先进的焊接工艺和方法

先进的焊接工艺和方法

摘要：介绍了几种国内外先进的焊接方法, 分析了焊接工艺发展趋势,分析这几

种焊接方法的基本原理、特点以及焊接工艺，指出其适用场合。

关键词：焊接工艺，焊接技术，先进技术，发展趋势

1．引言

目前先进的焊接技术包括无人工厂用的编程型的焊接机器人、电子束焊接、激光焊、搅抖摩擦焊等，这些先进的焊接技术在核工业、航空航天业、船舶工业、汽车工业等领域正在发挥着越来越重要的作用。

2．国内外焊接技术发展现状与趋势

随着世界制造业的快速发展，焊接技术应用越来越广泛，焊接技术水平也越来越高。新的焊接工艺方法不断涌现，专业焊接设备日新月异。与此同时，国内外焊接设备生产企业也纷纷通过各种方式展示自身的实力，特别是借以展会展出品种繁多的产品和先进的技术。先进焊接技术与发展趋势焊接由19世纪末的碳弧焊发展至今不过一百多年的历史，形成了目前的上百种方法，焊接工艺水平也达到了新的高度。焊接结构正朝着大型化、复杂化、高参数方向发展。

3．几种先进的焊接技术

3．1电子束焊

3．1．1电子束焊的基本原理

从电子枪中产生的电子束在25~300kv的加速电压下加速到0.3~0.7倍的光速，经过电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，形成的功率密度很高的电子束流得到一个很小的焦点。

当电子束流撞击置于真空或非真空的工件表面时，电子的功能迅速转变为热能，是金属迅速融化和蒸发，实现焊接过程。

3．1．2电子束焊的特点[5]

1）保护效果好，焊接质量高。真空进行，适用于化学性质活泼、纯度高、易被大气污染的金属，如Al、Ti、Zr、Mo、Be、Ta、高强钢、高合金高、不锈钢。

2）能量密度大，可焊难熔金属及厚大工件，如Nb、Ta、W等，板厚可达200~300mm。

3）焊接变形小。

4）不用填充焊丝，如要保证焊缝正面和背面有一定堆高时，可在焊缝上预加垫片。焊前必须严格除锈和清洗，不允许有残留有机物。对缝隙约为

0.1倍的板厚，不超过0.2mm。

5）工艺参数调节范围广，适应性强。可焊0.1mm薄板，也可焊200~300厚板，可焊难熔、易氧化金属，复合材料，异种材料及难以焊接的复杂形状件。设备复杂，造价高，尺寸受真空室限制，装配要求高，注意X射线防护。3．1．3电子束焊焊接工艺

1. 加速电压

在电子束焊接中，加速电压的增加可使熔深加大，但加速电压的参数根据电子枪的类型通常选取某一数值不变。在保持其他参数不变的条件下，焊缝横断面深宽比与加速电压成正比。

2. 电子束流

束流与加速电压一起决定着电子束的功率。在电子束焊接过程中，加速电压往往不变，所以常常要调整电子束流值来满足不同的焊接工艺需要。

增加电子束流，熔深和熔宽都会增加。

3. 焊接速度

焊接速度太快会使焊缝变窄，熔深减小。

4. 聚焦电流

电子束聚焦状态对熔深及焊缝成形影响很大。焦点变小可使焊缝变窄，熔深增加。厚板焊接时，应使焦点位于工件表面以下0.5-0.75mm的熔深处；

薄板焊接时，应使焦点位于工件表面。

5. 工作距离

工作距离应在设备最佳范围内。工作距离变小时，电子束的斑点直径变小，可增加电子束功率密度。但工作距离过小会造成放电现象，因而在不影响电子枪的稳定工作的前提下，可以采用尽可能短的工作距离。

3、2激光焊

3、2、1激光焊的基本原理

激光是指激光活性物质（工作物质）受到激励，产生辐射，通过光放大而产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0. 01 mm、功率密度高达106～l0l2W/cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。激光焊实质上是激光与非透明物质相互作用的过程，这个过程极其复杂，微观上是一个量子过程，宏观上则表现为反射、吸收、加热、熔化、汽化等现象。

3、2、2激光焊的特点[1]

1）．聚焦后的激光束有很高的功率密度（105 ~107 W／cm2 或更高），加热速度快，可实现深熔焊和高速焊。

2）．激光能发射、投射，能在空间传播相当距离而衰减很小，可进行远距离或一些难以接近的部位的焊接；激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件、难以接近的部位或远距离的焊接。

3）．适宜于焊接一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃等。

4）．一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和热处理，一机多用。

5）．可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接，如可用于臵于玻璃密封容器内的铍合金等剧毒材料的焊接。

6）．激光束不受电磁干扰，不存在X射线防护问题，也不需要真空保护。

3、2、3激光焊焊接工艺

1.激光焊能源参数

激光焊是将光能转化为热能达到熔化工件进行焊接的目的。

1）功率密度

激光能作用于固态金属表面时，按功率密度不同可产生三种不同加热状态。功率密度较低时仅对表面产生无熔化的加热，这种状态用于表面热处理或钎焊；功率密度提高时，可产生热传导型熔化加热，用于薄板高速焊及精密点焊；功率密度进一步提高时，则产生熔孔型熔化，激光热源中心加热温度达到金属的沸点而形成等离子蒸气，用于深熔焊。调节激光的功率密度，即能实现不同加工工艺的要求。

2）. 吸收率

激光焊接的热效应取决于工件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。

减少激光反射损失的途径有：①采用TEMoo光模；②采用衰减式脉冲调制。

开始时高脉冲功率使金属迅速加热熔化，降低其反射率，然后就可以在较低

的能量输入下继续加热熔化；③用喷涂等方法增加表面粗糙度或形成高吸收率薄膜：④用电弧等热源预热，即双热源进行焊接；⑤采用光收集式的接头设计。

3）. 聚焦和离焦

聚焦，焊接或切割厚度较大的材料时，为获得较大的焦点深度，宜选用焦距较长的透镜。对各种厚度的被焊材料及不同接头都存在一个最佳焦距。

离焦量，离焦量是工件表面离激光焦点的距离。工件表面在焦点以内时为负离焦，与焦点的距离为负离焦量。反之为正离焦。离焦量不仅影响工件表面激光光斑的大小，而且影响光束的入射方向，因而对熔深和焊缝形状有较大的影响。

3、3搅拌摩擦焊

3、3、1搅拌摩擦焊的基本原理

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是基于摩擦焊技术的基本原理，由英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种新型固相连接技术[ 2~5 ]。摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热,使端部达到热塑性状态,然后迅速顶锻,完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料,包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。

3、3、2搅拌摩擦焊的特点

1）. 焊接接头质量高，不易产生缺陷。焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相焊接，因而其接头不会产生与凝固冶金有关的一些如裂纹、气孔以及合金元素的烧损等焊接缺陷和脆化现象，适于焊接铝、铜、铅、钛、锌、镁等有色金属及其合金以及钢铁材料、复合材料等，也可用于异种材料的连接。

2）．不受轴类零件的限制，可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、角焊缝及环焊缝，可进行大型框架结构及大型筒体制造、大型平板对接等，扩大了应用范围。

3）．易于实现机械化、自动化，质量比较稳定，重复性高。搅拌摩擦焊工艺参数少，焊接设备简单，容易实现自动化，从而使焊接操作十分简便，焊机运行和焊接质量的可靠性大大提高。

4）．焊接成本较低，效率高。无须填充材料、保护气体，焊前无须对

焊件表面预处理，焊接过程中无须施加保护措施。厚焊接件边缘不用加工坡口。焊接铝材工件不用去氧化膜，只需去除油污即可。对接时允许留一定间隙，不苛求装配精度。

5）．焊接变形小，焊件尺寸精度较高。由于搅拌摩擦焊为固相焊接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快等特点，因而焊接变形小，焊后残余应力小。在保证焊接设备具有足够大的刚度、焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下，焊件的尺寸精度高。

6）．绿色焊接。焊接过程中无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低，因而搅拌摩擦焊是一种高质量、低成本的“绿色焊接方法”。

3、3、3搅拌摩擦焊焊接工艺

1）、搅拌摩擦焊接头形式搅拌摩擦焊可以实现棒材一棒材、管材一管材、板材一板材的可靠连接，接头形式可以设计为对接、搭接、角接及T形接头，可进行环形、圆形、非线性和立体焊缝的焊接。由于重力对这种固相焊接方法没有影响，搅拌摩擦焊可以用于全位臵焊接，如横焊、立焊、仰焊、环形轨道自动焊等。焊前不需要进行表面处理。由于搅拌摩擦焊接过程自身特性，可以将氧化膜破碎、挤出。

2）、搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌焊针高速旋转并插入焊件，随即在焊接压力的作用下，轴肩与焊件表面接触，于是在轴肩与焊件材料上表面及搅拌针与接合面间产生大量的摩擦热，同时，搅拌针附近材料发生塑性变形和流体流动从而导致形变产热，其中摩擦热是焊接产热的主体。随着搅拌焊头沿焊缝方向行走，这些热量对焊缝及焊缝附近的母材施以热循环作用，导致材料中沉淀相的溶解、焊缝和热影响区发生较大程度的软化搅拌摩擦焊本质上是以摩擦热作为焊接热源的焊接方法，所以热输入是影响焊接质量的直接、关键因素。

3）搅拌摩擦焊参数的选择搅拌摩擦焊接参数主要包括焊接速度（搅拌焊头沿焊缝方向的行走速度）、搅拌焊头转速、焊接压力、搅拌头倾角、搅拌头插入速度和保持时间等。

3、4闪光对焊

3、4、1闪光对焊的基本原理

闪光对焊有连续闪光对焊和预热闪光对焊两种，前者焊接过程仅有闪光

阶段和顶锻阶段，后者是在连续闪光对焊之前有一个预热阶段。

闪光对焊的工作原理是，两个焊件未接触前被两个夹钳电极夹紧并连接到电源之上，然后移动可动的夹具，当两焊件端面轻轻地接触的时候，即通电加热，接触点因加热而形成液态金属，从而发生爆破，于是就会火花喷射，形成闪光，随着可懂夹具连续移动，闪光也连续发生，闪光使焊件两端获得加热，当达到一定的温度的时候，动夹具突然加速，以很大的压力使两个构件端面互相挤压，随即切断焊接电源，这时候焊接区发生强烈的塑性变化，在挤压出熔化金属的同时，接合面上产生了交互结晶，便形成牢固的焊接接头。

3、4、2闪光对焊的特点

1）适用范围广，同种或异种金属可焊，展开界面或紧凑截面的零件也可焊，可焊的截面积也大得多。

2）结合面上的熔化金属或氧化物在顶锻进被挤出，起到清除结合面杂质的作用。因此，接头可靠性高，强度大。

3）闪光对焊对工件待焊面的准备和清理要求不严格。

4）接头热影响区窄很多。

同时，其缺点表现为：

焊接时喷射出的熔融金属颗粒有造成火灾的危险，可能使操作人员受飞溅烧伤，并损坏机器的滑轨、轴和轴承等。

焊后在接头处形成毛刺（飞边），需去除。为此，可能需用专门设备而增加制造成本。特别是管子闪光对焊后内壁上的毛刺，妨碍了流体流动，降低接头疲劳强度，而且是产生腐蚀或污损集中的部位。去除小直径内壁的焊接毛刺相当困难，甚至不可能。

3、4、3闪光对焊的焊接工艺[6]

闪光对焊的焊接工艺可分为连续闪光焊、预热闪光焊和闪光-预热闪光焊等，根据材料品种、直径、焊机功率、施焊部位等因素选用。

连续闪光对焊，适用于直径22毫米以下的钢筋。操作室，先使两钢筋端面轻微接触，开始闪光，徐徐移动，直至烧化到规定的长度后，以适当的压力，迅速顶锻。他的焊接过程是闪光-顶锻。

预热闪光对焊，操作时，先使两根端面交替地接触和分开，发生连续闪光和预热，待达到规定长度时，即进行闪光-顶锻。

闪光-预热闪光焊，目的是使不平整的钢筋端面烧化平整，使预热均匀。

操作时，先使两钢筋端面的凸出部分接触，开始闪光，待两端面闪平为准，即进行预热-闪光-顶锻。

4．结束语

焊接不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接，因而已广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航天技术、原子能、电力、电子技术及建筑等部门。

随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊接技术不断进步。

仅以新型先进的焊接方法而言，到目前为止，已达数十种之多。生产中选择焊接方法时，不但要了解各种焊接方法的特点和选用范围，而且要考虑产品的要求，然后还要根据所焊产品的结构、材料以及生产技术等条件作出初步选择。首先讨论焊接方法分类，然后概括介绍各种焊接方法的特点和选用的范围。其次简要介绍如何根据产品的要求和特点选择在技术和经济上最适宜的焊接方法的基本知识，以供那些需要从事焊接生产的工程技术人员参考。最后提出焊接技术在各个方面的发展，希望对于关心焊接新技术的较有经验的焊接技术人员在发展或采用新技术时有所帮助。

5．参考文献

[1] 来自《材料成型新技术》中的《先进焊接技术》，白培康，王建

宏编著 2007

[2] 《中国钢管飞速发展的10年》-殷国茂主编 2009

[3] 《特种连接方法及工艺》由李志勇、吴志生主编北京大学出

版社 2012-01

[4] 《金属工艺学上册》由邓文英，郭晓鹏主编高等教育出版社

2008-04-01

[5] 《机械工程综合实训教程》李晓舟主编；孙拂晓，刘贵军副主编

北京理工大学出版社 2012-01

[6] 《焊工技术问答》张信林，张佩良著中国电力出版社

2005-11-1

[7] 《工程材料及热成型工艺》颜根标编化学工业出版社

2009-03-01

[8] 《建筑安装工人考工技术问答丛书 5 钢筋工》孙祥明主编上海

科学技术出版社 1970-1-1 ＩＳＢＮ9787532394272

[9] 《焊工简明速查手册》徐淼编国防工业出版社 2010-05-01 ＩＳＢＮ：9787118067538

[10] 《钢筋基础知识与施工技术》李继业，徐东升编中国建材

工业出版社

2012-03-01 ＩＳＢＮ：9787516000083

[11] 《实用焊接设备手册》王洪光等编化学工业出版 2012-2-1 ISBN：9787122126917

[12] 《现代焊接技术》张应立主编金盾出版社 1970-1-1 Ｉ

ＳＢＮ9787508270692