国外焊接技术最新进展情况
中国机械工程学会 苏晓鹰 丁培璠

编者按:为配合第十九届全国焊接博览会,本刊特选此篇文章介绍国外焊接技术的最新进展。

一、电阻点焊
         电阻点焊被认为是汽车车身制造中最重要的连接工艺。尽管有激光束焊接和粘结剂粘接等新技术,但点焊在汽车车身制造中仍然会保留其稳固的地位。由于许多因素都会影响点焊的加工质量,而且点焊的质量标准要求很高,因此有必要系统地检查点焊接头的质量。
         为此,过去的作法是采用损伤性测试方法进行随机测试。由于这种方法存在一些缺点,例如:会毁坏测试样件或使其变形,测试时间长,在凿击过程中会损坏和松动工件,当使用“锌粘结剂”时使用凿击的方法会找不到粘接点,所以它已不适合现代制造技术和成本核算意识。这里提供了一种补救方法——“点线超声测试法”,用这种方法,在焊接过程中就可进行焊点的检查。
“IQR系统”是电阻点焊过程中在线质量测试和优化的一种新的控制工艺。这种方法可以在使用U-I特性评价的基础上补偿控制中一些参数变化的干扰,如板材厚度的变化、镀层厚度的变化、电极磨损损耗等的变化。由于操作简单,IQR控制器保证了稳定可靠的高质量点焊,并且节省了时间和成本。
         在电阻点焊领域,人们可以清楚地看到焊接设备中使用伺服马达驱动的明显趋势。在2001年的国际埃森焊接展览会上,不少于12家制造商展示了使用伺服电机驱动技术的焊接设备(安装在微型点焊机、手动和机器人焊枪,以及基座式点焊机上)。根据专家预测,由于焊接质量好和焊接周期较短,所以气动焊接设备将会越来越多地被伺服驱动的焊接设备所取代。另外,一些制造商展示的焊枪采用气冷伺服电机驱动,对电极需要施力和对焊接周期时间有要求的焊接任务有广泛的应用前景。
         带有焊头压电线性驱动的微型点焊装置,具有理想的重新设定参数的特性,并能方便地对移动路线进行编程。由于其机械结构坚固稳定和采用了压电驱动技术,所以使焊接前后定位所需的时间很短。因此,可以不失时机地从工作清理阶段转换到工作阶段,积蓄焊接的动力。由于机构坚固和采用了动态性能极高的驱动系统,使焊枪电极头更适用于自动焊接装置中,焊接效率很高。
         用于冲法铆接和点焊的普通焊枪,在运动速度和精度方面受到要求更加严格的高生产率的机器人的挑战。为了能够达到较大的工作范围,而折弯程度最小,通过精心设计开发了新一代的机器人焊枪,制造材料采用了结构极轻的碳纤维加强塑料(CFRP)。根据研究成果,经过精心试验优化后制造了一个焊枪样品。最近研制的结构有一个纵向加强的非常坚固的弯曲臂和可提供强大的反作用力,竟然可以通过在线控制补偿角度的偏移。这一应用促进了人们进一步开发更好的现代纤维材料制造轻型结构的潜力。

二、激光技术和使用激光束加工材料
         尽管功率在12mm×mrad 4kW以上的Nd:YAG固体激光器的光束质量极高,也不可能达到CO2激光器的应用广度。正是由于CO2激光器的使用成本和维修成本较低,因此它能够得到广泛的应用。例如,3kW的层流CO2激光器可工作大约40000h,每小时的工作成本约为6马克。这种激光用普通CO2激光器的功率的一半时,在1.5m/min的焊接速度不变时,几乎仍能达到同样的焊接熔透深度。当对钢材的焊接熔透深度为4mm,激光束的功率一样时,Nd:YAG固体激光器的焊接速度只有CO2激光器的一半。只有在用三维多轴铰接臂机器人的时候,使用Nd:YAG激光器的总投资才低于使用CO2激光器的情况,原因是通过光学纤维Nd:YAG激光器的光束传输比较简单。而在远距离焊接时,CO2激光器的激光束要通过镜头聚焦,扫描器的光学系统可以自由地将激光束定位在工件表面。聚焦透镜安装在一个电动滑轨上,可以在1500mm×1500mm×400mm的空间确定加工点。选用移动式反射镜装置,能够延伸到干扰边缘后面的焊点。
         将激光束焊接与弧焊工艺相结合可以获得一种值得注意的焊接工艺:即CO2激光束与气体保护金属极电弧焊工艺相结合的工艺。采用该工艺,能对不同级别的钢材进行高效率的焊接。使用这种工艺的目的是为了确定对焊接不同厚度的钢板时允许的最大间隙宽度amax。在钢板厚度t=5mm时,间隙宽度为2mm;当t=8mm时,宽度为1.35mm;当t=12mm时,宽度为0.7mm。焊缝是在重力状态下加工形成的,无需任何焊缝背后的熔液支持。在对20mm厚的钢板进行横向焊接时,可搭接的间隙宽度asssmax可达0.7mm,而不会产生任何技术问题。最佳工艺的其他方面还包括设定焊接和焊丝送丝的速度和选择焊丝的直径。
         人们对这种组合式的焊接工艺进行了试验,并在实际的焊接工作中进行了演示。例如,在迈尔造船厂,成功地焊接了几张7.5~12mm厚、10m长的钢板,焊接速度达到2m/min。在上述的组合式焊接工艺中,增加电弧的组合还可以进一步提高该工艺的优点,例如将每单位长度的能量降到最小,提高焊接速度及搭接接头间隙的能力。
         一种结构结实紧凑、易于操作的“工具”是二极管激发的Nd:YAG激光器和其高质量的激光束。热镜头效应限制了光束质量的改善,进一步改进的目标是把光束的参数进一步提高,并将其输入到100μm的玻璃纤维中,这样获得的光束质量就可与CO2激光器的光束媲美了。
         这里比较有发展前景的是盘式激光器和层流式激光器。在2001年的激光技术展览会上,HASS激光技术公司首次展示了盘式激光器的样机。展出样机的激光器功率为1.3kW,光纤维的直径为0.15mm。灯激发和二极管激发的棒式激光器存在激光束功率引起的热镜头问题,而盘式激光器实际上不再有热镜头问题。由于盘式激光器具有与CO2激光束类似的优质光束,通过光纤耦合的方法可以标定改变其功率,这比棒式激光器标定的功率要大许多倍。
使用输出功率大于4kW的二极管激发的固体激光器,对于铝合金的焊接具有决定性的意义。这些系统的光束质量特别好,能够瞬间注人直径为0.4mm的光纤中。激光束的聚焦能力极大地依赖于光纤的截面积。这表明这种新一代的固体激光器的潜力是“点”直径更小,功率密度更高。功率密度高使人们能够进行以连续波的模式进行焊接。例如,首先用于对小型样品和小零件的各种连接,如对接、T形焊接和搭接进行了研究。零件的材料是AlMgSi0.7(厚度:3mm)和AlMg3(厚度:1.6mm)铝合金。高质量的焊道形状只有在纯粹的连续波状态才有可能。当使用千瓦级的二极管激发的Nd:YAG激光器焊接铝时,在很宽的参数范围内都能获得很高的可靠性。
         文献中还介绍了一种影响焊缝几何形状和质量的新方法。这是根据熔池中电磁力的影响,使产生不同的熔池流动和热输入量。这样就能有选择地改变焊缝的形状、穿透深度、焊道外形和减少气孔的形成。
当用激光束处理管道、圆筒和衬套的内表面时,即使在非常有限特定表面也能改变材料的特性。激光束可提供一个能精密控制的能源,在特定的地点和时间施加能量,通常只有极小的误差,因此不需要或只需要少量的后期加工处理。在工业应用中,这种工具被装上了防护设施,例如采用压力。小室和横向射流(Cross-Jet)来保护光学系统,用冷却的方法消散所吸收激光辐射、等离子辐射和附带产生的热辐射。
         激光器包括以下组件:激光器适配器、基体和激光头。基体可以使激光通过机械方式连接到确定的处理系统上和所需加工的介质上。在基体内,通过光学方式为激光头提供激光辐射。如果需要,还可以装一个与介质刷一起运动的装置,使激光头进行旋转运动。激光头内装有中心光束形成元件(镀膜铜镜)及保护气体或加工气体喷嘴。功率为2kW的Nd:YAG激光器上还连接了一个用于长导轨的硬化处理装置。集成反射镜组可以在大约60 m m的工作距离将光束聚焦到3mm×5mm。使用3kW功率的固体激光器可以硬化φ60mm、深600mm的高合金钢衬套。另外,开发用于管道内部硬化的光学系统有一个旋转激光头,可以在固定的发动机机体上完成工作,用于硬化货车柴油发动机的灰铸铁发动机机体的缸体承载表面。

三、等离子弧焊
         一种新开发的用于等离子弧焊的焊矩系统,采用反极性电极和选用100~200A焊接电流可以经济有效地焊接铝制零件,焊接质量很好。经对各种铝镁合金的焊接试验表明:在焊接2~8mm的板材时,可以使用熔入和锁孔式焊接技术。
         使用电极极性可变的锁孔技术进行等离子弧焊,可用来焊圆周焊缝,如AlMg3管道、法兰盘以及GK-AlSi7Mg冷铸合金制造的形状各异的零件,能够进行8mm壁厚材料的无坡口对焊连接。使用新开发的特殊气体控制系统可以无缺陷地完成圆周焊缝的收尾焊接。由于只在铸件一侧才会产生气孔,因此要确定铸件熔化金属的原子氢含量。如果铸件熔化金属中的氢含量低于0.3mL/100g,焊缝产生的气孔就很少。采用此方法要修复的焊缝总长度可达39m,占整个焊缝长度的27.2%。
         在研究开发最现代化的电源和控制技术条件下,采用等离子弧焊技术是一种质量最佳、经济有效、重复性好的连接工艺。另外,通过调节电流,确保厚板等离子弧对接接头焊接时产生锁孔的传感器系统、导电的熔池支撑与被焊板材绝缘,并通过带电的车架在等离子弧穿透时测量电流,并随之移动。
         这种新的工艺与TIG焊接相比具有如下特点:
         (1)采用等离子弧焊时的特定工艺优点,不仅主要表现在微型等离子弧焊的板材厚度范围方面,而且涉及使用锁孔技术。
         应用范围包括:表面堆焊、喷涂和焊接。通过可调频率使用低脉冲焊接电流,等离子弧焊可以更好的方式控制电弧能量的大小,能够通过现代控制系统可靠地同步监测各种设定值的执行情况。晶体管的焊接电源,如 AUTOTIG系列,可以精确地按照技术规格的规定运行。
         (2)用粉末等离子弧焊焊接薄板和管道时,具有焊接速度快、热输入小和变形小等优点。
         (3)等离子弧焊接时,锁孔技术的优点还清楚地表现在板厚达10mm的材料焊接方面。在应用技术中,粉末等离子弧焊接具有稳固的市场地位。这种新的工艺也将会在机器人上得到应用。

四、粉末等离子弧表面堆焊
         文献中介绍了手工粉末等离子弧表面堆焊和修复技术,以及移动装置和使用的各种消耗材料。现有的逆变电源带有TIG焊接用的高频点火装置,通过控制台还可至少提供130A的焊接电流。堆焊层厚度可以设定在0.3-2mm的范围内,可以最高1.5kg/h的熔敷速率进行表面堆焊。
         在几何形状简单的母体材料上进行粉末等离子弧焊的表面处理,可以产生复杂耐磨的模具元素,所需的后续加工很少。
         这种新研制的粉末等离子弧表面堆焊装置,主要用于矿山铲斗预切削刀具的表面硬化,使用不同的消耗材料和焊接参数进行了表面硬化堆焊。除了WC3.9+40NiSi3B2消耗材料外(一种含碳化钨的粉末作为硬化材料,基体与黄铜钎料的相似),还使用了各种其他合金(还含有球化处理的碳化物)。在这研究中,使用Hardworth-ZIS机器在实验室进行了耐磨试验。几种合金的耐磨强度甚至要好于WCo=12%的粉末冶金硬质合金。
         对于在铁基底材料的表面进行硬金属合金的等离子弧表面堆焊时,可以通过在工作气体中加入氮而改进涂层的耐磨特性,从而获得氮化,形成混合晶体结构和使晶粒细化。尤其是涂层的特性依赖于过渡的和等离子气体中的氮含量。
         另外,在SUJ2基体上(一种耐磨轴承钢,其成分为:Wc=0.95%~1.10%,WSi=0.15%~0.35%, WMn>50%,Wp=0.025%,Ws=0.025%,WCr=l.30%~1.6%,WMo>0.08%,WNi>0.25%和WCu>0.25%)进行粉末等离子弧堆焊,制造耐磨的金属间镍钛合金结构。堆焊层结构的耐磨特性是通过Okoshi型的改型设备建立的。对堆焊层结构的研究不仅是为了确定工艺条件对形成金属间化合物(NiTi、TiFe和TiFe2)的影响,而且是为了评价该工艺是否适合用于制造耐磨的表面结构。
         同时还对零件进行粉末等离子弧堆焊后产生的变形和残留应力的原因、控制技术和影响因素进行了广泛的定量分析和研究,可以使用开发的有限元计算模型,来分析和预先确定复合材料零件的焊接产生的变形和残余应力。这种零件是在高强度材料上进行了不对称的大剂量表面堆焊,因而承受了很大的应力。通过计算法和试验法,研究了在制造这种零件过程中对焊接变形和残留应力的形成和各种影响因素。
         应用实例表明,通过表面堆焊,可以经济有效地制造具有不同特性的零部件。

五、焊接电源
         (1)将交流脉冲电弧的MIG焊接工艺用于工业领域对铝合金薄板进行焊接还未被人们所接受,这是因为研究工作还不够充分,或者是由于焊接电源过于陈旧等原因。一项最新研制的微处理器控制的逆变焊接电源,适用于大规模的生产。研究内容包括确定该装备的特性参数,如:焊丝、焊条熔敷率、焊缝的形成、焊缝宽度的误差、热量输入,以及温度变化和基体材料的变形等。不仅讨论了如何选择焊接电流和脉冲周期,而且讨论了不同工艺方法(直流脉冲弧的焊接与低频脉冲弧的MIG焊接)之间快速转换的可能性。
         (2)装备“智能”换向器的交流电源主要包括4个组件:具有恒流特性的电子电源、智能整流器、启动焊接的高频脉冲点火装置和按虚拟机械原理开发的控制系统。当电极的极性相位需要结束的瞬间到来时,虚拟器的高级控制系统可向“智能”换向器发出改变极性的请求,触发H桥换向器必要的控制系统,等待由传感设备决定的换向条件。
虚拟器采用专家系统数据库规定“智能”换向器的边界条件。这些条件是:请求极性变化的触发点、极性变化的参照值和极性改变的初始电流。极性改变后,换向器将这一情况反馈回虚拟器,从而可以以理想的波形和新的极性继续进行工艺操作。这样设定的电流半波波形是相互独立的,这种交流电源的初始波形不受极性更换的影响;或者说,不影响电弧的初始稳定性。实现最低工艺过程的平均电流可以稳定在7A,而不会影响机器的运转。焊缝的质量很好,焊缝均匀、边缘无缺陷,飞溅极小。
         (3)虚拟器是各种弧焊机都可采用的一种方案。由于它具有灵活性,能够快速适配,因此它适用于现有的、新的和将来的焊接工艺。编程是采用高级语言面向焊接技术进行的,指令量较少。其基础是包括庞大数据库的专家系统,它使用专门的编辑器将虚拟器的内容翻译,并在最短的时间传输给真实的机器,结果可使焊机在几小时内开发、测试和优化新型焊接工艺。操作很简单,只需要规定熔敷率、材料、保护气体和焊丝或焊条的直径,因此能够创造各种通常电弧焊工艺所需的电源。根据这一原理,它不仅能为TIG直流/交流焊机,而且能为MIG/MAG脉冲焊接提供交、直流电源。

六、机器人和系统
         在组装和搬运技术及工业机器人系统的发展方面仍然继续前几年的良好发展态势,在2001年的汉诺威博览会上表现的尤其突出,这部分即“工厂自动化”领导了博览会的潮流。对此德国机器设备协会(VDMA)起了决定性的作用,它组织的展商在1900个不同专业的展商中占到了30%。在机器人市场,市场数据是由VDMA第一次在德国专门从事组装机器人的知名公司获得和整理的,为此,VDMA在其内部建立了一个平台,成立了“Scara机器人”专家组。
使用现代场总线或以太网技术,可以按要求的速度和精度交换数据。工业以太网大概会占据场总线方案中的大部分市场份额。
         莫托曼机器人技术公司在汉诺威博览会上展示的一项绝对革新技术是,通过一个控制系统控制4部机器人。在同步的相互作用中,莫托曼的4个不同的工业机器人表示它们的4个不同机械臂(UP6、UP20和UP50型机器人)如何互不干扰地组装齿轮。在图像处理方面的应用集中表现在质量的提高,这方面应用的机器人占营业额的61%,另外的19%用于制造自动化。
         针对“电子商务”和虚拟市场的背景,德国机器设备协会已开始采取一些行动使供应商和用户在时间上获得一些优势。在网址www.robotics-e-market.com,寻找信息的人们可以找到一个不断充实的广泛数据库。

七、热喷涂技术
         由于表面技术在将来具有光明的前景,所以在过去几年中,热喷涂技术的产值以7%~10%的速度增加,在欧洲市场2000年的产值约为9亿5千万欧元。正如在国际贸易展览会上大量展商所证实的那样,不仅氧-燃料火焰、电弧、等离子弧和高速氧-燃料火焰喷涂,而且PTA工艺,加上优化的控制系统,都继续站稳了市场。
         冷气体喷涂工艺也获得了新的应用。冷喷涂时,所喷涂的材料不再完全被热能熔化,而是在颗粒以高速撞击母材时被塑化。通过对飞行物体进行的侵蚀的新研究表明,相反的效果是在一特定的粒子速度下,强烈加速的颗粒具有与去除作用相反的非常粘性的效果,致密涂层或结构的形成只是由于被喷材料的动能产生的。
         热喷涂不仅可以喷涂金属,而且可以喷涂塑料和陶瓷的混合物,可加工的金属范围从低熔点的锌到高熔点的钛和铌。喷涂涂层除了在传统的防腐保护和耐磨方面的应用外,新工艺还在电工技术、机械工程和设备工程方面从事特殊的任务。例如,用铜喷出的涂层不仅具有很高的密度和硬度,而且可以达到纯铜约90%的导电性(IACS标准)。
         热喷涂颗粒的温度和质量流对涂层的熔敷率、冷却和固化起着决定性的影响,为此,测量飞行中的颗粒是检查涂层粘接强度、微观结构和气孔率的基础方法。
         如果在造纸和纺织行业中使用的卷筒采用铝而不是钢来制造,就必须保证它具有足够的耐磨损、防腐蚀和抵抗机械与热应力的能力。通过热喷涂制作的功能涂层(基体材料为AlMg5)被放在一个特制的测试台上,施加机械和热的负荷。最适合这一应用的涂层被证实为NiCr80/90和WC-Co88/12组成的,通过高速氧-燃料火焰喷涂的缓冲涂层体系。
         在使用状态下,新式涡轮机的工作温度可达到1000℃以上。涂层零件的工作寿命主要由热绝缘涂层的结构稳定性决定,结构稳定性可以通过等离子弧喷涂氧化锆涂层得到改善,使用氧化钇可以达到部分稳定的作用。
制造铸铁汽缸套筒传统的方法是在按照压铸工艺制造铝合金汽缸曲轴箱的过程中浇铸的。由于这些铸铁套筒都有一定的壁厚,这就会在每个汽缸的轴孔之间产生较大的距离,从而导致发动机尺寸过大,重量过重,如果在汽缸的轴孔处适当的加衬可以消除这些缺点。为此,德国大众汽车公司和Sulzer-Metco公司开发了“旋转等离子弧喷涂工艺”,使用10 000℃的热等离子弧喷射技术将钢和钼的复合材料喷到汽缸壁上。
         文献中介绍了热喷涂纳米晶体陶瓷涂层方面的进展;另外,还推出一种新的热喷涂咨询系统(SpriWar。),为用户介绍如何选择喷涂消耗材料、工艺变量、焊炬粉末的组成和喷涂参数等。

八、钎接
         由于焊接的热输入是可选择的,所以在电子行业中为激光束钎焊封装陶瓷玻璃外壳应用开辟了新的途径。在氧化铝基体材料上、在D263窗玻璃(硼硅酸玻璃)平块窗玻璃上和两块平块窗玻璃上用膨胀系数相当的玻璃钎料进行的钎接试验表明,钎焊接头没有任何裂缝,气孔率低,密封性好,不漏氦气。
         电弧螺栓钎接(ASB)已经达到适合作为制造业连接技术的阶段。例如:现在它已经应用于连接高碳钢的钢板和螺栓,在普通焊接中,零件会变得更硬且脆,甚至对于直径为16mm的螺栓,熔深实际为零。而ASB则大大减少了氢致裂缝,由于金属间相的存在,提高了硬度,因此能够在非合金钢和合金Cr-Ni钢之间进行螺栓连接。
         最初的试验表明,甚至能将Cr-Ni螺栓与铝板钎接到一起。使用与螺栓焊相同的设备技术也可进行电弧螺栓钎接,特别是短时间抬起起弧的方案极其适合。在电弧螺栓钎接中,不象螺栓焊那样电弧在被连接的零件之间产生通常的熔池。
         下面的实例表明了ASB应用的可能性。
         例如:对于0.8l%的9ISZV的铁轨材料,用箔钎料进行ASB焊接达到了很好的效果,在拉伸和折弯试验中,试件被损坏,螺栓未受影响,而且可以被折弯到90?;另一项是在建筑监管部门使用的电弧螺栓钎接也获得了良好的结果。使用ASB技术,甚至可以将φ16mm的“黑色”螺栓钎接到“白色”的钢板上(Cr-Ni,厚度为2.5mm)。当板材厚度达到1.5mm时,ASB接头的强度要低于螺栓的焊缝,但高于普通火焰钎焊的接头。当板厚>1.5mm时,在同样的材料之间,ASB接头的强度与螺栓焊的接头相同。对这两种焊接进行比较,电弧螺栓钎接所需的热量输入大大降低,大大减少了熔深,并且强度高,甚至对于对硬度增加敏感的钢材也是如此。
         随着镁作为制造材料的增加,钎接技术也得到相应的发展,AZ91A和AZ31是作为基体材料的。根据漫流实验的测试结果,Mg-Zn合金可以用来作为钎接钎料,不同的纯金属箔用来作为点钎接试验的消耗材料。研究表明,用Mg-Zn钎接焊料可以与AZ91A材料钎焊。对于点钎接来说,铝箔是最适合的消耗材料。
         为了进行氧化铝和金属的钎接,还开发了钯基高温钎接合金。它除了高熔化温度(1555℃)和抗氧化特性外,钯可以与许多元素形成晶体,这就有可能根据需要开发钎料,铬、钒、钛和钇可作为合金元素加入。在钎接氧化铝(Al300含有97.6%的Al2O3,并把CaO和SiO2作为冶金粉末加入;Al997含有99.7%的Al2O3)的过程中,对钯钎接合金的浸润特性和钎接特性进行了实验研究。为此,不仅使用Pd-6Cr、Pd-10Cr和Pd-6V钎焊接金制作金属箔,而且也使用纯的钯、钛、钇、钒和铬元素钎接合金制作金属箔。
         由于氧化的问题,不可能清楚地认识合金金属箔的浸润特性。似乎Al 997可以浸润,而 AI 300不能。与此形成鲜明对照的是,在现场用 Al 300制作的合金却表现出良好的浸润特性,所有的钎接合金在室温下都能获得较高的连接强度。用Pd-6Cr焊制的接头其强度可以耐1000℃的高温。

九、微连接技术
         对装有256至400个连接点的配线盒需要使用细铜线的连接技术,这里主要的问题是氧化和小的工艺窗口。使用金代替铜也是比较理想的,原因是金的导电性及散热性均更好。此外,由于快速氧化的问题,因而在钢片上进行连接对于大规模系列生产不是一种合适的方案。较好的方案是Kulicke &Soffa公司的专利“防止氧化工艺”,可以使金线与铜的表面连接在一起。
在该工艺中,电路片在圆板上被清洗,去除铜氧化物,并在电路片上覆盖上一层保护膜,然后将一个金球焊接到铜端子表面,使用超声波能穿透保护层与铜端子压焊到一起,可以使用OP2-Gold60连接60μm网线的铜端子。现正在试验铜板上焊接细铜线的技术,已在2003年被采用。
         另一项新的连接技术可以应用在包装技术和半导体基片技术领域。NCS(纳米端子连接系统)技术的基础是涂了一层导电材料的金字塔形的颗粒。这些颗粒面积大的一面放在基片上,颗粒底面承受的压力低,使颗粒顶部的压力与其截面积的成反比例地增加,然后颗粒的尖部压到连接物上(如:集成线路基片),并插入到变形材料中,以此来实现电的连接。一般用尺寸为4~25μm,外表涂有镍的金刚石粉末作为这种颗粒物。
         关于将集成线路连接到硅基片上,通过氩离子轰击连接表面可以获得很好的质量,轰击不会对电子特性产生影响。尽管连接处还有些不完美,但因热导电性与基体材料的相同,所以它也可以在低温和低压下进行连接。
         在大多数情况下,可使用TLP连接把用微系统技术制造的零件组装成组合微系统。为此,连接各部分成员要使用钢或镍等高熔点元件和锡或铟等低熔点元件的多层系统。TLP钎焊系统可以采用“磁控管溅射离子喷镀PVD工艺”,同时调整基片的温度。使用特定元素的基片温度可以保证为晶粒结构和均匀地利用各个TLP层。除了通过电阻加热回火,基片还可以通过一系列的中间冷却和蚀刻工艺回火。但是,基片温度绝对不能与特定元素的熔点相同,以避免在工艺中形成金属中间相。
         当今,使用激光辐射可以进行金属微系统的各种微制造工艺,目前的制造精度为10μm。由于从原理上说,它们的聚焦能力更好,基本上短波激光器(Nd:YD激光器和受激准分子激光器)适合于微加工;Nd:YAD激光器通过反射镜或光导纤维把射线传到加工位置。为了获得最小的聚焦直径,要求光束的质量很高,这是由激光器谐振器的设计决定的。使用专门的多透镜聚焦系统和望远镜,得到的聚焦直径最接近理论可获得的最小焦点直径。使用CNC系统可以将微加工的过程编程。
         下面是用Nd:YAG激光器进行激光微加工的应用例子:
         (1)带有10μm切缝的电子接触弹簧。
         (2)大面积特种钢箔的高速打孔(孔径为100μm)。
         (3)微型雕刻。
         (4)特种钢箔的轨迹焊接(焊缝宽度约为70μm)和激光微折弯。
         在电子元件的导线连接方面,同步激光束钎焊工艺是一项新的进展,激光器可同时将所有的导线连接点都曝光。同步激光束钎焊的系统技术先决条件与光束形成元件有关,它能均匀地将激光传到各个连接点。例如,通过将光线投射到元件各个侧面就可以实现这些要求。这种方案采用固定的长度的准确的光线,正在得到工业应用。
         这种方法的一种改进方式是,使产生的光束适合于待焊零件的几何形状和网格尺寸。每个光点均应完全与一个零件的连接相一致,从而使整个吸收的激光能量都用于加热连接物体,此外在使用光线时基板不会受到辐射。

十、机械连接技术
         用重量轻的材料,如铝和镁代替钢材来减轻结构重量是一种发展趋势,同时也使得机械连接技术得到了进一步的发展,以简化接头的制造。车辆重量的减轻间接地减少了燃料的消耗和排放。从使用多种材料制造轻结构的原理来说,其目的就是通过优化组合各种不同的材料,来保证整个产品结构的坚固,从而获得最佳的轻结构。
         在多种材料的制造中,越来越多地把高强度钢、铝、镁和塑料结合使用,纯钢材的概念已不适应将来轻重量结构的要求,因为它们只能减轻5%~10%的重量。
         铝是最重要的轻型材料,并且具有重量轻和良好的力学特性。例如:Audi A8汽车,通过专门的技术,重量可以减轻30%~50%。MgAlMn(AM20-AM60)镁材料,由于其具有很高的延展性和抗弯强度,因而得到了广泛应用。
         由于塑料具有重量轻、耐腐蚀,可以任意成形和价格低等优点,所以也得到了广泛的应用。在人们要求重量轻这一需求的推动下,使连接方法得到了不断的调整。机械连接技术,如自切式铆接、镦锻和粘接也是传统“电阻点焊”连接技术的合适替代手段。
         铆接和镦锻与点焊和凸焊相比具有以下优点:
         (1)材料的连接方式灵活。
         (2)用塑料做中间层适宜加工。
         (3)投资相对小,操作成本低。
         (4)连接时无需加热零件。
         (5)无需前处理和后处理工艺。
         多种材料制造的概念可能就是将来轻型制造的原理。
摘自《机械工人》2004年1~6期
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