加热到塑性或熔化状态，同时施加一定的压力和顶锻力，不用填加金属，而使工件焊接在一起的一种焊接方法。气压焊分为塑性气压焊（即闭式气压焊）和熔化气压焊（即开式气压焊），这两种方法都易于实现机械化操作。

气压焊可用于焊接碳素钢、低合金钢、高合金钢以及一些有色金属（如Ni- Cu、Ni-Cr和Cu - Si合金等），也可焊接异种金属。气压焊不能焊接铝和镁合金。

(1)塑性气压焊

将被焊工件端面对接在一起，为保证紧密接触需维持一定的初始压力。然后使用多点燃烧焊炬（或加热器）对端部及附近金属加热，到达塑性状态后（低碳钢约为1200℃）立即加压，在高温和顶锻力的促进下，被焊界面的金属相互扩散，晶粒融合、生长，从而完成焊接。

采用塑性气压焊时，以适当的压力将零件需连接的清洁表面对顶到一起，并用气体火焰加热直到接头处达到预定的顶锻量。塑性气压焊由于整个界面的金属并不达到熔点，所以其焊接类型不同于熔化焊。一般来说，焊接是在高温（对低碳钢约1200℃）以及顶锻压力的作用下，通过晶粒长大、扩散以及晶粒穿过界面而结合等过程实现的。焊缝的特征是光滑的隆起表面或镦粗，而且在焊缝中心线上通常没有铸态组织。

塑性气压焊的具体步骤如下：

①焊接表面处理。焊前必须对工件端部进行表面处理，包括两个方面：一是对待焊工件端部及附近进行清理，清除油污、锈、砂粒和其他异物；二是对待焊工件端面进行机械切削或打磨等，使待焊端部达到焊接所要求的垂直度、平面度和粗糙度。

②加热。通常采用氧一乙炔焰，多点燃烧加热。焊炬有的需要强制水冷。焊炬可产生足够的热量，通过摆动使热量均匀地传播到整个被焊部位。加热燃料也可以是丙烷气体（液化石油气），但由于火焰温度低，加热速度慢，会使加热区域增大，影响焊接质量。

③顶锻（加压）。工件加热到一定温度后，即进行顶锻。顶锻的作用是：

a．使工件端部产生塑性变形，增大紧密接触面积，促进再结晶。

b．破碎工件端面上的氧化膜。

c．将接触面周边的焊接缺陷迁移到焊瘤处，使缺陷排除。

加压和顶锻方式与被焊金属有关，可以大致分为两类。一是恒压顶锻法（主要用于高碳钢的焊接），从开始到焊接完成，压力基本保持不变，达到一定的顶锻量就完成焊接。二是非恒压顶锻法（如焊接高铬钢或非铁素体钢），初始采用较高压力，这样可以使工件端面闭合紧密，防止氧化，然后减小压力，而在接头最终顶锻时压力再增加，这种顶锻方式压力的变化范围为40~70 MPa。

(2)熔化气压焊

熔化气压焊的焊接过程与塑性气压焊的加热方式相同，不同的是开始时要使工件离开些，并加热到熔化状态再顶锻。在焊接开始时，火焰直接加热工件端面，当端面完全熔化时，迅速撤出焊炬，然后立即顶锻，完成焊接。对工件施加的压力保持在28~34 MPa。这里获得均匀的加热（断面上）、精确的对中以及适当的顶锻量是十分重要的。

(3)气压焊设备

气压焊设备包括：

①顶锻设备，一般为液压或气动式。

②加热焊炬（或加热器），为待焊工件端面区域提供均匀并可控制的热量。

③气压、气流量、液压显示、测量和控制装置。

气压焊设备的复杂程度取决于被焊工件的形状、尺寸及焊接的机械化程度。在大多数情况下，应采用专用加热焊炬和夹具。供气必须采用大流量设备，并且气体流量和压力的调节和显示装置可在焊接所需要的范围内进行稳定调节和显示。气体流量计和压力表要尽量接近焊炬，以便操作者迅速检查焊接时燃气的气压和流量。有时为了冷却焊炬，也会在钳口和加压部位增加大容量的冷却装置。

锻焊锻焊是先将零件加热至接近熔点的温度，然后将工件叠合在一起，施加足够的压力或锤击以使界面产生永久变形，从而形成金属结合的一种方法。这是最早的焊接方法。现在的锻焊往往采用现代化的加热和加压手段以达到工件连接。这种方法当前主要用于生产管子和复合金属。

低碳钢是最常用的锻焊连接的金属。这种材料的薄板、棒材、管材和板材都容易进行锻焊。锻焊的工艺参数是锻压总量和锻焊温度。

要获得致密的焊缝一般需要较高的锻焊温度。但温度高时往往焊接接头的晶粒粗大而脆性增加，为此，锻焊后进行退火以细化接头的组织并改善接头韧性。钢的锻焊温度范围一般是1149~1288℃。

锻焊总量的控制是比较复杂的。对于复合板的生产，可根据两板的焊前、焊后的厚度变化来确定，而对接时则不易确定。对接的锻焊最常采用的接头形式是斜接接头，其他形式的接头也可以进行锻焊。所施加的压力可达2 068 MPa。

对于某些金属来说，锻焊时若不进行保护会生成氧化皮，从而影响金属的结合。锻焊某些金属时必须使用焊剂以防止工件表面生成氧化皮。焊剂与存在的氧化物结合而在工件表面上形成保护性覆盖层。该覆盖层能阻止形成更多的氧化物，并能降低已有氧化物的熔点。用于钢的两种焊剂是石英砂和硼砂（四硼酸钠）。对于高碳钢锻焊，最常用的焊剂是硼砂。由于硼砂的熔点较低，所以可在金属加热过程中将它撒到工件上。石英砂常作为锻焊低碳钢的焊剂。

滚焊滚焊是将金属加热到一定温度，然后用滚轮施加压力使接合表面变形而产生金属结合。这种方法最常用于生产复合钢板。这种工艺也常列为轧钢工艺。2