固態(tài)焊接技術(shù)要點(diǎn)

1、【中文摘要】焊接技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的焊接技術(shù)發(fā)展并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域， 焊接技術(shù)的 發(fā)展和應(yīng)用直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能， 隨著焊接技術(shù)的日趨成熟，在此基礎(chǔ) 上一些新的焊接技術(shù)也誕生，比如本文所要談的固態(tài)焊接技術(shù)。本文主要介紹現(xiàn)階段固態(tài)焊接技術(shù)的現(xiàn)狀,以及在材料科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生的固態(tài)焊接技術(shù)在一些科技領(lǐng)域的具體應(yīng)用,并通過(guò)對(duì)各種固態(tài)焊接方法的原理進(jìn)行分析揭示其各自的優(yōu)越性及其應(yīng)用工況,最后對(duì)固態(tài)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望【關(guān)鍵詞】固態(tài)焊接技術(shù) 工藝 材料 發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)用目錄一、焊接技術(shù)的發(fā)展歷史1二、固態(tài)焊接技術(shù)4（一）材料

2、科學(xué)的發(fā)展 4（二）固態(tài)焊接技術(shù)的概念5（三）固態(tài)焊接技術(shù)的形式6三、固態(tài)焊接技術(shù)的原理及特點(diǎn) 6（一）電阻焊6（二）超聲波焊8（三）摩擦焊8（四）擴(kuò)散焊9（五）電磁焊10四、固態(tài)焊接技術(shù)的應(yīng)用 11（一）慣性摩擦焊的應(yīng)用 11（二）線性摩擦焊的應(yīng)用12（三）擴(kuò)散焊的應(yīng)用13五、固態(tài)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 14六、參考文獻(xiàn)16七、致謝18一、焊接技術(shù)發(fā)展史19世紀(jì)80年代，焊接只用于鐵匠鍛造上。工業(yè)化的發(fā)展和兩次世界大戰(zhàn)的爆 發(fā)對(duì)現(xiàn)代焊接的快速發(fā)展產(chǎn)生了影響。 基本焊接方法一電阻焊、氣焊和電弧焊都 是在一戰(zhàn)前發(fā)明的。但20世紀(jì)早期，氣體焊接切割在制造和修理工作中占主導(dǎo)地 位。過(guò)些年后，電焊得到了同

3、樣的認(rèn)可。（一）電阻焊首例電阻焊要追溯到1856年o James Joule （ Joule加熱原理發(fā)明者）成功 用電阻加熱法對(duì)一捆銅絲進(jìn)行了熔化焊接。第1臺(tái)電阻焊機(jī)用于對(duì)接焊。1886年,英國(guó)的Elihu Thomson造出了第1個(gè)焊接變壓器并在來(lái)年為此項(xiàng)工藝申請(qǐng)了專利。 該變壓器在2V空載電壓時(shí)能產(chǎn)生200A電流輸出。此后，Thomson又發(fā)明了點(diǎn)焊 機(jī)、縫焊機(jī)、凸焊機(jī)以及閃光對(duì)焊機(jī)，后來(lái)點(diǎn)焊成為電阻焊最常用的方法，如今 已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)和對(duì)其它許多金屬片的焊接上。1964年，Unimation生產(chǎn)的首批用于電阻點(diǎn)焊的機(jī)器人在通用汽車公司使用。（二）氣焊19世紀(jì)末，一種氧乙炔火焰的氣焊

4、在法國(guó)出現(xiàn)了。大約在1900年,Edmu ndFouche和Charles Picard 造出了第一支焊炬。實(shí)驗(yàn)證明焊炬發(fā)出的火焰炙熱， 大約在3100. C以上。后來(lái)焊炬成為了焊接切割鋼時(shí)的重要工具。早在英國(guó)的EdmundDavy發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳化物在水中分解時(shí)能產(chǎn)生一種可燃性氣體 之前就發(fā)現(xiàn)了乙炔氣體。當(dāng)乙炔燃燒時(shí)，其亮無(wú)比，這一點(diǎn)成為它的主要用途。 然而，在傳輸使用乙炔時(shí)經(jīng)常發(fā)生爆炸。 人們發(fā)現(xiàn)丙酮能溶解大量乙炔，尤其是 壓力增加時(shí)。1896年, Le Chatelier發(fā)明了一種安全的方法儲(chǔ)存乙炔。那就是在圓瓶?jī)?nèi)使用丙酮和多孔石來(lái)儲(chǔ)存乙炔。 其他許多國(guó)家利用這項(xiàng)法國(guó)發(fā)明儲(chǔ)存乙 炔。但時(shí)有報(bào)道在

5、傳輸過(guò)程中發(fā)生爆炸。瑞典人 Gustaf Dahlen改變了滲透物的 成分，成功做到了讓乙炔100液全。（三）電弧焊1810年，Humphrey Davy在電路的兩極造了一個(gè)穩(wěn)定的電弧-電弧焊的基 礎(chǔ)。在1881年的巴黎“首屆世界電器展”上，俄羅斯人 Nikolai Ben ardos 展示 了一種電弧焊的方法。他在碳極和工件間打出一個(gè)弧。填充金屬棒或填充金屬絲 可以送進(jìn)這個(gè)電弧并熔化。那時(shí)他是法國(guó)Cabot實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，和他的朋友Stanislav Olszewski 一道于1885年至1887年間在幾個(gè)國(guó)家得到了專利權(quán)。該專 利展示了早期電極夾，參見圖2。到19世紀(jì)末和20世紀(jì)上半葉，碳弧

6、焊越來(lái)越流 行。Benardos, Nicolai Slavianoff的同胞進(jìn)一步完善了這一焊接法。1890年,他用金屬棒代替碳棒作為電極并獲得專利。電極熔化，從而充當(dāng)熱源和填充金屬。但是，焊縫不能隔絕空氣，質(zhì)量問題也接踵而來(lái)。瑞典人Oscar Kjellberg在使用該方法修理船上的蒸汽鍋爐時(shí)注意到焊接金屬上到處都是氣孔和小縫，這樣的話根本不可能讓焊縫防水。為了改善這種方法，他發(fā)明了涂層焊條，于1907 年6月29日獲得專利（瑞典專利號(hào)27152）。質(zhì)量改善后，電焊技術(shù)得到突破，現(xiàn) 在也能應(yīng)用于工業(yè)。這家電焊公司（ESAB瑞典語(yǔ)首字母縮略）作為一家輪船修 理公司于1904年9月 12日成立

7、。此后，在20世紀(jì)30年代，又發(fā)明了不少新焊接法。 直到那時(shí)，所有的金屬電弧焊都是通過(guò)手工焊的方法完成的。人們不斷嘗試用連續(xù)絲讓該工藝自動(dòng)化。最成功的發(fā)明是埋弧焊，在這種焊接方法中，電弧埋在一 層粒狀熔劑里。氣體保護(hù)電弧焊早在1890年就由C. L. Cofin獲得了專利。但在二戰(zhàn)期間， 航空業(yè)需要找到焊接鎂和焊接鋁的方法。1940年,在美國(guó)，用隋性氣體保護(hù)電弧 的實(shí)驗(yàn)開展得如火如荼。通過(guò)使用鎢電極，不用熔化電極也可以打出電弧。 這樣 的話，不管有沒有填充金屬都可以進(jìn)行焊接。這種方法現(xiàn)在稱為TIG焊接（鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊）。過(guò)些年以后，用連續(xù)放入金屬絲作為電極的MIG焊接工藝（熔化極惰性氣

8、體保護(hù)電弧焊）出現(xiàn)了。起初，保護(hù)氣體為隋性氣體氦或氬。因?yàn)镃O更容易找到（活性氣體保護(hù)電弧焊MAG丄yubavskii和Novoshilov成功使用了它。他們使用“浸沾轉(zhuǎn)移”法減少了由產(chǎn)生激烈的飛濺引起的一些問 題。到那時(shí)為止，我們今天使用的大多數(shù)焊接工藝都已發(fā)明。接下來(lái)又出現(xiàn)了其他一些焊接法，諸如激光束焊和攪拌摩擦焊，兩者都是由英國(guó)焊接學(xué)會(huì)發(fā)明的。（四）焊接電源19世紀(jì)末以前沒有出現(xiàn)電焊的理由之一就是缺乏合適的電源。 18世紀(jì)末期， 意大利人Volta 和Galvani成功發(fā)現(xiàn)了電流。1831年,Michael Faraday創(chuàng)立了 變壓器和電機(jī)原理，這是對(duì)電源的重要發(fā)展。首批焊接實(shí)驗(yàn)的開展

9、是通過(guò)不同類型的方法來(lái)解決焊接電源的。1801年,HumphreyDavy先生在首批電弧實(shí)驗(yàn)中使用電池作為電源。Benardos在碳弧焊實(shí)驗(yàn)中使用一臺(tái)22馬力的蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，用150個(gè)電池來(lái)發(fā)電。單是電池的 總重量就達(dá)到2400kg。1905年，德國(guó)AEG公司生產(chǎn)了焊接發(fā)電機(jī)。它由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其特 性適合焊接，重1000kg,電流250A直流電直到20世紀(jì)20年代才適合用于電弧焊。 焊接變壓器很快變得受歡迎，因?yàn)樗膬r(jià)格較便宜，消耗能源相對(duì)較少。20世紀(jì)50年代末，固體焊接整流器問世。最初使用的是硒整流器，接著很快 出現(xiàn)了硅整流器。此后，硅可控整流器的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了電子控制焊接電流。

10、這些整 流器現(xiàn)在都普遍使用，尤其是用于大型焊接電源。焊接逆變器的出現(xiàn)是在電源上 最引人注目的發(fā)展。伊薩首個(gè)逆變器模型造于1970年。但是逆變器在1977年以前 沒有普遍用于工業(yè)。1984年，伊薩推出140A “Caddy'牌逆變器，重量只有8kg。（五）先進(jìn)的焊接工藝等離子焊接出現(xiàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)證明它是更集中、更炙熱的能源，利用它可以提高 焊接速度，減少線能量。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的激光電子束焊接也與之有相似的好 處。質(zhì)量提高，容差減小，超過(guò)了以前可能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)新材料和不同金屬組 合都能進(jìn)行焊接。電子束狹窄，要求必需使用機(jī)械化設(shè)備。從1964年起，機(jī)器人就已經(jīng)用于電阻焊。大約10年后出現(xiàn)

11、電弧焊機(jī)器人。電 動(dòng)機(jī)器人可以設(shè)計(jì)得非常精確，達(dá)到熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊焊接的要求。最 初，機(jī)器人內(nèi)輸入的焊接數(shù)據(jù)和手工焊使用的焊接數(shù)據(jù)是相同的。人們進(jìn)行了許多嘗試來(lái)提高熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊工藝的生產(chǎn)力。加拿大人John Church使用了快速送絲速度和由4種成分組成的保護(hù)氣體來(lái)做此嘗試。工藝相似，仍然 使用同樣的焊接設(shè)備，但卻有可能讓焊接速度提高一倍。 在同一熔池內(nèi)使用兩根 焊絲的焊接法一一雙絲焊或雙芯焊，實(shí)驗(yàn)證明更富有成效。最新高效焊接法是混 合焊這種方法結(jié)合了兩種不同的工藝。 激光熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊混合 焊是最有發(fā)展前景的。這種焊接速度極快，熔深大。機(jī)械化焊接打開了投入到新應(yīng)

12、用中去的大門。 窄間隙焊既節(jié)省時(shí)間，又節(jié)省 耗材，減少了熱影響區(qū)焊接的變形。起初使用的是熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊工 藝，后來(lái)也使用埋弧焊和鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊。1980年前后，伊薩把重型埋 弧焊、窄間隙焊設(shè)備運(yùn)往了前蘇聯(lián)Volgadonsk。1992年，TWI獲得攪拌摩擦焊專 利權(quán)。這種焊接法對(duì)鋁很適用。鋁不用熔化就能接合并形成高質(zhì)量接合點(diǎn)。 該工 藝不使用耗材，能源消耗少，它的另一個(gè)好處就是對(duì)環(huán)境影響小。 此工藝非常簡(jiǎn) 單有效，是20世紀(jì)最重要的焊接創(chuàng)新之一。二、固態(tài)焊接技術(shù)(一) 發(fā)展背景材料科學(xué)(materials scienee)是研究材料的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和 使用效能，以及

13、它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是多學(xué)科交叉與結(jié)合的結(jié)晶， 是一門與工程技術(shù)密不可分的應(yīng)用科學(xué)。人類社會(huì)的發(fā)展歷程，是以材料為主要標(biāo)志的。100萬(wàn)年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時(shí)代。1萬(wàn)年以前，人類對(duì)石器進(jìn)行加工，使之成為器皿 和精致的工具，從而進(jìn)入新石器時(shí)代。新石器時(shí)代后期，出現(xiàn)了利用粘土燒制的 陶器。人類在尋找石器過(guò)程中認(rèn)識(shí)了礦石， 并在燒陶生產(chǎn)中發(fā)展了冶銅術(shù)，開創(chuàng) 了冶金技術(shù)。公元前5000年，人類進(jìn)入青銅器時(shí)代。公元前1200年，人類開始使 用鑄鐵，從而進(jìn)入了鐵器時(shí)代。隨著技術(shù)的進(jìn)步，又發(fā)展了鋼的制造技術(shù)。18世紀(jì)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)中葉

14、，現(xiàn)代平爐和轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的出現(xiàn)，使人類真正進(jìn)入了鋼鐵時(shí)代。與此同時(shí)，銅、鉛、 鋅也大量得到應(yīng)用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世并得到應(yīng)用。直到20世紀(jì)中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導(dǎo)地位。20世紀(jì)中葉以后，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展， 作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料又出現(xiàn)了劃時(shí)代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應(yīng)用。先后出現(xiàn)尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等 塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。 僅半個(gè)世紀(jì)時(shí)間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅(qū)，并在年產(chǎn) 量的體積上已超過(guò)了鋼，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防尖端科學(xué)和高科技領(lǐng)域不可缺少的 材料。其次是陶

15、瓷材料的發(fā)展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料制造而 成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制備工藝的發(fā)展， 使陶瓷材料產(chǎn)生了一 個(gè)飛躍，出現(xiàn)了從傳統(tǒng)陶瓷向先進(jìn)陶瓷的轉(zhuǎn)變，許多新型功能陶瓷形成了產(chǎn)業(yè)， 滿足了電力、電子技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展和需要。結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，推動(dòng)了功能材料的進(jìn)步。20世紀(jì)初，開始對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn) 行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導(dǎo)體等，使電子 技術(shù)領(lǐng)域由電子管發(fā)展到晶體管、 集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。半導(dǎo) 體材料的應(yīng)用和發(fā)展，使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代。現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了金屬、非金屬無(wú)機(jī)材料和高分子材料之間 的密切聯(lián)系，從而出

16、現(xiàn)了一個(gè)新的材料領(lǐng)域復(fù)合材料。復(fù)合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強(qiáng)體，可獲得比單一材料更優(yōu)越的性能。 復(fù)合材 料作為高性能的結(jié)構(gòu)材料和功能材料， 不僅用于航空航天領(lǐng)域，而且在現(xiàn)代民用 工業(yè)、能源技術(shù)和信息技術(shù)方面不斷擴(kuò)大應(yīng)用。（二）固態(tài)焊接技術(shù)的概念固態(tài)焊接，顧名思義、簡(jiǎn)而言之即：非熔化焊接、非機(jī)械連接、非膠接連接。隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，新型金屬材料、陶瓷材料、 復(fù)合材料、有序金屬間化合物和功能材料等需求的日益增長(zhǎng)， 在其構(gòu)件的制造過(guò) 程中，不可避免地存在著結(jié)構(gòu)分離面和工藝分離面， 故當(dāng)它們作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用 時(shí)，會(huì)遇到大量同質(zhì)材料、異質(zhì)材料乃至多層材料的連接問題

17、。由于新材料所具有的優(yōu)異特性或功能，以及在極限工作條件下對(duì)焊接接頭的 成份、組織、性能和可靠性壽命等提出的極為苛刻的要求，已經(jīng)很難、甚至不可 能采用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)作為它們的連接工藝。這樣，就使得更多的人對(duì)固態(tài)焊接 技術(shù)的產(chǎn)品，有了廣泛的需求。固態(tài)焊接技術(shù)（包括摩擦焊接、擴(kuò)散焊接、爆炸 焊接、超聲波焊接、熱壓焊接等）最重要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是在被焊接材料不熔化的條 件下，通過(guò)加熱、加壓和塑性流變使接觸界面高度激活、相互擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 而形成連接，其接合區(qū)為鍛造組織。因此，固態(tài)焊接這種特有的熱力耦合作用過(guò) 程對(duì)被焊接材料原有的組織結(jié)構(gòu)、理化性能所造成的焊接損傷和破壞性影響最 小，連接接頭的可靠性壽命最高

18、，這些都是其它傳統(tǒng)的熔化焊接、 機(jī)械連接和膠 接工藝所不能比擬的。通過(guò)與材料技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、過(guò)程仿真技術(shù)、 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的相互滲透融合，在先進(jìn)材料、機(jī)電一體化及先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中， 當(dāng)前，固態(tài)焊接這一在國(guó)際、國(guó)內(nèi)有著 40余年歷史，歷經(jīng)不斷發(fā)展、不斷成熟、 日臻完美的傳統(tǒng)技術(shù)正在以全新的面貌展示在人們面前。（三）固態(tài)焊接技術(shù)的形式固態(tài)焊接方法指兩塊被焊材料在固態(tài)下（無(wú)熔池）通過(guò)接觸面上的擴(kuò)散和再 結(jié)晶過(guò)程達(dá)到牢固結(jié)合的一種方法。焊接特點(diǎn)：固態(tài)焊接方法不發(fā)生原子熔化再形核，這樣就可以避免一些相變 的發(fā)生，減少焊接界面處一些化合物的形成， 從而最大程度上增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)

19、 度。常見的固態(tài)焊接方法：電阻焊、超聲波焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊、電磁焊等。三、固態(tài)焊接技術(shù)的原理及特點(diǎn)（一）電阻焊電阻焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間， 并施以電流，利用電流流經(jīng)工件接 觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)， 使之形成金屬結(jié) 合的一種方法。電阻焊方法主要有四種，即點(diǎn)焊、縫焊、凸焊、對(duì)焊。圧力圖1電阻焊原理圖1點(diǎn)焊點(diǎn)焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩柱狀電極之間，利用電阻熱熔化 母材金屬，形成焊點(diǎn)的電阻焊方法。點(diǎn)焊主要用于薄板焊接。點(diǎn)焊的工藝過(guò)程：1、預(yù)壓，保證工件接觸良好。2、通電，使焊接處形成熔核及塑性環(huán)。3、斷電鍛壓，使熔核在壓力繼續(xù)作用下冷卻結(jié)晶，形成組織致

20、密、無(wú)縮孔、 裂紋的焊點(diǎn)。圖2點(diǎn)焊原理圖2.縫焊縫焊的過(guò)程與點(diǎn)焊相似，只是以旋轉(zhuǎn)的圓盤狀滾輪電極代替柱狀電極， 將焊 件裝配成搭接或?qū)咏宇^，并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓焊件并轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù) 或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫的電阻焊方法?？p焊主要用于焊接焊縫較為規(guī)則、要求密封的結(jié)構(gòu)，板厚一般在3mm以下。圖3縫焊原理圖3. 對(duì)焊對(duì)焊是使焊件沿整個(gè)接觸面焊合的電阻焊方法。(1) 電阻對(duì)焊電阻對(duì)焊是將焊件裝配成對(duì)接接頭， 使其端面緊密接觸，利用電阻熱加熱至 塑性狀態(tài)，然后斷電并迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。電阻對(duì)焊主要用于截面簡(jiǎn)單、直徑或邊長(zhǎng)小于20mm和強(qiáng)度要求不太高的焊 件。(2) 閃光對(duì)焊閃光對(duì)焊

21、是將焊件裝配成對(duì)接接頭， 接通電源，使其端面逐漸移近達(dá)到局部 接觸，利用電阻熱加熱這些接觸點(diǎn)，在大電流作用下，產(chǎn)生閃光，使端面金屬熔 化，直至端部在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，斷電并迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。閃光焊的接頭質(zhì)量比電阻焊好，焊縫力學(xué)性能與母材相當(dāng)，而且焊前不需要 清理接頭的預(yù)焊表面。閃光對(duì)焊常用于重要焊件的焊接。 可焊同種金屬，也可焊 異種金屬；可焊0.01mm的金屬絲，也可焊20000mm的金屬棒和型材。電阻焊接的品質(zhì)是由以下4個(gè)要素決定的：1電流；2.通電時(shí)間；3.加壓力；4. 電阻頂端直徑。PIAr t v v >- v , v r 圖4閃光對(duì)焊原理圖4.凸焊凸焊

22、是點(diǎn)焊的一種變型形式；在一個(gè)工件上有預(yù)制的凸點(diǎn)，凸焊時(shí)，一次可 在接頭處形成一個(gè)或多個(gè)熔核。圖5凸焊原理圖（二）超聲波焊金屬材料的超聲波焊接是利用超聲頻率（超過(guò)16KHZ）的機(jī)械振動(dòng)能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法。金屬在進(jìn)行超聲波焊接時(shí)，既不向工 件輸送電流，也不向工件施以高溫?zé)嵩?，只是在靜壓力之下，將框框振動(dòng)能量轉(zhuǎn) 變?yōu)楣ぷ鏖g的摩擦功、形變能及有限的溫升。焊接特點(diǎn)：接頭間的冶金結(jié)合是母材不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)的一種固態(tài)焊 接，因此它有效地克服了電阻焊接時(shí)所產(chǎn)生的飛濺和氧化等現(xiàn)象。超聲波焊接金屬方法主要使用點(diǎn)焊。點(diǎn)焊： A、將二片塑膠分點(diǎn)熔接無(wú)需預(yù) 先設(shè)計(jì)焊線，達(dá)到熔接目的。B、對(duì)

23、比較大型工件，不易設(shè)計(jì)焊線的工件進(jìn)行分點(diǎn)焊接，而達(dá)到熔接效果，可同時(shí)點(diǎn)焊多點(diǎn)JE水平方向焊頭焊接區(qū)茨焊底/圖6超聲波焊原理圖（三）摩擦焊摩擦焊是在壓力作用下，通過(guò)待焊工件的摩擦界面及其附近溫度升高， 材料 的變形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴隨著材料產(chǎn)生塑性流變，通過(guò) 界面的分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)焊接的固態(tài)焊接方法（見圖3.1所示）。摩擦焊通常由如下四個(gè)步驟構(gòu)成：1、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能；2、材料塑性變形；HMJi 力3、熱塑性下的鍛壓力；4、分子間擴(kuò)散再結(jié)晶。圖7摩擦焊摩擦焊技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出很多種摩擦焊接的分類：包括慣性摩擦焊、徑向摩擦焊、線性摩擦焊、軌道摩擦焊、攪拌摩擦焊

24、等，而以攪拌摩擦 焊應(yīng)用較廣。1.攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊與常規(guī)摩擦焊一樣，也是利用摩擦熱作為焊接熱源。不同之處在 于，攪拌摩擦焊焊接過(guò)程是由一個(gè)圓柱體形狀的焊頭伸入工件的接縫處，通過(guò)焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。 同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來(lái)完成焊接的。 焊接過(guò)程如圖3.2所示。在焊接過(guò)程中， 工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)邊沿工件的接縫與工件相對(duì)移動(dòng)。焊 頭的突出段伸進(jìn)材料內(nèi)部進(jìn)行摩擦和攪拌， 焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并 用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時(shí)可以起到清除表面氧化膜的作用。圖8攪拌摩擦焊（四）擴(kuò)散焊擴(kuò)散焊是將焊件緊密貼合，在一定溫

25、度和壓力下保持一段時(shí)間， 使接觸面之 間的原子相互擴(kuò)散形成聯(lián)接的焊接方法。焊接特點(diǎn)：影響擴(kuò)散焊過(guò)程和接頭質(zhì)量的主要因素是溫度壓力擴(kuò)散時(shí)間和表 面粗糙度。在一定范圍內(nèi)焊接溫度越高，原子擴(kuò)散越快焊接溫度一般為材料熔點(diǎn) 的0.50.8倍，一般在0.7倍的時(shí)候效果最好。根據(jù)材料類型和對(duì)接頭質(zhì)量的要 求，擴(kuò)散焊可在真空、保護(hù)氣體或溶劑下進(jìn)行，其中以真空擴(kuò)散焊應(yīng)用最廣，這 是因?yàn)樵谡婵諣顟B(tài)下，焊接過(guò)程中焊接界面的氣體會(huì)被吸到真空中。為了加速焊接過(guò)程、降低對(duì)焊接表面粗糙度的要求或防止接頭中出現(xiàn)有害的 組織，常在焊接表面間添加特定成分的中間夾層材料，其厚度在0.01毫米左右。擴(kuò)散焊可與其他熱加工工藝聯(lián)合形成組

26、合工藝，如熱耗 -擴(kuò)散焊、粉末燒結(jié)-擴(kuò)散 焊和超塑性成形擴(kuò)散焊等。這些組合工藝不但能大大提高生產(chǎn)率，而且能解決單個(gè)工藝所不能解決的問 題。如超音速飛機(jī)上各種鈦合金構(gòu)件就是應(yīng)用超塑性成形 -擴(kuò)散焊制成的擴(kuò)散焊 的接頭性能可與母材相同，特別適合于焊接異種金屬材料、石墨和陶瓷等非金屬19材料、彌散強(qiáng)化的高溫合金、金屬基復(fù)合材料和多孔性燒結(jié)材料等。焊件真嚴(yán)嚴(yán)系統(tǒng)I庶壬查音源網(wǎng)靈圖9擴(kuò)散焊原理圖（五）電磁焊電磁焊是利用由線圈感應(yīng)產(chǎn)生的脈沖電磁壓力進(jìn)行焊接的。當(dāng)高壓充電電源給脈沖儲(chǔ)能電容器充電后，接通高壓間隙放電開關(guān)，則電容向線圈快速放電，產(chǎn) 生一瞬時(shí)、高壓的電磁力，該力迫使焊件高速撞擊另一個(gè)焊件，當(dāng)條件

27、（如壓力 或速度）滿足時(shí)，則可使兩焊件焊在一起（如圖5.1所示）。圖10 電磁焊焊接特點(diǎn)：（1）焊接過(guò)程很短，瞬間（30100 us）即可完成，且無(wú)污染；（2） 可焊接異種金屬，即使兩金屬的晶體結(jié)構(gòu)和性能差別很大；（3）可使金屬材料和 非金屬材料進(jìn)行連接或焊接；（4） 一般可在常溫（即冷態(tài)）下進(jìn)行，且焊接過(guò)程 無(wú)顯明的溫升，故可保持材料的原有性能；（5）比爆炸焊安全，且簡(jiǎn)單易行；（6） 能量易精確控制，重復(fù)性好，故容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化；（7）兼有電磁成形和 爆炸焊的一些特點(diǎn)。工藝流程：待焊面的表面處理（物理的或化學(xué)的）焊接后序處理，如熱 處理、性能及質(zhì)量檢查等。該工藝的要求：（1待焊表面應(yīng)認(rèn)

28、真清理，使其干凈 和無(wú)污染；（2）材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性和耐沖擊性能；（3）為了有利于射流的 形成，應(yīng)有初始接觸角存在；（4）表面處理后應(yīng)立即進(jìn)行焊接，否則會(huì)因處理過(guò) 的表面上重新形成吸附層和氧化層，而增加焊接難度，甚至無(wú)法焊接。四、固態(tài)焊接方法的應(yīng)用（一）慣性摩擦焊的應(yīng)用慣性摩擦焊作為一種先進(jìn)的焊接工藝，已成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子 及渦輪部件的主要焊接工藝。為了降低成本，減輕重量，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子已基本采用焊接連 接代替螺栓連接。這是因?yàn)椴捎煤附咏Y(jié)構(gòu)后，省去了大量的盤與盤之間的連接緊 固件，并且減少了轉(zhuǎn)子在螺栓孔處的截面尺寸。同時(shí)，采用焊接連接后，還可以 消除應(yīng)力集中的螺栓孔

29、，提高轉(zhuǎn)子的剛性，改進(jìn)轉(zhuǎn)子的平衡性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工 作穩(wěn)定性。目前，慣性摩擦焊與電子束焊均被應(yīng)用于轉(zhuǎn)子的焊接，但慣性摩擦焊更具 有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閼T性摩擦焊屬于固態(tài)焊接過(guò)程， 焊縫及熱影響區(qū)組織好，可焊接異 種金屬，焊接過(guò)程中不易造成漏焊，缺陷極少（6 c以上的質(zhì)量水平）。但慣性 摩擦焊設(shè)備的一次性投入較高。慣性摩擦焊自出現(xiàn)之后就在各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司得到廣泛應(yīng)用。GE公司在20世紀(jì)60年代中期開始研發(fā)慣性摩擦焊技術(shù)，并使其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)件的焊接；在 60年代后期，慣性摩擦焊就得到了批產(chǎn)。 GE公司的航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要轉(zhuǎn)動(dòng)件幾乎 全部都采用慣性摩擦焊焊接。如 GE公司為波音787開發(fā)的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)GEnx 其

30、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用慣性摩擦焊焊接。又如由GE與P&W聯(lián)合開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)GP7200用于世界上最大的飛機(jī) A380,其高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子也采用慣性摩擦焊焊 接。同樣，GE90的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子也采用了慣性摩擦焊焊接。慣性摩擦焊的應(yīng)用使GE公司獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。例如，CF6發(fā)動(dòng)機(jī)的39級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，原為整體鍛件，重413kg,改為2個(gè)鍛件經(jīng)慣性摩擦焊連接后，重量降至300kg。 GE90的風(fēng)扇盤在最初設(shè)計(jì)時(shí)為 Ti17的整體鍛件，后也改為由3個(gè)Ti17鍛件經(jīng) 慣性摩擦焊連接，大大降低了制造成本。另外，GE與 SNECM共同開發(fā)的CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的12級(jí)壓氣機(jī)盤和49級(jí)壓氣機(jī)盤的連接、低壓渦輪軸

31、與盤的連接都采 用了慣性摩擦焊。P&W 公司同時(shí)采用慣性摩擦焊和電子束焊，電子束焊用于一般轉(zhuǎn)動(dòng)件， 慣性摩擦焊用于工作溫度高、轉(zhuǎn)速快、受力大的重要轉(zhuǎn)動(dòng)件。RR公司則在60年代后期開始研究慣性摩擦焊，但在 Trent系列發(fā)動(dòng) 機(jī)中一直采用電子束進(jìn)行焊接。隨著高溫合金向更高耐溫能力的方向發(fā)展，采用電子束焊接已越來(lái)越困難。近幾年，慣性摩擦焊在R-R公司得到了快速發(fā)展，并逐漸成為Trent后續(xù)衍生機(jī)型盤軸的主要焊接方法。R-R公司現(xiàn)已裝備了 2000t的慣性摩擦焊設(shè)備，用于焊接高壓壓氣機(jī)鼓筒。隨著壓氣機(jī)壓比及出口溫 度的進(jìn)一步增加，壓氣機(jī)后幾級(jí)需要采用耐溫能力更高的材料，如粉末合金。慣性摩擦焊

32、同樣可以用于這類新材料的焊接，RR公司研制的Trent1000發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪后短軸（Inco718合金）和粉末合金渦輪盤（RR1000粉末合金）就采用了 慣性摩擦焊。同時(shí)，R-R公司已將Inco718與U720Li, Inco718與粉末合金等 異種材料的慣性摩擦焊工藝列入了相應(yīng)的材料工藝標(biāo)準(zhǔn)中。（二）線性摩擦焊的應(yīng)用近年來(lái)，關(guān)于線性摩擦焊的研究較多，開展了復(fù)雜型面的焊接、鑄件與鍛件 的焊接、渦輪單晶或定向合金葉片的焊接等。但迄今為止，線性摩擦焊在航空發(fā) 動(dòng)機(jī)上最主要的應(yīng)用是整體葉盤的焊接。整體葉盤是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的核心部件，也是高效、低油耗航空發(fā)動(dòng)機(jī)所要采用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

33、在大型客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中 的風(fēng)扇、壓氣機(jī)部位使用整體葉盤，可以達(dá)到減重、增效、簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)和提高 可靠性的目的。對(duì)于空心風(fēng)扇葉片與風(fēng)扇盤的連接， 為了進(jìn)一步減輕重量，也可 以采用線性摩擦焊制備成整體葉盤； 對(duì)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，尤為適用，并且線 性摩擦焊是空心葉片與盤連接的唯一可行的方法。與傳統(tǒng)的葉盤分離結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤有兩大優(yōu)勢(shì)。一是在結(jié)構(gòu)上，整體葉盤由于省去了榫槽，減輕了重量，并可進(jìn)一步縮小壁厚，重量減輕達(dá)50%，大大提高了燃油效率。二是葉盤分離結(jié)構(gòu)中的榫槽在服役過(guò)程中易磨蝕， 采用整體 葉盤可以避免榫槽磨蝕和修復(fù)的問題。整體葉盤的制備方法包括機(jī)械加工方法和線性摩擦焊方法。采用機(jī)械

34、加工制 備整體葉盤是將鍛件直接進(jìn)行機(jī)械加工而成；采用線性摩擦焊方法是將單個(gè)的葉 片逐個(gè)焊接到輪盤上，雖然焊接后也需要機(jī)械加工，但與機(jī)械加工制備整體葉盤 相比，加工余量要少得多。具體采用哪種方法制備整體葉盤還要從成本上考慮， 機(jī)械加工的成本主要取決于去除的材料量，線性摩擦焊制備整體葉盤的成本主要 取決于葉片的數(shù)量，因此，最適合用線性摩擦焊制備的整體葉盤應(yīng)具有相對(duì)少的 葉片數(shù)量，并且葉片之間的材料去除量大。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)整體葉盤的葉片尺寸超 過(guò)100mm以上時(shí)，較適宜采用線性摩擦焊方法制備。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)前兩級(jí)采用了線性摩擦焊制備的整體葉盤結(jié)構(gòu)， CF34的后繼機(jī)型（NG34）的風(fēng)扇也準(zhǔn)備

35、采用線性摩擦焊制備整體葉盤。R R公司采用線性摩擦焊制備了 EJ200及聯(lián)合攻擊機(jī)JSF發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤。線性摩擦焊也可應(yīng)用于整體葉盤的修復(fù)。整體葉盤在服役過(guò)程中，可能受到 高溫高速氣流的沖蝕，及可能的外物撞擊，葉片不可避免地出現(xiàn)點(diǎn)坑、裂紋、葉 片掉角、葉片卷邊甚至斷裂等損傷。由于整體葉盤是一體式結(jié)構(gòu)，損傷葉片的更 換非常困難，而如果更換整個(gè)整體葉盤則面臨高昂的費(fèi)用和生產(chǎn)周期。整體葉盤的修復(fù)技術(shù)已成為制約整體葉盤應(yīng)用的關(guān)鍵。 線性摩擦焊作為整體葉盤單個(gè)葉片 的修理工藝，于20世紀(jì)80年代中期開發(fā)，作為一種重要的修復(fù)技術(shù)，可以替 換損傷的單個(gè)葉片，是一種方便且實(shí)用的修復(fù)方法。R R公司采用線性摩

36、擦焊技術(shù)開展了整體葉盤的修復(fù)研究，并申請(qǐng)了線性摩擦焊修復(fù)整體葉盤的專利。（三）擴(kuò)散焊的應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，擴(kuò)散焊最成功的應(yīng)用是與超塑成形Superplastic Formi ng結(jié)合使用，制備鈦合金空心風(fēng)扇葉片。由于鈦合金的擴(kuò)散焊與超塑成型的溫度在 同一溫度區(qū)間，風(fēng)扇葉片復(fù)雜的幾何形狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)制造過(guò)程中完 成。大型寬弦風(fēng)扇葉片是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型部件之一。 R R公司采用SPF/DW方法制造鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片已有 20年的歷史，將其用于Trent系列及RB211發(fā)動(dòng)機(jī)。采用SPF/DW方法制造鈦合金空心風(fēng)扇葉片后，與實(shí)心風(fēng)扇葉片 相比，每臺(tái)份發(fā)動(dòng)機(jī)可減重約50kg，并且還可以進(jìn)

37、一步減輕包容機(jī)匣及風(fēng)扇盤 的重量。P&W公司由于在F119發(fā)動(dòng)機(jī)中成功采用擴(kuò)散焊制備空心風(fēng)扇葉片，以 及采用線性摩擦焊制備整體葉盤，被美國(guó)焊接學(xué)會(huì)授予杰出開發(fā)獎(jiǎng)Outsta ndingDevelopment in Welded Fabrication Award ）。目前，我國(guó)已能生產(chǎn) 4層鈦合金超 塑成型/擴(kuò)散連接風(fēng)扇導(dǎo)流葉片，并具備了研制大型寬弦風(fēng)扇葉片的基礎(chǔ)和能力。五、固態(tài)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，焊接已從簡(jiǎn)單的構(gòu)件連接方法和毛坯制造手段發(fā)展成 為制造行業(yè)中一項(xiàng)生產(chǎn)尺寸精確的產(chǎn)品的生產(chǎn)手段。因此，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的 穩(wěn)定性和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率已成為焊接生產(chǎn)發(fā)展的急待解決的

38、問題。下面舉例重點(diǎn)說(shuō)明一下。在機(jī)械制造業(yè)中不少過(guò)去一直用整鑄整鍛方法生產(chǎn)的大型毛坯改成了焊接 結(jié)構(gòu)，這大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，降低了成本。許多尖端技術(shù)如宇航、核動(dòng)力等如 果不采用焊接結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。焊接在整個(gè)工業(yè)中的地位還可以從 這樣一個(gè)事實(shí)來(lái)判斷，即世界主要工業(yè)國(guó)家每年生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)約占鋼產(chǎn)量的 45%左右，焊接結(jié)構(gòu)之所以有如此迅速的發(fā)展是因?yàn)樗哂幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)。下面舉 例說(shuō)明一下：（一）與鉚接相比它可以節(jié)省大量金屬材料，大約可減輕15-20%的金屬材料，因?yàn)樗恍枰o 助材料，比如角鋼、平板，更不需要鉚釘，而且柳接件經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間以后有可以 會(huì)松動(dòng)，影響質(zhì)量，但焊接絕是不可能的，雖然只

39、有一道焊縫，但它屬于原子結(jié) 核，所以能夠充分的解決一切問題。 其次焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)不需打孔，劃線的工作量 也比較少，因此比較省工、省時(shí)間，工作效率當(dāng)然就要高多了。（二）與鑄件相比焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)不需要制作木模和砂型， 也不需要專門熔煉，澆鑄，工序簡(jiǎn)單, 生產(chǎn)周期短。這一點(diǎn)對(duì)于單件和小批量生產(chǎn)特別明顯， 換句話說(shuō)，和鑄件相比就 是特別的節(jié)省時(shí)間也就是工作效率高， 其次，焊接結(jié)構(gòu)比鑄件節(jié)省材料，一般情 況下，它比鑄鋼輕20-30%以上，比鑄鐵件輕50-60%,這主要是因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)的 截面可以按設(shè)計(jì)的需要來(lái)選取，不必象鑄件那樣因工藝的限制而加大尺寸。因?yàn)?液體要想讓它流動(dòng)的好充分到位， 就必須要有較大的空間，這勢(shì)必會(huì)用到更多的 金屬材料?，F(xiàn)代焊接技術(shù)自誕生以來(lái)一直受到諸學(xué)科最新發(fā)展的直接影響與引導(dǎo)， 眾所 周知受材料，信息學(xué)科新技術(shù)的影響，不僅導(dǎo)致了數(shù)十種焊接新工藝的問世， 而 且也使得焊接工藝操作正經(jīng)歷著手工焊到自動(dòng)焊， 自動(dòng)化，智能化的過(guò)渡，這已 成為公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)。在今天焊接作為一種傳統(tǒng)技術(shù)又面臨著 21世紀(jì)的挑戰(zhàn)。一方面，材料作為 21世紀(jì)的支柱