第二章 材料加工方法与原理
第四节
现代连接技术
连接技术是指将两件金属、或者非金属通过焊接方法连接为一起的技术，狭义的连接技术主要指金属之间的焊接技术，广义的连接技术还包括金属与非金属、非金属与非金属之间的连接技术。
1．焊接连接技术的基本原理和分类
焊接连接技术中要把两个分离的金属、非金属固体构件连接在一起，从物理本质上来讲，就是要使这两个构件被连接面上的原子和分子彼此接近到原子或分子间的结合力的距离，即达到金属晶格距离。由于任何一个连接面上都有表面粗造度的存在，而且连接面上存在着氧化膜和其它污染物，这些都阻碍着连接面上的原子或分子接近到形成原子或分子间结合力的距离。焊接技术的目标就是寻找合适的物理化学途径，将连接表面的原子或者分子用他们之间的结合力结合起来。
按照这些物理化学方法的不同，可以将焊接连接技术分为熔化焊接、压力焊接、钎焊、粘接等方法。
1-1 熔化焊接
熔化焊接是指用外加热源使被连接构件界面附近区域局部加热熔化成液体，然后冷却结晶成一体的方法。熔化焊接的关键技术主要有：
1）要有一个能量和温度密度都足够高的局部加热热源。目前所用的局部热源有：以氧乙炔、丙烷等燃气火焰为热源的气体火焰；以气体导电时产生的电弧为热源的电弧热源；以熔渣导电时产生的电阻热为热源的电渣热源；以高速运动的电子束流为热源的电子热源；以辐射激发光放大原理产生的单色强光子束为热源的激光热源等等，局部加热热源不同所具有的焊接技术都不同。对于熔化焊接来讲，局部热源的能量密度越大，就可以使加热区域越小，熔透能力则越大，焊件熔化所需加热时间越短，焊接速度越快，此外所形成的热影响区也越小，这些对于形成优良的熔化焊接接头质量，提高熔化焊接的生产率都是很重要的。
2）熔化焊接过程一般都需要采取有效的保护措施以隔离空气与焊接高温区，以防止局部熔化的高温金属因与空气中的氧气的接触而造成既定成分的变化以及由此引起的焊接性能的恶化。保护方式一般有真空、气相和渣相保护三种。
3）在熔化焊接过程中一定要考虑连接构件之间的物理化学反应，以确定两者在高温液相区形成互溶液体及随后的冷却过程中能否形成性能恰当的固溶体。
4）在熔化焊接中，局部加热热源在熔化区域周围会有一个特定宽度的热影响区，造成晶粒长大或者晶间脆性析出物等恶化焊接区性能的不良后果，要尽量使热源影响区比较小。
1-2 压力焊接
压力焊接是指用外加压力的作用克服两个构件表面的不平度，挤走表面氧化膜及其它污染物，使两个构件的原子相互接近到晶格距离，从而在固态条件下实现构件的连接。在室温下只有少数塑性较好的金属如铝合金、铜合金才可以实现压力焊接，但是如果在加压的同时伴随以加热，则很多金属都可以实现压力焊接。
压力焊接的加热温度大都低于焊件的熔点，正常的接头区域内一般也不包含熔化结晶过程，有时即使伴随着局部或者微小的熔化，但也是从接头中挤出的，或者被隔绝在固相金属之中，因此压力焊接通常不需要采用保护措施，压力焊接的接头冶金问题也比熔化焊简单一些。
1-3 钎焊
钎焊是指用熔点低于被连接构件材料熔点的熔化金属（钎料）做连接的媒介物在连接界面上流散充填，然后冷却结晶形成结合面的方法。在钎焊过程中，钎料需要加热熔化，而且为了防止熔化的钎料不受空气中氧等气体的污染，需要使用保护气。
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钎焊不仅可用于同种或者异种金属的焊接，还可以广泛用于金属与玻璃、陶瓷等非金属材料的连接。
1-4．粘接
粘接是指用环氧树脂、聚丙烯等高分子化合物做粘接剂涂在连接部位，然后在固化剂或者光、热作用下固化而实现的连接。粘接已经广泛应用于现代航空、电子工业等行业。
2．手工电弧焊接
在了解手工电弧焊接技术之前，先了解焊接电弧，焊接电弧是所有电弧焊接技术的基础。
2-1 焊接电弧的构造及其电特性 2-1-1 电弧的结构
电弧的结构由如图4-1所示的三个部分组成：
1）阴极斑点和阴极区。阴极表面发射电子的高温区域称为阴极斑点，同时它也接受一部分来自弧柱区的正离子的轰击。
阴极区是指阴极外紧靠阴极斑点的导电区域。在这个区域内电子和其它离子不会发生碰撞，因此只发生来自阴极表面的电子流和从弧柱
图4-1 电弧构造及其电压分布 区向阴极运动的离子流。电子流和离子流的相对大小可因电极材料、电流大小而不同。
2）弧柱区。弧柱区的长度约等于电弧的实际长度。在弧柱区域内发生了气体离子的各种电离、复合和亲和过程，总体上电荷平衡。但依靠电子向阳极区和正离子向阴极区的运动使弧柱保持着导电状态，同时辐射弧光。由于正离子质量大，定向运动困难，一般认为弧柱电流中电子流约占99%。
3）阳极区和阳极斑点。紧靠阳极的气体导电区域称为阳极区。阳极上全部接受电子流的高温区域称为阳极斑点。这个区域不再发生碰撞，电流完全是电子流。
2-1-2 电弧中的电压分布
沿着电弧长度方向的电压分布是不均匀的，靠近电极部分的电压降较大，而沿着弧柱长度方向的电压降认为是均匀分布的。总的电弧电压是有以下三部分组成：
UaUAULUK
（4-1）
式中，Ua、UA、UL、UK分别是电弧电压、阴极电压降、弧柱电压降和阳极电压降。 同时，阳极电压降UA在电极材料、电气介质、电流大小等条件确定时基本上也是常数，而弧柱电压降则于气体介质和弧柱长度有关。式（4-1）可以写成：
Uaabla
（4-2）
式中，a=UA+UK；b=UL/La，为弧柱单位长度电压降（V/cm），又称为弧柱电场强度，其大小取决于电极材料种类和气体成分；La是弧长，焊接电弧的弧长一般为几个厘米。
2-1-3 电弧的伏安特性
一定长度的电弧在稳定燃烧时，电弧电压和电弧电流之间的关系称为电弧的静态伏安特性，简称电弧的静特性。如图4-2是实测典型焊接电弧静特性曲线，呈非线性状态，这是由于：
图4-2 电弧静特性曲线
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1）小电流时，阴极温度低热发射能力很低，阴极区正离子流比例提高相当于阴极区堆积正电荷，即提高阴极压降才能靠电场发射维持阴极电子发射，因此，电流越小，电弧电压必须提高。
2）阴极斑点面积、弧柱截面面积及其温度和电离度都会随着电流而变化。小电流时它们都可随着电流增加而增大，达到一定程度后都会饱和。
不同电弧焊接方法因采用的电极材料以及所用的电流范围不同，其电弧往往仅工作在静特性的某一段。手工电弧焊的电弧特性就是工作在平直段的。显然，气体介质的组成、电弧长度、和电极材料都会影响电弧的静态伏安特性。
2-1-4 电弧的温度及其温度分布
不同电极材料的阴极、阳极的温度可以高达2200到4200K。一般阳极温度高于阴极温度，且都低于电极材料沸点，但都足以使大多数处于电弧阴极或阳极的金属达到熔化温度，并可能产生少量金属原子蒸气。
弧柱的温度受电极材料、气体介质、电流大小等因素的影响。常压下当电流在1000A范围内变化时，弧柱温度可在5000~30000K之间。弧柱的温度分布如图4-3所示。
2-2 手工电弧焊接的基本特征
2-2-1 手工电弧焊接的过程及其应用特点
手工电弧焊接是焊工手握夹持着焊条的焊钳进行焊接图4-3 电弧温度分布 的一种电弧焊接方法。在手工焊接过程中，焊条和工件之间产生的电弧将工件局部加热到熔化状态形成熔池，焊条作为一个电极，焊条的端部在电弧的作用下不断被熔化，形成熔滴进入熔池，随着电弧向前移动，熔池尾部液态金属逐步冷却结晶，最终形成焊缝。
手工焊接技术的设备简单，机动灵活，适用面广，但是手工操作劳动强度大，生产率低，焊接精度不高，而且不太适合于活泼金属、难熔金属以及低熔点金属的焊接。
2-2-2 手工电弧焊接的操作要领和参数
手工电弧焊接中的关键技术是引弧和运条技术：
1）引弧：手工电弧焊采用短路敲击或划擦法引燃电弧，其物理本质是依靠短路电流加热短路接触处的金属表面，使金属和焊条形成熔池。当焊条向上（敲击时）或者侧面（划擦法）拉起时，阴极表面因热及电场产生电子发射，并引起两极间气体分子电离而引燃电弧。
2）运条：运条包括沿焊条轴线的送进、沿焊缝移动和横向摆动三个动作。横向摆动可增加焊缝的宽度，保证焊缝两侧的良好熔合并且延缓熔池金属的结晶时间，有利于熔渣的浮起和气体的逸出。
除了手工操作的技术之外，影响手工焊接技术的因素还有正确选择电焊条及其直径、电源种类和极性、焊接电流大小以及焊接层次等。试验测得，电弧电压的经验值大致为：
Ua=20+0.04Ia(V)
I
Ua=44(V)
I≥600A
（4-3）
2-3 手工电弧焊接机-弧焊电源 2-3-1 对弧焊电源的基本要求
1）电源外特性。在稳定状态下，弧焊电源输出的端电压和电流之间的关系称为弧焊电源的静态外特性。当一个电源供电弧焊接时，在稳定状态下，电弧静特性和电源外特性的交点就决定了电弧的工作电压和电流。如图4-4所示的A0点就是稳定的工作点，而A1点不是，这是因为在电弧工作时会受到外界干扰，电流会产生微小的波动。在A1点，当电流产生微
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小变化时，电弧将熄灭或跳到A0点，而在A0点，尽管电弧在电流的波动下会离开A0点，但最后会回到A0点。所以A0点是一个稳定的工作点，焊弧电源应该工作在A0点。
2）电源调节特性。为使一台弧焊电源能适用于各种焊条直径和结构的焊接，电源的外特性应该是可调的。良好的焊弧电源其调节范围是0.25~1.20A额定电流。
3）电源空载电压和短路电流。电源得空载电压越高越有利于引弧和稳弧，但不利于安全和节能。目前实用数值为60~70V。为图4-4 电弧电源便于引弧，应具有较高的短路电流。 系统工作状态图
4）电源动特性。电源的动特性是指电弧负载状态突然发生变化时，例如焊条熔滴进入熔池时经常会出现短路，弧焊电源输出的电压的电流能否迅速做出响应的性能。良好的动特性有利于获得有规则的熔滴过渡，既能稳定电源，又使得飞溅小和焊缝成型良好。
5）负载持续率。手工电弧焊是一种有停息的工作，焊接时，电源处于负荷状态，温度升高；更换焊条时，电源处于空载状态，温度降低，电源的这种负荷状态以负载持续率表示为：
Fst1t100%1100%
（4-4） t1t2T式中，t
1、t
2、T=t1+t2分别是工作时间、休止时间、工作周期。
一般手工焊接电源的负载持续率是30%。不同负载持续率下有不同的允许电流。 2-3-2 手工电弧焊接机的类型
手工弧焊机的类型一般有交流弧焊电机，直流弧焊电机和交直流弧焊电机几种。
1）交流弧焊电机。交流弧焊电机实际上是一台降压变压器，具有较大的可调节的电阻或者串联一个电阻，能获得陡降的外特性，并使交流电弧可连续稳定燃烧。
2）直流弧焊电机。直流弧焊电机主要是硅整流型、可控硅整流型及逆变控制型三种。 硅整流型直流电机依靠交流回路中漏电阻或者磁饱和电阻器获得可调下降外特性，磁饱和电阻器是一种用直流绕组控制其铁芯磁饱和程度的可调电阻器。
可控硅整流是电子控制型弧焊电源，通过控制导通角和电流负反馈获得可调下降外特性，它在电弧工作区呈恒流特性，使电流在弧长略有波动时十分稳定，而一旦短路则有足够大的短路电流，有利于电弧引燃和重燃。
逆变控制电源是通过晶闸管或大功率晶体管、场效应管及绝缘门栅双极晶体管，先把工频交流电整流成高压直流电，变成高频交流电，然后再进行降压和整流。其外特性可通过改变逆变频率或脉冲宽度来调节，下降特性也主要通过电流负反馈来获得。其主要优点是：损耗小，效率高，动态响应快，体积小，重量轻；缺点是：过载能力差，故障率高。
3）交直流两用弧焊电源
用单相交流弧焊变压器和整流器组合而成，常用于多用途焊机。 2-4 电焊条
在手工电弧焊接中要用到电焊条。电焊条是用钢或者其它金属丝表面涂一层适当厚度含有多种矿物质成分组成的药皮后制成的。电焊条有如下一些功能：
2-4-1 焊条芯：焊条芯的主要作用一是作为电弧的一个电极导电；二是在电弧中熔化并形成熔滴过渡到熔池，冷却后成为焊缝熔覆金属。
2-4-2 药皮：药皮的主要作用有：
1）稳弧作用。药皮中所含的低电离电位元素使焊条易于引弧并且在焊接过程中保持电
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弧稳定燃烧；2）保护作用。一方面药皮中含有的有机物在电弧的高温中分解，产生大量的CO、CO
2、H2等气体，防止周围空气中的氧和氮进入焊缝熔池，起到了气相保护作用；另一方面，药皮熔化后形成的熔渣覆盖着金属熔池，隔绝了大气，其次减轻金属液等却速度，改善焊缝的成型和结晶；3）脱氧作用。药皮中含有一些还原剂（如Si、Ti、Mn、Al），在焊接过程中可以降低焊缝金属的含氧量，减少液态金属的氧化，提高了焊缝的力学性能。4）渗合金作用。药皮中含有各种合金及金属粉末作为合金剂来弥补焊接过程中合金元素的损失，使得焊缝合金获得必要的合金成分。5）药皮还可以改善焊接工艺性能。
2-5 手工电弧焊接的质量控制
手工电弧焊接过程中，由于焊缝金属是从熔融态金属冷却凝固结晶成固态金属，在焊缝的形成过程中，由于冷却收缩率的不同，会产生焊接残余变形以及残余应力，以及另外的焊接缺陷。要获得优质的焊接件，就要控制这些焊接缺陷。
2-5-1 焊接残余变形和应力及其控制
焊接残余变形有横向收缩，纵向收缩、弯曲和扭曲几种。同样的，焊接残余应力有横向应力，纵向应力以及厚度方向的应力。
一般通过回火、拉伸等方法来消除焊接残余应力。
1）回火：将焊接件整体或局部加热到较高的温度，保温一定时间，使焊接件在较高的温度下发生蠕变现象，屈服点降低，使残余应力消除。2）拉伸：对焊接件进行加载，使焊缝塑性变形区得到拉伸，来减小由焊接引起的局部压缩塑性变形量和降低内应力。
焊接残余变形的控制有如下的方法：1）合理的结构以及接头设计，尽可能减少焊缝数量，对称布置焊缝；2）合理的焊接工艺设计，适当的用刚性支架及夹具，利用反变形，尽可能对称的选择焊接次序等；3）通过机械作用力或者火焰加热等方法来进行焊接变形的矫正，控制残余变形。
2-5-2 焊接缺陷
焊接缺陷有焊缝形状缺陷、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等缺陷。
3．埋弧自动焊接
3-1 埋弧自动焊的过程 如图4-5所示为埋弧自动焊的过程图。埋弧自动焊有四个主要要素：
1）颗粒状焊剂经漏斗口均匀的堆撒在焊丝前方的待焊接缝区；2）弧焊电源输出两端分别接导电嘴和焊件以产生电弧；
图4-5 埋弧焊接过程和焊缝的形成 3）焊丝由送丝机构经送丝滚轮
（a）焊接过程
（b）纵向剖面
（c）横向剖面 和导电嘴送入焊接电弧区；4）
1-焊剂 2-焊丝 3-电弧 4-熔池金属 5-熔渣 6-焊缝 7-焊件 送丝机构、焊剂漏斗及控制键盘
8-渣壳 9-焊剂漏斗 10-送丝滚轮 11-导电嘴 通常装在一台电动小车上实现焊接电弧相对于工件的移动。
埋弧自动焊的电弧是在颗粒状焊剂下产生的，一旦电弧形成并使焊件、焊丝、焊剂熔化以致部分蒸发，并产生冶金反应，所生成的气体会形成一个气泡，电弧就在这个气泡内继续燃烧，如图4-5（b）、（c）所示。气泡的顶部被一层熔化状焊剂（熔渣）构成的外膜所包围，这层渣膜不仅有效的隔离空气进入电弧和熔池，而且使有碍于操作的弧光不再辐射干扰。 5
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气泡底后部为焊接熔池，随着电弧前移，熔池也前进，其尾部则冷却结晶而形成焊缝。
3-2 埋弧自动焊的优缺点
埋弧自动焊的生产率较高，焊缝质量好，劳动强度低，具有很好的自动化潜力；但是埋弧自动焊只适用于水平焊缝的焊接，不能用来焊接氧化性极强的金属，同时不适用于不规则焊缝的焊接。
3-3 埋弧自动焊的冶金特点
埋弧自动焊的冶金过程，包括液态金属、液态熔渣和气相之间的相互作用，液态熔渣和已凝固金属之间的作用，其主要特点为：
1）空气难以入侵电弧区：埋弧自动焊接是靠电弧热作用下形成的一个熔融状熔渣薄膜保护电弧及熔池区，可阻止空气侵入，保护效果好；2）冶金反应充分：埋弧自动焊时，焊接电流及熔池尺寸较大，熔池金属处于液态时间比手工焊接要高几倍，液态金属与熔渣之间的反应相当充分，使焊缝金属得到必要的渗合金，同时气体、夹渣容易析出；3）焊缝金属化学成分稳定：埋弧自动焊接时，焊接参数、单位时间内所熔化的金属与焊剂之比、焊缝金属的化学成分都比手工电弧焊要稳定得多。
4．熔化极气体保护焊
4-1 熔化极气体保护焊的过程特征及分类
熔化极气体保护焊常缩写为GMAW（Gas Metal Arc Welding），是以专门送给的气体作为保护熔池、焊接区金属的保护气体，电弧作为介质，以连续送进的焊丝作为电弧的一个电极，母材作为另一个电极的一类电弧焊方法的总称。按照所用保护气体的不同，GMAW可分为熔化极惰性气体保护焊MIG（Metal Inert Gas）、熔化极活性气体保护焊MAG（Metal Active Gas）和CO2气体保护焊等。
如图4-6所示为MIG气体保护焊示意图。
与埋弧自动焊接相比，GMAW的最大优点是：1）可以用于各种黑色金属的焊接，其中包括Al、Ti等及其合金，可焊材料要广泛的多；2）可在任何位置（俯焊、立焊、横焊、仰焊及全部位置）实现半自动或者全自动焊接，生产效率高，焊接质量好。它的弱点是明弧操作，弧光干扰严重，保护作用也易受外界干扰。
4-2 保护气体 图4-6 MIG气体保护焊接示意图 在熔化极气体保护焊过程中，保护气从焊枪的喷嘴里1-工件 2-电弧 3-焊丝 4-焊丝盘 连续流出，排挤掉焊接区域的空气，使电极（即焊丝）、5-送丝滚轮 6-导电嘴 7-保护罩 电弧、熔池以及靠近焊缝的高温区与空气隔离，免受其有8-保护气体 9-熔池 10-焊缝金属 害影响，从而达到保护之目的。气体保护作用的效果受气体种类、流动状态、流量以及其它参数如弧长、电流、焊接速度、外界气流、工件接头形式等多种因素影响，要综合考虑着多种因素的影响，才能获得优质的焊缝。
目前用作GMAW保护气体的主要有Ar、He、N
2、CO2以及它们的混合气体。它们一般有以下的选用原则：
1）保护气体应该对焊接区中的电弧与金属起到良好的保护作用；2）保护气体作为电弧的气体介质，应有利于引燃电弧和保持电弧稳定燃烧；3）应有助于提高对焊件的加热效率；4）应促使焊接过程获得良好的熔滴过渡，减小飞溅；5）对焊接过程中的有害冶金反应能进行控制，以减小气孔和裂纹等焊接缺陷；6）保护气体应该容易制取，来源丰富，价格低廉，以降低焊接成本。
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5．非熔化极气体保护焊
5-1 非熔化极气体保护焊的过程特征
非熔化极气体保护焊是以氩气或者氦气等惰性气体作为保护介质，以钨棒为电极与工件之间产生电弧进行焊接的另一类气体保护电弧焊接方法。通常采用氩气作为保护气体，所以又称为钨极氩弧焊，或缩写为TIG（Tungsten Inert Gas Welding）或者GTAW（Gas Tungsten Arc Welding）。
GTAW焊接过程如图4-7所示。保护气、进出冷却水及弧焊电源负极均与焊接控制箱相连，电源的正极接工件，焊接所需的水、电、气由控制箱控制后通过同轴焊接电缆与焊炬相连，保护气由焊炬喷嘴喷出，在焊接区域形成保护气罩，焊炬内夹持着钨棒，电弧在钨棒电极与工件之间引燃，根据不同的工件厚度和坡口形状可以外加或者不加填充丝。焊炬相对于焊接缝的移动和填加焊丝均可手工操作或者机
图4-7 GTAW的焊接过程和设备构成 械自动完成。
5-2 GTAW的主要特点 5-2-1 GTAW的应用优点：
1）GTAW是由纯氩气保护，焊缝保护效果好，焊缝金属纯净。特别适用于焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及其合金，以及难熔的活性金属。
2）GTAW的焊接过程稳定。氩气是单原子惰性气体，稳定性极好，不与金属气化学反应，电弧的热量损失小，电弧一旦引燃，就能够稳定燃烧。另外，钨棒本身不会产生熔滴过渡，弧长干扰因素相对减小，也使电弧和焊接过程十分稳定。
3）焊缝成型好。由于焊接过程稳定，氩气的保护效果好，氧气不会侵入焊缝金属，也体表件不会发生化学活性的反应，因此表面张力较大，熔池金属不易下淌和流失，特别适宜于薄板的焊接。
4）焊接过程易于自动化。GTAW的电弧是明弧，焊接过程参数稳定，易于观察或监测，容易实现自动化控制。
5-2-2 GTAW的应用不足
1）引弧比较困难。GTAW一般采用高频引弧或者高压脉冲引弧方式，通过强电场的电子发射击穿氩气介质使其电离形成电弧，这种引弧方式会给自动化控制系统造成干扰。
2）对工件清理要求较高。GTAW无冶金脱氧或去氢措施，焊前对工件的清理工作要求较高，否则极易引起气孔、裂纹等焊接缺陷。
3）生产率较低。焊接电流受钨棒许用电流的限制不能用得很大，尤其是交流焊时的焊接许用电流更低，一次焊透的工件厚度比较小，焊接图4-8 等离子弧的形式 生产率比较低。 (a)非转移型
(b)转移型
(c)混合型
6．等离子弧焊接 1-钨极 2-水冷喷嘴 3-转移弧
6-1 等离子弧的形成
4-非转移弧 5-工件
6-冷却水 当电弧受到外部拘束条件如水冷喷嘴等的 7
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拘束，使电弧的弧柱面受到限制，此时电弧的温度、能量密度、等离子电离度和它的流速都显着增大。这种用外部拘束条件使弧柱受到压缩的电弧就是通常所称的等离子弧。按照电源供电方式不同，等离子弧可以分为非转移型、转移型两种基本形式，如图4-8所示，前者的电弧在电极和工件之间燃烧，水冷喷嘴不接电源，仅起冷却作用；后者电弧直接在电极和喷嘴之间燃烧，水冷喷嘴既是电弧的电极，又起冷壁拘束作用，而工件不接电源。
焊接和喷镀用的等离子弧可采用纯氩气或者（95%Ar+5H2）、（75%He+25%Ar）、（50%Ar+50%He）、氦气等为等离子气，同时还必须通入保护气体。切割时等离子弧常用空气、（N2+H2）、（Ar+H2）、水蒸气作为等离子气。
6-2 等离子弧焊接的基本控制特征 6-2-1 穿孔型等离子弧焊接
利用等离子弧能量密度和等离子流力量大的特点，可在适当的参数条件下实现熔化穿孔型焊接，这时等离子弧把工件完全熔透并在等离子流力的作用下形成一个穿透工件的小孔，熔化金属被排挤在小孔周围，随着等离子弧在焊缝方向的移动，熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动，于是小孔也就跟着等离子弧向前移动。稳定的小孔焊接过程是不采用衬垫实现单面焊双面一次成型的好方法，如图4-9所示。穿孔型等离子焊接只能在一定厚度的焊接板内进行。 图4-9 穿孔型等离子弧焊接
等离子弧焊接的可控参数有以下几个：喷嘴结构和孔径，离子气流量，焊接电流，焊接速度，喷嘴高度，保护气流量等。
6-2-2 熔入型等离子弧焊接
当等离子弧的离子气流量减小，穿孔效应消失时，等离子弧仍可进行对接、角接焊，这种焊接称为熔入型等离子弧焊接。适用于薄板、多层焊缝的盖面以及角焊缝，可添加或不添加焊丝。优点是焊速较快。
6-2-3 微束等离子弧焊接
当焊接电流在15~30A以下时，熔入型等离子焊接通常称为微束等离子弧焊接。由于喷嘴的拘束作用和非转移弧的同时存在，使得小电流的等离子弧十分稳定，主要用在金属薄箔的焊接。为了保证焊接质量，应该采用精密的装焊夹具保证装配质量和防止焊接变形。
6-2-4 脉冲等离子弧焊接
小孔型、熔入型以及微束等离子弧焊接均可采用脉冲电流方法，来提高焊接过程的稳定性，控制全位置焊接焊缝成型，减小热影响区宽度和焊接变形。脉冲电流频率一般为15HZ以下，脉冲电源结构主要为晶闸管、晶体管和逆变控制式。
6-3 空气等离子切割
等离子弧切割是指利用等离子弧的高温、高速电弧流使切割金属在切口局部熔化并且蒸发，随之吹离熔化基体金属形成切口的切割方法。保护气体主要是空气。主要用于不锈钢、有色金属、铸铁等的切割，最近扩展到碳钢、低合金钢的切割。
等离子弧切割的可控参数主要有：离子气成分与流量；电压和电流；切割速度等。 7．电渣焊
7-1 电渣焊接过程和应用特征
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电渣焊是一种以电流通过熔融状态渣池时所产生的电阻热作热源的熔化焊接方法。如图4-10所示。由待焊工件待焊边缘、侧面成型铜滑块等构成容纳渣池的空间，建立渣池以后从渣池顶部插入金属（实芯或管状焊丝、板极、管极等），并在填充图4-10 电渣焊接过程 金属与焊件之间提供足够大的电流，填充金属和焊件边缘就会被熔渣电阻热熔化并在渣池底部形成熔化金属池，渣池和熔化金属池随填充金属不断熔化而上升，熔化金属池底部冷却结晶，形成焊缝。
与电弧焊接方法相比，电渣焊的主要特点是：
1）焊接过程只宜在垂直或接近垂直位置进行；2）适合于大厚度工件的焊接，一次可焊厚度可高达300mm以上，且不需要开坡口，只要使工件边缘之间保持适当的装配间隙即可。
按照填充金属的特征，电渣焊有丝极、管状焊丝、板极、管极、熔嘴等多种形式。 7-2 电渣焊过程的控制参数
电渣焊过程的控制参数主要有电流和电压、装配间隙、电极数目及摆动参数、渣池深度以及焊接速度和送丝速度等。
8．电子束焊接
8-1 电子束焊接的基本过程
电子束焊接是利用真空电子枪中产生的高能强流电子束轰击焊件接缝，高速电子与焊件发生碰撞时，将其动能转送给焊接使之加热熔化的一种熔化焊接方法。
电子枪的原理结构如图4-11所示，真空中的钨阴极被加热到2250℃左右时会连续发射电子，这些电子在聚束极控制和阳极加速电压作用下从阳极孔中射出，通过设置在阳极后面的电磁透镜后，电子束的聚焦直径可在1mm以下，电子束具有很高的能量密度。
8-2 电子束焊接的应用特点 8-2-1 电子束焊接的应用优点
1）电子束斑直径小，能形成深而窄的焊缝，焊缝的深度比很高，而且一次焊透能力可达100~250mm以上，高于其它
图4-11 电子枪的组成 任何焊接方法。因此电子束既可以用于厚板的深熔焊，也可以高速焊接0.05mm后的薄件。
2）电子束功率密度极高，热量集中，热效率高，热影响区小，又在真空中进行焊接，特别适合于难熔金属、活性或高纯度金属、热敏感性强的金属焊接。
3）焊速高，焊接变形小，适用于航空发动机、核堆堆芯控制框架等精密构件的焊接。 8-2-2 电子束焊接的应用弱点
1）电子束焊枪结构复杂，设备投资和运营成本要高；2）焊接一般要在高真空中进行，真空室尺寸限制了焊件的大小；3）由于电子束斑比较小，要求接头间隙加工，装配十分严格，从而使焊缝对准十分困难；4）易激发X射线，应该注意防护。
以上弱点限制了电子束焊接的广泛应用，目前主要应用于钨、钼、钽等难熔金属和锆、钛等活性金属的焊接，另外还主要用于航天工业中的精密焊接。
第二章 材料加工方法与原理
9．激光焊接
激光是利用辐射激发光放大原理而产生的一种单频率、定向性好、干涉性优、能量密度高的光束。激光束经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于0.01mm、功率密度高达1013W/m2的能量束，可用作焊接、切割、钻孔及材料表面处理的热源。
激光焊接的基本特点为：
1）激光可以通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦，适合于微型零部件以及其它焊接方法可达性很差的部位的焊接；2）激光在大气中损耗不大，可通过玻璃等透明体，适用于在玻璃制成的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料；3）激光不受电磁场的影响，不存在X射线防护，无需真空保护，可采用电弧焊一样的惰性气体保护，可用于大型结构的焊接；4）激光能量密度很高，可实现高速焊接，热输入低，热影响区和焊接变形都比较小，焊后无需热处理，适合于对热输入敏感材料、镀层材料等的焊接。
从整体上看，激光焊接的引用范围还比较有限，限制它扩大应用范围的主要障碍是：1）激光器的价格很高；2）激光器的电光转换以及整体效率比较低；3）对焊件接口加工、组装、定位要求均很高。
10．气焊
气焊是利用乙炔等可燃气体与高纯度氧气混合后发生快速反应所释放的热量作为热源，使母材熔化（添加焊丝或者不添加焊丝）进行焊接的一种熔化焊接方法。
10-1 焊炬 图4-12 焊炬结构示意图 焊炬是来控制气体混合比、气体流量以(a)射吸式1-焊嘴 2-混合气管 3-射吸管 4-喷嘴 及火焰长短的焊接工具，按照乙炔和氧气的混5-氧气阀 6-氧气导管 7-乙炔导管 8-乙炔阀 合方式的不同，焊炬可分为射吸式和等压式两(b)等压式1-焊嘴 2-混合气管 3-乙炔导管 类，如图4-12所示。 4-乙炔阀 5-氧气阀 6-氧气导管
射吸式是依靠喷射氧气流的射吸作用，来调节氧气和乙炔的流量，保证气体能均匀的按照一定比例混合，并且以相当高的流速喷出，使火焰稳定燃烧。既能适用低压乙炔又能使用中压乙炔，是目前应用最广泛的一种焊炬。其主要缺点是由于混合气体中乙炔的含量逐渐下降，使混合气体成分不稳定而影响温度，所以应该随时注意调整。
等压式是以相等或相近压力的氧气和乙炔气由各自的信道进入混合室，按一定的比例混合，再以一定的流速经混合气体信道从焊嘴喷出，产生稳定的焊接火焰。其构造简单，混合气体的流速高，不易发生回火现象。
10-2 焊接火焰
10-2-1 焊接火焰的种类
火焰的种类如图4-13所示。
1）中性焰。氧气与乙炔的混合比为1~1.2时火焰呈中性焰。此时乙炔充分燃烧，它由焰芯、内焰和外焰组成。火
图4-13 氧-乙炔火焰分类 焰最高温度可达3200℃，在内焰区域主要以一氧化碳和氢
(a)中性焰(b)碳化焰(c)氧化焰 气为主，能对熔池起到保护作用，适用于碳钢和有色金属的焊接。
2）碳化焰。氧气与乙炔混合比小于1，有过剩乙炔，并有较多的游离碳和氢。它也是
第二章 材料加工方法与原理
由焰芯、内焰和外焰组成。火焰最高温度可达2700℃。采用此类火焰焊接，使被焊接件有增碳作用。适用于高碳钢、铸铁以及高速钢的焊接。
3）氧化焰。氧气与乙炔混合比大于1.2，火焰中有过剩的氧。它由短而尖的焰芯和较短的外焰组成，火焰氧化性很强。其最高温度可达3300℃。适合于黄铜和青铜的钎焊。
10-2-2 火焰的调节
刚点燃的火焰为碳化焰；若逐渐增加氧气，直到内焰与外焰没有明显的界限即为中性焰；如果再增加氧气或者减少乙炔，得到氧化焰。
10-3 气焊的应用
与电弧相比，气焊火焰温度较低，加热和冷却速度较慢，加热区域宽，焊接变形大，已经很少应用。主要应用在无电源场合以及电弧焊难以焊接的薄壁件。
11．电阻焊
电阻焊是利用电流通过工件接触面间的电阻产生热量，同时对焊接处加压进行焊接的方法。电阻焊按照焊件接头形式的不同，可分为点焊、凸焊、缝焊和对焊四大类，其中对焊根据过程不同可分为电阻对焊和闪光对焊两类，图4-14表示了它们的简要过程。
图4-14 各种电阻焊方法的简要特征
(a)点焊 (b)凸焊 (c)缝焊 (d)电阻对焊 (e)闪光对焊 1-电极 2-工件 3-阻焊变压器
点焊（图4-14（a））是将工件搭接在一起后放在电极间，在焊接电流和压力下产生点状焊接的焊接过程，点焊的特点是工作电流很大。凸焊（图4-14（b））是利用结合面已经形成的一个或者几个突出部位，使焊缝电流和压力局限于通过这些突出部位，并将其压溃成焊点或者焊道的焊接过程。缝焊（图4-14（c））是将工件置于滚轮电极间或者滚轮电极与条状电极之间，连续滚压或连续的施加电流，形成线状焊缝的焊接过程。电阻对焊（图4-14（d））是将两焊件装配成对接接头，并使其两端面紧密接触，在连续加压和通电下使焊接区达到塑性状态，然后在顶锻力的作用下完成焊接的过程。闪光对焊（图4-14（e））是将焊件装配成对接接头，先接通电源，使两焊件端面逐渐移近达到局部接触，接触点加热熔化产生金属喷射，这一过程反复进行形成连续闪光，直至端面达到一定温度时迅速施加锻力完成焊 11
第二章 材料加工方法与原理
接的过程。
电阻焊实际上是在焊接电流和压力的共同作用下，利用工件本身电阻热及适量的塑性变形，在其结合面产生共同晶粒，从而形成焊点、焊缝和对接接头的压力焊方法。其中点焊、缝焊接头中包含有熔化金属，但对焊接头中一般不包含熔化金属。
12．摩擦焊
摩擦焊是利用工件接触端面相对旋转运动中互相摩擦所产生的热使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻而实现的一种固相压焊过程。按照旋转运动特征，摩擦焊可分为连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊两种基本方法。如图4-15所示。
图4-15 摩擦焊接过程 (a)连续驱动摩擦焊接 (b)惯性摩擦焊接
连续驱动焊接过程是主轴电动机驱动的焊件的一端在整个摩擦过程中始终是处于驱动状态的，如图4-15（a）所示，其焊接过程经历四个阶段：1）焊件一端被夹紧后由主轴电动机驱动达到一定转速；2）焊件另一端靠近旋转端，并在压力作用下发生摩擦，此阶段时间内，工作端面被加热到足够高的温度（600~700℃），摩擦扭矩也将达到最大值；3）当工件端面升高到600~700℃时，在压力作用下的焊件将因塑性变形而发生轴向缩短，同时端面四周因受热的部分金属被挤出形成飞边，随着摩擦继续进行，温度继续升高；4）然后在一段时间内，使主轴停止转动，同时加大顶锻压力，并在主动轴停止转动后继续保持一段加压时间，结合面就会形成焊缝，焊接过程也就完成。
惯性摩擦焊的焊件旋转主轴带有一个具有一定转动惯量的飞轮。它的特点是先将飞轮连同焊件一侧加速到预定的转速，然后使飞轮脱开驱动电机进行摩擦、顶锻焊接，如图4-15（b）所示。这种惯性摩擦焊可降低主轴电极功率，节省电能，适合于焊接大断面工件及异中合金。
13．超声波焊接 图4-16 超声波焊接系统及过程 超声波焊接是利用10KHz以上超声波的1-超声波发生器 2-换能器 3-聚能器 4-耦合杆 机械振动能量实现的一种固相压力焊接方法。5-上声极 6-下声极 7-振幅分布 V-振动反向 其典型系统及过程如图4-16所示。在压力作F-静压力 用下由超声波发生器经换能器、聚能器、耦合杆、声极传输到焊件结合界面的超声频机械振动使界面两侧表面发生微位移相对滑动摩擦，
第二章 材料加工方法与原理
这种微摩擦既有助于表面膜破碎而实现界面两侧金属间的接触，又因为摩擦发热的温度升高以及随之发生的微变形而清除了界面上的微观不平度、扩大有效接触面、加速两侧金属原子通过界面进行扩散以及结晶，从而实现固相焊接。金相分析表明，其焊接区具有适度冷作变形后的细晶粒组织特征，但没有熔化现象，而只是扩散、相变、再结晶等固相冶金过程的结果。
按照焊点以及声极形状和声波传输特征，超声波焊可分为超声波点焊、超声波线焊、超声波环焊和超声波缝焊等几种类型。
14 钎焊
钎焊是指在焊接工件之间填充钎料，由于钎料的熔点要比母材合金的熔点低，钎焊过程中母材和钎料被加热至钎料熔化温度（钎焊温度）上，利用液态钎料对母材的润湿和毛细填缝作用，填满接头间隙，并与母材金属发生相互作用，然后冷却结晶而形成牢固的连接。
钎焊具有这样一些特点：1）钎焊加热温度低，母材金属的组织性能变化不大；2）钎焊接头可以实现精密装配，焊后变形小，易于保证结构尺寸；3）形状特殊或者结构复杂的焊件均可采用钎焊进行焊接；4）壁厚不等、粗细差异很大的零件也能进行钎焊；5）钎焊可以实现异种金属和合金、非金属之间以及金属和非金属之间的连接；4）钎焊生产高，易于实现自动化。
备注
1．本节主要介绍了目前连接技术中的一些基本技术以及其中的一些相应原理； 2．本节所用参考书为：
1）焊接与连接工程学导论，何德孚主编，上海交通大学； 2）焊接工艺基础，上海科学技术出版社；
交图借书号：TG44/2 3）精密焊接，曾乐著，上海科学技术出版社，1996；
交图借书号：TG44/23 3．由于本节只是广泛的介绍连接技术，对于连接技术的控制与监测将在后面的材料加工控制章节中详细叙述；
4．对于要了解各个连接技术的详细过程以及控制参数等内容，请参阅相应参考书。
