收藏词条 编辑词条 焊接
创建时间：2008-08-02
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焊接(卷名：机械工程)
welding
通过加热或加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接时可以填充或不填充焊接材料。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。可焊的工件小至微型电子元件，大到数千吨的海洋钻井平台。
简史
古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝制造的铁刃铜钺，是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线蜿蜒曲折，接合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。经分析，所用钎料含铅58.48％、锡36.88％、铜0.23％、锌0.19％，与现代软钎料成分相近。战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》一书记载：中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧;用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上分段煅焊大型船锚。中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器。古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。
19世纪初，英国的H.戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源。1885～1887年，俄国的H.H.别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳。1900年出现了铝热焊。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用。同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段。电弧焊从20年代起成为一种重要的焊接方法。在此期间，美国的P.诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成自动电弧焊机，是焊接机械化、自动化的开端。1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，焊接机械化得到进一步发展。40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。1951年苏联巴顿电焊研究所创造电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。1953年，苏联的К.Β.柳巴夫斯基等人发明二氧化碳气体保护焊，促进了气体保护电弧焊的应用和发展，如出现了混合气体保护焊、药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。1957年美国R.盖奇发明等离子弧焊。40年代德国和法国发明的电子束焊，也在50年代得到实用和进一步发展。60年代又出现激光焊。等离子、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。
1887年，美国的E.汤普森发明电阻焊并用于薄板的点焊和缝焊。缝焊是压焊中最早的半机械化焊接方法，随着缝焊过程的进行，工件被两滚轮推送前进。20世纪20年代开始用闪光对焊焊接棒材和链条。至此电阻焊进入实用阶段。1956年，美国的J.B.琼斯发明超声波焊;苏联的Α.И.丘季科夫发明摩擦焊。1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊。50年代末苏联制成真空扩散焊设备。
焊接工艺
金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊3大类。
熔焊
在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法(图1)。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。为了提高质量，人们研究出各种保护方法。例如，气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护焊接时的电弧和熔池。又如钢材焊接，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。焊缝两侧的热影响区是受焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。焊接时因工件材料、焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。这就需要调整焊接条件。焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后需要消除焊接应力，矫正焊接变形。机械工程中，以熔焊中的电弧焊应用最广。
压焊
在加压条件下使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊。当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。
钎焊
使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散而实现焊接的方法。
焊接接头
焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头。接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接(正交接)和角接等（图2）。
对接接头焊缝的横截面形状决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接常优先采用对接接头的焊接。
搭接接头的焊缝称为角焊缝。承载时，角焊缝受到的应力很复杂，受外力方向的影响较大。正面角焊缝有严重的应力集中，会使接头的疲劳强度降低。侧面角焊缝受力时，沿焊缝长度的切应力呈两端高、中部低分布。焊缝越长，不均现象越严重。搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。设计时应避免在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作的结构中采用搭接接头。
采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝。这时焊缝表面形状会引起不同程度的应力集中；焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。
角接头承载能力低，一般不单独使用，只有在焊透时，或在内外均有角焊缝时才有所改善，多用于封闭形结构的拐角处。
焊接接头的强度计算分静强度和动强度两类。静强度计算有一些假定和简化。疲劳强度计算也采用与静强度计算相似的公式，只是许用应力不同，通常在行业设计规范中有规定，可参照选择。断裂力学在焊接结构强度计算中的应用，为焊接接头疲劳寿命计算提供了新的方法。随着海洋工程的发展，对焊接接头的设计还需要考虑应力腐蚀、腐蚀疲劳和随机疲劳等问题。
特点
焊接产品比铆接件（见铆接）、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加工工艺，焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。
应用
在石油化工、船舶、建筑、航空、航天、海洋工程各部门，焊接是主要的加工和联接手段。在石油化工方面已能焊成容量为10万米3的储罐和压力为100兆帕的高压容器。大容量核电站的压力壳，高13米、内径5米、重540吨，是用250～500毫米厚的锻件经焊接制成的。输油、输气管道在能源工程中占有重要位置，有时要穿过冻土地带或在海底敷设，都采用全焊结构(有时需要水下焊接和水下切割)。在造船方面，船体和内部结构也是全焊的，焊接工时占整个船体建造工时的30～40％。一条万吨船的焊缝总长达数十公里。在冶金方面，一个冷轧连轧车间有十几万米管道，全部需要用焊接连结起来，压焊还便于实现机械化，劳动条件较好，如点焊、缝焊广泛应用于航空、汽车工业和家用电器工业。堆焊是制造双金属的主要手段。焊接在重大设备修复工作中也是必不可少的。焊接已成为现代工业中一种不可缺少而且日益重要的加工工艺方法。
展望
在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45％，到2000年估计将达到50％。1980年，世界上用于焊接结构的钢材约为 4亿吨。铝和铝合金的焊接结构的比重也不断增加。在未来，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人（见工业机器人），可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。
参考书目
姜焕中等主编：《焊接方法及设备》，机械工业出版社，北京，1981。
American Welding Society，WeldingHandbook，7thed.，Vol. 5，AWS，New York，1976～1980.
J.F. Lancaster， Metallurgy of Welding，3rd ed.，George Allen & Unwin，London，1980.
孟广喆 苏毅 陈祝军
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焊接(卷名：机械工程)
welding
通过加热或加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接时可以填充或不填充焊接材料。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。可焊的工件小至微型电子元件，大到数千吨的海洋钻井平台。
简史
古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝制造的铁刃铜钺，是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线蜿蜒曲折，接合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。经分析，所用钎料含铅58.48％、锡36.88％、铜0.23％、锌0.19％，与现代软钎料成分相近。战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》一书记载：中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧;用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上分段煅焊大型船锚。中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器。古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。
19世纪初，英国的H.戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源。1885～1887年，俄国的H.H.别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳。1900年出现了铝热焊。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用。同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段。电弧焊从20年代起成为一种重要的焊接方法。在此期间，美国的P.诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成自动电弧焊机，是焊接机械化、自动化的开端。1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，焊接机械化得到进一步发展。40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。1951年苏联巴顿电焊研究所创造电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。1953年，苏联的К.Β.柳巴夫斯基等人发明二氧化碳气体保护焊，促进了气体保护电弧焊的应用和发展，如出现了混合气体保护焊、药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。1957年美国R.盖奇发明等离子弧焊。40年代德国和法国发明的电子束焊，也在50年代得到实用和进一步发展。60年代又出现激光焊。等离子、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。
1887年，美国的E.汤普森发明电阻焊并用于薄板的点焊和缝焊。缝焊是压焊中最早的半机械化焊接方法，随着缝焊过程的进行，工件被两滚轮推送前进。20世纪20年代开始用闪光对焊焊接棒材和链条。至此电阻焊进入实用阶段。1956年，美国的J.B.琼斯发明超声波焊;苏联的Α.И.丘季科夫发明摩擦焊。1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊。50年代末苏联制成真空扩散焊设备。
焊接工艺
金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊3大类。
熔焊
在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法(图1)。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。为了提高质量，人们研究出各种保护方法。例如，气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护焊接时的电弧和熔池。又如钢材焊接，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。焊缝两侧的热影响区是受焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。焊接时因工件材料、焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。这就需要调整焊接条件。焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后需要消除焊接应力，矫正焊接变形。机械工程中，以熔焊中的电弧焊应用最广。
压焊
在加压条件下使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊。当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。
钎焊
使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散而实现焊接的方法。
焊接接头
焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头。接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接(正交接)和角接等（图2）。
对接接头焊缝的横截面形状决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接常优先采用对接接头的焊接。
搭接接头的焊缝称为角焊缝。承载时，角焊缝受到的应力很复杂，受外力方向的影响较大。正面角焊缝有严重的应力集中，会使接头的疲劳强度降低。侧面角焊缝受力时，沿焊缝长度的切应力呈两端高、中部低分布。焊缝越长，不均现象越严重。搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。设计时应避免在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作的结构中采用搭接接头。
采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝。这时焊缝表面形状会引起不同程度的应力集中；焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。
角接头承载能力低，一般不单独使用，只有在焊透时，或在内外均有角焊缝时才有所改善，多用于封闭形结构的拐角处。
焊接接头的强度计算分静强度和动强度两类。静强度计算有一些假定和简化。疲劳强度计算也采用与静强度计算相似的公式，只是许用应力不同，通常在行业设计规范中有规定，可参照选择。断裂力学在焊接结构强度计算中的应用，为焊接接头疲劳寿命计算提供了新的方法。随着海洋工程的发展，对焊接接头的设计还需要考虑应力腐蚀、腐蚀疲劳和随机疲劳等问题。
特点
焊接产品比铆接件（见铆接）、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加工工艺，焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。
应用
在石油化工、船舶、建筑、航空、航天、海洋工程各部门，焊接是主要的加工和联接手段。在石油化工方面已能焊成容量为10万米3的储罐和压力为100兆帕的高压容器。大容量核电站的压力壳，高13米、内径5米、重540吨，是用250～500毫米厚的锻件经焊接制成的。输油、输气管道在能源工程中占有重要位置，有时要穿过冻土地带或在海底敷设，都采用全焊结构(有时需要水下焊接和水下切割)。在造船方面，船体和内部结构也是全焊的，焊接工时占整个船体建造工时的30～40％。一条万吨船的焊缝总长达数十公里。在冶金方面，一个冷轧连轧车间有十几万米管道，全部需要用焊接连结起来，压焊还便于实现机械化，劳动条件较好，如点焊、缝焊广泛应用于航空、汽车工业和家用电器工业。堆焊是制造双金属的主要手段。焊接在重大设备修复工作中也是必不可少的。焊接已成为现代工业中一种不可缺少而且日益重要的加工工艺方法。
展望
在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45％，到2000年估计将达到50％。1980年，世界上用于焊接结构的钢材约为 4亿吨。铝和铝合金的焊接结构的比重也不断增加。在未来，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人（见工业机器人），可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。
参考书目
姜焕中等主编：《焊接方法及设备》，机械工业出版社，北京，1981。
American Welding Society，WeldingHandbook，7thed.，Vol. 5，AWS，New York，1976～1980.
J.F. Lancaster， Metallurgy of Welding，3rd ed.，George Allen & Unwin，London，1980.
孟广喆 苏毅 陈祝军