冷压焊和热压焊

第7章冷压焊和热压焊1冷压焊的特点和工艺2冷压焊的应用3热压焊的特点和工艺4热压焊的应用焊§7.1冷压焊的特点及工艺一冷压焊的特点coldpressurewelding在室温条件下，借助压力使待焊金属产生塑性变形而实现固态焊接的方法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。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。结合机理：国内主要观点：无扩散理论，属晶间结合国外：薄膜理论，位错学说，扩散理论，再结晶理论，能量学说等1焊接在允许的形变速度之下不会引起接头升温，也不存在界面原子的扩散，固没有软化区、热影响区和脆性金属中间相。2结合面呈现复杂的峰谷和犬牙交错的空间形态，接触面大，同种金属接头强度不低于母材。异种金属接头强度不低于金属强度3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。4压力是唯一的外加能量。单位压力通常要比被焊材料的屈服强度大许多倍。5不需加热、填料，设备简单，节省能源。6易于操作和自动化，焊接质量稳定，生产率高，成本低。7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8不用焊剂，无污染9焊接头不会腐蚀，温度不升高，材料结晶状态不变10通过冷焊机飞边后，容易去除，表面光洁11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12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13焊接质量稳定，不受电压波动影响14适合不允许升温的产品，有些金属焊接时会因升温而母相软化，冷压焊是不错的选择二、冷压焊的分类1搭接冷压焊：接主要用于箔材、板材的连接。将工件分别夹紧在左右钳口中，并伸出一定长度，施加足够的顶锻压力，使伸出部分产生经向塑性变形，将被焊界面上的杂质挤出，形成金属飞边，紧密接触的纯洁金属形成焊缝，完成焊接过程。一般需要2~4次才能使金属边界完全焊合。2对接冷压焊钳口分固定和活动两组，各由两个相互对称的半模组成，各夹持一个工件,向中间挤压结合。主要用于同种或异种金属线材、棒材和管材的焊接。三冷压焊工艺及影响因素1焊接件的表面状态（1）待焊表面的清洁度油膜、水膜和其他杂质会严重影响冷压焊的质量，。金属氧化膜也会影响冷压焊的质量。对接冷压焊时，结合面处的的氧化物等有害杂质可在多次顶锻过程中被作为飞边挤出，因此对接冷压焊时待焊部位的表面清理只需清除油污、水等有害杂质。（2）待焊表面的粗糙度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。2塑性变形程度塑性变形程度是指实现冷压焊所需要的最小塑性变形量，是判断材料冷压焊接性和控制焊接质量的关键参数。（1）搭接冷压焊压缩率(2)对接冷压焊的塑性变形程度用总压缩量L表示，它等于工件伸出长度与顶锻次数的乘积。总缩进量有一个最佳值，过高和过低都会使拉压强度降低。顶锻次数对接冷压焊时，获得合格接头的关键因素是要有足够的压缩量，对于塑性好，变形硬化不强烈的金属工件的压缩量通常小于或等于直径或厚度，焊接时使构建的伸出长度等于压缩长度可一次顶锻焊成，对于硬度较大形变较强的金属，压缩量通常大于或等于焊件的直径或厚度，需要多次顶锻才能焊成，对于大多数材料顶锻数一般不能大于三次。3焊接压力冷压焊的能量是依靠压力而获得的，搭接冷压焊时压力通过压头传递到待焊部位；对接冷压焊时压力通过夹头夹紧传递到待焊工件的界面上。焊接压力既与被焊材料的强度和工件断面有关，又与焊接模具的结构尺寸有关。冷压焊过程中。由于塑性变形产生硬化和模具对金属的约束力，工件上单位压力增大。对接冷压焊时，工件随变形的进行而被墩粗，工件的名义断面积不断增大。结果使得焊接末期所需的焊接压力比焊接初始时的焊接压力要大的多。因此选择焊接压力应该以焊接末期时最大的焊接压力为准。一般锌合金冷压对接焊时，单位面积的焊接压力大于2100MPa。2mm焊接件的横截面积，SMPa单位压力，pN焊接压力，FpSF四、冷压焊模具1搭接冷压焊模具（1）搭接点焊压头冷压点焊分单点点焊和多点点焊，单点焊又分双面点焊和单面点焊。点焊用的压头形状有圆形（实心或空心）、矩形、菱形、或环形等。压头尺寸按工件厚度t确定。圆形压头直径d（矩形压头的宽度b）d=(1~1.5)t，或b=(1~1.5)t.矩形压头的长边取(5~6)b。如果属不等厚点焊，则压头尺寸d=2t1或b=2t1，t1为薄件厚度。•冷压点焊的压缩率是由压头压入深度来控制，通常是设计带轴肩的压头，见图。从压头端头至轴肩的长度即为压入深度，以此控制准确的压缩率，同时起到防止工件翘起的作用。图7-4-2则是在轴肩外圆加设套环预压装置，又称预压模具套环，通过弹簧对工件施加预压力，该预压力控制在20~40MPa左右。冷压缝焊有冷滚压焊、冷套压焊和冷挤压焊等形式，各使用着不同的模具。a）冷滚压焊压轮冷滚压焊时，被焊的搭接件在一对滚动的压轮间通过，并同时被加压焊接，即形成一条密闭性焊缝，图7-4-5为其焊接示意图。从图中看出，单面滚压焊的两压轮中一个带工作凸台，另一个不带工作凸台；而双面滚压焊则两个压轮均带凸台。（2）搭接缝焊模具压轮直径D压轮的直径D从减小焊接压力考虑越小越好，但过小的压轮工件不能自然送入焊机。工件能自然入机的条件是D≥175tϵ，式中t=(t1+t2)工件总厚度，ϵ为最小压缩率。所以，选用压轮直径时，首先满足工件自然入机条件，然后尽可能选用小的压轮直径。压轮工作凸台的高与宽的作用与冷压点焊压头作用相似，工作凸台两侧设轮肩，起控制压缩率和防止工件边缘翅起的作用。合理的凸台高度h由下式确定：式中C为主轴间弹性偏差量，通常C=0.1~0.2mm合理的凸台宽度B取：式中H焊缝厚度，见图7-4-2；t工件总厚度（t1+t2）。b）冷套压焊模具以铝罐封盖冷压焊为例，见图7-4-6。根据焊件的形状和尺寸设计相应尺寸的上模和下模，下模由模座承托。上模与压力机的上夹头连接，为活动模。上下模的工作台设计与冷滚压焊压轮的工作凸台相当。同样也应设计台肩。由于焊接面积大，所需焊接压力比滚压焊大很多，故此种方法只适用于小件封焊。c）冷挤压焊模具以铝质电容器封头焊接为例，见图7-4-7。按内外帽形工件的形状尺寸设计相应的阴模（固定模）和阳模（动模）。阳模与压力机的上夹头相连接，阴模的内径与阳模的外径之差与工件总厚度t和变形程度ϵ的关系为：阴模与阳模的工作周边需制成圆角，以免产生剪切。(3)对接冷压焊的钳口钳口分固定和活动两组，各由两个相互对称的半模组成，各夹持一个工件。钳口作用除夹紧工件外，主要是传递压力，控制塑性变形大小和切掉飞边。钳口端头结构有槽形钳口、尖形钳口、平形钳口和复合钳口等形式，其中尖形钳口有利于金属的流动，能挤掉飞边，所需焊接压力小等，但它易崩刃口。为此在刃口外设置护刃环和溢流槽（容纳飞边），图7-4-3为应用最广的复合钳口。为了防止顶锻过程中工件在钳口内打滑，除有足够夹紧力外，还需增加钳口内腔的摩擦系数，通常是在内腔表面加工深度不大的螺纹沟槽。内腔的形状尺寸与焊件相适应，焊件规格变化，则需更换钳口。刃口是关键部位，其厚度一般为2mm左右，楔角为50°~60°，该处须进行磨削加工以减小顶锻时变形金属流动的阻力，不至卡住飞边，钳口工作部位的硬度控制在HRC45~55.§7.2冷压焊的应用1冷压焊工艺在箔绕线圈上的成功应用变压器箔绕工艺在国内已比较成熟,由于铜铝价格差异较大,考虑制造成本因素,目前国内大部分厂家采用铝箔绕制,虽然用铝箔绕制线圈与铜箔绕制线圈性能没有大的差异,由于与变压器连接母线排多为铜排及客户要求铜质线圈,所以绝大部分变压器厂家的变压器以铜端子引出.目前大致有三种方案:一,以铜铝过渡排引出,氩弧焊焊接,缺点:1需单独订做,生产周期较长2以闪光焊或摩擦焊制作的端子可靠性不太稳定,已有不少厂家反映在生产完成后发现焊接部位断裂,造成较大损失,3,氩弧焊接对操作工有较高技术要求,要熟练掌握焊接电流,速度,角度等否则容易虚焊不可靠4,焊接过程消耗氩气不环保,氩气及焊接弧光对人体有一定伤害.5焊接过程由于产生较大热量,需冷却,也影响了生产效率及自动化的实现.二,以铜排引出,以专用焊剂焊接,如三合焊丝,缺点:1焊剂比较昂贵,2用氧气乙炔把铜排加热,用熔化的焊剂把铜铝粘在一起,此办法产生热量较大生产效率低只能手工施焊,不能实现自动生产.三,冷压焊接,此焊接工艺在法国BR公司及瑞士TUBOYAG公司生产的箔绕机上得到了完美实现,此焊接方法生产效率高，可铜铜焊接,铝铝焊接,铜铝焊接,生产成本低，不用焊剂，无污染，只需更换与材料对应的冷压模具既可,可实现自动焊接,对剪切切口也没有氩弧焊接要求严格.2冷压焊在电线电缆行业的应用1.冷压焊在架空线生产行业的运用我国自改革开放以来，各个领域都在追赶世界先进水平，导线焊接接头也列人电缆行业要解决的重要项目之一。以往国家标准，如GB1178-83铝绞线及钢芯铝纹线》和铝合金绞线及钢芯铝合金绞线》等标准中，对导线的接头强度要求不高。由于有经验的工人精细操作后尚能达到。因此大部分的厂家仍采用电阻焊。但是，为了使国产品与国际接轨，我国线缆标准将逐渐向IEC徐准靠拢，采用等效于一1987《架空绞线用硬铝线h及圆线同心绞架空导线It的新的国家标准‘将要颁布)提出接头强度)130MPa。因此采用电阻焊接是无法达到，而采用冷压焊是较易达到。我们对导线接头的抗拉蝇度做了一系列的试验。大量的数据表明，冷焊机冷压焊接后接头的抗拉强度都超过母线的强度。由于冷焊机能自动对中及方便操作，无需对操作工过高的要求，因此，将其比喻为焊机中“傻瓜机”并不过分。2.传统的焊接方法是用银合金焊料和无酸性溶剂钎焊，但是，自从冷焊机冷压焊机推向市场后，越来越多的用户都倾向用冷焊机来接线，这是因为BWE公司的手提式冷焊机非常适合这种线径的焊接，而且冷压焊接比银焊具有更大的优越性:（1）冷压焊接线操作方便、简单，（2）冷压焊能自动时中;而银焊即很难对中，线受力时容易断;（3）银焊接头有氧化皮，不牢固。而且存在假焊。焊接成功率低;（4）冷压焊不影响导线的电气性能;而银焊会降低电导率;（5）通过冷焊机飞边后，容易去除，表面光洁;而银焊接头较粗，不易修平;（6）冷压焊只需一次投资。使用寿命长，大大降低生产成本。三冷压焊技术在焊接铝电磁线上的应用•目前，国内外干式空心电抗器的线圈绕组广泛使用铝电磁线来制造。由于受每盘电磁线质（重）量的限制，在线圈绕制过程中，需要将不同线盘的铝电磁线对焊起来。由于干式空心电抗器用在高压电力系统中，所以它的线圈绕组要能够承受短路电流的冲击，因此要求铝电磁线对焊接头焊接牢固，抗拉强度不低于母材，同时要求接头的电阻要小，导电性能优良。现在，国内干式空心电抗器生产厂家和铝电磁线生产厂家大多采用电阻焊焊接铝电磁线（L4）。采用电阻焊焊接铝电磁线时，存在以下问题：首先，焊接电流通电时间的控制。由于铝电磁线直径较小（2.5~5.0mm），所以焊接电流通电时间很短，一般不到1s。电阻焊机的焊接电流通电时间依靠手工控制。当焊接电流通电时间过长时，焊接能量输入过剩，使接头被烧断；当焊接电流通电时间过短时，焊接能量输入不够，使接头不能完全熔合，导致焊接失败。其次，焊接质量和铝电磁线伸出长度、电磁线和电极表面接触状态等，也有很大关系。随着铝电磁线直径的变化，操作工人需不断调整电磁线伸出长度。电极使用一段时间后，会出现下凹，要求工人及时修磨电极。因此，采用电阻焊焊接铝电磁线时，要靠工人的焊接经验和工作状态保证焊接质量，因而焊接质量不稳定。采用冷压焊焊接铝电磁线有很多优点。首先，焊接质量稳定可靠，焊接质量主要由焊接模具保证。第二，焊接操作简单，对操作工人的操作技能和经验要求不高。第三，冷压焊焊接接头电气性能好，接头电阻与母材相比变化很小。其他方面冷压焊已应用于电容器外壳的封装、电