[科普中国]-压力焊

压力焊原理

压力焊过程是通过适当的物理-化学过程，使两个分离表面的金属原子接近到原子能够发生相互作用的距离（约为0.3~0.5nm）形成金属键，从而使两金属连为一体，达到焊接目的。可见，压力焊是通过对焊区施加一定的压力而实现的，压力大小与材料种类、焊接温度、焊接环境和介质等有关，压力的性质可以是静压力、冲击力或爆炸力。在多数压力焊过程中，焊接区的金属处于固态，依赖压力（不加热或伴以加热）作用下的塑性变形、再结晶和扩散等过程而形成接头。

压力与加热温度之间存在着一定关系，从上图可以看出，焊接区金属温度越低，实现焊接所需的压力就越大。压力是使两分离焊件表面紧密接触形成焊接接头的重要条件；加热可提高金属塑性，降低金属变形阻力，显著减小所需压力，同时加热又能增加金属原子的活动能力和扩散速度，促进原子间的相互作用易于实现焊接。例如，室温下，铝对接端面的变形度要达到60%以上才可以实现焊接（冷压力焊），而在400℃时只需8%的变形度就能实现焊接（电阻对焊），当然，此时所施加的压力将大大降低。由上图可以看出，冷压力焊所需压力最大，扩散焊最小，而熔焊则不需要压力。一般来说。这种固态焊接接头的质量，主要取决于待焊表面氧化膜（室温下其厚度为1~5nm）和其他不洁物在焊前和焊接过程中被清除程度，并与接头部位的温度、压力、变形和若干场合下的其他因素（如超声波焊接时的摩擦，扩散焊时真空度等）有关。

基于压力焊原理的微连接技术还涉及扩散焊和超声波焊等方法。

扩散焊是在一定温度和压力下，经过一定的时间，通过连接界面原子间相互扩散实现连接的方法。

超声波焊接是利用超声波的高频振动，在静压力作用下将弹性振动能量转变为工件的摩擦力和形变能，对焊件进行局部清理和加热的一种焊接方法。超声波焊二般经过三个阶段：第一阶段为振动摩擦阶段，其作用是排除焊件表面油污、氧化物等杂质，使纯净的表面暴露；第二阶段为温度升高阶段，在超声波连续往复摩擦中，接触表面温度升高，变形抗力下降，在静压力和机械振动引起的交变切应力下，焊件接触表面的塑性流动不断进行，使金属表面的原子接近到能发生引力作用的范围，发生原子扩散和相互结合；第三阶段为固态结合阶段，随着摩擦过程的进行，微观接触面积越来越大，接触部分的变形也不断增加，使焊件间产生冶金结合，形成牢固接头。

基于压力焊原理的微连接技术主要应用于微电子器件内引线连接。通过一定压力、加热、超声波等手段，在接头内金属不熔化前提下，使被连接面之间发生原子扩散，该连接技术有时被称为键合技术。引线键合在基于压力焊原理的微连接技术中应用最广泛。引线键合是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上布线焊区用金属细丝连接起来的方法。焊区金属一般为铝或金，金属丝多数是数十微米至数百微米直径的Au丝、Al丝或Si-Al丝。焊接方式主要有热压力焊、超声键合焊和Au丝球焊。引线键合原理是采用加热、加压和超声等方式破坏被焊表面的氧化层，使得引线与被焊面紧密接触，达到原子间的引力范围并导致界面间原子扩散形成焊点。引线键合生产成本低、互连焊点的精度和可靠性高，该技术已成为芯片互连的主要方法，广泛用于各种芯片级封装和低成本的芯片封装中。由于微电子元器件的微型化，又出现了自动载带键合（tape automated bonding）和倒装（flip-chip）焊等新的键合方法。2

电阻焊电阻焊又称接触焊，是压力焊中的一种焊接方法，利用电流通过焊件及其接触处产生的电阻热，将焊件局部加热到塑性状态或部分熔化状态，然后在压力下形成焊接接头。

电阻焊的基本形式有：点焊、对焊、缝焊、凸焊等。

阻焊与其他焊接方法相比较具有许多优点：机械化和自动化程度高，焊接时没有强烈的弧光，烟尘和有害气体少，劳动条件好，因为通电时间短（0.01～10 s），又是局部加热，故热影响区和焊接变形小，而且省去了焊条、氧气、乙炔、焊料、熔剂等，故节省材料，成本低廉，但电阻焊设备复杂，耗电量大，焊前要严格清理工件表面。

点焊选择点焊工艺参数时，通常是根据工件的材料和厚度，并参考该种材料的焊接条件表。首先确定电极的端面形状和尺寸。其次初步选定电极压力和焊接时间，然后调节焊接电流，以不同的电流焊接式样。经检验熔核直径符合要求后，再在适当的范围内调节电极压力、焊接时问和电流，进行试样的焊接和检验，直到焊点质量完全符合技术条件所规定的要求为止。

1.点焊基本原理

两圆柱形电极接电源而组成回路，电极内通水冷却。焊件搭接装配后，紧压于两电极之间，然后通以大电流，使焊件接触处局部加热呈熔化状态，断电后在压力作用下凝固形成焊点（熔核），从而将两焊件连接起来，如图上图所示。由于焊接时有分流现象（下图），故两个焊点之间应有一定的距离。

点焊常用的接头形式是搭接接头。在点焊接头设计时，应考虑到施焊方便和加热可靠。敞开接头，可采用标准电极，其工艺性较好；封闭接头须采用特殊电极，故接头工艺性较差。

2.点焊工艺参数的选择

点焊的工艺参数主要有焊接电流、焊接时间、电极力、电极工作面直径等。点焊时采用硬规范工艺参数是指焊接电流大、焊接时间短，其效果是加热速度快、焊接区温度分布陡、加热区窄、接头表面质量好、过热组织少、接头的综合性能好、生产率高。软规范工艺参数是指焊接电流小而焊接时问长，其效果是加热速度慢、焊接区温度分布平缓、塑性区宽、在压力作用下易变形，一般用于焊接工件厚度大、变形网难或易淬火的材料。

3.点焊方式及其选用

点焊方法很多，按供电方向和在一个焊接循环中所能形成焊点数，可分为：双面单点焊、单面双点焊、双面多点焊等。其中双面单点焊焊接质量高，应优先选用。单面双点：悍生产率高，适合大型、移动困难的工件。双面多点焊适于大批量生产。

对焊对焊是将两个被焊工件置于焊机两夹具内夹紧，利用电流通过两个被焊工件和接触面时产生的电阻热，将焊件加热至塑性状态，再连续或断续地加压，使两焊件沿整个接触面连接起来的焊接方法。

根据操作方法的不同，对焊又分为电阻对焊、闪光对焊、滚对焊等。

1.电阻对焊

电阻对焊是先将两个焊件用夹具夹紧，并加压使焊件端面紧密接触，然后通以很大的电流，在电阻热的作用下，焊件接触部分被加热到塑性状态，断电的同时加压，使接触部分产生一定的塑性变形，从而把两焊件牢固地连接起来，见下图。

电阻对焊的优点是操作简单，焊后接头外形光洁整齐；缺点是内部质量不高，焊前对焊件表面清理要求较高，否则就会造成加热不均匀或接头中残留杂质等缺陷，焊接的质量更差，接头的强度较低、冲击韧性差，且焊机功率要求大。

电阻对焊一般适用于焊接简单的截面（圆形、方形）及截面直径（或边长）小于20mm的低碳钢棒料、管子以及强度要求不高的工件，也适用于焊接直径8 mm以下的有色金属棒料和管子。

2.闪光对焊

施焊时，先通电，然后焊件相互靠近。由于工件端面不平，在端面的接触过程中，火花爆出，形成闪光（见下图），接触处加热熔化，待端面达到全部熔化时，即以极快的速度加压，最后形成牢固的接头。闪光对焊的过程基本上由闪光和随后的顶锻两个阶段组成。

闪光对焊是对焊的主要形式，其主要优点是，焊前对施焊表面要求不高，接头中氧化物与夹渣较少，接头质量较高。但焊后接头表面不光，留有毛刺，金属消耗较多，工件尺寸需留较大余量。

闪光对焊适用于各种棒料、带料、管料的焊接，可焊截面小到0.01mm的金属丝，和大到数百平方厘米的金属棒或金属板，广泛用于钢筋、钢轨、刀具、钻杆、锚链、导线等焊接，也可用于异种金属的焊接。

3.滚对焊

工业上常用滚对焊生产有缝钢管，首先将板条在成形机上弯曲成圆形管坯，并将管坯置于滚对焊机上均匀加压，当管坯接触处缝隙经过一对滚动电极时，利用接触处的电阻热将管坯焊接起来，见下图。此法生产钢管可连续进行，比其他焊接方法质量好、效率高。

缝焊缝焊又称滚焊，焊接过程与点焊相似，相当于连续点焊。缝焊电极是旋转的盘状滚轮。缝焊时，电极滚轮紧压焊件，配合断续通电，焊件则从滚轮之间通过，于是接触面上形成连续的焊点即为焊缝，见下图。

缝焊工件表面平整光滑，焊点重叠50%以上，故气密性、水密性好，常用来焊接薄壁容器，如汽车油箱等。因分流严重，焊件厚度通常在2～3mm以下。在化工、汽车、飞机制造等工业中应用广泛。

凸焊在一个焊件的焊接处先加工出凸起点，这些凸起点在焊接时，和另一焊件紧密接触，通电后，凸起点被加热，压塌后，形成焊点，见下图。

由于凸起点接触提高了凸焊时焊点的压力，并使接触电流比较集中，所以凸焊可以焊接厚度相差较大的工件。多点凸焊可以提高生产率，并且焊点的距离可以设计得比较近。

凸焊适用于大量生产和焊接厚度相差较大的工件，如飞机的孔盖、加强板、晶体管的管壳等。3

摩擦焊摩擦焊原理摩擦焊是利用两焊件接触面产生的摩擦热为热源，将焊件接触处局部加热至塑性状态，然后迅速停止运动，并施以顶锻的轴向力，从而把两焊件牢固地连接在一起，见下图。摩擦焊所用的摩擦焊机包括驱动系统（惯性摩擦焊机还包括飞轮）和加压装置。全自动焊机还有上、下料装置、去飞边装置和参数自动监控系统。

摩擦焊分类摩擦焊可分为连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊两种。

连续驱动摩擦焊：由电动机带动一个工件旋转，同时把另一工件压向旋转工件，使其接触面相互摩擦产生热量和一定塑性变形，然后停止旋转，同时施加顶锻压力完成焊接（下图）。焊接质量与转速、摩擦时间、摩擦压力、顶锻压力和工件顶锻变形量有关。

惯性摩擦焊：由电动机驱动飞轮达到要求的转速，然后把一个工件压向夹持在飞轮轴上的转动工件，工件间的摩擦阻力使飞轮减速，并将飞轮的动能转换成焊接所需的热能（下图）。焊接质量与飞轮惯性矩、转速和顶锻力有关。

摩擦焊的特点与应用摩擦焊的接头组织致密，接头杂质、氧化皮被挤出，不易产生气孔、夹渣，尺寸精确，生产率高，劳动条件好且设备简单，焊接金属广泛，尤其是可焊接性能差别大的异种金属。

摩擦焊技术的主要优点归结为如下几个方面。

1.接头质量好且稳定。焊接过程由机器控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为缎造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂、裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度。

2.效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其他焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的。

3.节能、节材、低耗。所需功率仅及传统焊接工艺的1/5～1/15，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极。

4.焊接性好。特别适合异种材料的焊接，与其他焊接方法相比，摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜等等。

5.环保，无污染。焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有弧光和火花，没有放射线。

由于以上这些优点，摩擦焊技术被誉为未来的绿色焊接技术，在生产中应用较广，可用于锅炉制造中的各种管予、管子和法兰的焊接，建筑工业的钢筋焊接，也可用于铜铝导线的对接以及刀具的制造等。不适于焊接非圆截面工件、盘状及薄壁管件，焊机一次性投资较大。3

冷压焊

冷压焊是在没有外加热源的条件下，仅施加很大压力使焊件金属局部产生相当大的塑性变形，把接头问的氧化膜和其他杂质挤出，使接触处的金属产生原子结合，形成牢固的接头，见上图。

加压变形时，工件接触面的氧化膜被破坏并被挤出，能净化焊接接头。所加压力一般要高于材料的屈服强度。以产生60%～90%的变形量。加压方式可以缓慢挤压、滚压或加冲击力，也可以分几次加压达到所需的变形量。

冷压焊无热影响区，金属的性能均匀一致，焊接质量稳定，设备简单，便于操作，生产率高，容易实现自动化。其缺点是：焊件的局部变形量大，焊接大截面焊件时所需焊机的吨位较大。

冷压焊的工件一般是塑性金属，如铝、铜、镉、镍和银等。冷压焊有搭接点焊和对接焊两种。搭接点焊前_丁件表面须经机械加工，或用钢丝刷（轮）或溶剂仔细清理，对接焊时表面清理要求不太严格。

冷压焊设备只需一台挤压机，包括压膜和夹持钳口，也可用手动夹具焊接小工件。冷压焊时工件不必加热，因而适于焊接不允许有温升的工件和加热时会引起软化的材料，也适用于易产生脆性化合物的异种金属连接。冷压焊所需设备简单，工艺简便，劳动条件好。但冷压焊所需挤压力较大，搭接焊后工件表面有较深的压坑，因而在一定程度上限制了它的应用范围。

冷压焊已应用于电容器外壳的封装、电气工业中铝铜过渡接头、导电母线、引出线、铝制日用品和包装带的焊接等。铝与铝对接可焊截面达1500mm2，铝与铜对接可焊截面达1000mm2。可焊接同种材料，也可以焊接异种材料，铜、铝、铅、锡、锌、镍、钛等金属均可冷压焊。与闪光对焊、摩擦焊相比，冷压焊更适合于电气安装焊接，广泛用于铝与铝、铜与铜、铝与铜的焊接。3

超声波焊接超声波的振动频率一般在20000Hz以上，超声波焊就是将焊件置于上、下声极之问，并在两焊件的连接处预加一定的静压力，然后利用声极的超声振动，使接触面上的原子加速扩散而连接焊件。声极头的超声振动是利用换能器（常用的是磁致伸缩换能器）将超声频的交流电转换为机械振动波，并通过变幅杆传递到上、下声级的施焊处，使声极端面能作一定振幅的超声频机械振动，焊接时常采用的频率为20～45kHz左右。

由于超声波焊接时焊件上没有电流通过，所以焊件不受高温的影响，焊点和热影响区的组织与性能变化极小，焊接应力和变形也小，可以焊接各种金属箔、金属丝以及厚薄相差悬殊的零件，也可焊接非金属材料及高导电性、高导热性的轻金属及其合金，常用于电子、仪表、原子能等工业中。3