压力焊作业

《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。

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《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。

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。

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。