冷压焊_主题创新报告_20130926

金属冷压焊结合机理的试验

针对金属冷压焊的结合机理，采用中子活化、电镜扫描、光谱分析等测试手段对金属冷压焊接头界面原子扩散行为进行了综合试验测定，发现在所测试的冷压焊接头中不存在异种金属间的相互扩散行为。进一步对冷压焊接头界面区的透射电镜观察分析表明：接头界面区是由挤压碎化的细晶构成，碎化的细晶在界面处相互咬合增加了相焊金属间物理接触面积，形成碎化细晶之间的晶间结合，无需金属原子间的扩散就能实现结合。根据上述分析结果，实现了非共格金属间及液相、固相不相溶金属间的对接冷压焊。并进一步说明了各种不同组配异种金属间的冷压焊接性。

0 前言

长期以来在阐明包括冷压焊在内的固态焊接机理时，有些论著沿用了扩散结合的观点。如文献［4］在解释冷压焊机理时认为“在压力作用下，由于塑性变形使金属的晶格发生了滑移与变形，从而产生局部高热，助长了两种金属中不均匀质点的相互渗入，推动原子互换与扩散。”文献［3］更明确指出“冷压焊中金属接触面积上的大变形产生了大量的空穴，这些空穴造成原子的相互扩散结合。冷压焊过程实质上是常温扩散焊过程。”部分文献［6，8］则认为“使原子相互接近到晶格距离形成结合力。”上述这些观点表明，在金属冷压焊过程中，对扩散在金属结合过程中的作用存在不同的看法。

本文以试验为主，对冷压焊及部分热压焊接头界面原子的扩散行为进行了综合测试，发现冷压焊过程中不存在金属原子相互扩散行为。在此基础上对冷压焊接头界面处金属结合形态进行了透射电镜分析，结果表明：冷压焊接头界面处挤压碎化的细晶形成机械咬合，咬合在一起的细晶形成了晶间结合的金属键合。由于细晶“咬合”使金属形成键合的物理接触面积远大于冷压焊名义的对接表面，因而使冷压焊接头有较高的结合强度。通过试验分析进一步说明了冷压焊过程中的金属结合机理。

1 试验方法及结果

试验以四种典型金属晶体结构相组配的同种和异种金属对接接头作为分析试样，在自制LQ—25型自动冷压焊机上焊接。金属组配方式：①同种金属。②面心立方—面心立方，有限互溶，Al-Cu。③面心立方—密排六方，室温下不互溶，Al-Cd。④面心立方—四方，高温下有限互溶，Al-Sn。⑤非共格型面心立方—面心立方，液相和固相皆不互溶，Al-Pb。试验材料的纯度、硬度、焊接组配和组配金属间的错配度见表1。所焊接头经拉伸、弯曲和压扁试验，焊接处均未出现脱断或开裂，满足接头力学性能要求。

在常温下只靠外加压力使金属產生强烈塑性变形而形成接头的焊接方法。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。所加压力一般要高於材料的屈服强度﹐以產生60～90%的变形量。加压方式可以缓慢挤压﹑滚压或加衝击力﹐也可以分几次加压达到所需的变形量。冷压焊的工件一般是塑性金属﹐如铝﹑铜﹑鎘﹑镍和银等。冷压焊有搭接点焊和对接焊两种。搭接点焊前工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﹐因而适於焊接不允许有温昇的工件和加热时会引起软化的材料﹐也适用於易產生脆性化合物的异种金属连接。冷压焊已应用於电容器外壳的封装﹑电气工业中铝铜过渡接头﹑导电母线﹑引出线﹑铝製日用品和包装带的焊接等。铝与铝对接可焊截面达1500毫米2.铝与铜对接可焊截面达1000毫米2。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﹐在大截面工件的焊接时设备较庞大﹐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。冷压焊过程中可行的变形速度不会引起接头的升温，也不存在界面原子的相对扩散。因此，冷压焊不会产生热焊接头常见的软化区、热影响区和脆性金属中间相。经过焊接时严重变形的冷压焊接头，其结合界面均呈现复杂的峰谷和犬牙交错的空间形貌，其结合面面积比简单的几何截面大。因此，在正常情况下，同各金属的冷压焊接头强度不低于母材；异种金属的冷压焊接头强度不低于较金属的强度。由于结合界面大，又无中间相，所以接头的导电性、抗腐蚀性能优良。

目前国内外关于冷压焊界面结合机理研究很多。国内存在的主要观点是无扩散理论，认为冷压焊中不存在原子的扩散，两材料的结合属晶间结合。国外关于冷压焊结合机理有不少假说，具有代表性的有以下几种：1)薄膜学说[12]：薄膜理论认为，焊接性并不取决于材料本身的性能，而是决定于零件被焊表面的状态。只要去掉待焊金属表面的油膜和氧化膜，在协调一致的塑性变形过程中，使被焊零件相互接近到原子间力的作用范围内就形成焊接接头。薄膜理论排除了形成原子的过程中热动力学因素，也没有考虑被焊材料的性能、组织缺陷的影响和塑性变形时原子的能量状态等因素。薄膜理论虽然可以很好的解释冷压焊的焊接机理，但它已经不能解释冷压焊中出现的一些现象，因此不能单纯用它来解释所有压焊的理论基础。2)位错学说[13-15]：位错学说认为两个相互接触的金属产生协调一致的塑性变形时，位错迁移到金属的接触表面，从而使金属的氧化膜破除，并产生高度只有一个原子间隔距离的小台阶。把金属接触表面上出现位错看作是塑性变形阻力的减小，因而有利于金属的连接。但从另一角度来看，金属表面上出现位错，必定会增加表面上的不平度，这就造成接触表面比内部金属大得多的塑性变形。由此可知，结合过程是接触区金属的塑性流动结果。3)扩散理论[16,17]：卡扎柯夫认为，在接头区域中存在着一层很薄的层互扩散区，这一薄层互扩散区保证了优质的焊接接头。根据这一理论推断，如果增加互扩散区的厚度应能提高接头的力学性能，但事实并非完全如此。扩散理论的致命弱点是：它没有考虑接触表面的激活过程和相互结合过程可能会限制整个优质接头的形成过程。如:塑性变形能力差别很大的两种金属在弱作用力下压焊，接触表面的激活过程和结合过程都会限制优质接头的形成。况且在被焊金属之间产生扩散过程，是要在接触表面已经形成结合以后才能发生，因此，也不能用扩散理论作为单纯地解释所有形式压焊的理论基础。4)再结晶理论[15]：根据金属在变形量很大时，再结晶温度会显著下降的事实提出了再结晶理论，认为冷压焊时形成接头的主要过程是接触区的再结晶过程。也就是，金属的变形和变形所引起的冷作硬化，在高温的作用下，会使被焊零件界面边缘的晶格原子重新排列，形成同属于两个被焊件的共同晶粒，这样就使相互接触的金属焊接在一起。但是，再结晶理论首先要求在连结区形成共同的晶粒，其次要求在接触区两边形成晶粒方向一致的晶界。此外，还要求在界而上的晶粒要具有金属内部晶粒的一切特征。再结晶理论所论证的连接问题，是接触表面已经产生结合以后的组织变化过程，而没有对结合过程的本身进行论证。许多试验说明，赞成这一理论的人并没有掌握令人信服的依据。例如:对于冷压焊接头进行X射线光谱分析，并没有发现再结晶现象。5)能量学说[18]：谢苗诺夫认为，引起金属间相互结合的条件，不是金属原子的扩散，而是金属原子所含有的能量。当被焊金属材料相互接触时，即使它们的原子已经接近到晶格参数的数量级，只要原子所含有的能量还没有达到某一水平（这一能量水平可以称为该金属结合的最低能量），就不足以使他们之间产生结合。只有当接触处金属原子的能量提高到某一水平，表面之间才会形成金属键，它们之间的界面开始消失而连接在一起。能量学说应用了激活状态的概念，其实质是从能量的角度来观察形成接头的过程，弥补了上述各种理论的不足之处。但是它并没有揭示出金属键的结合到底与连接金属的哪些物理及化学性能有关。

冷焊的工作原理

冷焊是一种金属连接技术，它与传统的热焊接方法不同，不需要外部加热金属材料，而是通过机械冷压将金属材料连接在一起。冷焊技术可以应用于各种金属材料，包括铝、铜、不锈钢等，广泛应用于电子、航空航天、汽车制造等领域。

冷焊的工作原理主要包括以下几个方面：

1. 材料表面处理：

在进行冷焊之前，需要对金属材料的表面进行处理，以确保连接部位的清洁和平整。通常情况下，可以采用机械磨削、化学清洗等方法对金属表面进行处理，去除表面污物和氧化层，提高金属表面的接触面积和粗糙度，以便于冷焊连接的质量和稳定性。

2. 涂覆金属材料：

在冷焊之前，通常需要在金属材料的连接部位涂覆一层适当的金属粉末或涂层。这种金属粉末或涂层可以填充金属材料之间的间隙，增加金属连接的接触面积，提高连接的稳固性。同时，金属粉末或涂层还可以在冷压连接的过程中发生塑性变形，形成均匀的连接界面，保证连接的质量。

3. 冷压连接：

在金属材料表面处理和涂覆后，可以进行冷焊的冷压连接。首先，将需连接的金属材料放置在冷压机的工作台上，然后施加适当的压力，通过机械力将金属材料压缩在一起。由于金属粉末或涂层的存在，金属材料在受到压力作用下发生了塑性变形，形成一种金属连接接触面。这种接触面具有良好的紧密性和稳定性，可以确保金属连接的牢固性和稳定性。

4. 热处理：

在冷焊连接完成后，通常需要对连接部位进行适当的热处理。热处理可以进一步提高金属连接的强度和稳定性，同时消除冷焊过程中产生的内部应力和变形，保证连接部位的质量和稳定性。热处理的温度和时间通常根据金属材料的种类和连接要求进行选择，可以采用退火、时效处理等方法。

通过以上工作原理的步骤，冷焊技术可以实现金属材料之间的稳固连接，确保连接部位的质量和稳定性。相比传统的热焊接方法，冷焊具有以下几个优点：

1. 无需外部加热：

传统的热焊接方法需要外部加热金属材料，消耗大量能源，且可能对金属材料的性能和结构产生影响。而冷焊技术不需要外部加热，只需通过机械冷压即可实现金属连接，节省能源，避免对金属材料的影响。

冷焊机是什么原理

冷焊机是一种利用冷压焊接技术的设备，它能够在不加热的情况下实现金属材料的连接。那么，冷焊机是如何实现这一技术的呢？接下来，我们将从原理和工作过程两个方面来详细介绍。

首先，我们来了解一下冷焊机的原理。冷焊机利用了冷压焊接技术，这是一种利用高压力将金属材料连接在一起的方法。在冷焊机中，通过施加高压力，金属材料的表面得到了变形，使得金属分子之间产生了较强的结合力，从而实现了焊接。与传统的热焊接方法相比，冷焊机不需要加热金属材料，因此能够避免材料的热变形和氧化，保持了材料的原始性能。

其次，我们来了解一下冷焊机的工作过程。冷焊机的工作过程主要包括三个步骤，准备工作、施加压力和焊接。在准备工作阶段，需要将待焊接的金属材料清洁干净，以确保焊接表面的质量。接下来，将清洁后的金属材料放置在冷焊机的工作台上，并进行定位和夹紧。然后，通过冷焊机的压力系统施加高压力，将金属材料紧密地压合在一起。在这个过程中，金属材料的表面会发生塑性变形，从而实现了金属分子之间的结合。最后，释放压力，完成焊接过程。

综上所述，冷焊机利用冷压焊接技术，通过施加高压力将金属材料连接在一起，从而实现了焊接。它的工作过程包括准备工作、施加压力和焊接三个步骤。相比传统的热焊接方法，冷焊机不需要加热金属材料，能够避免材料的热变形和氧化，保持了材料的原始性能。这种技术的应用，为金属材料的连接提供了一种新的选择，同时也为工业生产提供了更加灵活和高效的工艺方法。