金属板的焊接原理及重要物理性质分析

为更好地理解电阻微焊接原理，我们以精密电阻点焊为例；介绍电阻微焊接技术。

假设两个金属板需要焊接（如图16.1所示）。首先，两个电极挤压金属板使它们紧靠在一起；然后，电流通过金属板从一个电极流向另一个电极，由于电流引起的电阻热，金属板发生局部熔化实现结合。发生熔化并重新凝固的金属体积取决于生成的热量，它直接影响焊接强度。金属板和电极产生的热量可表示为

Q=I²Rt （16.1）

式中，Q是生成热；I是焊接电流；R是工件电阻；t是电流持续时间（焊接时间）。电阻R包括电极与工件界面的接触电阻、两个工件贴合面的接触电阻，以及工件和电极本身的电阻。对于搭接接头，电阻由以下几部分组成：

● 上电极电阻（R₁）。

● 上电极和上金属板之间的接触电阻（R₂）。

● 上金属板电阻（R₃）。

● 上金属板和下金属板之间（贴合面）的接触电阻（R₄）。

● 下金属板电阻（R₅）。

● 下电极和下金属板之间的接触电阻（R₆）。

● 下电极电阻（R₇）（如图16.2所示）^[1]。

在焊接过程中，上述电阻动态变化，且它们的相对大小控制焊接过程。接合界面的接触电阻（它受表面状态影响，如清洁度、表面粗糙度、硬度及镀层材料）和电极压力（或压强）对焊接过程，尤其在早期阶段有关键影响。电极通常由高热导、电导的Cu合金制成，因此在所有部分电阻中，电极本身的电阻应该是最小的。最大部分的电阻应该是贴合面的接触电阻。若生成热恰好集中在贴合面区域，此区域瞬时熔化发生结合，并最终形成熔核（如图16.3所示）。一个牢固的熔核其大小必须大于特定的最小值，并位于电极轴上，且没有任何缺陷、表面飞溅、电极粘连或焊接金属喷溅。通常在进行焊接之前，确定工艺参数容差范围。能得到合适熔核特征的焊接电流和时间的取值范围，称为焊接区间^[4]。虽然电阻焊通常使母材金属发生局部熔化，但它也可用于固态连接或精密电阻钎焊^[2-4，8-10]（如在镀Au镍板之间^[11，12]）。

图16.1 精密电阻点焊接头熔化凝固过程示意图^[11](www.xing528.com)

图16.2 有关精密电阻点焊的电阻

常规或大尺度电阻焊已有广泛研究，它用于汽车和家电业中板厚或丝径大于0.5mm小于1.0mm的部件；与此相反，对电阻微焊接少有系统研究。例如，对钢和某些金属的电阻焊已有推荐选择的工艺参数^[1]；而电阻微焊接只有非常有限的可利用的相关信息。另一方面，电阻微焊接并不是常规电阻焊减小焊接尺度的简单结果（如表16.1所示）^[10，11]，两者之间有许多不同之处，分别介绍如下。

图16.3 电阻微焊接接头截面示意图

表16.1 小尺度和大尺度电阻点焊的区别

首先，电阻微焊接的焊接对象往往是有色金属，如铜^[13，14]、可伐合金^[15，16]、镍^{[12，15，16]}、铂^[17]、黄铜^[13，14]、铝^[13，14]、镍铜合金^[16]、钛、银等，而常规电阻焊的待焊金属主要是钢。此外，电阻微焊接时电子器件的板和丝往往镀有其他金属，如Au、Ag、Ni、Sn等；而大尺度电阻焊中待焊材料通常镀Zn或无镀层。

工件（母材和镀层）的物理性质影响它们的焊接性。从式（16.1）来看，电阻和热导率是它们最重要的物理性质。但其他物理性质，如熔点、熔化潜热和热容也极为重要。例如，某研究表明，Al、黄铜和Cu的交流电阻焊焊接性（由获取一定熔核直径的电流大小评价），从好到坏依次为Al、黄铜和Cu，这和它们的电阻或热导率的顺序（黄铜＜Al＜Cu）并不完全一致^[14]。此时，通过忽略接触电阻和电极电阻而考虑熔点、热容和熔化潜热的一个简单模型可描述它们的焊接性。

第二，电阻微焊接和大尺度电阻焊使用的电极压力不同。即电阻微焊接的电极压力非常小。在常规电阻焊中，最大熔核直径同电极头直径几乎相等。因此，发生焊接金属喷溅时，电极头将压入工件，降低接头强度。而在电阻微焊接中，最大熔核直径（D_n）与电极头直径（D_e）之比大于1/3且小于1（如图16.4所示），所以，电极头压入工件的情况很少发生。因此，焊接金属喷溅对电阻微焊接接头的强度影响较小^[18]。

图16.4 大尺度和小尺度电阻点焊熔核尺寸比较^[18]

第三，电阻微焊接发生电极粘连的风险远远高于常规电阻焊。由于电阻微焊接的电极尺寸非常小，不能内部水冷，因此电极头温度很高，导致电极头和工件表面的瞬时粘连。另外，太低的电极压力引起很高的接触电阻，这会降低电阻微焊接的焊接电流阈值，但仍会促进电极粘连发生。