焊接(以加熱等方式接合金屬的工藝)

焊接(Welding),又稱熔接、鎔接,是一種通過加熱或加壓,或兩者並用,並且用或不用填充材料,使工件達到結合的一種方法 。焊接與其他連接方式不同,即不僅在宏觀上形成了永久性的連接,而且在微觀上也建立了金屬組織之間的內在聯繫。根據母材是否被加熱而熔化或是否被加壓,通常將焊接方法分為熔焊、壓焊及釺焊三類。

焊接技術最早可以追溯到公元3000年前,秦始皇兵馬俑中出土的銅車馬構件上就有釺焊焊縫。工業生產中廣泛應用的焊接技術幾乎都是19世紀末、20世紀初的現代科學技術,特別是治金學、金屬學、力學、電子學等技術的迅速發展所帶來的現代工業的產物,如焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護電弧焊電阻焊、超聲波焊、電子束焊、摩擦焊、等離子弧焊、激光焊、爆炸焊等。

焊接主要是藉助熱能或機械能,使被焊接材料達到原子間結合。滿足焊接條件的熱能有電弧熱、化學熱、電阻熱、高頻感應熱、摩擦熱、等離子焰、電子束、激光束等。焊接已成為一門獨立的學科,它廣泛應用於石油化工、電力、航空航天、海洋工程、核動力工程、微電子技術,橋樑、船舶、潛艇,以及各種金屬結構等工業部門。

發展歷史

古代

公元3000年前,秦始皇兵馬俑中出土的銅車馬構件上就有釺焊焊縫,同時代的古埃及也出現了鍛焊技術,所謂鍛焊就是將金屬加熱后,用鎚子擊打,使被焊金屬連接在一起。敘利亞大馬士革刀可以追溯到中世紀(約476~1453年),就是採用鍛焊方法打造的。

公元前2000多年中國的殷商年代製造的鐵刃銅鉞就是鐵和銅的鑄焊件。所謂鑄焊就是把分鑄的部件用鉛錫合金或銅鑄焊在一起。據明朝宋應星所著《天工開物》記載,中國古代將銅和鐵一起入爐加熱,經鍛打製造刀、斧;用黃泥或篩細的陳舊壁土撒在接口上,分段鍛焊大型船錨。

春秋戰國時期(公元前770~公元前221年)曾侯乙墓中的建鼓銅座是分段釺焊連接而成的,其釺料與現代軟釺料成分相近。

19世紀末至20世紀初

1881年,巴黎首次世界電器展上,俄羅斯人NBenardos在碳極和焊件引弧,填充金屬棒使其熔化,首次展示了電弧焊方法。N.Benardos和另一個俄羅斯人S.Olszewski在1885年獲得了一項英國專利權,在1887年獲得了一項美國專利權。這些專利涉及的是一種早期的電極夾,他們的研究標誌着碳弧焊的開端。

1890年,美國人C.LCoffin 首次使用光焊絲作為電極進行了電弧焊接。1900年,英國人Strohmyer發明了薄皮塗料焊條。1904年瑞典人 0.Kiellberg 建立了世界上第一個焊條廠。當他在使用電弧焊方法修理船上的蒸汽鍋爐時注意到,焊縫上到處是氣孔和小縫,根本不可能防水。為了改善焊縫質量,S.O.Kiellberg 發明了厚葯皮焊條,並於1907年獲得專利。採用厚葯皮焊條進行電弧焊,大大改善了焊接質量,電焊技術得到突破,使焊條電弧焊真正進入了實用階段。

1919年,美國人C.J. Holslag首次將交流電用於焊接,但這一技術直到十年後才得到廣泛應用。1920 年美國的諾布爾利用電弧電壓控制焊條送給速度,製成了自動電弧焊機,成為最初的自動焊,開創了焊接機械化、自動化的先河。

1920年,第一全焊接船體的汽船 Fulagar 號在英國下水,第一艘使用焊接方法製造的油輪 Poughkeepsie Socony 號在美國下水。1927年,由Lindberg單獨駕駛的單翼飛機成功地飛過了大西洋,該飛機機身是由全焊合金鋼管結構組成的。1931年,由焊接工藝製造的全鋼結構的帝國大廈建成。

1933年,第一條使用電弧焊工藝焊接的接頭採用無襯墊結構的長輸管線鋪成。同年,世界上最高的懸索橋舊金山的金門大橋建成通車,它是由 87750t 鋼材焊接拼成的。

20世紀至今

1935年,美國的Linde Air Products公司完善了埋弧焊技術,埋弧焊的焊絲兼有電極和填充金屬的作用,電弧及熔池都處於悍劑形成的熔渣保護下,無明弧。

1940年,第一艘全焊結構船體的Exhequer號在美國建成下水。第二次世界大戰時期,鋁、鎂合金和合金鋼在工業中得到了應用,對焊接提出了新的要求,特別是採用以往的焊接方法焊接鋁、鎂合金遇到了困難,航空業急需找到悍接鋁、鎂合金的方法。為此,美國開展了氣體保護電弧焊的研究。1941年美國人 Meredith 發明了鎢極惰性氣體保護電弧焊 (TIG 焊)採用不熔化的鎢申極與煤件之間引燃電弧進行焊接,採用惰性氣體氨或金作為保護氣體。該種焊接方法適用於鋁、鎂及其合金的焊接。

20世紀60年代,又出現了激光焊等離子、電子束和激光焊接方法,標誌着高能量密度熔焊的新發展,使許多難以用其他方法焊接的材料和結構得以焊接。

1967年,世界上第一條海底管線在墨西哥灣鋪設成功,它是由美國的Krak Pilia公司使用熱螺紋工藝及焊接工藝製造而成,1968年,在芝加哥John Hacock中心的22層以上接製成了世界上最高的銳角形鋼結構其高度達到1107ft (1ft = 0.3048m)。

1983年,穿梭機上直徑為160ft的瓣狀結構的圓形頂部,是採用埋弧焊和氣體保護電弧焊方法焊接而成的,並使用了射線探傷機進行焊接檢驗。1984年蘇聯女宇航員 Svetlana Savitskaya 在太空中使用電子束焊槍進行了空間焊接試驗。

1991年,英國焊接研究所 (TWI) 經過10年的研究,發明了攪摩擦焊,成功地焊接了鋁合金平板,使摩擦焊技術得到了新的發展。攪挫摩擦焊屬於固相焊接技術,採用這種焊接方法焊接金屬材料,不用熔化就能接合併形成高質量焊縫。該焊接工藝不使用耗材,能源消耗少,是20世紀末期最重要的焊接創新之一。

2000年以後,越來越多的高效焊接技術得到了快速發展,例如,原來的埋弧焊、熔化極氣體保護焊基本都是用一個焊絲作為熔化極,而目前雙絲、多絲埋弧焊,雙絲熔化極氣體保護焊已經在生產企業得到廣泛應用。

2018年5月,外科手術縫合技術取得突破性進展,生物焊接技術利用焊接原理,將人體蛋白質細胞作為焊接材料,將所有的參數輸入焊接儀,然後進行分類劃分,將焊接不同組織的電流調節到不同的強度。

2023年11月,中國鋼結構大會暨中國鋼結構協會八屆六次理事會在成都市召開,由山西建投瀟河公司與唐山松下、中鐵山橋共同完成的「智能高效焊接關鍵技術及工程應用」榮獲「2023年度中國鋼結構協會科學技術獎一等獎」,展示了中國在鋼結構建築領域的專業能力與創新實力。

焊接原理

物理本質

固體材料之所以能夠保持固定的形狀,是由於其內部原子之間的距離足夠小,使原子之間能形成牢固的結合力。要將兩塊固體材料連接在一起從物理本質上講,就是要採取措施使這兩塊固體連接表面上的原子接近到足夠小的距離,使其產生足夠的結合力,從而達到永久性連接的目的。

對於實際焊接件,要使連接表面上的原子接近到足夠小的距離是非常困難的。這是因為連接表面的表面質量較差,即使經過精密磨削加工,其表面從微觀上看仍是凹凸不平的;而且連接表面常帶有氧化膜、油污等,阻礙連接表面緊密地接觸。因此,為了實現材料之間可靠的焊接必須採取有效的措施。例如:利用熱源加熱被焊母材的連接處,使之發生熔化,利用熔融金屬之間的相溶及液-固兩相原子的緊密接觸來實現原子間的結合;對被焊母材的連接表面施加壓力,在清除連接面上的氧化物和污物的同時,克服連接界面的不平,或使之產生局部塑性變形,使兩個連接表面的原子相互緊密接觸, 併產生足夠大的結合力。如果在加力的同時加熱,結合過程更容易進行;對填充材料加熱使之熔化,利用液態填充材料對固態母材潤濕,使液-固界面的原子緊密接觸,相互擴散,產生足夠大的結合力從而實現連接。這即是熔焊、壓焊和釺焊能夠實現永久性連接的基本原理。

焊接熱過程

焊接時熱源與被焊材料相互作用傳導到焊件,焊件受熱發生局部熔化,被焊材料之間發生化學冶金重新結晶后連接在一起。焊接熱過程涉及熱傳導、焊件金屬相變以及溫度變化引起應力變化過程等眾多材料物理、化學過程。焊接熱過程特點如下:焊接熱源集中加熱工件局部區域,焊接熱過程具有局域性;大部分情況下焊接熱過程熱源和工件相對運動,受熱區域不斷變化,焊接熱源具有移動性;由於焊接熱源通常高度集中,工件加熱速度快,短時間大量熱能傳導給工件使其局部熔化,且由於局部加熱及移動性,工件冷卻過程快,焊接熱過程具有瞬時性;焊接中液態金屬始終處於強烈運動狀態,熔池內部傳熱以液態金屬對流為主,外部傳熱以固體熱傳導為主,同時存在蒸發及熱輻射,焊接傳熱過程具有複合性。

化學冶金過程

焊接化學冶金過程對焊縫金屬的化學成分、性能,某些焊接缺欠(如氣孔、結晶裂紋等)以及焊接工藝性能都有很大的影響,焊接化學冶金是指在熔焊過程中所發生的氣體- 熔渣- 金屬之間的物理與化學變化、熔化金屬的結晶凝固以及由於焊接熱循環造成的焊接熱影響區內金屬顯微組織和性能的變化等。焊接化學冶金主要涉及各種焊接工藝條件下,化學冶金反應與焊縫金屬成分、性能之間的關係及其變化規律。運用這些規律合理地選擇焊接材料,控制焊縫金屬的成分和性能使之符合工程使用性能要求,設計創造新的焊接材料。

焊接方法

焊接方法指特定的焊接方法,其含義包括該方法涉及的冶金、電、物理、化學及力學原則等內容。焊接常用的方法有電弧焊,氬弧焊,CO2保護焊,氧氣-乙炔焊,激光焊接,電渣壓力焊等多種,主要應用到鐵、鋼等金屬材料上,塑料等非金屬材料亦可進行焊接。金屬材料焊接方法有40種以上,主要分為熔焊、壓焊和釺焊三大類,如熔焊包括焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊、鎢極氣體保護焊、等離子弧焊、電渣焊、鋁熱焊、激光焊、電子束焊等;壓焊包括變形焊、閃光焊、摩擦焊、電阻焊、高頻焊、超聲波焊、擴散焊等;釺焊包括烙鐵釺焊、火焰釺焊、感應釺焊、電弧釺焊、爐中釺焊、電子束釺焊等。

熔焊

熔焊也就是熔化焊,是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。

熔焊的典型特點是採用熱源對焊件連接處進行局部加熱、熔化,熔焊的熱源有很多種,包括化學熱源(鋁熱焊等)、電阻熱源(電渣焊等)、電弧熱源(焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊、鎢極氬弧焊、等離子弧焊、埋弧焊等)、高能束熱源(激光焊、電子束焊等) 等。

壓焊

壓焊舊稱壓力焊,壓力焊是在加壓條件下,使兩工件在固態下實現原子間結合,又稱固態焊接。壓力焊包括電阻焊(對焊、縫焊、點焊)、摩擦焊、超聲波焊、冷壓焊、鍛焊等。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,因而沒有像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,從而簡化了焊接過程,也改善了焊接安全衛生條件。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。

電阻焊中的電阻點焊廣泛用於汽車車體成形製造中,一般採用薄板搭接結構,焊件置於兩個電子中間施加一定壓力,在兩電極間通焊接電流,電阻熱轉為熱能熔化焊件,加壓后是焊縫成形。

釺焊

釺焊是使用比工件熔點低的金屬材料作釺料,將工件和釺料加熱到高於釺料熔點、低於工件熔點的溫度,利用液態釺料潤濕工件,填充接口間隙並與工件實現原子間的相互擴散,從而實現焊接的方法。釺焊包括火焰釺焊、高頻釺焊、爐中釺焊、鹽浴釺焊、真空釺焊等。

釺焊與熔焊相比,釺焊時母材是不熔化的,這就減少了母材熱導率大對焊接質量的影響,防止了未焊透的形成,並能減少產生氣孔和裂紋的傾向,保證焊縫性能。又由於在焊接過程中,母材不熔化,所以母材的組織、結構性質幾乎不發生變化,從而可以保證母材原有的使用性能。

激光束焊接

激光束焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。20世紀70年代主要用於焊接薄壁材料和低速焊接,焊接過程屬熱傳導型,即激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過熱傳導向內部擴散,通過控制激光脈衝的寬度、能量、峰值功率和重複頻率等參數,使工件熔化,形成特定的熔池。

電子束焊接

電子束焊接是指依靠高速電子束的撞擊,使焊接部位熔化並形成焊縫的焊接方法。該方法在焊接兩種不同材料時,由於焊接過程中的熱循環時間短,所以減少了由於熱膨脹係數等性能的差異而產生裂紋的可能性,極大增加了接頭處的力學性能。此外,採用電子束焊接方法的焊接變形小,焊縫深度比大,焊接質量高,且焊接規範有着較寬的調節範圍。

固態焊接

現在的固態焊接技術是指:對焊件的焊接表面清理后,施加靜態或動態壓力,加熱或不加熱,在母材不熔化的情況下使兩材料發生固相結合的焊接法。摩擦焊、擴散焊、冷壓焊、爆炸焊、超聲波焊等均屬此類。這種方法,由於母材不熔化,所以和熔焊相比固態焊接有自己獨特的優點。

主要特點

焊條電弧焊

優點是設備簡單,便於操作,適用於各種位置的焊接,可以焊接各種材料,應用十分廣泛。缺點是生產效率低,勞動強度大,對焊工的技術水平及操作要求較高。

氬弧焊

優點是適於焊接各種鋼材、有色金屬及合金,焊接質量優良,便於實現全位置自動化焊接,熱量集中,熔池較小,焊接速度較快,熱影響區較小,工件焊接變形較小,電弧穩定,飛濺小,成形美觀,適於雙面成形。缺點是氬氣成本較昂貴,氬弧焊的設備和控制系統比較複雜,鎢極氬弧焊的生產效率較低。

氣體保護焊

優點是成本低,效率高,質量好,操作性能好。缺點是控制或操作不當時,容易產生氣孔,焊接設備比較複雜。

葯芯焊絲自保護焊

優點是不需要保護氣體,用於野外現場,效率高。缺點是操作技術要求高。

激光焊接

優點是能量利用率提高,焊接過程穩定性增強,熔深增加,焊接速度提高,焊縫成形改善,降低工件裝配要求,間隙適應性好。可以採用複合熱源,降低激光器的功率要求。缺點是設備成本較高。

焊接質量

焊接缺欠

焊接缺欠是指在焊接接頭中因焊接產生的金屬不連續、不緻密或連接不良的現象, 簡稱『缺欠』。

焊接缺陷

焊接缺陷是指不符合具體焊接產品使用性能要求的焊接缺欠,焊接缺陷標誌判廢或必須返修。焊接缺陷對每一結構,甚至每一結構的每一構件都不相同,通常應根據測試、計算所得的判據才能確定。

焊接缺欠有焊縫氣孔、夾雜、咬邊、夾渣、未焊合、裂紋等,焊接缺欠對結構的承載強度、疲勞強度、脆性斷裂及抗應力腐蝕開裂有重要影響。焊接缺陷是不符合焊接產品使用性能要求的焊接缺欠,判別是否為焊接缺陷的標準是焊接缺欠的容限。

應用

軌道交通

高速動車組和大部分城軌車輛的車體均由鋁合金板材和型材組焊而成,攪拌摩擦焊、激光焊等焊接工藝在軌道交通車輛生產線上大量的使用,如鋁合金車體雙軸肩攪拌摩擦焊,不鏽鋼軌道交通車體激光焊接,鋁合金車體激光-MIG複合焊接,轉向架自動焊接工藝,軌道交通車輛CMT薄板焊接等。

焊接與汽車製造行業密切相關。 電子束焊接主要用於汽車的變速箱中的齒輪、汽 缸、發動機增壓器渦輪、離合器等部件的生產。汽車的一些零部件以及一些基礎框架結構採用的是激光焊接。攪拌摩擦焊接主要應用於汽車的成型附件、車身支架、發動機引擎等方面。

航天、船舶製造

航空和航海領域對材料要求都具有一定的特殊性, 相應的特種焊接逐漸應用於航空和船舶製造領域。 目前高能束流焊接技術、電子束焊及激光焊,焊接在航天領域的應用較為廣泛。如雙光束激光焊接應用于飛機鋁合金機身壁板結構,而在船舶製造領域則主要使用高效焊接,如MIG/MAG(熔化極氣體保護焊)雙絲焊接工藝、高熔敷率大電流MAG焊接工藝、埋弧自動橫向焊工藝、變極性等離弧焊技術、多絲埋弧焊和氣保焊工藝及帶活性焊劑的氣保焊技術,可以更好地保證船舶製造的質量,縮短製造工期,降低成本,提高經濟效益 。

石油管道

閃光對焊、激光焊、電子束焊、徑向摩擦焊、攪拌摩擦焊、瞬時液相擴散焊、活性氣體保護鍛焊等焊接方法在石油管線鋼管環焊施工中廣泛應用。如高壓TIG水下焊接新技術應用到500m深的海洋石油開採裝備焊接中,能夠保證海洋石油開採設備得到更好的安裝與修復。高壓TIG水下焊接新技術主要採用惰性氣體為保護極,焊接人員可以採用填絲的方式對各項開採設備進行相應的焊接。

汽車工程

焊接是汽車製造過程中一項重要的環節。在汽車的焊接中,焊裝質量直接決定着後面工序的質量,汽車焊接不同於其他產品焊接的主要工藝特點有:①對焊接件的尺寸精度要求高,為了保證產品的裝配精度和尺寸穩定性。要求儘可能減少薄板件在焊前的精度偏差和焊后的熱應力與變形;②對焊接接頭的性能要求高,焊接接頭不僅要滿足靜態和動態的力學性能指標,而且還應有很好的抗低周疲勞性能和高周疲勞性能;③對批量焊接生產品質要求高且一致性好;④對焊接生產過程要求高節拍、高效率;⑤對「零缺陷」的質量控制與保證要求自動化焊接過程的監測與信息化管理。

橋樑

在橋樑改造與加固工程中,不管是大型鋼橋的工程改造、不同橋樑橋墩系統加固,還是伸縮裝置位置的維修等,焊接技術均得到了較為廣泛的應用,焊接結構設計與焊接質量的好壞直接關係到工程質量和施工效率。

相關法規

國內法規

焊接相關的國內法規主要有:焊接質量GB6416-1986影響鋼熔化焊接頭質量的技術因素、焊接質量GB6417-1986金屬熔化焊焊縫缺陷分類及說明、焊接質量TJ12.1-1981建築機械焊接質量規定、焊接質量JB/ZQ3679焊接部位的質量、焊接質量JB/ZQ3680焊縫外觀質量、焊接質量CB999-1982船體焊縫表面質量檢驗方法、焊接質量JB3223-1983焊條質量管理規程等。

國際法規

ISO 3834焊接體系認證。該認證是針對焊接這個特殊的工藝過程,要求企業將設計、工藝、生產、質量保證結合起來,共同形成成熟的體系,以保證產品最終的質量需求。

焊接規範

焊接規範是指製造焊件所有關的加工和實踐要求的細則文件,可保證由熟練焊工或操作工操作時質量的再現性,如電弧焊接會造成金屬熔化后的化學有害污染,如焊接粉塵、有害氣體、高頻電磁輻射、光輻射、熱輻射等,在焊接過程中應遵從焊接規範,加強個人防護。

發展趨勢

智能化

焊接自動化技術中融合了多種學科知識,從當前應用現狀來看,未來一段時間焊接自動化技術必然與信息化技術形成更深層次的技術融合,焊接操作智能化程度將不斷地逐漸提高,特別是對於石油化工自動焊接設備,可搭載當下最為先進的數字化智能控制系統,對焊接操作全過程形成可靠的監控與跟蹤。

新穎化

隨着各種新型焊接技術的出現,焊接設備也必然發生更新換代,例如在傳統的鎢極氬弧焊技術的基礎上,技術人員進一步研發了熱絲鎢極氬弧焊,設備也隨之發生了一定的改變,加入了參數調節模塊、焊縫跟蹤模塊、熔深調節模塊等智能化控制模塊,不僅能夠提高焊接效率,還能夠更為精準地控制焊絲與焊槍的運動軌跡、合理調整電參數,保證焊接質量。

人工智能

人工智能技術在各學科前沿領域均得到高度關注,紛紛探索人工智能技術與學科自身的融合與創新,自動化焊接技術也不例外,將人工智能技術引入其中,能夠真正實現技術上的突破。我國所出台的「智能製造中,將機械人技術與高檔數控機床技術列為重點發展對象,自動化焊接機械人將會是未來一階段的主要發展目標,這充分體現了中國對於焊接自動化的重視程度。很多先進國家經過研究已經初步實現了對焊接參數的人工智能優化,通過傳感器監測焊接過程中的光、溫度、電弧等信息,並按照設定調整焊接路徑、擺動參數、送絲速度等指標,最大程度上確保熔深及焊道的穩定性,具有很強的應用價值。