冷压焊

冷压焊，英文为cold pressure welding

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。

加压变形时，工件接触面的氧化膜被破坏并被挤出，使纯洁金属接触达到晶间结合，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量。

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:

而国内部分看法是:不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A-l 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.

搭接主要用于箔材、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。

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。

不同焊接类型其模具各异，对接冷压焊模具为钳口;搭接冷压焊点焊的模具为压头，缝焊的模具为压轮等。

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.

(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(见图7-4-4,)和矩形压头的宽度b要适当，典型压头尺寸为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7-4-4。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。

为了防止压头切割被焊金属，其工作面周边应加工成R=0.5mm的圆角。

(2)搭接缝焊模具

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。

1)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。

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)。

2)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。

3)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。

冷压焊接设备主要分为3大类:手提式、台式和动力式。

手提式冷压焊机通常用在拉丝机的放线架、漆包线、束缆或绞线机上，它的最大优点是能在有限的空间内进行作业，携带方便。

焊接范围:铜ф0.10~1.20mm,铝ф0.10~1.20mm

台式冷焊机是固定在有两个轮子的小车上，移动方便。

焊接范围:铜ф0.30~3.25mm,铝ф0.30~4.70mm

对于焊接线径较大的冷焊机，靠手动来操作是不可能的。因此设计了由气动、电动或液压传动的冷焊机。设备的底部安装有轮子，可以移动。

焊接范围:铜ф1.00~13.00mm,铝ф1.00~20.00mm

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

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】即可。

总压缩量是影响对接冷压焊接头性能的重要因素。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，比如用φ8mm的锌合金棒材进行对接冷压焊。当总压缩量为20mm时，锌合金对接冷压焊接头抗拉强度465MPa，达到最大值，增加总压缩量，接头抗拉强度反而降低了;当总压缩量过小时，接头强度明显降低，并可能出现焊接失败。一般要使金属间距离达到

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。

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。

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。

冷压焊由于不需加热、不需填料，设备简单;焊接的主要工艺参数已由模具尺寸确定，故易于操作和自动化，焊接质量稳定，生产率高，成本低;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，特别适于异种金属和热焊法无法实现的一些金属材料和产品的焊接。冷压焊已成为电气行业、铝制品业和太空焊接领域中最重要的有限几种焊接方法之一。

冷压焊机及其模具的工作表面可能会积聚金属碎屑，必须定期清除。如有压缩空气，可用压缩空气把碎屑吹掉。如果要彻底的清除碎屑，可将模具从焊机中取出，把模具的四块模块拆开，用放大镜仔细每块模块，确保所有模块表面的微量碎屑都被清除。拆模时必须小心，尤其小弹簧容易丢失。模具的表面不干净将会导致接线时线容易在模具中打滑，以至于焊接失败。注意维修后的模具工作表面决不允许有任何油脂。

在模具强度允许的前提下，很多不会产生快速加工硬化或未经严惩硬化的延性金属如Cu、Al、Ag、Au、Ni、Zn、Cd、Ti、Su、Pb及其合金均适于冷压焊;它们之间的任意组合，包括液相、固相不相溶的非共格金属如Al与Pb、Zn与Pb等的组合，也可进行冷压焊。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。但是对于某些异种金属，如Cu与Al，形成的焊缝，在高温下会因扩散作用而产生脆性的化合物，使其延性明显下降。这类组合的冷压焊接头只宜在较低温度下工作。

冷压焊的搭接厚度或对接断面受焊机吨位的限制而不能过大;工件硬度受模具材质的限制而不能过高。因此，冷压焊主要适用于硬度不高、延性好的金属薄板、线材、棒材和管材的连接。特别适宜于焊接中不允许接头升温的产品。

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。

拆模时必须小心，尤其小弹簧容易丢失。

模具的表面不干净将会导致接线时线容易在模具中打滑，以至于焊接失败。注意维修后的模具工作表面决不允许有任何油脂。

冷压焊适合延展性较好的金属，容易产生加工硬化的金属和脆性金属不适合

冷压焊的搭接厚度或对接断面受焊机吨位的限制而不能过大

工件硬度受模具材质的限制而不能过高。

以锌铝焊接为例分析:

高强度锌合金的熔点为419.5 ℃，比较低，而Zn 的沸点只有906 ℃，熔化焊的热源温度都比较高，焊接锌合金时容易发生氧化和锌的蒸发， 从而造成焊缝和熔合区的成分、组织和性能的变化。

钎焊锌合金时，由于采用的是软钎焊，焊接温度较低，母材不会熔化，减少了锌的氧化和蒸发， 可以有效防止由于过热对母材的组织和性能的影响， 因此在锌合金连接和修复方面应用较多，但其焊接强度较低，限制了在某些对强度要求较高的场合的应用。

锌合金的冷压焊属于固态焊接方式，焊接时母材不会发生熔化，且接头强度较高

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.缺点是整机引进价格高昂,BRJ-300约250万元,BRJ-700约350万元BRJ-1400*2约500万元,这样高昂的价格也是此技术没有迟迟进入中国的一个重要原因.

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.冷压焊在通信电缆生产中的运用众所周知，邮电部要求所有市话电缆生产厂获得人网证书才允许生产。在人网标准中。对裸线生产过程的接头有明确的规定。

市话电缆的导线电阻焊很难实现。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。

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、电气工业中铝铜过渡接头、导电母线、引出线、铝制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 等等。

冷压焊机的未来在以下方面有待提高:

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。

冷焊机工作原理是在集中压力负荷作用下，使需要连接的两接触表面积扩大， 从而使得焊接表面上的原始的阻碍焊接的氧化保护膜破裂 ， 高压负载又使暴露的纯净金属物质紧密接触，产生原子之间的结合。 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。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底于两边母线强度。 很多金属材料在传统的高温焊接下会导致接头变形变粗、异物掺入、电阻变大导电性能变弱等缺陷。