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固态焊接技术
【中文摘要】
焊接技术水平是一个国家机械制造和科学技术发展水平的重要标志之一。
随着材料科学的发展，越来越多的焊接技术发展并应用于各个领域，焊接技术的发展和应用直接关系到产品的质量和性能，随着焊接技术的日趋成熟，在此基础上一些新的焊接技术也诞生，比如本文所要谈的固态焊接技术。
本文主要介绍现阶段固态焊接技术的现状,以及在材料科学发展的基础上诞生的固态焊接技术在一些科技领域的具体应用，并通过对各种固态焊接方法的原理进行分析揭示其各自的优越性及其应用工况,最后对固态焊接技术的发展趋势进行了展望。
【关键词】
固态焊接技术工艺材料发展趋势应用
目录
一、焊接技术的发展历史................................................................................1
二、固态焊接技术............................................................................................4
（一）材料科学的发展.............................................................................4
（二）固态焊接技术的概念.....................................................................5
（三）固态焊接技术的形式.....................................................................6
三、固态焊接技术的原理及特点....................................................................6
（一）电阻焊.............................................................................................6
（二）超声波焊.........................................................................................8
（三）摩擦焊.............................................................................................8
（四）扩散焊.............................................................................................9
（五）电磁焊............................................................................................10
四、固态焊接技术的应用........................................................................11
（一）惯性摩擦焊的应用........................................................................11
（二）线性摩擦焊的应用........................................................................12
（三）扩散焊的应用................................................................................13
五、固态焊接技术的发展趋势.......................................................................14
六、参考文献...................................................................................................16
七、致谢...........................................................................................................18
一、焊接技术发展史
19世纪80年代，焊接只用于铁匠锻造上。
工业化的发展和两次世界大战的爆发对现代焊接的快速发展产生了影响。
基本焊接方法—电阻焊、气焊和电弧焊都是在一战前发明的。
但20世纪早期，气体焊接切割在制造和修理工作中占主导地位。
过些年后，电焊得到了同样的认可。
（一）电阻焊
首例电阻焊要追溯到1856年。
JamesJoule（Joule加热原理发明者）成功用电阻加热法对一捆铜丝进行了熔化焊接。
第1台电阻焊机用于对接焊。
1886年，英国的ElihuThomson造出了第1个焊接变压器并在来年为此项工艺申请了专利。
该变压器在2V空载电压时能产生200A电流输出。
此后，Thomson又发明了点焊机、缝焊机、凸焊机以及闪光对焊机，后来点焊成为电阻焊最常用的方法，如今已广泛应用于汽车工业和对其它许多金属片的焊接上。
1964年，Unimation生产的首批用于电阻点焊的机器人在通用汽车公司使用。
（二）气焊
19世纪末，一种氧乙炔火焰的气焊在法国出现了。
大约在1900年,EdmundFouche和CharlesPicard造出了第一支焊炬。
实验证明焊炬发出的火焰炙热，大约在3100．C以上。
后来焊炬成为了焊接切割钢时的重要工具。
早在英国的EdmundDavy发现当碳化物在水中分解时能产生一种可燃性气体之前就发现了乙炔气体。
当乙炔燃烧时，其亮无比，这一点成为它的主要用途。
然而，在传输使用乙炔时经常发生爆炸。
人们发现丙酮能溶解大量乙炔，尤其是压力增加时。
1896年，LeChatelier发明了一种安全的方法储存乙炔。
那就是在圆瓶内使用丙酮和多孔石来储存乙炔。
其他许多国家利用这项法国发明储存乙炔。
但时有报道在传输过程中发生爆炸。
瑞典人GustafDahlen改变了渗透物的成分，成功做到了让乙炔100%安全。
（三）电弧焊
1810年，HumphreyDavy在电路的两极造了一个稳定的电弧---电弧焊的基础。
在1881年的巴黎“首届世界电器展”上，俄罗斯人NikolaiBenardos展示了一种电弧焊的方法。
他在碳极和工件间打出一个弧。
填充金属棒或填充金属丝可以送进这个电弧并熔化。
那时他是法国Cabot实验室的学生，和他的朋友StanislavOlszewski一道于1885年至1887年间在几个国家得到了专利权。
该专利展示了早期电极夹，参见图2。
到19世纪末和20世纪上半叶，碳弧焊越来越流行。
Benardos,NicolaiSlavianoff的同胞进一步完善了这一焊接法。
1890年，他用金属棒代替碳棒作为电极并获得专利。
电极熔化，从而充当热源和填充金属。
但是，焊缝不能隔绝空气，质量问题也接踵而来。
瑞典人OscarKjellberg在使用该方法修理船上的蒸汽锅炉时注意到焊接金属上到处都是气孔和小缝，这样的话根本不可能让焊缝防水。
为了改善这种方法，他发明了涂层焊条，于1907年6月29日获得专利（瑞典专利号27152）。
质量改善后，电焊技术得到突破，现在也能应用于工业。
这家电焊公司（ESAB，瑞典语首字母缩略）作为一家轮船修理公司于1904年9月12日成立。
此后，在20世纪30年代，又发明了不少新焊接法。
直到那时，所有的金属电弧焊都是通过手工焊的方法完成的。
人们不断尝试用连续丝让该工艺自动化。
最成功的发明是埋弧焊，在这种焊接方法中，电弧埋在一层粒状熔剂里。
气体保护电弧焊早在1890年就由C.L.Coffin获得了专利。
但在二战期间，航空业需要找到焊接镁和焊接铝的方法。
1940年，在美国，用隋性气体保护电弧的实验开展得如火如荼。
通过使用钨电极，不用熔化电极也可以打出电弧。
这样的话，不管有没有填充金属都可以进行焊接。
这种方法现在称为TIG焊接（钨极惰性气体保护电弧焊）。
过些年以后，用连续放入金属丝作为电极的MIG焊接工艺（熔化极惰性气体保护电弧焊）出现了。
起初，保护气体为隋性气体氦或氩。
因为CO2更容易找到（活性气体保护电弧焊MAG）,Lyubavskii和Novoshilov成功使用了它。
他们使用“浸沾转移”法减少了由产生激烈的飞溅引起的一些问题。
到那时为止，我们今天使用的大多数焊接工艺都已发明。
接下来又出现了其他一些焊接法，诸如激光束焊和搅拌摩擦焊，两者都是由英国焊接学会发明的。
（四）焊接电源
19世纪末以前没有出现电焊的理由之一就是缺乏合适的电源。
18世纪末期，意大利人Volta和Galvani成功发现了电流。
1831年,MichaelFaraday创立了变压器和电机原理，这是对电源的重要发展。
首批焊接实验的开展是通过不同类型的方法来解决焊接电源的。
1801年,HumphreyDavy先生在首批电弧实验中使用电池作为电源。
Benardos在碳弧焊实验中使用一台22马力的蒸汽机驱动直流电机，用150个电池来发电。
单是电池的总重量就达到2400kg。
1905年，德国AEG公司生产了焊接发电机。
它由三相异步电动机驱动，其特性适合焊接，重1000kg,电流250A。
直流电直到20世纪20年代才适合用于电弧焊。
焊接变压器很快变得受欢迎，因为它的价格较便宜，消耗能源相对较少。
20世纪50年代末，固体焊接整流器问世。
最初使用的是硒整流器，接着很快出现了硅整流器。
此后，硅可控整流器的出现实现了电子控制焊接电流。
这些整流器现在都普遍使用，尤其是用于大型焊接电源。
焊接逆变器的出现是在电源上最引人注目的发展。
伊萨首个逆变器模型造于1970年。
但是逆变器在1977年以前没有普遍用于工业。
1984年，伊萨推出140A“Caddy”牌逆变器，重量只有8kg。
（五）先进的焊接工艺
等离子焊接出现时，实验证明它是更集中、更炙热的能源，利用它可以提高焊接速度，减少线能量。
20世纪60年代出现的激光电子束焊接也与之有相似的好处。
质量提高，容差减小，超过了以前可能达到的标准。
对新材料和不同金属组合都能进行焊接。
电子束狭窄，要求必需使用机械化设备。
从1964年起，机器人就已经用于电阻焊。
大约10年后出现电弧焊机器人。
电动机器人可以设计得非常精确，达到熔化极惰性气体保护电弧焊焊接的要求。
最初，机器人内输入的焊接数据和手工焊使用的焊接数据是相同的。
人们进行了许多尝试来提高熔化极惰性气体保护电弧焊工艺的生产力。
加拿大人JohnChurch使用了快速送丝速度和由4种成分组成的保护气体来做此尝试。
工艺相似，仍然使用同样的焊接设备，但却有可能让焊接速度提高一倍。
在同一熔池内使用两根焊丝的焊接法——双丝焊或双芯焊，实验证明更富有成效。
最新高效焊接法是混合焊——这种方法结合了两种不同的工艺。
激光熔化极惰性气体保护电弧焊混合焊是最有发展前景的。
这种焊接速度极快，熔深大。
机械化焊接打开了投入到新应用中去的大门。
窄间隙焊既节省时间，又节省耗材，减少了热影响区焊接的变形。
起初使用的是熔化极惰性气体保护电弧焊工艺，后来也使用埋弧焊和钨极惰性气体保护电弧焊。
1980年前后，伊萨把重型埋弧焊、窄间隙焊设备运往了前苏联Volgadonsk。
1992年，TWI获得搅拌摩擦焊专利权。
这种焊接法对铝很适用。
铝不用熔化就能接合并形成高质量接合点。
该工艺不使用耗材，能源消耗少，它的另一个好处就是对环境影响小。
此工艺非常简单有效，是20世纪最重要的焊接创新之一。
二、固态焊接技术
（一）发展背景
材料科学（materialsscience）是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。
材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。
人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。
100万年以前，原始人以石头作为工具，称旧石器时代。
1万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿和精致的工具，从而进入新石器时代。
新石器时代后期，出现了利用粘土烧制的陶器。
人类在寻找石器过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了冶金技术。
公元前5000年，人类进入青铜器时代。
公元前1200年，人类开始使用铸铁，从而进入了铁器时代。
随着技术的进步，又发展了钢的制造技术。
18世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。
19世纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。
与此同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。
直到20世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。
20世纪中叶以后，科学技术迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。
首先是人工合成高分子材料问世，并得到广泛应用。
先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼纶、合成橡胶、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。
仅半个世纪时间，高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱，并在年产量的体积上已超过了钢，成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。
其次是陶瓷材料的发展。
陶瓷是人类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备工艺的发展，使陶瓷材料产生了一个飞跃，出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型功能陶瓷形成了产业，满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。
结构材料的发展，推动了功能材料的进步。
20世纪初，开始对半导体材料进行研究。
50年代，制备出锗单晶，后又制备出硅单晶和化合物半导体等，使电子技术领域由电子管发展到晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路。
半导体材料的应用和发展，使人类社会进入了信息时代。
现代材料科学技术的发展，促进了金属、非金属无机材料和高分子材料之间的密切联系，从而出现了一个新的材料领域——复合材料。
复合材料以一种材料为基体，另一种或几种材料为增强体，可获得比单一材料更优越的性能。
复合材料作为高性能的结构材料和功能材料，不仅用于航空航天领域，而且在现代民用工业、能源技术和信息技术方面不断扩大应用。
（二）固态焊接技术的概念
固态焊接，顾名思义、简而言之即：
非熔化焊接、非机械连接、非胶接连接。
随着科技的发展，新技术、新材料的不断涌现，新型金属材料、陶瓷材料、复合材料、有序金属间化合物和功能材料等需求的日益增长，在其构件的制造过程中，不可避免地存在着结构分离面和工艺分离面，故当它们作为结构材料应用时，会遇到大量同质材料、异质材料乃至多层材料的连接问题。
由于新材料所具有的优异特性或功能，以及在极限工作条件下对焊接接头的成份、组织、性能和可靠性寿命等提出的极为苛刻的要求，已经很难、甚至不可能采用传统的焊接技术作为它们的连接工艺。
这样，就使得更多的人对固态焊接技术的产品，有了广泛的需求。
固态焊接技术（包括摩擦焊接、扩散焊接、爆炸焊接、超声波焊接、热压焊接等）最重要的技术优势是在被焊接材料不熔化的条件下，通过加热、加压和塑性流变使接触界面高度激活、相互扩散和动态再结晶而形成连接，其接合区为锻造组织。
因此，固态焊接这种特有的热力耦合作用过程对被焊接材料原有的组织结构、理化性能所造成的焊接损伤和破坏性影响最小，连接接头的可靠性寿命最高，这些都是其它传统的熔化焊接、机械连接和胶接工艺所不能比拟的。
通过与材料技术、信息技术、计算机技术、机电一体化技术、过程仿真技术、无损检测技术的相互渗透融合，在先进材料、机电一体化及先进制造技术领域中，当前，固态焊接这一在国际、国内有着40余年历史，历经不断发展、不断成熟、日臻完美的传统技术正在以全新的面貌展示在人们面前。
（三）固态焊接技术的形式
固态焊接方法指两块被焊材料在固态下（无熔池）通过接触面上的扩散和再结晶过程达到牢固结合的一种方法。
焊接特点：
固态焊接方法不发生原子熔化再形核，这样就可以避免一些相变的发生，减少焊接界面处一些化合物的形成，从而最大程度上增强了界面结合强度。
常见的固态焊接方法：
电阻焊、超声波焊、摩擦焊、扩散焊、电磁焊等。
三、固态焊接技术的原理及特点
（一）电阻焊
电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。
电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。
图1电阻焊原理图
1.点焊
点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。
点焊主要用于薄板焊接。
点焊的工艺过程：
1、预压，保证工件接触良好。
2、通电，使焊接处形成熔核及塑性环。
3、断电锻压，使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、裂纹的焊点。
图2点焊原理图
2.缝焊
缝焊的过程与点焊相似，只是以旋转的圆盘状滚轮电极代替柱状电极，将焊件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。
缝焊主要用于焊接焊缝较为规则、要求密封的结构，板厚一般在3mm以下。
图3缝焊原理图
3.对焊
对焊是使焊件沿整个接触面焊合的电阻焊方法。
（1）电阻对焊
电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。
电阻对焊主要用于截面简单、直径或边长小于20mm和强度要求不太高的焊件。
（2）闪光对焊
闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源，使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点，在大电流作用下，产生闪光，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。
闪光焊的接头质量比电阻焊好，焊缝力学性能与母材相当，而且焊前不需要清理接头的预焊表面。
闪光对焊常用于重要焊件的焊接。
可焊同种金属，也可焊异种金属；可焊0.01mm的金属丝，也可焊20000mm的金属棒和型材。
电阻焊接的品质是由以下4个要素决定的：
⒈电流；2.通电时间；3.加压力；4.电阻顶端直径。
图4闪光对焊原理图
4.凸焊
凸焊是点焊的一种变型形式；在一个工件上有预制的凸点，凸焊时，一次可在接头处形成一个或多个熔核。
图5凸焊原理图
（二）超声波焊
金属材料的超声波焊接是利用超声频率（超过16KHz）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。
金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将框框振动能量转变为工作间的摩擦功、形变能及有限的温升。
焊接特点：
接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接，因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象。
超声波焊接金属方法主要使用点焊。
点焊：
A、将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。
B、对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果，可同时点焊多点。
图6超声波焊原理图
（三）摩擦焊
摩擦焊是在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法（见图3.1所示）。
摩擦焊通常由如下四个步骤构成：
1、机械能转化为热能；2、材料塑性变形；3、热塑性下的锻压力；4、分子间扩散再结晶。
图7摩擦焊
摩擦焊技术经过长年的发展，已经发展出很多种摩擦焊接的分类：
包括惯性摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊、搅拌摩擦焊等，而以搅拌摩擦焊应用较广。
1.搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊与常规摩擦焊一样，也是利用摩擦热作为焊接热源。
不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。
同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
焊接过程如图3.2所示。
在焊接过程中，工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相对移动。
焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。
图8搅拌摩擦焊
（四）扩散焊
扩散焊是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。
焊接特点：
影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度压力扩散时间和表面粗糙度。
在一定范围内焊接温度越高,原子扩散越快焊接温度一般为材料熔点的0.5～0.8倍，一般在0.7倍的时候效果最好。
根据材料类型和对接头质量的要求，扩散焊可在真空、保护气体或溶剂下进行，其中以真空扩散焊应用最广，这是因为在真空状态下，焊接过程中焊接界面的气体会被吸到真空中。
为了加速焊接过程、降低对焊接表面粗糙度的要求或防止接头中出现有害的组织，常在焊接表面间添加特定成分的中间夹层材料,其厚度在0.01毫米左右。
扩散焊可与其他热加工工艺联合形成组合工艺，如热耗-扩散焊、粉末烧结-扩散焊和超塑性成形-扩散焊等。
这些组合工艺不但能大大提高生产率，而且能解决单个工艺所不能解决的问题。
如超音速飞机上各种钛合金构件就是应用超塑性成形-扩散焊制成的扩散焊的接头性能可与母材相同，特别适合于焊接异种金属材料、石墨和陶瓷等非金属材料、弥散强化的高温合金、金属基复合材料和多孔性烧结材料等。
图9扩散焊原理图
（五）电磁焊
电磁焊是利用由线圈感应产生的脉冲电磁压力进行焊接的。
当高压充电电源给脉冲储能电容器充电后，接通高压间隙放电开关，则电容向线圈快速放电，产生一瞬时、高压的电磁力，该力迫使焊件高速撞击另一个焊件，当条件（如压力或速度）满足时，则可使两焊件焊在一起（如图5.1所示）。
图10电磁焊
焊接特点：
（1）焊接过程很短，瞬间（30～100us）即可完成，且无污染；
（2）可焊接异种金属，即使两金属的晶体结构和性能差别很大；（3）可使金属材料和非金属材料进行连接或焊接；（4）一般可在常温（即冷态）下进行，且焊接过程无显明的温升，故可保持材料的原有性能；（5）比爆炸焊安全，且简单易行；（6）能量易精确控制，重复性好，故容易实现机械化和自动化；（7）兼有电磁成形和爆炸焊的一些特点。
工艺流程：
待焊面的表面处理（物理的或化学的）→焊接→后序处理，如热处理、性能及质量检查等。
该工艺的要求：
（1）待焊表面应认真清理，使其干净和无污染；
（2）材料应具有良好的导电性和耐冲击性能；（3）为了有利于射流的形成，应有初始接触角存在；（4）表面处理后应立即进行焊接，否则会因处理过的表面上重新形成吸附层和氧化层，而增加焊接难度，甚至无法焊接。
四、固态焊接方法的应用
（一）惯性摩擦焊的应用
惯性摩擦焊作为一种先进的焊接工艺，已成为先进航空发动机的压气机转子及涡轮部件的主要焊接工艺。
为了降低成本，减轻重量，先进航空发动机的压气机转子已基本采用焊接连接代替螺栓连接。
这是因为采用焊接结构后，省去了大量的盘与盘之间的连接紧固件，并且减少了转子在螺栓孔处的截面尺寸。
同时，采用焊接连接后，还可以消除应力集中的螺栓孔，
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