焊接

　　通過加熱或加壓，或兩者並用，使兩工件產生原子間結合的加工工藝和聯接方式。焊接時可以填充或不填充焊接材料。焊接應用廣泛，既可用於金屬，也可用於非金屬。可焊的工件小至微型電子元件，大到數千噸的海洋鑽井平臺。

　　簡史　古代的焊接方法主要是鑄焊、釺焊和鍛焊。中國商朝製造的鐵刃銅鉞，是鐵與銅的鑄焊件，其表面銅與鐵的熔合線蜿蜒曲折，接合良好。春秋戰國時期曾侯乙墓中的建鼓銅座上有許多盤龍，是分段段釬焊連接而成的。經分析，所用釬料含鉛58.48％、錫36.88％、銅0.23％、鋅0.19％，與現代軟釬料成分相近。戰國時期制造的刀劍，刀刃為鋼，刀背為熟鐵，一般是經過加熱鍛焊而成的。據明朝宋應星所著《天工開物》一書記載：中國古代將銅和鐵一起入爐加熱，經鍛打制造刀、斧；用黃泥或篩細的陳久壁土撒在接口上分段煅焊大型船錨。中世紀，在敘利亞大馬士革也曾用鍛焊制造兵器。古代焊接技術長期停留在鑄焊、鍛焊和釬焊的水平上，使用的熱源都是爐火，溫度低、能量不集中，無法用於大截面、長焊縫工件的焊接，隻能用以制作裝飾品、簡單的工具和武器。

　　19世紀初，英國的H.戴維斯發現電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫熱源。1885～1887年，俄國的H.H.別納爾多斯發明碳極電弧焊鉗。1900年出現瞭鋁熱焊。20世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應用。同時還出現瞭薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩定，焊接熔池受到熔渣保護，焊接質量得到提高，使手工電弧焊進入實用階段。電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。在此期間，美國的P.諾佈爾利用電弧電壓控制焊條送給速度，制成自動電弧焊機，是焊接機械化、自動化的開端。1930年美國的羅賓諾夫發明使用焊絲和焊劑的埋弧焊，焊接機械化得到進一步發展。40年代，為適應鋁、鎂合金和合金鋼焊接的需要，鎢極和熔化極惰性氣體保護焊相繼問世。1951年蘇聯巴頓電焊研究所創造電渣焊，成為大厚度工件的高效焊接法。1953年，蘇聯的К.Β.柳巴夫斯基等人發明二氧化碳氣體保護焊，促進瞭氣體保護電弧焊的應用和發展，如出現瞭混合氣體保護焊、藥芯焊絲氣渣聯合保護焊和自保護電弧焊等。1957年美國R.蓋奇發明等離子弧焊。40年代德國和法國發明的電子束焊，也在50年代得到實用和進一步發展。60年代又出現激光焊。等離子、電子束和激光焊接方法的出現，標志著高能量密度熔焊的新發展，大大改善瞭材料的焊接性，使許多難以用其他方法焊接的材料和結構得以焊接。

　　1887年，美國的E.湯普森發明電阻焊並用於薄板的點焊和縫焊。縫焊是壓焊中最早的半機械化焊接方法，隨著縫焊過程的進行，工件被兩滾輪推送前進。20世紀20年代開始用閃光對焊焊接棒材和鏈條。至此電阻焊進入實用階段。1956年，美國的J.B.瓊斯發明超聲波焊；蘇聯的Α.И.丘季科夫發明摩擦焊。1959年，美國斯坦福研究所研究成功爆炸焊。50年代末蘇聯制成真空擴散焊設備。

　　焊接工藝　金屬焊接方法有40種以上，主要分為熔焊、壓焊和釬焊3大類。

　　熔焊　在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態，不加壓力完成焊接的方法（圖1）。熔焊時，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動，冷卻後形成連續焊縫而將兩工件連接成為一體。在熔焊過程中，如果大氣與高溫的熔池直接接觸，大氣中的氧就會氧化金屬和各種合金元素。大氣中的氮、水蒸汽等進入熔池，還會在隨後冷卻過程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，惡化焊縫的質量和性能。為瞭提高質量，人們研究出各種保護方法。例如，氣體保護電弧焊就是用氬、二氧化碳等氣體隔絕大氣，以保護焊接時的電弧和熔池。又如鋼材焊接，在焊條藥皮中加入對氧親和力大的鈦鐵粉進行脫氧，就可以保護焊條中有益元素錳、矽等免於氧化而進入熔池，冷卻後獲得優質焊縫。焊縫兩側的熱影響區是受焊接熱作用而發生組織和性能變化的區域。焊接時因工件材料、焊接材料、焊接電流等不同，焊後在焊縫和熱影響區可能產生過熱、脆化、淬硬或軟化現象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調整焊接條件。焊前對焊件接口處預熱、焊時保溫和焊後熱處理可以改善焊件的焊接質量。另外，焊接是一個局部的迅速加熱和冷卻過程，焊接區由於受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮，冷卻後在焊件中便產生焊接應力和變形。重要產品焊後需要消除焊接應力，矯正焊接變形。機械工程中，以熔焊中的電弧焊應用最廣。

　　壓焊　在加壓條件下使兩工件在固態下實現原子間結合，又稱固態焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊。當電流通過兩工件的連接端時，該處因電阻很大而溫度上升，當加熱至塑性狀態時，在軸向壓力作用下連接成為一體。各種壓焊方法的共同特點是在焊接過程中施加壓力而不加填充材料。多數壓焊方法如擴散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒有熔化過程，因而沒有象熔焊那樣的有益合金元素燒損和有害元素侵入焊縫的問題，從而簡化瞭焊接過程，也改善瞭焊接安全衛生條件。同時由於加熱溫度比熔焊低、加熱時間短，因而熱影響區小。許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用壓焊焊成與母材同等強度的優質接頭。

　　釬焊　使用比工件熔點低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高於釬料熔點、低於工件熔點的溫度，利用液態釬料潤濕工件，填充接口間隙並與工件實現原子間的相互擴散而實現焊接的方法。

　　焊接接頭　

焊接時形成的連接兩個被連接體的接縫稱為焊縫。現代焊接技術已能焊出無內外缺陷的、機械性能等於甚至高於被連接體的焊縫。被焊接體在空間的相互位置稱為焊接接頭。接頭處的強度除受焊縫質量影響外，還與其幾何形狀、尺寸、受力情況和工作條件等有關。接頭的基本形式有對接、搭接、丁字接(正交接)和角接等（圖2）。

　　對接接頭焊縫的橫截面形狀決定於被焊接體在焊接前的厚度和兩接邊的坡口形式。焊接較厚的鋼板時，為瞭焊透而在接邊處開出各種形狀的坡口，以便較容易地送入焊條或焊絲。坡口形式有單面施焊的坡口和兩面施焊的坡口。選擇坡口形式時，除保證焊透外還應考慮施焊方便，填充金屬量少，焊接變形小和坡口加工費用低等因素。厚度不同的兩塊鋼板對接時，為避免截面急劇變化引起嚴重應力集中，常把較厚的板邊逐漸削薄，達到兩接邊處等厚。對接接頭的靜強度和疲勞強度比其他接頭高。在交變、沖擊載荷下或在低溫高壓容器中工作的聯接常優先采用對接接頭的焊接。

　　搭接接頭的焊縫稱為角焊縫。承載時，角焊縫受到的應力很復雜，受外力方向的影響較大。正面角焊縫有嚴重的應力集中，會使接頭的疲勞強度降低。側面角焊縫受力時，沿焊縫長度的切應力呈兩端高、中部低分佈。焊縫越長，不均現象越嚴重。搭接接頭的焊前準備工作簡單，裝配方便，焊接變形和殘餘應力較小，因而在工地安裝接頭和不重要的結構上時常采用。設計時應避免在交變載荷、腐蝕介質、高溫或低溫等條件下工作的結構中采用搭接接頭。

　　采用丁字接頭和角接頭通常是由於結構上的需要。丁字接頭上未焊透的角焊縫工作特點與搭接接頭的角焊縫相似。當焊縫與外力方向垂直時便成為正面角焊縫。這時焊縫表面形狀會引起不同程度的應力集中；焊透的角焊縫受力情況與對接接頭相似。

　　角接頭承載能力低，一般不單獨使用，隻有在焊透時，或在內外均有角焊縫時才有所改善，多用於封閉形結構的拐角處。

　　焊接接頭的強度計算分靜強度和動強度兩類。靜強度計算有一些假定和簡化。疲勞強度計算也采用與靜強度計算相似的公式，隻是許用應力不同，通常在行業設計規范中有規定，可參照選擇。斷裂力學在焊接結構強度計算中的應用，為焊接接頭疲勞壽命計算提供瞭新的方法。隨著海洋工程的發展，對焊接接頭的設計還需要考慮應力腐蝕、腐蝕疲勞和隨機疲勞等問題。

　　特點　焊接產品比鉚接件（見鉚接）、鑄件和鍛件重量輕，對於交通運輸工具來說可以減輕自重，節約能量。焊接的密封性好，適於制造各類容器。發展聯合加工工藝，焊接與鍛造、鑄造相結合，可以制成大型、經濟合理的鑄焊結構和鍛焊結構，經濟效益很高。采用焊接工藝能有效利用材料，焊接結構可以在不同部位采用不同性能的材料，充分發揮各種材料的特長，達到經濟、優質。

　　應用　在石油化工、船舶、建築、航空、航天、海洋工程各部門，焊接是主要的加工和聯接手段。在石油化工方面已能焊成容量為10萬米³的儲罐和壓力為100兆帕的高壓容器。大容量核電站的壓力殼，高13米、內徑5米、重540噸，是用250～500毫米厚的鍛件經焊接制成的。輸油、輸氣管道在能源工程中占有重要位置，有時要穿過凍土地帶或在海底敷設，都采用全焊結構(有時需要水下焊接和水下切割)。在造船方面，船體和內部結構也是全焊的，焊接工時占整個船體建造工時的30～40％。一條萬噸船的焊縫總長達數十公裡。在冶金方面，一個冷軋連軋車間有十幾萬米管道，全部需要用焊接連結起來，壓焊還便於實現機械化，勞動條件較好，如點焊、縫焊廣泛應用於航空、汽車工業和傢用電器工業。堆焊是制造雙金屬的主要手段。焊接在重大設備修復工作中也是必不可少的。焊接已成為現代工業中一種不可缺少而且日益重要的加工工藝方法。

　　展望　在近代的金屬加工中，焊接比鑄造、鍛壓工藝發展較晚，但發展速度很快。焊接結構的重量約占鋼材產量的45％，到2000年估計將達到50％。1980年，世界上用於焊接結構的鋼材約為4億噸。鋁和鋁合金的焊接結構的比重也不斷增加。在未來，一方面要研制新的焊接方法、焊接設備和焊接材料，以進一步提高焊接質量和安全可靠性，如改進現有電弧、等離子弧、電子束、激光等焊接能源；運用電子技術和控制技術，改善電弧的工藝性能，研制可靠輕巧的電弧跟蹤方法。另一方面要提高焊接機械化和自動化水平，如焊機實現程序控制、數字控制；研制從準備工序、焊接到質量監控全部過程自動化的專用焊機；在自動焊接生產線上，推廣、擴大數控的焊接機械手和焊接機器人（見工業機器人），可以提高焊接生產水平，改善焊接衛生安全條件。

參考書目

　薑煥中等主編：《焊接方法及設備》，機械工業出版社，北京，1981。

　American Welding Society，WeldingHandbook，7thed.，Vol.5，AWS，New York，1976～1980.

　J.F.Lancaster，Metallurgy of Welding，3rd ed.，George Allen &Unwin，London，1980.