壓力焊

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（如超聲波焊接時的摩擦，擴散焊時真空度等）有關。

基於壓力焊原理的微連接技術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，經過一定的時間，通過連接界面原子間相互擴散實現連接的方法。

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。超聲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，使純凈的表面暴露；第二階段為溫度升高階段，在超聲波連續往複摩擦中，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接技術主要應用於微電子器件內引線連接。通過一定壓力、加熱、超聲波等手段，在接頭內金屬不熔化前提下，使被連接面之間發生原子擴散，該連接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接技術中應用最廣泛。引線鍵合是將半導體晶元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接起來的方法。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，該技術已成為晶元互連的主要方法，廣泛用於各種晶元級封裝和低成本的晶元封裝中。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。

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后，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。焊件搭接裝配后，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、焊接區溫度分佈陡、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、焊接區溫度分佈平緩、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接起來的焊接方法。

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接起來，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，工件尺寸需留較大余量。

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、飛機製造等工業中應用廣泛。

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、晶體管的管殼等。

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接在一起，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，參數設定后容易監控，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，不需添加金屬，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，在生產中應用較廣，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，能凈化焊接接頭。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接。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用範圍。

冷壓焊已應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1500mm，鋁與銅對接可焊截面達1000mm。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。

超聲波的振動頻率一般在20000Hz以上，超聲波焊就是將焊件置於上、下聲極之問，並在兩焊件的連接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、儀錶、原子能等工業中。