冷压焊工艺研究及应用
刘星琦
摘要：总结国内外冷压焊技术的发展现状，分析国内外的专利产品和冷压焊接的优点，提出冷压焊在现代焊接成型技术中的应用优势。根据冷压焊接的缺点，改进焊接参数，提出影响焊接接头质量的因素。分析冷压焊焊缝的结合机理。
关键词：冷压焊，发展状况，成形机理，应用
1.冷压焊国内外发展状况
冷压焊技术相对其他焊接技术比较年轻。第二次世界大战中，英国人无意中开始研究冷压焊金属的技术，并将这一技术引入工业生产领域。1953 年美国人Hunt发明了冷压焊，从此冷压焊作为一个学术名词走进了研究领域。英国Babcock公司制造的冷压焊，采用了多次顶镦技术完成了冷压焊接工艺。目前，国内外关于冷压焊的界面的宏观结合机理的研究多停在抽象理论水平上，当前已经被实验证明并广为接受的观点是丹麦C clemensen ,OJuelstorp和N Bay等提出的冷压焊成型理论模型。日本在冷压焊技术上并不逊色于欧洲各国，虽然起步比较晚，但发展的速度都已经进入了世界先进行列。
国内自改革开发以来，各个领域都在追赶世界先进水平，导线焊接接头也列入电缆行业要解决的重要项目之一，为了使国内产品与国际接轨，我国开始采用国际标准对接头的要求，这就要求我们要改变我们的焊接技术，而在电缆和电线的焊接技术领域中，冷压焊占有非常重要的地位，冷压焊是一种非常符合时代发展的焊接方法，不但节省时间，提高效率，而且提高了产品质量。国内一些公司开始熟悉和使用冷压焊机，但并没有达到普及的程度，比亚迪股份有限公司发明了一种焊极不会被焊接残留物粘结的冷压焊丝机，**造船厂大力开发冷压焊技术。
2.冷压焊优缺点
常温下，它只靠外力使金属产生强烈的塑性变形，而形成接头的焊接方法，加压变形时，工作接触面的氧化膜被挤压出来，净化了焊接接头强度，通过实验证明，冷压焊过程可行的变形速度不能引起接头升温，也不存在原子的相对扩散，冷压焊不会产生热焊常见的软化区，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。其结合面积比简单的几何截面大。因此，在正常情况下，同种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金属强度。由于结合界面大，又无中间相，所以接头的导电性、抗腐蚀性强。
这些焊接方式就决定了冷压焊的如下优点：可行的变形速度不会引起接头升温，也不存在原子的相对扩散；冷压焊无需加热、不需填料、设备简单，可以节省电能；焊接的主要参数由模具尺寸等确定，易于操作和自动化，焊接质量稳定，生产效率高；不用焊剂，接头不会引起腐蚀；焊接时接头温度不升高，材料结晶状态不变，特别适于异种金属的热焊无法实现的一些金属材料和产品焊接。金属组织部发生再结晶和软化、退火现象，机械强度不会降低；焊接的主要工艺参数已由模具尺寸确定，故易操作和自动化；冷压焊没有烟雾，改善劳动环境。
冷压焊的不足之处就是从目前研究的现状上看，在焊接过程中对焊接材料的性能、厚度以及焊接压力、以及对焊时的顶锻压力都有个比较严格的约束，设备一次性投资较大，一套成熟的设备视配置差异大约为10万元～20万元，使用前期需化费大量的精力做准备工作。
因此在研究和开发冷压焊机的时候我们应该在焊接材料性能、材料厚度以及焊接压力等等因素下考虑焊接压力、模具性能等冷压焊机的特征属性。
3.冷压焊焊接工艺
过去, 一般认为: 在焊接金属零件时, 必须将金属加热到熔化温度; 或者至少需将金属加热到足以使金属变成塑性状态后, 再施以一定的压力才能形成焊缝。但是, 到本世纪四十年代, 人们发现, 金属不需要加热也能进行焊接, 在室温下就可以获得高质量的焊缝。
冷压焊是在常温下只靠外加压力使金属产生强烈塑性变形而形成接头的焊接方法，是金属固态焊接，金属间并没有扩散现象发生。加压变形时，工件接触面的氧化膜被破坏并被挤出，使纯净的金属压接到一定原子间距（4×10-8-6×10-8mm）形成晶格面，它们间的表面原子就形成了键合力，从而达到了焊接的目的。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。影响冷压焊接质量的因素主要有待焊件表面状态、材料的塑性变形程度、焊接时的压力、焊接模具等。
3.1 待焊件表面状态对焊接接头质量的影响
在冷压焊中，结合仅能发生在相互接触的清洁表面之间，即是只有两清洁金属相互重叠部分才对结合起作用。一般情况下，金属表面都有氧化膜和其它各种有机薄膜。在空气中除贵金属以外, 其他金属表面都有一层氧化膜, 其厚度一般在数十埃至数百埃之间。关于氧化膜对形成金属连接的影响问题, 冷压焊的研究者们持两种不同的观点; 某些研究者认为氧化膜妨碍金属相互结合, 主张焊前把氧化膜除掉。另外一些研究者却认为, 在焊接过程中氧化膜被压碎, 并从焊点接触表面上被排除掉,因此, 氧化膜并不影响金属的相互结合。但是, 所有冷压焊研究者一致认为: 金属表面上的有机薄膜却严重地影响两个金属表面之间的相互作用, 有时甚至根本不可能产生金属连接。因此, 焊前将有机薄膜从金属表面上清除千净是绝对需要的工序，表面的清洁度和结合表面的延展率是影响结合成败与否的关键因素，在结合强度的分析中必须对此加以考虑。真空条件下的冷压焊，清洁后的金属表面不再发生氧化膜，表面清洁度对结合强度基本没有影响。
冷压焊结合过程一般对工件待连接表面的粗糙度没有很高的要求，经过轧制、剪切或车削的表面都可以应用。只有当塑性变形量小于20%时，才要求表面有较低的粗糙度。对于带有微小沟槽的凹凸不平的表面，在强烈的塑性变形过程中有利于整个界面的切向位移，使两金属的接触面积增大，当塑性变形达到一定程度时，两金属的结合面积不再增大，而不能使所有的金属接触面都能达到原子间力的作用范围而形成结合力。此时所表现的变形为基体金属的变形。因此，金属表面的粗糙度对冷压焊结合强度也有一定的影响，可用塑性接触模型对其进行分析。
3.2 焊接时的压力对焊接接头质量的影响
由于冷压焊是依靠被焊金属产生塑性变形而连接起来的, 所以焊接时的压力必须能使被焊金属产生充分的塑性变形, 并使其在有效焊接区域内产生原子结合。若压力过小, 被焊金属就不能产生充分的塑性变形, 而会引起焊接吻点不紧扣、焊缝结合不严密等现象; 若压力过大, 又会造成被焊金属变形过大, 甚至压破。为此, 焊接压力的大小与焊接质量密切相关, 一般应根据箔带的厚度及宽度, 并结合焊机规范来确定。
3.3 焊接模具对焊接接头质量的影响
冷压焊的焊接模具可以说是冷压焊焊接成功的一个重要因素。模具的几何形状决定了焊点的形状，也决定了焊缝的横截面积的物理形态。一般各种焊机均附有相应的模具选择表, 使用时可根据箔带及引出线的厚度来选定。
4.冷压焊焊接原理
4.1冷压焊结合机理有关假说
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
:
4.1.1 薄膜学说
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。例如用扩散焊焊接金属与陶瓷，而陶瓷本身就是氧化物，这一事实已使纯洁的金属表面概念失去意义。综上所述，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。
4.1.2 再结晶理论
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, 必须指出，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,还要求在界面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。实际上,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。
4.1.3 位错学说
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,定会增加表面上的不**,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。
4.1.4 扩散理论
卡扎柯夫认为,在接头区域中存在着一层很薄的互扩散区,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。
4.1.5 能量学说
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。
上述各种理论由于是从不同形式压焊试验中总结出来的理论,对局部的观察都有其合理的成分, 但是都不能单独的用它来解释形式众多的压焊机理，因此有必要进行更深入的探讨。
4.2 冷压焊界面结合机理
不同性能金属在无热作用下的冷压焊结合模式是不同的。对于无限互溶的Cu-Ni类、有限互溶的Ag-Cu类与生成化合物的Al-Cu类在冷压焊过程中界面处存在浅层扩散,实现冶金结合。以上这些界面之所以产生扩散,除化学梯度外
,主要原因并不是温度,因为强烈的塑性变形过程中产生了晶体缺陷、内应力等,从而降低了扩散激活能,使界面处即使没有高温的作用,也能产生浅层扩散。而液固态下几乎不互溶的Ag-Ni类,即使在冷压焊过程中界面产生固溶体,因这种固溶体极不稳定,随着过饱和固溶相析出,必然伴随着接头的断裂。因此,真正使这类组合的金属牢固结合在一起的是界面处的机械结合力和金属键合力,而不是冶金结合。
5.冷压焊的应用
冷压焊在电缆和电线行业中的应用最为广泛。板材的冷压焊接技术我们国家也开始了的研究。汽车覆盖件冷压焊接也被推广。冷压焊生产依靠模具和冲压设备完成加工过程，它具有生产效率高、操作简便，便于实现机械化和自动化的特点。
冷压焊接的其它应用，包括精密装备覆盖件冷压焊接、航空航天仪器设备的冷压焊接技术、医疗卫生冷压焊接技术、军事装备等等，这些设备和装备的焊接技术都有待于从传统的焊接技术向冷压焊接转变。
冷压焊的发展趋势归纳如下：
1：数控冷压焊机将替代手动机械式冷压焊机。手动机械式冷压焊机在压力的控制上不能数量化，而是经验化。通过数控冷压焊机施加压力得到数量准确的焊接参数，确保焊透。
2：冷压焊机可以进行修补金属材料。冷压焊机修补材料替代了热焊机修补材料，以免在修补的过程中改变金属的晶格属性。
3：便携式冷压焊机可以应用到不易拆卸修补的设备中，实现现场修补。适用大型设备尤其是军用设备、航空航天材料的焊接与修补。
6.总结
1. 两金属的表面清洁度、冷压焊气氛和金属性能对冷压焊结合性起关键作用。
2. 在冷压焊的塑性结合过程中, 存在着表面接触程度问题, 即使清洁后的金属表面也不可能达到全部原子间距的接触。
3.随冷压焊的发展,应对基于熔焊物理冶金过程的焊接定义提出修改及补充的建议。
4.种冷压焊结合机理假说由于是从不同形式压焊试验中总结出来的理论,对局部的观察都有其合理的成分,但是都不能单独的用它来解释形式众多的压焊机理,因此有必要进行更深入的探讨。
5.压焊工艺有着操作简便, 自动化程度高, 劳动强度低, 焊接质量稳定可靠等优点。
6.同组配的金属其冷压焊界面结合机理是不同的。对于无限互溶的Cu-Ni类、有限互溶的Ag-Cu 类与生成化合物的Al-Cu类在冷压焊过程中界面处存在浅层扩散,实现冶金结合。而液固态下几乎不互溶的Ag-Ni类,即使在冷压焊过程中界面产生固溶体,但这种固溶体极不稳定,随着过饱和固溶相的析出,必然伴随着接头的断裂。因此真正使这类组合的金属牢固结合在一起的是界面处的机械结合力和金属键合力,而不是冶金结合。
7.参考资料
[1] 李致焕，亢世江，刘志强.冷压焊中原子扩散行为的试验研究.[J].焊接学报.1991.3
[2] 赵升吨，徐凡，袁小梅等.关于冷压焊技术研究的探索.[C].第十五次全国焊接学术会议论文集。2010.7
[3] 李云涛，杜则裕，马成勇.金属冷压焊界面结合机理探讨.[J].天津大学学报.2002.7
[4] 徐沛生，徐志坚.冷压焊.[J].电子管焊接技术
[5] 梅威康.冷压焊工艺的研究.[J].变压器.1993.3
[6] 愈高波，陈世省，卢云斌.冷压焊工艺技术的原理及应用.[J].现代焊接.2002
[7] 陈翠欣, 韩文祥, 林成新.双金属冷压焊固相结合强度的分析和计算.[J].金属成形工艺.2001
[8] 戴军，侯**.引线六角形冷压焊工艺常见的问题及系统的选配.[J].变压器.2010.10
本文来自香当网http://www.xiangdang.net/