壓力焊原理
壓力焊過程是通過適當的物理-化學過程,使兩個分離表面的金屬原子接近到原子能夠發生相互作用的距離(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。可見,壓力焊是通過對焊區施加一定的壓力而實現的,壓力大小與材料種類、焊接溫度、焊接環境和介質等有關,壓力的性質可以是靜壓力、衝擊力或爆炸力。在多數壓力焊過程中,焊接區的金屬處於固態,依賴壓力(不加熱或伴以加熱)作用下的塑性變形、再結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係,從上圖可以看出,焊接區金屬溫度越低,實現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於實現焊接。例如,室溫下,鋁對接端面的變形度要達到60%以上才可以實現焊接(冷壓力焊),而在400℃時只需8%的變形度就能實現焊接(電阻對焊),當然,此時所施加的壓力將大大降低。由上圖可以看出,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。這種固態焊接接頭的質量,主要取決於待焊表面氧化膜(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,並與接頭部位的溫度、壓力、變形和若干場合下的其他因素(如超音波焊接時的摩擦,擴散焊時真空度等)有關。
基於壓力焊原理的微連線技術還涉及擴散焊和超音波焊等方法。
擴散焊是在一定溫度和壓力下,經過一定的時間,通過連線界面原子間相互擴散實現連線的方法。
超音波焊接是利用超音波的高頻振動,在靜壓力作用下將彈性振動能量轉變為工件的摩擦力和形變能,對焊件進行局部清理和加熱的一種焊接方法。超音波焊二般經過三個階段: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,使純淨的表面暴露;第二階段為溫度升高階段,在超音波連續往復摩擦中,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生引力作用的範圍,發生原子擴散和相互結合;第三階段為固態結合階段,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,使焊件間產生冶金結合,形成牢固接頭。
基於壓力焊原理的微連線技術主要套用於微電子器件內引線連線。通過一定壓力、加熱、超音波等手段,在接頭內金屬不熔化前提下,使被連線面之間發生原子擴散,該連線技術有時被稱為鍵合技術。引線鍵合在基於壓力焊原理的微連線技術中套用最廣泛。引線鍵合是將半導體晶片焊區與電子封裝外殼的I/O引線或基板上布線焊區用金屬細絲連線起來的方法。焊區金屬一般為鋁或金,金屬絲多數是數十微米至數百微米直徑的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。引線鍵合原理是採用加熱、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,達到原子間的引力範圍並導致界面間原子擴散形成焊點。引線鍵合生產成本低、互連焊點的精度和可靠性高,該技術已成為晶片互連的主要方法,廣泛用於各種晶片級封裝和低成本的晶片封裝中。由於微電子元器件的微型化,又出現了自動載帶鍵合(tape automated bonding)和倒裝(flip-chip)焊等新的鍵合方法。
電阻焊
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生的電阻熱,將焊件局部加熱到塑性狀態或部分熔化狀態,然後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,故熱影響區和焊接變形小,而且省去了焊條、氧氣、乙炔、焊料、熔劑等,故節省材料,成本低廉,但電阻焊設備複雜,耗電量大,焊前要嚴格清理工件表面。
點焊
選擇點焊工藝參數時,通常是根據工件的材料和厚度,並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,然後調節焊接電流,以不同的電流焊接式樣。經檢驗熔核直徑符合要求後,再在適當的範圍內調節電極壓力、焊接時問和電流,進行試樣的焊接和檢驗,直到焊點質量完全符合技術條件所規定的要求為止。
1.點焊基本原理
兩圓柱形電極接電源而組成迴路,電極內通水冷卻。焊件搭接裝配後,緊壓於兩電極之間,然後通以大電流,使焊件接觸處局部加熱呈熔化狀態,斷電後在壓力作用下凝固形成焊點(熔核),從而將兩焊件連線起來,如圖上圖所示。由於焊接時有分流現象(下圖),故兩個焊點之間應有一定的距離。
點焊常用的接頭形式是搭接接頭。在點焊接頭設計時,應考慮到施焊方便和加熱可靠。敞開接頭,可採用標準電極,其工藝性較好;封閉接頭須採用特殊電極,故接頭工藝性較差。
2.點焊工藝參數的選擇
點焊的工藝參數主要有焊接電流、焊接時間、電極力、電極工作面直徑等。點焊時採用硬規範工藝參數是指焊接電流大、焊接時間短,其效果是加熱速度快、焊接區溫度分布陡、加熱區窄、接頭表面質量好、過熱組織少、接頭的綜合性能好、生產率高。軟規範工藝參數是指焊接電流小而焊接時問長,其效果是加熱速度慢、焊接區溫度分布平緩、塑性區寬、在壓力作用下易變形,一般用於焊接工件厚度大、變形網難或易淬火的材料。
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中所能形成焊點數,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量高,應優先選用。單面雙點:悍生產率高,適合大型、移動困難的工件。雙面多點焊適於大批量生產。
對焊
對焊是將兩個被焊工件置於焊機兩夾具內夾緊,利用電流通過兩個被焊工件和接觸面時產生的電阻熱,將焊件加熱至塑性狀態,再連續或斷續地加壓,使兩焊件沿整個接觸面連線起來的焊接方法。
根據操作方法的不同,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,並加壓使焊件端面緊密接觸,然後通以很大的電流,在電阻熱的作用下,焊件接觸部分被加熱到塑性狀態,斷電的同時加壓,使接觸部分產生一定的塑性變形,從而把兩焊件牢固地連線起來,見下圖。
電阻對焊的優點是操作簡單,焊後接頭外形光潔整齊;缺點是內部質量不高,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等缺陷,焊接的質量更差,接頭的強度較低、衝擊韌性差,且焊機功率要求大。
電阻對焊一般適用於焊接簡單的截面(圓形、方形)及截面直徑(或邊長)小於20mm的低碳鋼棒料、管子以及強度要求不高的工件,也適用於焊接直徑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,然後焊件相互靠近。由於工件端面不平,在端面的接觸過程中,火花爆出,形成閃光(見下圖),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,最後形成牢固的接頭。閃光對焊的過程基本上由閃光和隨後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,接頭質量較高。但焊後接頭表面不光,留有毛刺,金屬消耗較多,工件尺寸需留較大餘量。
閃光對焊適用於各種棒料、帶料、管料的焊接,可焊截面小到0.01mm的金屬絲,和大到數百平方厘米的金屬棒或金屬板,廣泛用於鋼筋、鋼軌、刀具、鑽桿、錨鏈、導線等焊接,也可用於異種金屬的焊接。
3.滾對焊
工業上常用滾對焊生產有縫鋼管,首先將板條在成形機上彎曲成圓形管坯,並將管坯置於滾對焊機上均勻加壓,當管坯接觸處縫隙經過一對滾動電極時,利用接觸處的電阻熱將管坯焊接起來,見下圖。此法生產鋼管可連續進行,比其他焊接方法質量好、效率高。
縫焊
縫焊又稱滾焊,焊接過程與點焊相似,相當於連續點焊。縫焊電極是旋轉的盤狀滾輪。縫焊時,電極滾輪緊壓焊件,配合斷續通電,焊件則從滾輪之間通過,於是接觸面上形成連續的焊點即為焊縫,見下圖。
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、飛機製造等工業中套用廣泛。
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,通電後,凸起點被加熱,壓塌後,形成焊點,見下圖。
由於凸起點接觸提高了凸焊時焊點的壓力,並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率,並且焊點的距離可以設計得比較近。
凸焊適用於大量生產和焊接厚度相差較大的工件,如飛機的孔蓋、加強板、電晶體的管殼等。
摩擦焊
摩擦焊原理
摩擦焊是利用兩焊件接觸面產生的摩擦熱為熱源,將焊件接觸處局部加熱至塑性狀態,然後迅速停止運動,並施以頂鍛的軸向力,從而把兩焊件牢固地連線在一起,見下圖。摩擦焊所用的摩擦焊機包括驅動系統(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、去飛邊裝置和參數自動監控系統。
摩擦焊分類
摩擦焊可分為連續驅動摩擦焊和慣性摩擦焊兩種。
連續驅動摩擦焊:由電動機帶動一個工件旋轉,同時把另一工件壓向旋轉工件,使其接觸面相互摩擦產生熱量和一定塑性變形,然後停止旋轉,同時施加頂鍛壓力完成焊接(下圖)。焊接質量與轉速、摩擦時間、摩擦壓力、頂鍛壓力和工件頂鍛變形量有關。
慣性摩擦焊:由電動機驅動飛輪達到要求的轉速,然後把一個工件壓向夾持在飛輪軸上的轉動工件,工件間的摩擦阻力使飛輪減速,並將飛輪的動能轉換成焊接所需的熱能(下圖)。焊接質量與飛輪慣性矩、轉速和頂鍛力有關。
摩擦焊的特點與套用
摩擦焊的接頭組織緻密,接頭雜質、氧化皮被擠出,不易產生氣孔、夾渣,尺寸精確,生產率高,勞動條件好且設備簡單,焊接金屬廣泛,尤其是可焊接性能差別大的異種金屬。
摩擦焊技術的主要優點歸結為如下幾個方面。
1.接頭質量好且穩定。焊接過程由機器控制,參數設定後容易監控,重複性好,不依賴於操作人員的技術水平和工作態度。焊接過程不發生熔化,屬固相熱壓焊,接頭為緞造組織,因此焊縫不會出現氣孔、偏析和夾雜、裂紋等鑄造組織的結晶缺陷,焊接接頭強度遠大於熔焊、釺焊的強度,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,焊接設備容易自動化,可在流水線上生產,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、釺焊不能相比的。
3.節能、節材、低耗。所需功率僅及傳統焊接工藝的1/5~1/15,不需焊條、焊劑、釺料、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勢,如鋼和紫銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等等。
5.環保,無污染。焊接過程不產生煙塵或有害氣體,不產生飛濺,沒有弧光和火花,沒有放射線。
由於以上這些優點,摩擦焊技術被譽為未來的綠色焊接技術,在生產中套用較廣,可用於鍋爐製造中的各種管予、管子和法蘭的焊接,建築工業的鋼筋焊接,也可用於銅鋁導線的對接以及刀具的製造等。不適於焊接非圓截面工件、盤狀及薄壁管件,焊機一次性投資較大。
冷壓焊
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生相當大的塑性變形,把接頭問的氧化膜和其他雜質擠出,使接觸處的金屬產生原子結合,形成牢固的接頭,見上圖。
加壓變形時,工件接觸面的氧化膜被破壞並被擠出,能淨化焊接接頭。所加壓力一般要高於材料的屈服強度。以產生60%~90%的變形量。加壓方式可以緩慢擠壓、滾壓或加衝擊力,也可以分幾次加壓達到所需的變形量。
冷壓焊無熱影響區,金屬的性能均勻一致,焊接質量穩定,設備簡單,便於操作,生產率高,容易實現自動化。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。
冷壓焊設備只需一台擠壓機,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,因而適於焊接不允許有溫升的工件和加熱時會引起軟化的材料,也適用於易產生脆性化合物的異種金屬連線。冷壓焊所需設備簡單,工藝簡便,勞動條件好。但冷壓焊所需擠壓力較大,搭接焊後工件表面有較深的壓坑,因而在一定程度上限制了它的套用範圍。
冷壓焊已套用於電容器外殼的封裝、電氣工業中鋁銅過渡接頭、導電母線、引出線、鋁製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。可焊接同種材料,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,冷壓焊更適合於電氣安裝焊接,廣泛用於鋁與鋁、銅與銅、鋁與銅的焊接。
超音波焊接
超音波的振動頻率一般在20000Hz以上,超音波焊就是將焊件置於上、下聲極之問,並在兩焊件的連線處預加一定的靜壓力,然後利用聲極的超聲振動,使接觸面上的原子加速擴散而連線焊件。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換為機械振動波,並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,焊接時常採用的頻率為20~45kHz左右。
由於超音波焊接時焊件上沒有電流通過,所以焊件不受高溫的影響,焊點和熱影響區的組織與性能變化極小,焊接應力和變形也小,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電性、高導熱性的輕金屬及其合金,常用於電子、儀表、原子能等工業中。