壓力焊

壓力焊摩擦焊原理

摩擦焊是利用兩焊件接觸面產(chǎn)生的摩擦熱為熱源，將焊件接觸處局部加熱至塑性狀態(tài)，然后迅速停止運動，并施以頂鍛的軸向力，從而把兩焊件牢固地連接在一起，見圖9。摩擦焊所用的摩擦焊機包括驅(qū)動系統(tǒng)（慣性摩擦焊機還包括飛輪）和加壓裝置。全自動焊機還有上、下料裝置、去飛邊裝置和參數(shù)自動監(jiān)控系統(tǒng)。

壓力焊摩擦焊分類

摩擦焊可分為連續(xù)驅(qū)動摩擦焊和慣性摩擦焊兩種。

連續(xù)驅(qū)動摩擦焊：由電動機帶動一個工件旋轉(zhuǎn)，同時把另一工件壓向旋轉(zhuǎn)工件，使其接觸面相互摩擦產(chǎn)生熱量和一定塑性變形，然后停止旋轉(zhuǎn)，同時施加頂鍛壓力完成焊接（圖10）。焊接質(zhì)量與轉(zhuǎn)速、摩擦時間、摩擦壓力、頂鍛壓力和工件頂鍛變形量有關(guān)。

慣性摩擦焊：由電動機驅(qū)動飛輪達到要求的轉(zhuǎn)速，然后把一個工件壓向夾持在飛輪軸上的轉(zhuǎn)動工件，工件間的摩擦阻力使飛輪減速，并將飛輪的動能轉(zhuǎn)換成焊接所需的熱能（圖11）。焊接質(zhì)量與飛輪慣性矩、轉(zhuǎn)速和頂鍛力有關(guān)。

壓力焊特點與應(yīng)用

摩擦焊的接頭組織致密，接頭雜質(zhì)、氧化皮被擠出，不易產(chǎn)生氣孔、夾渣，尺寸精確，生產(chǎn)率高，勞動條件好且設(shè)備簡單，焊接金屬廣泛，尤其是可焊接性能差別大的異種金屬。

摩擦焊技術(shù)的主要優(yōu)點歸結(jié)為如下幾個方面。

1.接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定。焊接過程由機器控制，參數(shù)設(shè)定后容易監(jiān)控，重復(fù)性好，不依賴于操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度。焊接過程不發(fā)生熔化，屬固相熱壓焊，接頭為緞造組織，因此焊縫不會出現(xiàn)氣孔、偏析和夾雜、裂紋等鑄造組織的結(jié)晶缺陷，焊接接頭強度遠大于熔焊、釬焊的強度，達到甚至超過母材的強度。

2.效率高。對焊件準備通常要求不高，焊接設(shè)備容易自動化，可在流水線上生產(chǎn)，每件焊接時間以秒計，一般只需零點幾秒至幾十秒，是其他焊接方法如熔焊、釬焊不能相比的。

3.節(jié)能、節(jié)材、低耗。所需功率僅及傳統(tǒng)焊接工藝的1/5～1/15，不需焊條、焊劑、釬料、保護氣體，不需填加金屬，也不需消耗電極。

4.焊接性好。特別適合異種材料的焊接，與其他焊接方法相比，摩擦焊有得天獨厚的優(yōu)勢，如鋼和紫銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等等。

5.環(huán)保，無污染。焊接過程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有弧光和火花，沒有放射線。

由于以上這些優(yōu)點，摩擦焊技術(shù)被譽為未來的綠色焊接技術(shù)，在生產(chǎn)中應(yīng)用較廣，可用于鍋爐制造中的各種管予、管子和法蘭的焊接，建筑工業(yè)的鋼筋焊接，也可用于銅鋁導(dǎo)線的對接以及刀具的制造等。不適于焊接非圓截面工件、盤狀及薄壁管件，焊機一次性投資較大。

冷壓焊是在沒有外加熱源的條件下，僅施加很大壓力使焊件金屬局部產(chǎn)生相當大的塑性變形，把接頭問的氧化膜和其他雜質(zhì)擠出，使接觸處的金屬產(chǎn)生原子結(jié)合，形成牢固的接頭，見圖12。

加壓變形時，工件接觸面的氧化膜被破壞并被擠出，能凈化焊接接頭。所加壓力一般要高于材料的屈服強度。以產(chǎn)生60%～90%的變形量。加壓方式可以緩慢擠壓、滾壓或加沖擊力，也可以分幾次加壓達到所需的變形量。

冷壓焊無熱影響區(qū)，金屬的性能均勻一致，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，設(shè)備簡單，便于操作，生產(chǎn)率高，容易實現(xiàn)自動化。其缺點是：焊件的局部變形量大，焊接大截面焊件時所需焊機的噸位較大。

冷壓焊的工件一般是塑性金屬，如鋁、銅、鎘、鎳和銀等。冷壓焊有搭接點焊和對接焊兩種。搭接點焊前_丁件表面須經(jīng)機械加工，或用鋼絲刷（輪）或溶劑仔細清理，對接焊時表面清理要求不太嚴格。

冷壓焊設(shè)備只需一臺擠壓機，包括壓膜和夾持鉗口，也可用手動夾具焊接小工件。冷壓焊時工件不必加熱，因而適于焊接不允許有溫升的工件和加熱時會引起軟化的材料，也適用于易產(chǎn)生脆性化合物的異種金屬連接。冷壓焊所需設(shè)備簡單，工藝簡便，勞動條件好。但冷壓焊所需擠壓力較大，搭接焊后工件表面有較深的壓坑，因而在一定程度上限制了它的應(yīng)用范圍。

冷壓焊已應(yīng)用于電容器外殼的封裝、電氣工業(yè)中鋁銅過渡接頭、導(dǎo)電母線、引出線、鋁制日用品和包裝帶的焊接等。鋁與鋁對接可焊截面達1500mm²，鋁與銅對接可焊截面達1000mm²?？珊附油N材料，也可以焊接異種材料，銅、鋁、鉛、錫、鋅、鎳、鈦等金屬均可冷壓焊。與閃光對焊、摩擦焊相比，冷壓焊更適合于電氣安裝焊接，廣泛用于鋁與鋁、銅與銅、鋁與銅的焊接。

壓力焊過程是通過適當?shù)奈锢?化學(xué)過程，使兩個分離表面的金屬原子接近到原子能夠發(fā)生相互作用的距離（約為0.3~0.5nm）形成金屬鍵，從而使兩金屬連為一體，達到焊接目的?？梢姡瑝毫甘峭ㄟ^對焊區(qū)施加一定的壓力而實現(xiàn)的，壓力大小與材料種類、焊接溫度、焊接環(huán)境和介質(zhì)等有關(guān)，壓力的性質(zhì)可以是靜壓力、沖擊力或爆炸力。在多數(shù)壓力焊過程中，焊接區(qū)的金屬處于固態(tài)，依賴壓力（不加熱或伴以加熱）作用下的塑性變形、再結(jié)晶和擴散等過程而形成接頭。

壓力與加熱溫度之間存在著一定關(guān)系，從圖1可以看出，焊接區(qū)金屬溫度越低，實現(xiàn)焊接所需的壓力就越大。壓力是使兩分離焊件表面緊密接觸形成焊接接頭的重要條件；加熱可提高金屬塑性，降低金屬變形阻力，顯著減小所需壓力，同時加熱又能增加金屬原子的活動能力和擴散速度，促進原子間的相互作用易于實現(xiàn)焊接。例如，室溫下，鋁對接端面的變形度要達到60%以上才可以實現(xiàn)焊接（冷壓力焊），而在400℃時只需8%的變形度就能實現(xiàn)焊接（電阻對焊），當然，此時所施加的壓力將大大降低。由圖1可以看出，冷壓力焊所需壓力最大，擴散焊最小，而熔焊則不需要壓力。一般來說。這種固態(tài)焊接接頭的質(zhì)量，主要取決于待焊表面氧化膜（室溫下其厚度為1~5nm）和其他不潔物在焊前和焊接過程中被清除程度，并與接頭部位的溫度、壓力、變形和若干場合下的其他因素（如超聲波焊接時的摩擦，擴散焊時真空度等）有關(guān)。

基于壓力焊原理的微連接技術(shù)還涉及擴散焊和超聲波焊等方法。

擴散焊是在一定溫度和壓力下，經(jīng)過一定的時間，通過連接界面原子間相互擴散實現(xiàn)連接的方法。

超聲波焊接是利用超聲波的高頻振動，在靜壓力作用下將彈性振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ哪Σ亮托巫兡埽瑢讣M行局部清理和加熱的一種焊接方法。超聲波焊二般經(jīng)過三個階段：第一階段為振動摩擦階段，其作用是排除焊件表面油污、氧化物等雜質(zhì)，使純凈的表面暴露；第二階段為溫度升高階段，在超聲波連續(xù)往復(fù)摩擦中，接觸表面溫度升高，變形抗力下降，在靜壓力和機械振動引起的交變切應(yīng)力下，焊件接觸表面的塑性流動不斷進行，使金屬表面的原子接近到能發(fā)生引力作用的范圍，發(fā)生原子擴散和相互結(jié)合；第三階段為固態(tài)結(jié)合階段，隨著摩擦過程的進行，微觀接觸面積越來越大，接觸部分的變形也不斷增加，使焊件間產(chǎn)生冶金結(jié)合，形成牢固接頭。

基于壓力焊原理的微連接技術(shù)主要應(yīng)用于微電子器件內(nèi)引線連接。通過一定壓力、加熱、超聲波等手段，在接頭內(nèi)金屬不熔化前提下，使被連接面之間發(fā)生原子擴散，該連接技術(shù)有時被稱為鍵合技術(shù)。引線鍵合在基于壓力焊原理的微連接技術(shù)中應(yīng)用最廣泛。引線鍵合是將半導(dǎo)體芯片焊區(qū)與電子封裝外殼的I/O引線或基板上布線焊區(qū)用金屬細絲連接起來的方法。焊區(qū)金屬一般為鋁或金，金屬絲多數(shù)是數(shù)十微米至數(shù)百微米直徑的Au絲、Al絲或Si-Al絲。焊接方式主要有熱壓力焊、超聲鍵合焊和Au絲球焊。引線鍵合原理是采用加熱、加壓和超聲等方式破壞被焊表面的氧化層，使得引線與被焊面緊密接觸，達到原子間的引力范圍并導(dǎo)致界面間原子擴散形成焊點。引線鍵合生產(chǎn)成本低、互連焊點的精度和可靠性高，該技術(shù)已成為芯片互連的主要方法，廣泛用于各種芯片級封裝和低成本的芯片封裝中。由于微電子元器件的微型化，又出現(xiàn)了自動載帶鍵合（tape automated bonding）和倒裝（flip-chip）焊等新的鍵合方法。

電阻焊又稱接觸焊，是壓力焊中的一種焊接方法，利用電流通過焊件及其接觸處產(chǎn)生的電阻熱，將焊件局部加熱到塑性狀態(tài)或部分熔化狀態(tài)，然后在壓力下形成焊接接頭。

電阻焊的基本形式有：點焊、對焊、縫焊、凸焊等。

阻焊與其他焊接方法相比較具有許多優(yōu)點：機械化和自動化程度高，焊接時沒有強烈的弧光，煙塵和有害氣體少，勞動條件好，因為通電時間短（0.01～10 s），又是局部加熱，故熱影響區(qū)和焊接變形小，而且省去了焊條、氧氣、乙炔、焊料、熔劑等，故節(jié)省材料，成本低廉，但電阻焊設(shè)備復(fù)雜，耗電量大，焊前要嚴格清理工件表面。

壓力焊點焊

選擇點焊工藝參數(shù)時，通常是根據(jù)工件的材料和厚度，并參考該種材料的焊接條件表。首先確定電極的端面形狀和尺寸。其次初步選定電極壓力和焊接時間，然后調(diào)節(jié)焊接電流，以不同的電流焊接式樣。經(jīng)檢驗熔核直徑符合要求后，再在適當?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)電極壓力、焊接時問和電流，進行試樣的焊接和檢驗，直到焊點質(zhì)量完全符合技術(shù)條件所規(guī)定的要求為止。

1.點焊基本原理

兩圓柱形電極接電源而組成回路，電極內(nèi)通水冷卻。焊件搭接裝配后，緊壓于兩電極之間，然后通以大電流，使焊件接觸處局部加熱呈熔化狀態(tài)，斷電后在壓力作用下凝固形成焊點（熔核），從而將兩焊件連接起來，如圖2所示。由于焊接時有分流現(xiàn)象（圖3），故兩個焊點之間應(yīng)有一定的距離。

點焊常用的接頭形式是搭接接頭。在點焊接頭設(shè)計時，應(yīng)考慮到施焊方便和加熱可靠。敞開接頭，可采用標準電極，其工藝性較好；封閉接頭須采用特殊電極，故接頭工藝性較差。

2.點焊工藝參數(shù)的選擇

點焊的工藝參數(shù)主要有焊接電流、焊接時間、電極力、電極工作面直徑等。點焊時采用硬規(guī)范工藝參數(shù)是指焊接電流大、焊接時間短，其效果是加熱速度快、焊接區(qū)溫度分布陡、加熱區(qū)窄、接頭表面質(zhì)量好、過熱組織少、接頭的綜合性能好、生產(chǎn)率高。軟規(guī)范工藝參數(shù)是指焊接電流小而焊接時問長，其效果是加熱速度慢、焊接區(qū)溫度分布平緩、塑性區(qū)寬、在壓力作用下易變形，一般用于焊接工件厚度大、變形網(wǎng)難或易淬火的材料。

3.點焊方式及其選用

點焊方法很多，按供電方向和在一個焊接循環(huán)中所能形成焊點數(shù)，可分為：雙面單點焊、單面雙點焊、雙面多點焊等。其中雙面單點焊焊接質(zhì)量高，應(yīng)優(yōu)先選用。單面雙點：悍生產(chǎn)率高，適合大型、移動困難的工件。雙面多點焊適于大批量生產(chǎn)。

壓力焊對焊

對焊是將兩個被焊工件置于焊機兩夾具內(nèi)夾緊，利用電流通過兩個被焊工件和接觸面時產(chǎn)生的電阻熱，將焊件加熱至塑性狀態(tài)，再連續(xù)或斷續(xù)地加壓，使兩焊件沿整個接觸面連接起來的焊接方法。

根據(jù)操作方法的不同，對焊又分為電阻對焊、閃光對焊、滾對焊等。

1.電阻對焊

電阻對焊是先將兩個焊件用夾具夾緊，并加壓使焊件端面緊密接觸，然后通以很大的電流，在電阻熱的作用下，焊件接觸部分被加熱到塑性狀態(tài)，斷電的同時加壓，使接觸部分產(chǎn)生一定的塑性變形，從而把兩焊件牢固地連接起來，見圖4。

電阻對焊的優(yōu)點是操作簡單，焊后接頭外形光潔整齊；缺點是內(nèi)部質(zhì)量不高，焊前對焊件表面清理要求較高，否則就會造成加熱不均勻或接頭中殘留雜質(zhì)等缺陷，焊接的質(zhì)量更差，接頭的強度較低、沖擊韌性差，且焊機功率要求大。

電阻對焊一般適用于焊接簡單的截面（圓形、方形）及截面直徑（或邊長）小于20mm的低碳鋼棒料、管子以及強度要求不高的工件，也適用于焊接直徑8 mm以下的有色金屬棒料和管子。

2.閃光對焊

施焊時，先通電，然后焊件相互靠近。由于工件端面不平，在端面的接觸過程中，火花爆出，形成閃光（見圖5），接觸處加熱熔化，待端面達到全部熔化時，即以極快的速度加壓，最后形成牢固的接頭。閃光對焊的過程基本上由閃光和隨后的頂鍛兩個階段組成。

閃光對焊是對焊的主要形式，其主要優(yōu)點是，焊前對施焊表面要求不高，接頭中氧化物與夾渣較少，接頭質(zhì)量較高。但焊后接頭表面不光，留有毛刺，金屬消耗較多，工件尺寸需留較大余量。

閃光對焊適用于各種棒料、帶料、管料的焊接，可焊截面小到0.01mm的金屬絲，和大到數(shù)百平方厘米的金屬棒或金屬板，廣泛用于鋼筋、鋼軌、刀具、鉆桿、錨鏈、導(dǎo)線等焊接，也可用于異種金屬的焊接。

3.滾對焊

工業(yè)上常用滾對焊生產(chǎn)有縫鋼管，首先將板條在成形機上彎曲成圓形管坯，并將管坯置于滾對焊機上均勻加壓，當管坯接觸處縫隙經(jīng)過一對滾動電極時，利用接觸處的電阻熱將管坯焊接起來，見圖6。此法生產(chǎn)鋼管可連續(xù)進行，比其他焊接方法質(zhì)量好、效率高。

壓力焊縫焊

縫焊又稱滾焊，焊接過程與點焊相似，相當于連續(xù)點焊?？p焊電極是旋轉(zhuǎn)的盤狀滾輪?？p焊時，電極滾輪緊壓焊件，配合斷續(xù)通電，焊件則從滾輪之間通過，于是接觸面上形成連續(xù)的焊點即為焊縫，見圖7。

縫焊工件表面平整光滑，焊點重疊50%以上，故氣密性、水密性好，常用來焊接薄壁容器，如汽車油箱等。因分流嚴重，焊件厚度通常在2～3mm以下。在化工、汽車、飛機制造等工業(yè)中應(yīng)用廣泛。

壓力焊凸焊

在一個焊件的焊接處先加工出凸起點，這些凸起點在焊接時，和另一焊件緊密接觸，通電后，凸起點被加熱，壓塌后，形成焊點，見圖8。

由于凸起點接觸提高了凸焊時焊點的壓力，并使接觸電流比較集中，所以凸焊可以焊接厚度相差較大的工件。多點凸焊可以提高生產(chǎn)率，并且焊點的距離可以設(shè)計得比較近。

凸焊適用于大量生產(chǎn)和焊接厚度相差較大的工件，如飛機的孔蓋、加強板、晶體管的管殼等。

超聲波的振動頻率一般在20000Hz以上，超聲波焊就是將焊件置于上、下聲極之問，并在兩焊件的連接處預(yù)加一定的靜壓力，然后利用聲極的超聲振動，使接觸面上的原子加速擴散而連接焊件。聲極頭的超聲振動是利用換能器（常用的是磁致伸縮換能器）將超聲頻的交流電轉(zhuǎn)換為機械振動波，并通過變幅桿傳遞到上、下聲級的施焊處，使聲極端面能作一定振幅的超聲頻機械振動，焊接時常采用的頻率為20～45kHz左右。

由于超聲波焊接時焊件上沒有電流通過，所以焊件不受高溫的影響，焊點和熱影響區(qū)的組織與性能變化極小，焊接應(yīng)力和變形也小，可以焊接各種金屬箔、金屬絲以及厚薄相差懸殊的零件，也可焊接非金屬材料及高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性的輕金屬及其合金，常用于電子、儀表、原子能等工業(yè)中。 2100433B

《壓力焊作業(yè)》共分十章，介紹了壓力焊的種類和各種工藝，壓力焊作業(yè)過程中存在的安全風險和安全衛(wèi)生防護措施以及典型的壓力焊作業(yè)安全技術(shù)要點與操作安全要求，本書還對各種焊接作業(yè)的安全操作規(guī)程進行了匯總，從而為各種焊接人員、技術(shù)人員及相關(guān)安全負責人提供一定的技術(shù)支持，并且在本教材中也對典型事故提出了技術(shù)預(yù)防及施救措施。

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《壓力焊作業(yè)》由吳剛主編，是江蘇省安全生產(chǎn)宣傳教育中心根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《特種作業(yè)人員安全技術(shù)培訓(xùn)考核管理規(guī)定》的要求，組織編寫的壓力焊作業(yè)人員安全技術(shù)培訓(xùn)教材。