特种焊接技术

特种焊接技术是指除焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等传统焊接方法之外的非常规焊接方法，主要包含电子束焊、激光焊等先进的高能束流焊接方法及扩散焊、摩擦焊、高频焊、超声波焊、爆炸焊、变形焊等固相焊接方法。高能束流焊是指利用高能量密度的束流，高能束流功率密度在10～10W/cm2范围内。高能束流焊接被誉为21世纪最具有发展前景的焊接技术。

1、（1）电子束焊（EBW）是指在真空或非真空环境中，利用汇聚的高速电子流轰击焊件接缝处所产生的热能，使被焊金属融合的一种焊接方法。电子束焊由一般熔焊方法的“热导焊”转变为“穿孔焊”。

（2）优点：焊缝深宽比大；焊接速度快、焊缝组织性能好；焊接变形小；焊缝纯度高、接头质量好；工艺适应性强；可焊材料多；再现性好；可简化加工工艺。

缺点：设备复杂，一次性投资大，费用较昂贵；电子束焊要求接头位置准确，间隙小而且均匀，焊前对接头加工、装配要求严格、真空电子束焊接时，被焊工件尺寸和形状受到工作室的限制、容易受杂散电磁场干扰，影响焊接质量、焊接是产生X 射线，需要操作人员严格防护。

电子束焊的分类：高真空电子束焊、低真空电子束焊、非真空电子束焊。高真空电子束焊的真空度为10～10Pa，低真空的真空度为10～10Pa，非真空在真空条件（≤10Pa）下产生的。

电子束焊的应用：一般熔焊能焊的金属都可以采用电子束焊，此外还能焊接稀有金属、活性金属、难熔金属和非金属陶瓷等。也可焊接物理性能差异较大的异种金属。焊接厚板时无需开坡口和填充金属，亦可焊厚度相差悬殊的焊件，可以焊接内部需保持真空度的密封件、靠近热敏元件的焊件、形状复杂且精密的零部件，也可以同时施焊具有两层或多层接头的焊件，这种接头层与层之间可以间隔几十毫米。

（3）电子枪高压型60～150kv，电子束焊机中用以产生电子并使之汇聚成电子束的装置称为电子枪。电子枪是电子束焊的核心部件，主要有阴极、阳极、栅极和聚焦线圈组成，电子枪有二级枪和三级枪之分，现在多采用三级电子枪。

（4）电子束焊的常用接头：对接、角接、T形接、搭接和端接。

（5）电子束焊的主要焊接参数及选择：加速电压（影响熔深）、电子束电流、焊接速度、聚焦电流和工作距离。这些参数直接影响到焊缝的熔深和几何形状。

（6）长空洞及焊缝中裂纹都是深熔透电子束焊接时所特有的缺陷，降低焊接速度，改进材质有利于消除此类缺陷。

2、（1）激光焊（LBW）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密的焊接方法。与传统焊接方法比较具有能量密度高、穿透力强、精度高、适用性强等优点。

（2）特点：①激光束功率密度高，加热速度快，热影响区窄，焊接应力

和变形小，容易实现深熔焊和高速

焊，适用于精密焊接和微细焊接。②

焊缝熔深比大。③适应于常规焊接方

法难以焊接的材料、如难熔金属、热

敏感性强的材料以及热物理性能、尺

寸和体积差异悬殊的工件间焊接，也

用于非金属材料的焊接。④可借助反

射镜使光束达到一般焊接方法无法

施焊的部位。⑤可穿过透明介质对密

闭容器内的工件进行焊接，如焊接置

于玻璃密封容器内的合金等剧毒

材料。⑥激光束不受电磁干扰，不存

在X射线防护问题，也不需要真空保

护。

缺点：①激光焊难以焊接反射

率较高的材料。②对焊件加工、组装、

定位要求相对较高。③设备一次性投

资较大。

（3）按激光对工件的作用方式，

激光焊可分为脉冲激光焊和连续激

光焊。根据实际作用在工件上的功率

密度，激光焊分为传热焊、深熔焊。

数千瓦的高功率CO2激光器的出现，

开辟了激光应用于焊接的新纪元。

激光焊设备主要有激光器、光

束传输、聚焦系统、焊枪、工作台、

电源控制装置、气源、水源、操作盘、

数控装置等组成。激光器是产生受激

辐射光并将其放大的装置，是激光焊

接设备的核心部分。根据激光器中工

作物质的形态分为固体、液体和气体

激光器。

（4）脉冲激光焊时，每个激光脉

冲在焊件上形成一个焊点。焊件是由

点焊或由点焊搭接成的缝焊方式实

现连接的。由于其加热斑点很小，主

要用于微型、精密元件、一些微电子

元件的焊接。

（5）连续激光焊的焊接参数：激

光功率、焊接速度、光斑直径、离焦

量、保护气体。

激光—压力复合焊特点：接

头强度高、焊接速度快、生产效率高。

3、（1）扩散焊（DFW）是将紧密接触

的焊件置于真空或保护气氛中，并在

一定温度和压力下保持一段时间，使

接触界面间原子相互扩散而实现可

靠连接的一种固相焊接方法。尤其是

对于熔焊方法难以焊接的材料，扩散

焊具有明显的优势。

（2）特点：①可以在不降低被焊

材料性能的情况下焊接几乎所有的

金属或非金属，特别适合于熔焊和其

他焊接方法难以焊接的材料。适应新

能好，焊接可靠。②接头质量好，其

显微组织与母材接近或相同，在焊缝

中不存在熔焊缺陷、过热组织和热影

响区。焊接参数易于精确控制，在批

量生产时接头质量和性能稳定。③焊

件精度高、变形小，焊件整体塑性变

形很小，焊后的工件一般不再进行机

械加工。④可以焊接大断面工件。⑤

可以焊接结构复杂、接头不易接近以

及厚薄相差较大的工件，能对组装件

中许多接头同时实施焊接。

缺点：①焊件表面的制备和装配

质量较高，特别对接合表面要求严

格。②焊接热循环时间长，生产率低。

③设备一次性投资大，且焊接工件的

尺寸受到设备的限制，无法进行连续

式批量生产。

中间层材料特点：①容易发生塑

性变形，含有加速扩散的元素，如Be、

B、Si。②与母材的物理化学性能接

近，且不与母材发生不良冶金反应，

如产生脆性相与共晶相。③不会在结

合处引起电化学腐蚀。

（3）中间层的选用：可采用箔、

粉末、镀层、离子喷射和喷涂层等多

种形式。

（4）阻焊剂具有的性能：①熔点

或软化点应高于焊接温度。②具有较

好的高温化学稳定性，在高温下不与

焊件、夹具或压头发生化学反应。③

不释放有害气体污染附近的待焊接

表面，不破坏保护气氛或真空度。。

（5）扩散焊焊接参数：焊接温度、

焊接压力、保持时间、气氛环境。焊

接温度：提高加热温度还会造成母材

软化，扩散焊温度大都在0.6~0.8Tm

（Tm为母材的熔点，异种材料焊接时

Tm为熔点较低一侧母材的熔点），最

适合的温度一般取接近0.7 Tm。而一

般情况下压力为10~30MPa。

（6）扩散焊接设备一般包括：加热

系统、加压系统、保护系统、控制系

统。常采用感应加热或电阻加热方法

对焊件进行局部或整体加热。高频感

应扩散焊焊接设备采用高频电源加

热。扩散焊所施加的压力范围为

1~100MPa。

正负离焦：工件表面在焦点以内

时为负离焦，与焦点的距离为负离焦

量；反之为正离焦。

4、（1）摩擦焊（FW）是利用焊件接

触的端面相对运动中相互摩擦所产

生的热，使端面达到热塑性状态，然

后迅速顶锻，完成焊接的一种固相焊

接方法。

（2）摩擦焊的分类：一是根据焊

件的相对运动形式分类；二是按焊接

过程的工艺特点分类。

（3）常规摩擦焊方法：连续驱动

摩擦焊（最常用）、惯性摩擦焊（又

称储能焊焊前先将飞轮、主轴系统和

旋转架头上的焊件加速到预定的转

速，然后，主轴电动机和飞轮脱开或

断电。同时，另一个焊件向前移动、

接触并施加轴向压力，开始摩擦加热

过程）、相位摩擦焊、径向摩擦焊、

摩擦堆焊、线性摩擦焊、嵌入式摩擦

焊、超塑性摩擦焊、第三体摩擦焊。

（4）摩擦焊特点：①焊接质量好

且稳定；②适焊材料范围广；③焊接

时间短，生产率高；④焊件尺寸精度

高、成本低；⑤机械化、自动化程度

高；⑥焊机功率小、节能、无污染。

（5）传统摩擦焊焊接过程的一个

周期可分为摩擦加热过程和顶锻焊

接过程两部分。摩擦加热过程又可分

为四个阶段：①初始摩擦阶段；②不

稳定摩擦阶段；③稳定摩擦阶段；④

停车阶段；顶锻焊接过程也可分为纯

顶锻和顶锻维持两个阶段。

（6）连续驱动摩擦焊焊接参数：

①转速与摩擦压力；②摩擦时间；③

摩擦变形量；④停车时间；⑤顶锻压

力。

（7）搅拌摩擦焊的焊接过程及特

点：搅拌摩擦焊是利用摩擦热作为焊

接热源的一种固相焊接方法，但与常

规摩擦焊有所不同。首先将焊件牢牢

地固定在工作平台上，然后，搅拌焊