压力焊摩擦焊原理

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，见图9。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。

压力焊摩擦焊分类

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（图10）。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（图11）。焊接质量与飞轮惯性矩、转速和顶锻力有关。

压力焊特点与应用

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。

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，见图12。

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。

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，从图1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。由图1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。

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。

压力焊点焊

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2所示。由于焊接时有分流现象（图3），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。

压力焊对焊

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，见图4。

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（见图5），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，见图6。此法生产钢管可连续进行，比其他焊接方法质量好、效率高。

压力焊缝焊

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，见图7。

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。

压力焊凸焊

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，见图8。

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。

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。 2100433B

《压力焊作业》共分十章，介绍了压力焊的种类和各种工艺，压力焊作业过程中存在的安全风险和安全卫生防护措施以及典型的压力焊作业安全技术要点与操作安全要求，本书还对各种焊接作业的安全操作规程进行了汇总，从而为各种焊接人员、技术人员及相关安全负责人提供一定的技术支持，并且在本教材中也对典型事故提出了技术预防及施救措施。

2100433B

《压力焊作业》由吴刚主编，是江苏省安全生产宣传教育中心根据国家安全生产监督管理总局《特种作业人员安全技术培训考核管理规定》的要求，组织编写的压力焊作业人员安全技术培训教材。