焊接方法.docx

焊接
焊接，也写作銲接或称熔接、镕接，是一种以加热方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接透过下列三种途径达成接合的目的：
加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池（Weld pool），熔池冷却凝固后便接合，必要时可加入熔填物（Filler metal）辅助
单独加热熔点较低的焊料，无需熔化工件本身，借焊料的毛细作用连接工件（如软钎焊、硬焊）
在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合挤塑或振动等使两工件间相互渗透接合（如锻焊、固态焊接）
依具体的焊接工艺，焊接可细分为气焊、电阻焊、电弧焊、感应焊接及激光焊接等其他特殊焊接。
焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。除了在工厂中使用外，焊接还可以在多种环境下进行，如野外、水下和太空。无论在何处，焊接都可能给操作者带来危险，所以在进行焊接时必须采取适当的防护措施。焊接给人体可能造成的伤害包括烧伤、触电、视力损害、吸入有毒气体、紫外线照射过度等。
19世纪末之前，唯一的焊接工艺是铁匠沿用了数百年的金属锻焊。最早的现代焊接技术出现在19世纪末，先是弧焊和氧燃气焊，稍后出现了电阻焊。20世纪早期，第一次世界大战和第二次世界大战中对军用设备的需求量很大，与之相应的廉价可靠的金属连接工艺受到重视，进而促进了焊接技术的发展。战后，先后出现了几种现代焊接技术，包括目前最流行的手工电弧焊、以及诸如熔化极气体保护电弧焊、埋弧焊（潜弧焊）、药芯焊丝电弧焊和电渣焊这样的自动或半自动焊接技术。20世纪下半叶，焊接技术的发展日新月异，激光焊接和电子束焊接被开发出来。
历史
金属连接的历史可以追溯到数千年前，早期的焊接技术见于青铜时代和铁器时代的欧洲和中东。数千年前的两河文明已开始使用软钎焊技术。前340年，在制造重达5.4吨的印度德里铁柱时，人们就采用了焊接技术。
中世纪的铁匠通过不断锻打红热状态的金属使其连接，该工艺被称为锻焊。维纳重·比林格塞奥于1540年出版的《火焰学（英语：De la pirotechnia）》一书记述了锻焊技术。文艺复兴时期的工匠已经很好地掌握了锻焊，接下来的几个世纪中，锻焊技术不断改进。到19世纪时，焊接技术的发展突飞猛进，其风貌大为改观。1800年，汉弗里·戴维爵士发现了电弧；稍后随着俄国科学家尼库莱·斯拉夫耶诺夫与美国科学家C·L·哥芬（C. L. Coffin）发明的金属电极推动了电弧焊工艺的成型。电弧焊与后来开发的采用碳质电极的碳弧焊（Carbon arc welding），在工业生产上得到广泛应用。1900年左右，A·P·斯特罗加诺夫在英国开发出可以提供更稳定电弧的金属包敷层碳电极；1919年，C·J·霍尔斯拉格（C. J. Holslag）首次将交流电用于焊接，但这一技术直到十年后才得到广泛应用。

电阻焊在19世纪的最后十年间被开发出来，第一份关于电阻焊的专利是伊莱休·汤姆森于1885年申请的，他在接下来的15年中不断地改进这一技术。铝热焊接和可燃气焊接发明于1893年。埃德蒙·戴维于1836年发现了乙炔，到1900年左右，由于一种新型气炬的出现，可燃气焊接开始得到广泛的应用。由于廉价和良好的移动性，可燃气焊接在一开始就成为最受欢迎的焊接技术之一。但是随着20世纪之中，工程师们对电极表面金属敷盖技术的持续改进（即助焊剂的发展），新型电极可以提供更加稳定的电弧，并能够有效地隔离基底金属与杂质，电弧焊因此能够逐渐取代可燃气焊接，成为使用最广泛的工业焊接技术。

第一次世界大战使得对焊接的需求激增，各国都在积极研究新型的焊接技术。英国主要采用弧焊，他们制造了第一艘全焊接船体的船舶弗拉戈号。大战期间，弧焊亦首次应用在飞机制造上，如许多德国飞机的机体就是通过这种方式制造的。另外值得注意的是，世界上第一座全焊接公路桥于1929年在波兰沃夫其附近的Słudwia Maurzyce河上建成，该大桥是由华沙工业学院的斯特藩·布莱林（Stefan Bryła）于1927年设计的 。
1920年代，焊接技术获得重大突破。1920年出现了自动焊接，通过自动送丝装置来保证电弧的连贯性。保护气体在这一时期得到了广泛的重视。因为在焊接过程中，处于高温状态下的金属会与大气中的氧气和氮气发生化学反应，因此产生的空泡和化合物将影响接头的强度。解决方法是，使用氢气、氩气、氦气来隔绝熔池和大气。接下来的10年中，焊接技术的进一步发展使得诸如铝和镁这样的活性金属也能焊接。1930年代至第二次世界大战期间，自动焊、交流电和活性剂的引入大大促进了弧焊的发展。

20世纪中叶，科学家及工程师们发明了多种新型焊接技术。1930年发明的螺柱焊接（Stud welding）（植钉焊），很快就在造船业和建筑业中广泛使用。同年发明的埋弧焊，直到今天还很流行。钨极气体保护电弧焊在经过几十年的发展后，终于在1941年得以最终完善。随后在1948年，熔化极气体保护电弧焊使得有色金属的快速焊接成为可能，但这一技术需要消耗大量昂贵的保护气体。采用消耗性焊条作为电极的手工电弧焊是在1950年代发展起来的，并迅速成为最流行的金属弧焊技术。1957年，药芯焊丝电弧焊（Flux-cored arc welding）首次出现，它采用的自保护焊丝电极可用于自动化焊接，大大提高了焊接速度。同一年，等离子弧焊（英语：Plasma arc welding）发明。电渣焊发明于1958年，气电焊（Electrogas welding）则于1961年发明。

焊接技术在近年来的发展包括：1958年的电子束焊接能够加热面积很小的区域，使得深处和狭长形工件的焊接成为可能。其后激光焊接于1960年发明，在其后的几十年岁月中，它被证明是最有效的高速自动焊接技术。不过，电子束焊与激光焊两种技术由于其所需配备价格高昂，其应用范围受到限制。
焊接工艺
弧焊使用焊接电源来创造并维持电极和焊接材料之间的电弧，使焊点上的金属融化形成熔池。它们可以使用直流电或交流电，使用消耗性或非消耗性电极。有时在熔池附近会引入某种惰性或半惰性气体，即保护气体，有时还会添加焊补材料。
能量供应：弧焊过程要消耗大量的电能，可以通过多种焊接电源来供应能量。最常见的焊接电源包括恒流电源和恒压电源。在弧焊过程中，所施加的电压决定电弧的长度，所输入的电流则决定输出的热量。恒流电源输出恒定的电流和波动的电压，多用于人工焊接，如手工电弧焊和钨极气体保护电弧焊。因为人工焊接要求电流保持相对稳定，而在实际操作中，电极的位置很难保证不变，弧长和电压也会随之发生变化。恒压电源输出恒定的电压和波动的电流，因此常用于自动焊接工艺，如熔化极气体保护电弧焊、药芯焊丝电弧焊和埋弧焊。在这些焊接工艺中中，电弧长度保持恒定，因为焊头和工件之间距离发生的任何波动都通过电流的变化来弥补。例如，如果焊头和工件的间隔过近，电流将急速增大，使得焊点处发热量骤增，焊头部分融化直至间隔恢复到原来的程度。

所用的电的类型对焊接有很大影响。耗电量大的焊接工艺，如手工电弧焊和熔化极气体保护电弧焊通常使用直流电，电极可接正极或负极。在焊接中，接正极的部分会有更大的热量集中，因此，改变电极的极性将影响到焊接性能。如果是工件接正极，工件将更热，焊接深度和焊接速度也会大大提高。反之，工件接负极的话将焊出较浅的焊缝。耗电量较小的焊接工艺，如钨极气体保护电弧焊，可以通直流电（采用任意接头方式），也可以使用交流电。然而，这些焊接工艺所采用的电极都是只产生电弧而不提供焊料的，因此在使用直流电时，接正电极的时候，焊接深度较浅，而接负电极时能产生更深的焊缝。交流电使电极的极性迅速变化，从而将生成中等穿透程度的焊缝。使用交流电的缺点之一是，每一次变化的电压通过电压零点后，电弧必须重新点燃，为解决这一问题，一些特殊的焊接电源产生的是方波型的交流电，而不是通常的正弦波型，使得电压变化通过零点时的负面影响降到最小
弧焊
手工电弧焊最常见的焊接工艺。在焊接材料和消耗性的焊条之间，通过施加高电压来形成电弧，焊条的芯部分通常由钢制成，外层包覆有一层助焊剂。在焊接过程中，助焊剂燃烧产生二氧化碳，保护焊缝区免受氧化和污染。电极芯则直接充当填充材料，不需要另外添加焊料。
这种工艺的适应面很广，所需的设备也相对便宜，非常适合现场和户外作业。操作者只需接受少量的培训便可熟练掌握。焊接时间较慢，因为消耗性的焊条电极必须经常更换。焊接后还需要清除助焊剂形成的焊渣。此外，这一技术通常只用于焊接黑色金属，焊铸铁、镍、铝、铜等金属时需要使用特殊焊条。缺乏经验的操作者还往往难以掌握特殊位置的焊接。
熔化极气体保护电弧焊，通常包含MIG（又称为金属-惰性气体焊）及MAG（又称为金属-活性气体焊），是一种半自动或自动的焊接工艺。它采用焊条连续送丝作为电极，并用惰性、半惰性或活性气体，以及混合气体保护焊点。和手工电弧焊相似，操作者稍加培训就能熟练掌握。由于焊丝供应是连续的，熔化极气体保护电弧焊和手工电弧焊相比能获得更高的焊接速度。此外，因其电弧相对手工电弧焊较小，熔化极气体保护电弧焊更适合进行特殊位置焊接（如仰焊）。和手工电弧焊相比，熔化极气体保护电弧焊所需的设备要复杂和昂贵得多，安装过程也比较繁琐。因此，熔化极气体保护电弧焊的便携性和通用性并不好，而且由于必须使用保护气体，并不是特别适合于户外作业。但是，熔化极气体保护电弧焊的焊接速度较快，非常适合工厂化大规模焊接。这一工艺适用于多种金属，包括黑色和有色金属．
另一种相似的技术是药芯焊丝电弧焊．Flux-cored arc welding），它使用和熔化极气体保护电弧焊相似的设备，但采用包覆着粉末材料的钢质电极芯的焊丝。和标准的实心焊丝相比，这种焊丝更加昂贵，在焊接中会产生烟和焊渣，但使用它可以获得更高的焊接速度和更大的焊深。
钨极气体保护电弧焊，或称钨-惰性气体（TIG焊）焊接（有时误称为氦弧焊），是一种手工焊接工艺。它采用非消耗性的钨电极，惰性或半惰性的保护气体，以及额外的焊料。这种工艺拥有稳定的电弧和较高的焊接质量，特别适用于焊接板料，但这一工艺对操作者的要求较高，焊接速度相对较低。钨极气体保护电弧焊几乎适用于所有的可焊金属，最常用于焊接不锈钢和轻金属。它往往用于焊接那些对焊接质量要求较高的产品，如自行车、飞机和海上作业工具。与之类似的是等离子弧焊（Plasma arc welding），它采用钨电极和等离子气体来生成电弧。等离子弧焊的电弧相对于钨极气体保护电弧焊更集中，使对等离子弧焊的横向控制显得尤为重要，因此这一技术对机械系统的要求较高。由于其电流较稳定，该方法与钨极气体保护电弧焊相比，焊深更大，焊接速度更快。它能够焊接钨极气体保护电弧焊所能焊接的几乎所有金属，唯一不能焊接的是镁。不锈钢自动焊接是等离子弧焊的重要应用。该工艺的一种变种是等离子切割，适用于钢的切割。
埋弧焊，是一种高效率的焊接工艺。埋弧焊的电弧是在助焊剂内部生成的，由于助焊剂阻隔了大气的影响，焊接质量因此得以大大提升。埋弧焊的焊渣往往能够自行脱落，无需清理焊渣。埋弧焊可以通过采用自动送丝装置来实现自动焊接，这样可以获得极高的焊接速度。由于电弧隐藏在助焊剂之下，几乎不产生烟雾，埋弧焊的工作环境大大好于其他弧焊工艺。这一工艺常用于工业生产，尤其是在制造大型产品和压力容器时。其他的弧焊工艺包括原子氢焊（Atomic hydrogen welding）、碳弧焊（Carbon arc welding）、电渣焊、气电焊（Electrogas welding）、螺柱焊接（Stud welding）等
气焊
最常见的气焊工艺是可燃气焊接，也称为氧乙炔焰焊接。它是最古老，最通用的焊接工艺之一，但近年来在工业生产中已经不多见。它仍广泛用于制造和维修管道，也适用于制造某些类型的金属艺术品。可燃气焊接不仅可以用于焊接铁或钢，还可用于铜焊、钎焊、加热金属（以便弯曲成型）、气焰切割等。
可燃气焊接所需的设备较简单，也相对便宜，一般通过氧气和乙炔混合燃烧来产生温度约为3100摄氏度的火焰。因为火焰相对电弧更分散，可燃气焊接的焊缝冷却速度较慢，可能会导致更大的应力残留和焊接变形，但这一特性简化了高合金钢的焊接。一种衍生的应用被称为气焰切割，即用气体火焰来切割金属。其他的气焊工艺有空气乙炔焊、氧氢焊、气压焊，它们的区别主要在于使用不同的燃料气体。氢氧焊有时用于小物品的精密焊接，如珠宝首饰。气焊也可用于焊接塑料，一般采用加热空气来焊接塑料，其工作温度比焊接金属要低得多。
电阻焊
电阻焊的原理是：两个或多个金属表面接触时，接触面上会产生接触电阻。如果在这些金属中通过较大的电流（1,000—100,000安培），根据焦耳定律，接触电阻大的部分会发热，将接触点附近的金属熔化形成熔池。一般来说，电阻焊是一种高效、无污染的焊接工艺，但其应用因为设备成本的问题受到限制。

点焊机点焊（Spot welding），或称电阻点焊，是一种流行的电阻焊工艺，用于连接叠压在一起的金属板，金属板的厚度可达3毫米。两个电极在固定金属板的同时，还向金属板输送强电流。该方法的优点包括：能源利用效率较高，工件变形小，焊接速度快，易于实现自动化焊接，而且无需焊料。由于电阻点焊的焊缝强度明显较低，这一工艺只适合于制造某些产品。它广泛应用于汽车制造业，一辆普通汽车上由工业机器人进行的焊接点多达几千处。一种特殊的点焊工艺可用于不锈钢上。

与点焊类似的一种焊接工艺称为缝焊（Seam welding），它通过电极施加压力和电流来拼接金属板。缝焊所采用的电极是轧辊形而非点形，电极可以滚动来输送金属板，这使得缝焊能够制造较长的焊缝。在过去，这种工艺被用于制造易拉罐，但现在已经很少使用。其他的电阻焊工艺包括闪光焊（Flash welding）、凸焊（projection welding）、对焊（Upset welding）等。
硬焊和软焊[编辑]硬焊（硬钎焊，Brazing）和软焊（软钎焊，Soldering）是以熔点低于欲连接工件之熔填物填充于两工件间，并待其凝固后将二者接合起来的一种接合法。所使用的熔填物熔点在427℃（800℉）以下者，称为软焊，焊接金属在427℃（800℉）以上者，称为硬焊。通常亦常以熔填物做为焊接方式名称，常用的硬焊如铜焊，软焊则常用锡焊、铅焊。

能量束焊接能源束焊接工艺包括激光焊接和电子束焊接。它们都是相对较新的工艺，在高科技制造业中很受欢迎。这两种工艺的原理相近，最显著的区别在于它们的能量来源。激光焊接法采用的是高度集中的激光束，而电子束焊接法则使用在真空室中发射的电子束。由于两种能量束都具有很高的能量密度，能量束焊接的熔深很大，而焊点很小。这两种焊接工艺的工作速度都很快，很容易实现自动化，生产效率极高。主要缺点是设备成本极其昂贵（虽然价格一直在下降），焊缝容易发生热裂。在这个领域的新发展是激光复合焊，它结合了激光焊接和电弧焊的优点，因此能够获得质量更高的焊缝。
固态焊接和最早的焊接工艺锻焊类似的是，一些现代焊接工艺也无需将材料熔化来形成连接。其中最流行的是超声波焊接，它通过施加高频声波和压力来连接金属和热塑塑料制成的板料和线。超声波焊接的设备和原理都和电阻焊类似，只是输入的不是电流而是高频振动。这一焊接工艺焊接金属时不会将金属加热到熔化，焊缝的形成依赖的是水平振动和压力。焊接塑料的时候，则应该在熔融温度下施加垂直方向的振动。超声波焊接常用于制造铜或铝质地的电气接口，也多见于焊接复合材料。

另一种较常见固态焊接工艺是爆炸焊（explosion welding），它的原理是使材料在爆炸产生的高温高压作用下形成连接。爆炸产生的冲击使得材料短时间内表现出可塑性，从而形成焊点，这一过程中只产生很少量的热量。这一工艺通常用于连接不同材料的焊接，如在船体或复合板上连接铝制部件。其他固态焊接工艺包括挤压焊（Co-extrusion welding）、冷焊（Cold welding）、扩散焊（Diffusion welding）、摩擦焊（Friction welding）（包括搅拌摩擦焊）、EMPT焊接（Magnetic pulse welding）、高频焊（High frequency welding）、热压焊（Hot pressure welding）、感应焊（Induction welding）、热轧焊 (Roll welding)。
EMPT焊接
电磁脉冲技术（EMPT）-- 一种创新的焊接方式电磁脉冲技术（EMPT）可以在不相互接触的情况下对金属进行连接、焊接、成形和切割。EMPT利用电磁感应圈，从一个脉冲发生器中产生出短暂而非常强的电流。感应圈产生出的电磁场，可以瞬间压缩或者膨胀而改变管材的直径。由于管材表面可以短暂带涡电流，因而此技术同样可以处理没有磁性的金属，如铝。
电磁脉冲技术（EMPT）可以对金属进行连接、焊接、成形和切割，尤其适合于导电性强的金属管材，如铝、铜、钢等。同样可以压缩或者膨胀不对称的横截面，根据需要进行机械密封、固相焊接、或简单的形状改变。由于其速度非常快，因此产生出的固相焊接的微观结构可以接近于爆炸焊接或者爆炸包覆。
很多情况下需要使用固相焊接，也被称为原子结合，因为他是在原子能级上进行的连接。其方法和爆炸焊接很相似，都是在高压作用下两个纯金属工件的原子相互挤压，直到发生电子转移，形成一个新的金属混合物。然而EMPT操作时温度不会升高，即没有受到高温影响的区域，因而微观结构也就不会发生改变。EMPT焊接是靠工件之间的V型接口，即两工件连接端事先做成圆锥形，
工件相互之间进行“滚动式”挤压接触。如果产品对于密封性或传导性有特殊要求，EMPT焊接的优势则更加突出。在V形端部产生的接触挤压力范围约为1000N/mm2，并伴有巨大的张力。这基本上发生在两个工件的接触区域前面的十几微米的接触点之间。表层下的塑性变形，导致两个接触体的氧化层都发生破裂，因而发生与爆炸焊接相类似的波浪状微观结构。有限元分析表明，塑性变形速度超过声音在空气中传播速度，而远远低于声音在金属中传播速度。工件之间的空气层被压缩，加速向顶端角部挤压，由此产生的喷射气体将连接区域的碎屑及氧化粒子等吹走。
EMPT焊接的优点在于结合强度大，因为结合力相当于要将工件熔化的力。另外，EMPT焊接可以用在不同金属材料上类似”氦密封”连接，而不产生高热量。通常难焊的不銹钢材料也可以使用EMPT焊接，甚至可以大批量地焊接不同的金属，如钢和铝、钢和铜、以及铜和铝等
接头型式
工件之间的焊接连接可以有多种接头形式。五种基本接头类型分别是：对接接头、搭接接头、角接接头、端接接头、T形接头。还有一些由此衍生的接头形式存在，例如双V形对接制备接头，它的特点是把两个待连接的材料都切屑成V型尖角形状。单U型和双U型对接制备接头也很常见，它们的接头被加工成曲线状的U形，和V形接头的直线型不同，搭接接头可以用来连接两件以上的材料，这取决于焊接工艺和材料的厚度，一个搭接接头可以焊接多个工件。
通常情况下，某些焊接工艺不能或几乎完全不能加工某些类型的接头。例如，电阻点焊、激光焊和电子束焊时常常采用搭接接头。然而，一些焊接工艺，如手工电弧焊，几乎可以采用任何接头类型。值得一提的是，有些焊接工艺允许进行多次焊接：在一次焊接的焊缝冷却之后，在其基础上再焊一次。这样就能够以V形对接接头来焊接较厚的工件。
一个焊接接头的横截面，颜色最深的部分是焊接区或称熔化区，较浅的部分是热影响区，颜色最浅的部分是母材焊接结束之后，焊缝附近的材料显示出几个区别明显的区域。焊缝被称为熔化区，更具体地说就是助焊剂融化后填充的区域，熔化区的材料特性主要取决于所使用的助焊剂，以及助焊剂和母材的兼容性。熔化区周围的是热影响区（Heat-affected zone），该区域的材料在焊接过程中产生了微观结构和特性上的变化，这些变化取决于母材在受热状态下的特性。热影响区的金属性能往往不如母材和熔化区，残余应力就分布在这一区域。