什么是焊接-方法和特性-定义

焊接是最常见的连接工艺之一，两个或多个金属零件连接成一个单一的零件高温熔化这些部分结合在一起，让它们冷却，从而产生聚变。虽然这个概念很容易描述，但要实现却不容易。被连接材料的表面粗糙度、杂质、装配缺陷和不同的性能使连接过程复杂化。相似金属和不同金属(异质焊接)都可以焊接。这种连接是冶金学的(包括一些扩散)，而不是像铆接和螺栓连接那样仅仅是机械的。虽然焊接在今天被认为是一种相对较新的工艺，但它的起源可以追溯到古代。直到19世纪末，唯一的焊接工艺是锻焊几千年来，铁匠们一直用它来通过加热和锤击连接钢铁。今天，有各种各样的焊接方法，包括弧焊和气焊，以及钎焊和焊接。虽然本描述的部分不适用于钎焊、焊接和胶粘接。

焊接物理

连接过程的目标是使不同的材料块成为一个统一的整体。以两块金属为例，当一块边缘的原子与另一块边缘的原子距离足够近，形成原子间的引力时，两块金属就合二为一。

焊接主要有两大类:

• 熔焊。在熔焊，两个要连接的边或面被加热到熔点并且，在必要的情况下，添加熔融填充金属以填充接头间隙。由于这些过程中固有的高温相变，a热影响区(HAZ)在材料中创建。熔化焊由熔融的贱金属与熔融的填充金属结合而成。熔化的热量要么在预定的焊缝处产生，要么从外部源施加到预定的接头上。在焊缝处产生热量的方法的一个例子是电流通过待焊接材料接触面之间的电接触电阻。大多数熔焊工艺是将外部热源的热量施加到焊缝处，以产生焊缝结合。热量通过传导、对流和辐射从热源传输到关节。外部发展的热源包括电子束、激光束、放热化学反应(用于氧燃料气焊和铝热剂焊接)和电弧。电弧是应用最广泛的热源，是各种电弧焊工艺的基础。熔焊被用于制造许多日常用品，包括飞机、汽车和建筑物。
• 固态焊接。对于固相焊接，使两个清洁的固体金属表面足够紧密地接触以形成金属键。固相焊接可在低至室温的温度下完成。键合过程要么基于变形，要么基于扩散和有限变形，因此原子运动(扩散)会在两个表面的原子之间产生新的键合。锻焊是一种有数世纪历史的固态焊接技术。许多金属都可以锻焊，最常见的是高碳钢和低碳钢。其中最受欢迎的，超声波焊接它是通过高频和高压振动金属或热塑性塑料制成的薄板或电线来连接的。另一个常见的过程,爆炸焊接它涉及到在极高的压力下将材料挤压在一起的过程。撞击产生的能量使材料塑化，形成焊缝，尽管产生的热量有限。

在本节中，我们将重点讨论熔焊这比固态焊接更常见。熔焊用于制造许多日常用品，包括飞机、汽车和建筑物。通过使用具有足够功率的热源，就有可能熔断非常厚的板的完整部分。的焊缝池产生的是难以控制和的热影响区(HAZ)这种焊缝具有相对粗大的晶粒，对钢的机械性能产生不利影响。热影响区(HAZ)是围绕焊缝的一个环，在这个环中，焊接过程的温度加上不均匀加热和冷却的应力改变了合金的热处理性能。焊接对焊缝周围材料的影响可能是有害的——取决于所使用的材料和所使用的焊接过程的热输入，HAZ可以有不同的大小和强度。在熔池中，热是通过对流而且传导。

的理解传热在焊接生产中很重要，因为焊接件的性能是由其几何形状以及被焊接材料的成分和结构控制的。

焊接工艺类型

下面几节将简要介绍焊接的主要种类。

电弧焊

电弧焊工艺过程使用焊接电源来创建和维护电弧在电极和基材之间熔化焊点上的金属。电弧产生的强烈热量会迅速熔化一部分母金属，从而形成焊缝。这个电弧的中心温度约为3590°C。填充金属在大多数焊接过程中添加，以增加焊接接头的体积和强度。在电极的尖端附近形成一个由基底金属和填充金属组成的熔融金属池。当电极沿着连接处移动时，熔化的金属在它的尾迹中凝固。

焊接电源可以使用直流(DC)或交流(AC)，和可消费的或非消耗品电极。焊接区域有时用某种类型的惰性或半惰性气体，被称为保护气体。在电弧焊中，电弧的长度与电压直接相关，而输入的热量与电流有关。电力公司为工业目的提供的电压——120伏(V)、230伏、380伏或480v对于电弧焊使用来说太高了。因此，弧焊电源的第一个功能是将高输入电压或线路电压降低到一个合适的输出电压范围，20v ~ 80v。恒流电源最常用于手工焊接工艺，如气体钨极电弧焊和保护金属电弧焊，因为它们即使在电压变化时也能保持相对恒定的电流。这一点很重要，因为在手工焊接中，很难保持电极完全稳定，因此，弧长和电压往往会波动。

消耗性-不消耗性电极

电极棒可以是消耗性的，也可以是不消耗性的。如果电极是由碳或钨制成的，棒的唯一目的是携带电流以维持其尖端和工件之间的电弧。如果使用非消耗性电极，并且如果接头需要添加填充金属，则该金属必须由单独应用的填充金属棒或金属丝提供。对于消耗性电极，电弧可以通过电极来维持，它不仅能导电以维持电弧，而且还能熔化并向接头提供填充金属。

保护金属电弧焊

保护金属电弧焊(SMAW)是一种最常见的弧焊形式。它也被称为手工金属电弧焊(MMAW)或棒焊。保护金属电弧焊(SMAW)使用的电极由一个填充金属棒涂有助熔剂保护焊接区域免受氧化和污染的生产二氧化碳(CO2)焊接过程中的气体。焊条中使用的填充金属必须与要焊接的金属相容，其成分通常接近母材的成分。电流被用来在基材和耗材电极棒之间产生电弧。

就设备要求而言，SMAW工艺是最简单的。它也是多才多艺的，可以用相对便宜的设备进行，使它非常适合于车间工作和野外工作。一个操作员可以通过少量的训练变得相当熟练，并可以通过经验达到精通。大多数新焊工都是从“坚持焊工，并通过培训和经验发展必要的技能。焊接时间相当慢，因为消耗性电极必须经常更换，因为熔渣，焊剂的残留物，必须在焊接后凿掉。

气体金属电弧焊

气体金属电弧焊(熔化极气体保护焊-)，又称金属惰性气体焊或MIG焊，是一种电弧焊工艺，其中电极是消耗性裸丝，用惰性气体淹没电弧来完成保护。金属惰性气体焊接(MIG)与SMAW工艺的不同之处在于，它的电极是一根裸露的实心丝，不断地被馈送到焊缝区域，并在消耗时成为填充金属。相比之下，SMAW电极在达到最小长度时必须丢弃。气体金属电弧焊广泛应用于半自动、机器和自动化方式。气体保护必须提供充分的保护，因为即使是少量的夹带空气也会污染焊接沉积物。原来，只有惰性气体等氩而且氦用于屏蔽。今天,二氧化碳也可与惰性气体混合使用。由于GMAW是连续送丝的，电极不需要像SMAW那样定期更换，使该工艺适合自动焊接。

一种相关的工艺，药芯电弧焊(FCAW)，使用类似的设备，但使用由钢电极组成的金属丝围绕粉末填充材料。这种芯焊丝比标准的实心焊丝更贵，会产生烟雾和/或熔渣，但它允许更高的焊接速度和更大的金属穿透。

钨极氩弧焊

钨极气体电弧焊，也被称为钨极惰性气体焊接是一种使用非消耗性钨电极和惰性气体进行电弧保护的电弧焊工艺。GTAW可以使用或不使用填充金属。当使用填充金属时，它是从一个单独的棒材或金属丝中添加到焊接池中。典型的屏蔽气体是氩、氦或这些气体的混合物。TIG焊尤其适用于焊接薄材料，这种方法的特点是电弧稳定，焊缝质量高，但它需要很高的操作技能，只能在相对较低的速度下完成。由于GTAW工艺是一种非常清洁的焊接工艺，它可以用于焊接反应性金属，如钛和锆，铝和镁。

埋弧焊

埋弧焊(看见)是一种高质量的焊接方法，其中包括将焊接电弧埋入一堆颗粒通量粒子(由石灰、二氧化硅、氧化锰、氟化钙组成)。随着焊接过程的进行，在电极前面不断添加额外的焊剂。焊剂保护电弧和熔化的焊缝金属不受周围大气的影响，从而防止氧化物的形成。填充金属主要是从电极丝中获得的，电极丝连续地通过焊剂毯进入电弧和熔融焊剂池。这增加了电弧质量，因为大气中的污染物被通量阻挡。熔剂熔化后变成渣，是废料，焊接后必须清除。埋弧焊过程中，并不是所有的助焊剂都会变成熔渣。根据焊接工艺的不同，50%到90%的助焊剂可以重复使用。

埋弧焊通常采用自动或机械化方式操作。埋弧焊非常适合任何涉及长、连续焊接的应用。焊接厚板的能力，有时用简单的接头配置，使SAW成为大型和厚结构组件焊接组件的首选方法。例如,一个反应堆压力容器是一个圆柱形容器具有半球形的底部头和法兰和衬垫的上部头。底封头焊接在圆柱形壳体上，圆柱形壳体由几个环组成，采用埋弧焊窄间隙焊接在一起。窄间隙焊接有两个主要优点。与其他接头结构相比，该接头结构具有较低的焊接体积，焊接参数适中的自动化友好接头限制了焊缝缺陷，提供了高质量的焊缝。

电阻焊

电阻焊一并是一种焊接过程，它涉及到通过连接部件的电流流动产生热量。当大电流(1000-100,000 A)通过金属时，在焊接区域形成小的熔化金属池。电阻焊广泛应用于钢管的制造和汽车车身的装配。除其他外，汽车制造业广泛采用电阻工艺，在这些应用中，产品设计规定了套用的规厚。其中许多应用都使用全自动和机器人系统。

常用的电阻焊接工艺有:

• 电阻点焊(RSW)
• 电阻缝焊(RSEW)，
• 电阻投影焊(RPW)
• 螺柱焊接。

与这些电阻焊工艺相关的主要工艺变量是焊接电流、焊接时间、电极力或压力、电极材料和焊头配置。电阻焊(RW)是由Elihu Thomson教授在1886年发明的，它是最简单和最常见的熔焊工艺之一。

电阻点焊

电阻点焊点焊是将两个或多个重叠的金属片、铆钉、凸出物或其他紧密贴合的表面连接在一个或多个点上的焊接过程。在这种方法中，由于工件对电流和施加压力的阻力而产生的热量产生接头。焊缝仅限于重叠工件上的点，因此不是连续的。尖头铜电极将焊接电流传导到工作点，也用于施加压力以形成牢固的接头。这些接触面被短时的低电压、高安培电流脉冲加热，形成熔合的焊接金属熔核。当大电流(1000-100,000 A)通过金属时，在焊接区域形成小的熔化金属池。当电流停止流动时，电极压力保持不变，而焊缝金属迅速冷却并凝固。电极由沉淀强化铜铬合金和/或锆合金制成，在一定数量的焊接后必须交换。

该方法的优点包括高效能源利用，工件变形有限，生产效率高，易于自动化，不需要填充材料。主要的缺点是需要有可访问的工件的两边，而不是能够使焊接从一侧。汽车应用中最常用的焊接方法包括电阻点焊(RSW)。除其他外，汽车制造业广泛采用电阻工艺，在这些应用中，产品设计规定了套用的规厚。其中许多应用都使用全自动和机器人系统。一辆汽车的常规钢车身平均包含4500个点焊接头。

电阻缝焊

电阻缝焊是一种类似于点焊工艺的工艺，但不是尖电极，而是车轮形电极向前滚动，并经常给工件送料，使其有可能进行长连续焊接。这就在两种相似金属的表面产生了焊接。电极通常是圆盘状的，当材料通过电极之间时，电极会旋转。接缝可以是对接接缝或重叠接缝，通常是一个自动化的过程。接头通常是气密或液密的。在不收回电极轮或释放点与点之间的电极力的情况下进行一系列焊接，但电极轮可以间歇性或连续地前进。

像点焊一样，缝焊依靠两个电极(通常由铜制成)来施加压力和电流。缝焊产生了一个非常持久的焊缝，因为接头是由于施加的热量和压力而锻造的。缝焊的一种常用方法是在圆钢管或矩形钢管的制造过程中。

激光焊接

激光焊接是其中之一高功率密度焊接过程(约1mw /cm²)，利用非常高的热量输入率。这些过程通常需要自动化，具有高速生产的极好潜力。激光束焊接是利用激光束撞击接头提供的热量来影响材料的熔焊。激光器是一种通过基于电磁辐射的受激发射的光学放大过程来发光的装置。为了焊接，激光束是电磁辐射光谱中红外或紫外频率部分的相干单色光。因此，光束是看不见的。商业二氧化碳(CO2)激光器可以在单一空间模式下发射数百瓦的能量，并且可以集中到一个微小的点上。这种发射在10.6 μ m时为热红外;这种激光通常用于工业切割和焊接。将发散最小的原始光束聚焦到一个小点上，以获得最大的功率密度。

激光束焊接的优点和缺点

主要好处包括良好的灵活性，提高生产力，在生产坚固焊缝的同时大幅节省维护和能源成本。厚度在0.2到6mm范围内的金属薄板可以很容易地用激光焊接。大多数汽车工业采用3到5千瓦功率范围内的横流CO2激光系统。必须特别注意个人安全。为防止散射辐射，必须安装安全罩。必须为特定类型的激光使用适当的防护眼镜和衣服。激光设备非常复杂和昂贵，需要有知识的人员来安装和设置参数。因此，该工艺需要自动化，具有良好的高速生产潜力。

氧气焊接

气焊利用气体火焰产生的热量来熔化填充金属(如果使用的话)和母金属，从而产生焊接。气焊是最古老和最通用的焊接工艺之一，但近年来在工业应用中已变得不那么受欢迎。它仍然被广泛用于焊接管道，以及维修工作。一个类似的过程，通常称为氧燃料切割，用于切割金属。

最常见的气焊工艺是氧乙炔焊。该设备相对便宜、简单，一般采用乙炔在氧气中燃烧产生焊接火焰温度在3100℃左右。纯氧，而不是空气，被用来增加火焰温度，以允许局部熔化的工件材料。燃烧的温度是混合气体中氧气含量的函数。

氧燃料焊接用气体

常见的气体有:

• 乙炔氧气。与其他燃料气体相比，氧乙炔能产生温度最高、火焰浓度最高的火焰。氧乙炔火焰还会产生二氧化碳，这是一种保护气体。氧乙炔火焰在3,773 K(3,500°C;6332°F)。作为一种燃料，与其他燃料相比，乙炔的主要缺点是成本高。
• 稳定甲基乙炔-丙烯(MPS)具有液化石油气的储运特性，热值略低于乙炔。MPS特别推荐用于切割应用，而不是焊接应用。
• 氢-氧。氢的火焰很干净，适合用在铝上。它可以在比乙炔更高的压力下使用，因此适用于水下焊接和切割。当加热大量的材料时，它是一种很好的火焰类型。氢不用于焊接钢和其他黑色材料，因为它会引起氢脆。氢氧火焰在3,073 K(2,800°C;5072°F)。

氧化-中性-还原火焰

燃烧的温度是混合气体中氧气含量的函数。该图展示了用氧乙炔混合物可以产生的三种火焰。焊接一般采用中性火焰设置，有等量的氧气和乙炔。

• 还原焰。还原火焰是含氧量低、乙炔过量的火焰。火焰有从内锥体延伸出的第二只羽毛。这种二次羽毛是由火焰混合物中过量的乙炔造成的，它通过减少氧化铁(还原效应)和添加碳(渗碳效应)改变了焊缝池的化学成分。由于碳或碳氢化合物的存在，它呈黄色或淡黄色。
• 中性火焰。中性火焰是指氧气含量刚好足够燃烧，既不发生氧化也不发生还原的火焰。火焰被认为是中性的，因为它既不显著地增加也不从熔池中减去任何元素。氧气平衡良好的火焰是清澈的蓝色。
• Oxydizing火焰。氧化焰是由过量的氧气产生的火焰。当氧气含量增加时，火焰会变短，颜色变暗，发出嘶嘶声和咆哮。正如它的名字所暗示的那样，它会氧化金属的表面，这种火焰对黑色合金的性能有有害的影响。除了一些例外情况(例如，珠宝中的铂焊接)，氧化火焰通常是不可取的焊接和焊接。

摩擦焊接

摩擦焊接是固态焊接的一种形式，其热量来自于被焊接部件之间的机械诱导滑动运动。在固态焊接中，接头是通过施加压力而产生的，不会使任何工作部件发生明显熔化。摩擦焊由于不发生熔炼，不是传统意义上的熔焊工艺。焊接部分在压力下保持在一起。一般来说，摩擦热是由一部分对另一部分旋转产生的。当达到一定的温度时，抓住旋转运动，施加的压力将零件焊接在一起。键合过程要么基于变形，要么基于扩散和有限变形，因此原子运动(扩散)会在两个表面的原子之间产生新的键合。产生摩擦焊缝所需的时间以秒为单位。

摩擦焊的优点和缺点

快速连接时间(几秒量级)和直接热输入在焊接界面的组合产生相对较小的热影响区。如果安装了自动装卸装置，则机器是全自动的。不需要使用保护气体、助焊剂和填充金属。该工艺成功地将大量相似材料和许多不同的金属连接在一起，包括铝和钢。这在航空航天领域尤其有用，它被用于将轻质铝材连接到高强度钢上。

另一方面，工件有其尺寸限制。FRW主要局限于具有相似横截面的圆杆，其他形式的部件仍然可以使用，但难度要大得多。摩擦焊通常采用专用旋转机，需要较高的资金成本。

爆炸焊接

爆炸焊接包括通过在受控爆炸产生的极高压力下将材料推到一起来连接材料。撞击产生的能量使材料塑化，形成焊缝，尽管产生的热量有限。高延展性的金属具有面心立方排列的原子，不会迅速硬化是最适合的工艺。这些材料包括铝、铜、不锈钢、金、银和铂。生产的典型几何图形包括板、管和管片。该工艺通常用于焊接不同的材料，包括船体中的铝与碳钢的结合，以及石化压力容器中的不锈钢或钛与碳钢的结合。这种方法的一个缺点是，在进行安全尝试之前，需要对爆炸物有广泛的了解。

看到上图:
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