焊接工艺全解析：类型、技术要点与应用领域

焊接工艺概述

焊接是通过使工件熔合实现连接的制造工艺。通常熔化工件并加入填充材料形成熔池，冷却后形成坚固接头；有时配合压力或单独用压力。这与钎焊不同，钎焊熔化较低熔点材料填充工件间隙而不熔化工件。焊接通常需热源产生高温区熔化材料，但也存在无显著升温的固相连接方法。

固相连接特点

固相连接无电极熔化(虽产热)，工件紧密压合排除空气。普通焊接熔凝金属通常弱于同成分锻造材料；固相连接无熔化可获高质量接头，且易焊接异种金属。普通焊接异种金属熔化易生脆性金属间化合物。

现代焊接技术始于19世纪末局部高温技术发展。方法标准多样，新工艺探索持续进行。虽各工艺有优劣与特定适用性，但手工电弧焊(MMA)在总熔敷金属量上仍占主导。

焊接分类方法

• 有无填充材料：无填充称"自熔焊"。早期仅气焊可选用填充，后TIG、电子束等工艺均可有无填充，此分类易混淆。
• 能量来源：化学、电、光、声、机械能等，除化学能外均由电能转化，分类不佳。
• 电弧/非电弧：电弧焊归一类，其余归非电弧类，但电渣焊(ESW)、闪光对焊等难归类，不完美。
• 熔化/压力焊：最通用分类，覆盖所有工艺。熔化焊指熔融金属自由凝固；压力焊指熔融金属(如电阻点焊、电弧柱塞焊)或半固态金属在压力下凝固。图1、2分列两类工艺。

图1 熔化焊工艺

图2 压力焊工艺

主要焊接工艺简述

气焊

氧乙炔焊最重要，可接多种金属。LPG、甲烷、氢气等可替代乙炔。按氧燃气比可得三种火焰：(1)还原焰(碳化焰)含未燃碳可渗碳，适高碳钢或低碳钢表面渗碳；(2)中性焰——钢材及其他金属通用；(3)氧化焰内锥极小且噪大，温度最高(氧乙炔焰约3200℃，热中心在白锥尖端外)，但引入氧气不宜焊钢。焊枪混合室混合氧乙炔点火。前进法枪向焊接方移动倾角65°；后退法倾角45°朝未焊区。气焊适合薄板，火焰不如电弧锐利，焊接时间长、热影响区(HAZ)大、变形大。

手工电弧焊(MMA/SMAW)

又称焊条电弧焊/药皮焊条电弧焊(FSAW)。灵活性最强、应用最广的电弧焊。药皮焊条与工件打弧，弧热熔化母材与焊条混合冷却成连续实体。交/直流电源形成电弧。焊条药皮分解产生保护气体和熔渣层，双重保护熔池防大气污染。适用钢、不锈钢、铸铁及多种有色金属，许多中高强碳钢首选连接法。

埋弧焊(SAW)

焊缝与电弧区埋于熔剂层下。裸焊条与母材间电弧加热，熔剂熔化导电形成回路。连续实心焊丝在熔剂保护下焊接。熔剂稳定电弧、隔绝熔池、防飞溅火花、屏蔽紫外光烟尘、保护冷却焊缝并影响成分性能。通常自动化，半自动也有。交/直流均可，自动系统可用单/多根实心/药芯焊丝或焊带。因颗粒熔剂和熔池流动性，仅限平焊/横焊。沉积率高，极厚薄材料均可焊。

药芯焊丝电弧焊(FCAW)

1950年代初开发替代SMAW。优势：免焊条，克服SMAW诸多限制。高速、便携、广泛用于碳钢、不锈钢、低合金钢。电弧熔化连续管状填充焊丝与母材，可带/不带保护气。需连续送丝、恒压(少数恒流)电源。管状焊丝内含熔剂，常靠熔剂产生气体保护和液态熔渣双重保护。外供保护气时设备近似GMAW。特殊电压感应送丝器可配恒流电源高质量焊接。选对焊丝参数可全位置焊。

气体保护电弧焊(GMAW/MIG)

自动送丝连续实心消耗电极，外供惰性气体保护。适用钢、铝、不锈钢、铜，选对参数设备可全位置焊。直流正接(DCEP)，设备自动电弧控制，焊工仅控枪位、导向、速度。焊丝盘装经辊驱动(通电)穿管入"枪"，大盘焊丝实现长时间连续焊接。惰性气同轴流出绕丝保护。电弧在丝与工件间引燃，高温瞬间形成熔池。关键参数：气体混合比、流量、送丝速度、电流。设定后技能要求低于气焊。易自动化，机器人广泛应用。钢铝常用。惰性气保护洁净焊缝，但设置不当可能飞溅金属球影响外观。

双丝串联焊

相比常规GMAW，双丝串联焊用两根串联焊丝，同步送丝、独立接触尖安装同一枪内。优势：优异焊缝质量、极少飞溅、沉积率与速度达常规3倍，理想自动化特性。

钨极惰性气保护焊(TIG/GTAW)

非消耗钨极、惰性/半惰性气体、单独填充材料的手工焊。特别适合薄材，电弧稳定、焊缝高质，但需高技能、速度较低。钨极与工件打弧。几乎适用所有可焊金属，常用于不锈钢和轻金属，极高质量要求场合首选。

等离子弧焊(PAW)

GTAW变体。用钨极但以等离子气体形成电弧。电弧比GTAW更集中，横向控制更关键，通常限机械化。收缩过程大幅提高电弧电压和电离度，除提高电弧温度外，最热等离子区延伸出喷嘴向工件，形成高温高热传效率集中热源，大幅提高焊接速度。手工操作需高技能。稳定电流适用比GTAW更宽厚度范围。比GTAW快，除镁外适用GTAW所有材料。不锈钢自动焊为重要应用。

激光束焊(LBW)

自动化工艺，利用相干光聚焦束热量连接。适用钢、不锈钢、铝、钛、镍、铜等所有金属，高机械性能、高速度、低变形、无渣无飞溅。可带/不带填充丝，常用保护气保护熔池。设备投资大、操作技能要求高(极高速度、微小热影响区)。

电阻焊

非熔化焊。大电流通过两金属接触微小区域产热。热量H=I²×R×t(I电流、R界面电阻、t通电时间)。温升足够时施加大压力形成接头。工艺变量：电流、通电时间、压力、加压持续时间、材料及厚度。五大类型：

• 点焊：叠放清洁板材，两侧棒电极施压预压时间(squeeze time)后通电，通电周期数为焊接时间(weld time)，保压至电流切断后保持时间(hold time)使熔核凝固，泄压后间隔时间(off-time)再下一点。电流过大致飞溅、空洞、裂纹、性能下降、电极陷入；过小致未熔合。高压增接触降电阻少热，致变形、电极寿命降。长通电致沸腾、气孔、熔核长至电极面。材料导电率决定可焊厚度。高碳钢点焊需焊后热处理(PWHT)。优势：适合大批量、高速、洁净、无焊条、低技能。高导热导电材料难点焊需特殊工艺。
• 缝焊：辊电极旋转推进。控制电源得良好热控。缝在压力下定间隔冷却。表面扰动少。焊接进行中电流分流已焊部分降低待焊区加热，对策：随焊接增加电流、外部高频加热抵消分流。热大辊需水冷防变形。电流间歇控制热输入。适用钢、铝、镁、镍合金，不推荐铜合金。高频缝焊适翅片管等管材。
• 凸焊：类似点焊但预制凸点焊接。选定位置压出凸点，热集中凸点处，施加足够压力于适当时刻实现焊接。特别适合大批量、受限区域多点焊。用于支架、重型冲压件、晶闸管封装等。
• 对焊/顶锻焊：端面对端面施压通电。接触面尽量光滑。顶锻焊(及闪光对焊)得锻造组织，区别点/凸焊铸造组织。工具焊接柄部用顶锻焊。电阻对焊用于管材连接。
• 闪光对焊：两件压接使粗糙面点接触，大电流加热至熔融，一件缓慢推进熔融金属飞溢出。面达塑性施加顶锻压力结合。与电阻压力焊区别：闪光焊仅粗糙峰点接触，电阻对焊偏好光滑全接触。闪光过程除表面污染，终锻挤出熔融金属氧化物。接头留小飞边(余熔融金属氧化物)可磨除。优势：熔融金属和电弧高效保护最终成焊塑性金属避免氧化。冷态压力随材料变化，预热可减半。易焊其它工艺难焊的高合金钢。

电渣焊(ESW)

重型结构、压力容器制造中生产率质量俱佳。焊缝金属由焊丝在熔剂层下熔化获得。热量来自电流通过覆盖焊缝表面熔渣池的电阻热。工件边缘与移动成型滑靴间形成熔渣池，焊丝浸入熔渣，电流通过焊丝和熔渣加热熔渣池。熔渣熔点高于焊丝和母材，故焊丝熔化熔融金属沉降熔渣池底凝固成焊缝金属。为稳定焊接需维持熔渣池温度。

ESW熔渣池深40-50mm提供导电路径，电弧熄灭后维持电流。对比SAW虽似但电弧在熔渣下稳定(电弧电压25-30V、熔渣层较浅)。ESW用消耗/非消耗导向。非消耗法接触嘴导丝入熔渣，焊头随滑靴上升。消耗导向法用消耗管，焊头固定接头顶部，焊缝轴垂直，焊机随沉积速度上移。熔渣量恒定，需少量补熔剂。焊丝须匹配母材。

ESW全连续生产率高。工件无需坡口准备。节省填充金属和熔剂。焊后需热处理。过程必须连续不可中断，中断致熔融金属收缩形成中心空洞。常规缺陷(夹渣、气孔、咬边、缺口等)在ESW中不遇。

感应压力焊

固相焊，高频感应加热配合施压。氢气吹扫防氧化。接头面经串联两电容的感应器产生的感应电流加热，沿纵向环流沿边缘均匀加热一定长度。锻造辊锻合熔融唇部留轻微外飞边后除去。速度取决供电功率。广泛用于锅炉级Cr-Mo钢管连接。

电子束焊(EBW)

高速高密度电子束轰击工件获热。动能转热能致汽化熔化。汽化形成小孔，电子束移动时熔融金属绕小孔流动在尾迹留下焊缝。深宽比>10:1(极高热集中)。束极窄、速度高、净热输入极低。

电子枪为阴极-阳极系统置于高真空室。阴极钽/钨加热至~2560℃形成电子云。金属屏蔽罩修饰电场调节电子流。阴极阳极间电场加速电子赋能。磁透镜聚焦，磁线圈偏转控制光斑。焊接速度随熔深宽控制，否则致未熔合或过热。熔合区极窄，基材扰动极小，收缩量远小于电弧焦，残余应力小。焦距长可离工件远达1米(弧焊/等离子喷焊不可)，可焊狭窄受限区。厚度范围宽(0.1-100mm)，异种金属易焊(精准热控)。速度远超电弧法缩短工时，重复性高。

爆炸焊(EW)

可控应用爆炸产生巨大动力连接。接合面须洁净无氧化物。洁净面在百万kg/cm²爆炸压力下压合。异种金属组合(铝-钢、钛-钢)易实现。太脆材料不耐爆炸冲击不可焊。EW适合复合板应用。背板厚度无上限。

摩擦焊(FW)

两焊接面摩擦产热使表面材料塑性，施加轴向力焊接。分两模式：(1)常规驱动摩擦焊，(2)惯性焊。

常规驱动：轴向对中，一件恒速直驱旋转，另一件轴向压入接触。允许足够时间产热使界面温度达塑性锻合，随后急停旋转保压巩固。

惯性焊：原理同但用飞轮系统动能加热。一件连飞轮高速旋转，另一件对靠摩擦产热，飞轮能量利用得良好结合。

主变量：相对速度、加热/锻造压力、加热时长。次要因素：加热锻造压力建立、制动减速、材料性能。圆周速度75-105 m/min得满意焊缝。过高速致宽HAZ，过低热不足。锻造压力取决合金高温强度，须足以焊合表面。加热时长由转速、摩擦、压力决定，决定热输入。各类钢、不锈钢、铜合金均易摩擦焊。

扩散连接(DB)

需高温促进扩散但宏观变形极小的连接工艺。无填充金属，界面微观组织成分与母材相同。施压致局部塑性蠕变变形。扩散连接取决于温度、时间、压力。可用中间箔/涂层改善结合。再结晶和晶界迁移在终期发生，对获高强度接头、消除平面界面至关重要。压力可通过压板或气体压力施加(可用氩气室)。为保洁净面可在真空中进行。影响结合质量关键变量：(1)表面粗糙度，(2)表面氧化膜。主要优势：

• 接头强度可接近母材
• 烧结制品、异种材料(含金属陶瓷)可连接
• 最小变形变形实现精密尺寸控制
• 金属陶瓷接头多中间层可降低残余应力
• 细晶超塑薄板易连接成型任意形状轮廓
• 大面积连接可行，厚薄截面易连接，工艺时间与面积/件数无关
• 降低加工成本，无需熔剂电极