1、 毕 业 论 文 作 者： 学 号 : 学 院： 材料科学与工程学院 系 (专业 ): 焊接 题 目 : 金属板材冷压焊工艺试验 指导者 : 教授 评阅者 : 年 6 月 8 日 2 毕业设计（论文）中文摘要 金属板材冷压焊工艺试验 摘要： 冷压焊是在室温下，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。通过塑性变形挤出连接部位界面上的氧化膜等杂质，使纯金属紧密接触，达到晶间结合。 本试验对铝 /铜和铝 /铁 两组材料进行了冷压 连接 ，压下率分别为 50%、55%、 60%、 70%和 50%、 50%、 60%、 65%。 通过 连接板材的 剥离 试验 ， 发现65%压下率 为 Al
2、/Cu 板材 连接 的临界变形 量 ， 60%压下率 为 Al/Fe 板材 连 接 的临界变形 量 。 本文研究了铜铝及铁铝异种金属间冷压焊的焊接工艺及焊缝组织状态的分析。初步得出结论为： 随压下率的升高，界面有效结合（由表面硬化层破裂促使界面金属的相互嵌入）区域增加，增大了界面结合强度。 由于塑性变形促使异种金属原子间形成金属键，从而达到连接的效果。 关键词： 冷压焊 异种金属 铜铝 铁铝 压下率 毕业设计（论文）外文摘要 Title Sheet metal cold welding process test Abstract The Cold welding is a method whi
3、ch is at room temperature, with the aid of pressure to achieve solid state welding to weld metal plastic deformation. The aluminum/copper and aluminum/Iron clad sheet was manufactured by cold pressing composite method, and reduction rate in thickness are 50%,55%,60%,70% and 50%,55%,60%, 65%. Through
4、 clad sheet peel test result , it is showed that 65% reduction rate in thickness is threshold deformation of Al/Cu clad sheet, 60% reduction rate in thickness is threshold deformation of Al/Iron clad sheet. This paper studies the copper aluminum and iron and aluminum cold welding between dissimilar
5、metals welding process and weld organization state analysis. Preliminary conclusions are: with the reduction rate increasing, effective interface (mutually embedded by the surface hardened layer of the interface of metal rupture) region expanded, and the interface bonding strength enhanced. Cause pl
6、astic deformation of dissimilar metallic bond is formed between the metal atoms, so as to achieve the effect of the connection. Keywords： cold welding Dissimilar metal Copper and aluminum Iron and aluminum reduction rate 目 录 1 绪论 . - 1 - 1.1 金属冷压焊的发展及优缺点 . - 1 - 1.1.1 冷压焊的发展 . - 1 - 1.1.2 冷压焊的优缺点 .
7、- 1 - 1.2 冷压焊的应用及研究 . - 2 - 1.2.1 冷压焊的应用 . - 2 - 1.2.2 冷压焊的研究目的与意义 . - 3 - 1.2.3 冷压焊的研究现状 . - 3 - 1.3 冷压焊的发展方向 . - 5 - 2 板材冷压焊连接实 验 . - 5 - 2.1 冷压焊试验装置 . - 5 - 2.2 冷压焊试验材料 . - 6 - 2.2.1 试验材料的热处理 . - 7 - 2.2.2 冷压焊试件的表面要求 . - 8 - 2.3 冷压焊的焊接工艺参数 . - 9 - 2.4 冷压焊试验影响因素 . - 9 - 2.4.1 试件表面情况的影响 . - 10 - 2.
8、4.2 焊接压力的影响 . - 10 - 2.4.3 约束模具的影响 . - 10 - 2.5 冷压焊试验过程 . - 10 - 2.5.1 准备待压试件 . - 11 - 2.5.2 待压试件的表面清理 . - 11 - 2.5.3 试件的冷压试验 . - 11 - 2.5.4 制备金相 . - 12 - 2.6 观察与采集金相照片 . - 14 - 3 试验结果分析 . - 15 - 3.1 金相分析 . - 15 - 3.2 过程分析 . - 15 - 结论 . - 17 - 参考文献 . - 18 - 致谢 . - 19 - - 1 - 1 绪论 1.1 金属冷压焊的发展及优缺点 18
9、01 年英国 人 H. Davy 发现 电弧 至今已有两百多年的历史了，直到 19 世纪 80 年代，焊接还 只用于铁匠锻造上。两次世界战争加快了工业化的 进程 ，从而对现代焊接的技术快速发展产生了影响。常用的焊接方法 电阻焊 、 气焊 和电 弧焊 在一战之前就已经有了，但 20 世纪初期，机械制造和修理领域中占有主要地位的是气体焊接 切割 ，不久之后 电焊便受到 了世界的认可。 1.1.1 冷压焊的发展 二战时期 ，英国 研究领 域就已经涉及 金属冷压焊的 工艺 技术，并将这一 方法 引入 实际生产中 。 1953 年 冷压焊由 美国人 Hunt 发明，从此冷压焊作为一个学术名词 进入了焊接
10、的 研究领域。冷压焊 属于焊接方法的一种，这一方法 相对其他焊接技 方法还 比较年轻。如今 ， 世界对于 冷压焊的界面的结合机理的研究 大 多 处在 抽象 的 理论水平上， 现有的理论中已被实验所证明的 冷压焊成型理论模型 是由丹麦的 C clemensen ,O Juelstorp 和 N Bay 等提出的。 这一理论已经被各国学者所接受了。 随着社会科技的发展 冷压焊作为一种新型的固态连接技术，在焊接过程 中不需要熔化基体，很好地避免了熔化焊时因熔化造成的孔隙 、微裂纹 、变形等缺陷。 另 外，在冷压连接 过程中不需要保护气体和填充材料 ，而且具有零 烟尘和飞溅、工艺简单、高效率、能耗小、
11、接头综合性能 优异 等特点 。因此冷压焊也被认为 是一种 非常好 的 “ 绿色环保 ” 的 焊接工艺。 1.1.2 冷压焊的优缺点 对比冷压 连接 和热压 连接 的 结合 界面的性能可知，冷 压连接 方法获得的 结合 界面的综合性能强于热压 连接 。金属 连接 中界面附近应避免产生硬度高，塑性差的相或显微组织；或物理性能差异较大的金属，避免在热压焊产生脆性的金属间化合物。而冷压 连接在室温下进行，很好的解决了这些问题。 如表 1.1 冷压 连接 由于其特殊的工艺条件，具有自己独特的优点 。 - 2 - 表 1.1 冷压焊优缺点对比 优点 缺点 (1)常温下 连接 ，不需要热源，设备简单。 (2
12、)工艺参数主要由材料性能、工件及模具尺寸确定，故易于操作和自动化，生产率高，成本低。 (3)正常情况下， 冷压连接 不会添加其它的辅助材料，接头不会引起腐蚀。 (4)连接部位无明显温升，材料结晶状态不变，适于异种金属和用常规的热焊方法无法实现连接的一些金属材料和产品。 (5)在热压 连接 界面结合区经常出现的软化区，热影响 区和脆性金属中间相不会出现在冷压连接 界面部位。 (6)界面结合质 量 好，机械强度、导热、导电性能都优于其它方法所连接的界面。 (1)由于受到巨大的压力冷压连接结合处变形量大，搭接的接头会产生压坑，影响工件表面。 (2)冷压焊设备具有局限性，因此试件在搭接和对接时不能有过
13、大的板厚和断面。同时约束模具的原料材质也限制了工件硬度的大小。 (3)有些异种金属的冷压接头只适合在温度较低的环境中工作，例如铜和铝的接头会在高温环境下产生脆性化合物从而降低了街头的塑性和导电性。 1.2 冷压焊的应用及研究 作为固态焊 接方法之一的冷压焊 在 常温下既没有外部的热源输入也没有外加电源的环境下对金属工件给予巨大的压力，进而 使 工件 产生 了 塑性变形， 最终实现稳固的连接 。因焊接过程 中最大的特征 是产生塑性变形，故又称为变形焊。 1.2.1 冷压焊的应用 现如今在全球经济不断增长的大环境下，科技作为社会进步的领头羊飞速发展。同时，焊接技术水平也在科学技术力量的推动下向着自
14、动化、无污染、高效率、高质量等方向发展。由于人类涉及材料连接的领域越来越广泛，焊接技术的发展已经与人们的生活息息相关，越来越多的焊接方法得到研究与发展。在众多的焊接方法中 冷压焊技术开始受到重视。 众所周知，不论是家居、机械加工制造等领域又或者是航空航天领域都离不开电子工业和电气工程技术的应用。然而在这些需要焊接技术的领域中应用最多的便是冷压焊，因为冷压焊工艺可以大大降低生产成本以及保证较高的质量。这些领域中的设备零件往往需要耐高温、耐高压、耐蚀等优点，然而单一的金属材料大多时候很难满足这些- 3 - 要求，有时候甚至需要两种或者多种材料连接在一起才能满足要求，其中异种金属的连接所产生问题是所
15、有研究者们不得不去面对的事。用什么样的连接方法才能保证异种金属连接的质量是研究者们心中最大疑问， 在不断的研究与发展中人们发现最适合异种金属连接的方法就是冷压焊。在某些条件的允许下冷压焊还很适合 Cu、 Al、 Ag、 Ni、 Ti、Sn、 Zn、 Cd、 Au、 Pb 及其合金等不会产生快速加工硬化并具有良好的塑性变形能力的金属，它们之间的任意组合，包括液相、固相不相溶的非共格金属组合，也可进行冷压焊。 冷压焊由于 设备简单、易操作、无填充材料、节能环保；约束模具的尺寸决定了 主要 的 工艺参数， 因此易 自动化 、质量高、 成本低；不 使 用焊剂， 增强了 接头 的耐 腐蚀 性 ；焊接头
16、不会产生高温 ， 可以应用于融化焊所不能完成的材料焊接 。 在 电气、铝制 品 、航天 领域 冷压焊已经成为必需的连接 方法之一。 1.2.2 冷压焊的研究目的与意义 随着科技的发展各种焊接方法日趋成熟，而对于很多材料需要特殊的焊接方法才能满足工艺要求。对于 某些生产中常用并且已经趋于成熟的焊接技术有时候却 无法满足 工件 对于 耐 温 、变形少 等要求，所以冷压焊渐渐进入人们的研究 领域 ，我们要努力创新发展目前并不成熟的冷压焊压接工艺。本研究的主要目的就是通过对异种金属能否进行冷压连接进行实验探讨，设计 和制定出 能较好的使异种金属结合在一起的冷压焊工艺， 以及 在 工件 实现牢固连接的
17、前提下观察与分析 金属的结合面 及焊缝附近母材的金相组织，进 而 分析和研究通过 冷压焊工艺达到 稳固 连接的异种金属接头 的 微观连接机理。 并 通过选择不同的工艺参数，使具有不同冶金性能金属形成接头，并对组织界面结合的微观形貌进行分析 ； 对不同金属甚至不同材料 结合面的连接 机制进行 探索； 最终能达到优化焊接方法 及 发展冷压焊工艺，使其应用到更广泛领域的目的。 现如今 科学技术的不断发展使得冷压焊的应用范围越来越广泛，冷压焊接在国外已普遍推广使用，尤其是在欧洲、美国和其他发达国家。在国内随着近几年经济、工业 快速增长的环境下 冷压焊已经逐渐被应用到部分的生产中，尤其在 电子电气、 电
18、线电缆 等行业中最常用的焊接方法就是冷压焊，它具有广泛的发展前景。因此进行金属板材冷压焊工艺的研究以及制定出各个板材焊接时合适的 焊接工艺 具有重要的理论意义和实际生产价值。 1.2.3 冷压焊的研究现状 冷压焊 出现至今以其工艺上 的 显著特点 ， 在世界上工业比较发达的国家得到了焊接研究者们的重视 。 因为在压接的过程中压力很 大，搭接 接头的 工件表面 焊后产生 较深的- 4 - 压坑，因 此 在 某些领域 上 受到了局限 。 目前，很多高等院校、 研究 中心以及机械制造 公司都在 发展冷压连接工艺的研究项目 ， 期望能 将该 技术 更 加 广泛的 应用于大型交通工 具的制造以及人们日常
19、的使用中。为国家的科学技术发展事业作出最大的努力。 改革开放至今 ， 我国 各个领域都在追赶世界先进水平， 这其中 电缆 领域 要解决的重要 问题 之一 就是 导线焊接接头，为了使国内产品与国际接轨，我国 接头额生产 开始采用国际标准， 因此这 就 需要 我们改变 现有 的焊接技术， 然 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 适应社会科技 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，大连造船厂大力开发冷压焊技术。 目前
20、各国的研究者们对研究冷压焊连接机理相关方面的工作已经做了很多了。而在我国大部分的研究者坚持的理论是无扩散理论，我国的学者们认为冷压连接中没有原子的扩散，不同材料主要是由晶间结合作用而连接的。全世界学者已经提出了很多关于冷压焊连接机理的观点，具有代表性的有以下几种： 再结品理论 :在冷压焊时 ,由于存在较大的塑性变形，因此金属间形成稳固连接的条件是发生了再结晶过程。 ,金属产生的大量塑性变形 ,在较高温度的作用下会使金属接触界面两的晶粒形成无畸变的被两金属共 有的共同新晶粒 ,这一过程使得两金属得以结合在一起。 薄膜学说：冷压连接的焊接性决定于被焊工件表面的状态。只需去除金属工件表面形成的氧化膜
21、和残留的油污，在塑性变形的驱使下，使结合面的金属间达到原子间的距离，最后便可以形成化学键使接头稳固连接。 位错学说：位错学说的内容是两个相互接触的金属在压力作用下会产生产生协调一致的塑性变形，此时金属的接合面处会存在着大量的位错，而这些处于金属结合处表面的位错，使得表面非常不平整，这一切都会促使金属间形成良好的接头。 扩散理论：冷压焊接的金属结合面的附近会形成薄薄的一层扩散 区，与众多焊接方法一样，由于金属间的扩散作用使他们形成固溶体、金属化合物等，因此增强了金属间的结合强度。 能量学说：有外国学者认为，金属原子间的结合存在着一定的能量门槛。在金属由于被压而紧密的接触时，仅仅靠距离的接近是无法
22、形成金属键的，只有原子所含有的能量（变形激活能）超过金属结合所需要的能量门槛时，在接触面处就开始形成金属键，- 5 - 从而使他们稳固的结合到一起。 以上各种 假说 都有其合理的 部分 ，同时也有其不足的地方。整体来说，没有一个理论可以全面的解释冷压焊中出现的所有问题。但是每一个理论在解释问题的某一个方面时又 有其成功之处。因此，我们说这些理论只是反映了事物本质的某一个方面，因而是不全面的，有待我们进一步去完善。 1.3 冷压焊的发展方向 在工业化的发展环境下各个领域都向着自动化、电气化的方向迈进。尤其电气行业可以说是渗透到了生活中的各个方面，例如：电气自动化的生产车间、大型车辆设备、全国的供
23、电输电系统及材料、电视，电冰箱等家居产品。冷压连接无疑是起到了非常大的作用，以其设备简单、操作简单、高质量等优点在我国的航空航天事业以及军事领域中崭露头角。由于各行业的需求各有不同，对冷压焊连接技术的要求也在提高。因此在未 来冷压连接需要在以下方面得到进步。 总结如下： 1.全自动化的冷压设备将会取代半自动化的冷压设备，电子数控冷压焊将会更加精确的制定焊接工艺参数。 2.由于传统的熔化焊修补材料的方法会影响材料的性能，冷压焊将会在金属材料的修补领域得到发展。 3.在未来冷压焊会越来越普遍化，所以冷压焊设备会向着小型化、便携化、工作地点多元化等方向发展。 2 板材冷压焊连接实验 2.1 冷压焊试
24、验装置 如图 2.1 为本试验 所使用 的一套冷压焊设备。冷压 连接 设备整体主要包括施压部分、约束装置和液压部分。为 使待 连接 试样达到一定的变形 量 ，需要液压机构对压头顶压。 图 2.1 为立式冷压焊设备，包括立柱、丝杠、三爪卡盘、液压缸和 约束 装置。如图 2.2 所示， 约束 装置包括挡板、垫块和压头， 约束 装置安放在四根丝杠所固定的横板上。图 2.1(b)所示为液压 装置 ，包括手动液压阀、压力指示器和换向阀。通过调节换向阀，在手动液压缸的作用下向压头施加冷压 连接 时所需压力，其数值的大- 6 - 小由压力指示器显示。待达到了一定的变形 量 时，松开三爪卡盘，并调节换向阀，在手动液压阀的作用下，三爪卡盘复位，为下次的冷压 连接 做准备，此时完成一个周期。 图 2.1 冷压焊设备 (a)施压部分和约束装置 , (b)液压装置 冷压 连接 Al-Cu， Al-Fe 时，因各组元的硬度，塑形变形能力差别较大，为了使 连接 板有较好的成型，用自行制作的约束装置来约束板料宽度方向的变形，只产生厚度以及长度方向的变形。 图 2.2 约束装置立体剖面图 2.2 冷压焊试验材料 本次试验 是对 金属板材冷压连接工艺的 探究 ，进而 通过冷压的实验金属固态连接处的结合机理 ，最终能制定出合适的焊接工艺 。
