1.1　焊接方法的分类及发展

1.1.1　焊接方法的分类

半个多世纪以来，随着近代物理、化学、材料科学、机械、电子、计算机等学科的发展，焊接技术取得令世人瞩目的进展，成为不可缺少的基本制造技术之一。特别是近年来随着计算机与自动化技术的渗透，焊接技术已经发展成为具有一定规模的机械化、半自动化和自动化的独立加工领域。

科学技术的发展和焊接技术进步使新的焊接方法不断产生。特别是20世纪50年代以后，焊接方法得到更快的发展。1956年出现了以超声波和电子束作为热源的超声波焊和电子束焊；1957年出现了等离子弧焊和扩散焊；1965年和1970年出现了以激光束为热源的脉冲激光焊和连续激光焊；20世纪末出现了搅拌摩擦焊和微波焊。

焊接技术几乎运用了一切可以利用的热源，其中包括火焰、电弧、电阻热、超声波、摩擦、等离子弧、电子束、激光、微波等。从19世纪末出现碳弧到20世纪末出现微波焊的发展来看，历史上每一种热源的出现，都伴随着新的焊接方法的出现并推动了焊接技术的发展。至今焊接热源的研究与开发仍未终止，新的焊接方法和新工艺不断涌现，焊接技术已经渗透到国民经济的各个领域。

国内外文献有多种焊接方法的分类法，各有差异。传统意义上是将焊接方法划分为三大类，即熔焊（fusion welding）、压焊（pressure welding）和钎焊（brazing and soldering）；也有的分类为熔化焊和非熔化焊（固相焊）。根据不同的加热方式、工艺特点等将每一大类方法再细分为若干小类，例如熔化焊和固相焊方法的分类见表1.1。

常用焊接热源的功率密度区和功率密度集中程度示意如图1.1所示。随着热源功率密度的不同，焊接热源的功率密度可分为如下四个区域。

①低功率密度区，功率密度约小于3×102W/cm2。这时，热传导散失大量的热，被加热材料只有轻微的可略而不计的熔化，这种热源难于实施对金属的焊接。

②中功率密度区，功率密度范围为3×102～105W/cm2。这时的热过程以径向导热为主，材料被加热熔化，几乎没有蒸发，绝大多数金属电弧焊的功率密度都在这个范围内。

③高功率密度区，功率密度范围为105～109W/cm2。处于此范围的焊接方法主要是电子束焊和激光焊，这时以蒸发为主，强烈的蒸发会在熔池中产生小孔。

④超高功率密度区，功率密度大于109W/cm2。这时的蒸发更剧烈，高功率的脉冲激光聚焦成很小的束斑时即出现这种情况。超高功率密度的脉冲激光束可用于打孔，其加工的小孔精度高，小孔侧壁几乎不受热传导的影响。

高能束流加工技术是利用功率密度大于105W/cm2的热源（激光束、电子束、等离子弧等）对材料或结构进行的特种加工技术。这里所指的“加工技术”不仅仅是把材料加工制成具有先进技术指标的构件，还包括利用高能束流制备新型材料。

20世纪80年代以后，高能束流加工技术呈现出加速发展的趋势。高能束流由单一的光子、电子和离子或两种以上的粒子组合而成，高能束流焊接的功率密度达到105W/cm2以上。

不同焊接方法的温度、压力及过程持续时间的对比如图1.2所示。

工业上常见的几种热源的功率密度见表1.2，用在焊接领域的高功率密度的热源有等离子弧、电子束、激光束、复合热源（激光束+电弧）等。

当前高能束流焊接被关注的主要领域是高能束流设备的大型化、设备的智能化以及加工的柔性化、束流品质的提高、束流的复合及相互作用、新材料焊接及应用领域的扩展等。

1.1.2　特种焊接技术现状及发展

在各种焊接方法中，近年来特种焊接技术所占的比例也在发生着变化，其应用范围正在扩大。在熔焊方法中，气焊的比例减小明显，电弧焊仍然是主角，而高能束流焊接技术（如电子束、激光束、等离子弧等）的比重在不断增大。固态焊（如扩散焊、超塑成形/扩散连接、摩擦焊等）则以其独具的优势在高科技产品迅猛发展的年代显现出生机。

（1）高能束流焊接现状

高能束流焊接技术的显著特点是焊接时产生“小孔效应”（图1.3），焊接熔深比热传导焊接方法显著提高。高能束流加工技术在高技术及国防科技的发展中起着无可替代的作用。表1.3是高能束流加工技术的特点及其应用领域。

高能束流加工技术被誉为21世纪最有希望的加工技术，被认为“将为材料加工和制造技术带来革命性变化”，是当前发展最快的方法。高能束流焊接越来越引起更多国内外相关人士（如物理、材料、机械、计算机等）的关注。国内在高能束流装备水平上与国外有一定差距，但在工艺研究水平上较为接近，在某些方面有自己的特色。

在高能束流焊接过程中，由于热源能量密度高，在极短作用时间内，随着热源与被焊材料的相对运动形成连续的而且完全熔透的焊缝。“小孔效应”是高能束流焊接过程的显著特征，改变了能量传递方式，与常规电弧焊方法相比有明显的优点。高能束流焊接时基本不需要开坡口和填丝、焊缝熔深大于熔宽、焊接速度快、热影响区小、焊缝组织细化、焊接变形小。

由于有上述优势，高能束流焊接技术可以焊接难焊的材料，并且具有较高的生产率。在核工业、航空航天、汽车等工业得到广泛的应用。随着高能束流加工技术的不断推广应用，也被越来越多的工业部门所选用。

高能束流焊接装备向大型化发展有两层含义，一是设备的功率增大，二是采用该设备焊接的零件大型化。由于高能束流焊接设备一次性投资大，特别是激光焊和电子束焊设备，因此增大功率、提高熔深和焊接过程的稳定性、降低焊接成本，才能为工业界所接受。大型焊接设备建立之后，高能束流焊接的成本可以进一步降低，有利于在军用、民用各个工业领域中扩大应用。

对于超细晶粒钢，不论是屈服强度400MPa级还是800MPa级的钢种，由于晶粒度细小，焊接加热时会出现晶粒长大倾向，导致热影响区的脆化和软化。为了解决这一问题，可采用激光焊、等离子弧焊等焊接方法进行焊接。表1.4给出了屈服强度400MPa级超细晶粒钢的激光焊、等离子弧焊、混合气体保护焊热影响区粗晶区的晶粒长大倾向对比结果。试验结果表明，激光焊热影响区粗晶区的晶粒长大倾向最小，显微组织为强韧性良好的下贝氏体（BL）+少量板条马氏体（ML）+少量铁素体和珠光体（F+P）。

①激光焊接　激光束作为材料加工热源的突出优点是高亮度、高方向性、高单色性、高相干性等。从20世纪60年代开始，激光在焊接领域得到应用。80年代以后，激光焊接设备被成功应用在连续焊接生产线中。

固体激光焊机的功率不断增加，25kW的CO2激光器可以1m/min的速度焊接厚度28mm的板材，10kW的激光器可以同样的速度焊接厚度15mm的板材。激光焊应用领域不断扩展，汽车车身的激光切割与焊接使轿车生产个性化，可以节省大量钢材，同时降低结构重量。高速列车铝合金车厢、管线钢等也应用了激光焊技术。

激光束和熔化极氩弧焊（MIG）复合是目前研究比较多的一种工艺方法。由于MIG焊熔化母材使激光吸收率显著增加因而很快形成稳定的熔深和焊缝。MIG焊形成的熔池较宽，克服了激光焊缝过窄引起的一系列问题，保证了一次熔透的高生产率。因而复合焊接方法强化了工艺，优化了焊缝成形，也节省了总的能量而且控制方便。把激光+MIG复合的方法用于金属表面熔敷，可以在不改变原激光低稀释率的条件下使熔敷效率提高3倍以上。

尽管激光焊研发的历史不长，但在船舶、汽车制造等工业领域，激光加工已占有一席之地，并且通常与机器人结合在一起使用。激光焊接技术从实验室走向实际生产改变了新产品设计和制造过程。用激光焊接取代铆接结构，在飞机机身结构的制造中广泛应用。与铆接相比，激光焊接不仅可以节省材料，降低成本，而且大大减轻了飞机的结构重量。

在航空航天领域中常用的材料（如铝合金、钛合金、高温合金和不锈钢等）的激光焊研究也取得了进展，特别是10kW以上的大功率激光器出现之后，激光焊更具有了与电子束焊竞争的能力。在15mm以下厚度板的焊接应用中，由于激光焊兼有电子束焊的穿透力而又无须真空室，使其在航空航天关键零件的焊接中得到应用。

汽车工业是激光焊接应用较为广泛的领域，世界上著名的汽车制造公司都相继在车身制造中采用了激光焊接技术。在食品罐身焊接、传感器焊接、电机定转子焊接等领域，激光焊接技术都得到了应用，并且已经发展成为先进的自动化的焊接生产线。

②电子束焊接　利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的方法称为电子束加工，其中电子束焊接以及电子束表面处理在工业上应用广泛，也最具竞争力。近年来，电子束焊接技术的研究及推广应用极为迅速，在大批量生产、大厚度件生产、大型零件制造以及复杂零件的焊接加工方面显示出独特的优越性。

电子束加速电压由20～40kV发展为60kV、150kV甚至 300～500kV，其功率密度也由几百瓦发展为几千瓦、十几千瓦甚至数百千瓦。目前工业中应用的电子束焊接设备的功率密度一般小于120kW，加速电压在200kV以内。电子束焊接大厚度件具有得天独厚的优势，一次性焊接的钢板最大厚度可达到300mm。电子束焊接不仅在大厚度、难焊材料的焊接领域得到应用，还在高精度、自动化生产中得到推广。

为了适应更广泛的工业要求，还研制出局部真空和非真空的电子束焊接设备。局部真空和非真空避免了庞大的真空系统及真空室，主要用于大型、不太厚（一般小于30mm）或小型薄件的大批量生产，其功率密度一般为15～45kW、加速电压150kV左右。在美国，非真空电子束焊接应用十分广泛，部分取代了埋弧焊，用于汽车、舰船制造等，获得了良好的经济效益。电子束焊接在核工业、航空宇航工业、精密加工业以及重型机械等工业得到广泛应用。汽车工业也是电子束焊接应用的重要领域。

电子束焊接由于具有改善接头力学性能、减少缺陷、保证焊接稳定性、大大减少生产时间等优点，用途很广泛。既可用于焊接贵重零部件（如航空航天发动机部件），又可焊接常规部件（如汽车齿轮）；既可焊接微型传感器，也可焊接结构庞大的飞机机身。可适用于大批量生产（如汽车、电子元件等），也适用于单件生产（如核反应堆）。可用于焊接极薄的锯片，也可焊接大厚度的压力容器。

电子束焊可以焊接普通的结构钢，也可以焊接特殊金属材料（如超高强钢、钛合金、高温合金及其他稀有金属）以及异种金属之间的焊接。焊接大型铝合金零件中采用电子束焊具有优势，在提高生产效率的同时得到了良好的焊接接头质量。汽车变速箱齿轮普遍采用电子束焊接，在航空发动机的叶片、涡轮盘修复中也用到电子束焊接。

变截面电子束焊接技术的出现，为航空工业的发展起到了促进作用。正是由于这项技术使得许多复杂的飞机和发动机零件的一次焊接完成成为可能，避免了多次焊接出现的局部焊接缺陷，提高了飞机的整体性能。

③等离子弧焊接　采用等离子弧技术焊接大厚度的材料以及提高焊接过程稳定性一直是研究人员致力的目标。与钨极氩弧焊（TIG）相比，等离子弧焊的生产率和焊接质量都明显提高。原来采用TIG焊需要一层封底焊和3～4层填充焊的工件，采用等离子弧焊接技术，只需一层穿透焊和一层盖面焊，省去了开坡口，焊接工时缩短了一半，而且焊接质量优于钨极氩弧焊。

变极性等离子弧焊接技术以其特有的工艺优势，在各个工业领域的钢结构焊接和铝合金结构焊接中得到应用，例如用于对焊缝质量和焊接变形要求很高的压力容器、运载火箭、导弹等。

我国的等离子弧焊接技术研究始于20世纪60年代，并在航空航天工业中得到成功的应用。例如大电流穿孔等离子弧焊接30CrMnSiA高强钢筒形容器、涡轮机匣毛坯组合件、火箭发动机壳体、钛合金高压气瓶等。

等离子弧独特的物理性能，为穿孔等离子弧焊带来焊接质量稳定性差的问题，而且厚板穿孔焊时问题更加突出。焊接工作者在穿孔等离子弧焊接稳定性的影响因素及其作用规律、提高质量稳定性途径和方法等方面开展了大量的研究工作。穿孔等离子弧焊接过程中的小孔行为被认为是影响焊缝成形及焊接质量稳定性的关键因素。为了获得高质量的焊接接头，可在焊接过程中实施闭环质量控制，以稳定小孔的形态和尺寸。目前，微束等离子弧焊接和中厚度板的大电流穿孔等离子弧焊接技术在我国已得到广泛应用。

（2）束流的复合

新产品、新构件和新器件对连接技术提出了新的要求，促进特种连接技术的不断发展，以适应发展的要求。近年来，国内外关于束流复合焊接新工艺、新技术的研究报道，推动束流复合焊接技术的发展。其中最主要的是采用激光-电弧复合热源的高效焊接技术。

高能束流焊接的优势很明显，但目前高能束流焊接的成本仍较高。因此以激光为核心的复合技术受到人们的关注。激光-电弧复合在20世纪70年代就已提出，然而稳定的加工应用直至近十几年才出现，这主要得益于激光技术以及弧焊设备的发展，尤其是激光功率和电弧控制技术的提高。

束流复合加工时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；复合加工可提高加工效率，提高焊接性差的材料（如铝合金、双相钢等）的焊接性，可增加焊接稳定性；激光加丝焊对参数变化很敏感，通过与电弧的复合，则变得容易而可靠。

激光-电弧复合主要是激光与钨极氩弧、等离子弧以及活性电弧的复合。通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种焊接方法自身的不足，产生良好的复合效应。

熔化极电弧成本低，适用性强；缺点是熔深浅、焊接速率低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝，焊接速率快、热输入低，但设备成本高，对工件装配精度要求高，对铝合金等材料的适应性差。激光-电弧的复合效应表现在：电弧增加了对间隙的桥接性，其原因一是填充焊丝，二是电弧加热范围较宽；但复合电弧的功率决定了焊缝顶部宽度；激光产生的等离子体减小了电弧引燃和维持的阻力，使电弧更稳定；激光功率决定了焊缝的深度。也就是说，复合电弧导致了焊接效率增加以及焊接适应性的增强。

激光-电弧复合对焊接效率的提高十分显著，这主要基于两种效应：一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度，工件热流损失减小；二是两热源相互作用的叠加效应。焊接钢时，激光等离子体使电弧更稳定；同时，电弧也进入熔池小孔，减小了能量的损失。

激光-钨极氩弧的复合可显著增加焊接速率，约为钨极氩弧焊（TIG）的2倍。钨极烧损也大大减小，钨极寿命增加；坡口夹角也可显著减小，焊缝截面积与激光焊时相近。与激光单弧复合焊相比，激光双弧复合焊接的热输入可减小25%，焊接速度增加约30%。

激光-电弧（或等离子弧）复合焊接的优点主要是提高了焊接速度和熔深。由于电弧加热，金属温度升高，降低了金属对激光的反射率，增加了对光能的吸收。这种方法在小功率CO2激光器试验基础上，还在12kW的CO2激光器以及光纤传输的2kW的YAG激光器上进行的试验，为机器人进行激光-电弧（或等离子弧）复合焊接打下了基础。

此外，激光复合焊接技术还有激光-高频焊、激光-压焊等。激光-高频焊是在高频焊管的同时，采用激光对熔焊处叠加热量，使待焊件在整个焊缝厚度上的加热更均匀，有利于提高焊管的接头质量和生产率。激光-压焊是将聚焦的激光束照射到被连接工件的接合面上，利用材料表面对垂直偏振光的高反射将激光导向焊接区。由于接头特定的几何形状，激光能量在焊接区被完全吸收，使工件表层的金属加热或熔化，然后在压力作用下实现材料的连接。这样不仅焊缝强度高，焊接速度也得到大幅度提高。

近年来，通过激光-电弧复合而诞生的复合焊接技术获得了长足的发展，在航空、军工等部门复杂构件上的应用日益受到重视。目前，高能束流与不同电弧的复合焊接技术已成为高能束流焊接领域发展的热点之一。

（3）固相焊接技术

先进材料的不断出现对连接技术提出了新的挑战，成为其发展的重要推动力。许多新材料，如耐热合金、陶瓷、金属间化合物、复合材料等的连接，特别是异种材料之间的连接，采用通常的焊接方法难以完成，扩散焊、摩擦焊、超塑成形扩散连接等方法应运而生，解决了许多过去无法解决的材料连接问题。

固相连接（solid phase welding）是21世纪有重大发展的连接技术。许多新材料（如高技术陶瓷、金属间化合物、复合材料等）固相连接的优越性日益显现，扩散焊和搅拌摩擦焊成为焊接界关注的热点。近年来，超塑性成形扩散焊技术在飞机的钛合金蜂窝结构中得到成功的应用。陶瓷与金属能够采用扩散焊进行连接；摩擦焊在焊接发动机转子部件上得到应用。搅拌摩擦焊等新技术的应用解决了某些用熔焊方法不易焊接的材料连接问题。

固相连接可分为两大类。一类是温度低、压力大、时间短的连接方法，通过塑性变形促使工件表面紧密接触和氧化膜破裂，塑性变形是形成连接接头的主导因素。这类连接方法有摩擦焊、爆炸焊、冷压焊和热压焊等，属于压焊连接。另一类是温度高、压力小、时间相对较长的扩散连接方法，一般是在保护气氛或真空中进行。这种连接方法仅产生微量的塑性变形，界面扩散是形成接头的主导因素。属于这一类的连接方法主要是扩散连接，如真空扩散焊、过渡液相扩散焊、热等静压扩散焊、超塑性成形扩散焊等。

很多教材或书籍把扩散连接方法归类到压力焊范畴，但以扩散为主导因素的扩散连接和以塑性变形为主导的压力焊在连接机制、方法和工艺上有很大区别。特别是近年来随着各种新型结构材料（如高技术陶瓷、金属间化合物、复合材料、非晶材料等）的迅猛发展，新的扩散连接工艺不断涌现，如过渡液相扩散焊等。再把扩散连接归类为压力焊已不适宜，把以扩散为主导因素的扩散连接列为一种独立的连接方法逐渐成为人们的共识。

摩擦焊（friction welding）是在外力作用下，利用焊接接触面之间的相对摩擦和塑性流动所产生的热量，使接触面及其附近区域金属达到黏塑性状态并产生宏观塑性变形，通过两侧材料间的动态再结晶而实现焊接。摩擦焊以其高效、节能、无污染（无烟尘、弧光）的技术特点，深受制造业的重视，特别是近年来开发的搅拌摩擦焊技术，利用搅拌头高速旋转，与金属摩擦生热形成热塑性层。一方面，轴肩与被焊板表面摩擦，产生辅助热；另一方面，搅拌头和工件相对运动时，在搅拌头前面不断形成的热塑性金属转移到搅拌头后面，填满后面的空腔，形成连续的焊缝。

搅拌摩擦焊（friction stir welding）是20世纪90年代初由英国焊接研究所开发出的一种先进焊接技术，它可以焊接用熔焊方法较难焊接的铝、镁等轻金属。搅拌摩擦焊具有工艺简单、焊接接头晶粒细小，抗疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好，无需焊丝、无需使用保护气体以及焊后残余应力和变形小等优点。

搅拌摩擦焊已在欧、美等发达国家的航空航天工业中应用，并已成功应用于在低温下工作的铝合金薄壁压力容器的焊接，完成了纵向焊缝的直线对接和环形焊缝沿圆周的对接。该技术已在新型运载工具的新结构设计中采用，在航空航天、交通和车辆制造等工业也得到应用。搅拌摩擦焊的主要应用示例见表1.5。

我国的搅拌摩擦焊技术开发时间不长，但发展很快，在焊接铝、镁及其合金方面受到重视，在航空航天、交通运输工具的生产中有很好的前景，在异种材料的焊接中也初露头角。搅拌摩擦焊工艺将使铝、镁等轻金属的连接发生重大变革。