其他压力焊方法发展现状

其他压力焊方法发展现状
压力焊（Pressure Welding），焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法，主要由电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、爆炸焊、冷压焊、旋弧焊和磁力脉冲焊等组成。

0 引言
压力焊是焊接科学技术的重要组成之一，广泛应用于航空、航天、能源、电子、车辆及轻工等部门。

统计资料表明，用压力焊完成的焊接量，每年约占世界总焊接量的1/3，并有继续增加的趋势。

为了适应新材料、新工艺、新产品在工业上开发应用的需要，近年来，国内外在压力焊焊接接头形成理论、焊接质量监控技术、焊接新工艺及新设备的开发和新材料焊接等方面作了大量工作。

鉴于压力焊专委会在焊接学会中的分工，本文仅就电阻焊和摩擦焊技术的新发展作一综述压力焊（Pressure Welding），焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法，主要由电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、爆炸焊、冷压焊、旋弧焊和磁力脉冲焊等组成。

1 摩擦焊技术新发展
摩擦焊（Friction Welding），是在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法，主要由连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、三体摩擦焊和摩擦堆焊等组成。

摩擦焊是一种优质、高效、节能、无污染的固相连接方法。

1.1 搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）
FSW是英国焊接研究所（TWI）1991年推出的一项专利技术，其原理见图1。

即焊接开始时，高速旋转的搅拌头上的特形指棒钻入工件的接缝处，造成其与工件摩擦生热，使被焊金属成塑性状态并搅拌金属形成一个旋转空腔，旋转空腔随摩擦头向前移，被挤出的塑性金属填入先前形成的空腔，冷却后即形成致密的焊缝。

在整个焊接过程中，空腔的产生与填满连续进行，焊缝区金属经历着被挤压、摩擦生热、塑性变形、转移、扩散以及再结晶等。

(a) 搅拌摩擦焊原理(b) 搅拌头上的特形指棒(c) 焊接现场
图1 搅拌摩擦焊（FSW）
搅拌摩擦焊的优点：
（1）可焊接板材及多种接头形式（对接、角接、搭接和T形接头等），可进行不同位置（平焊、立焊、仰焊和俯焊等）焊接。

（2）可用于焊接熔焊时有一定难度的材料，如铝合金、钛合金及铜铝、钢铝、钢铜、热固性塑料/热塑性塑料等异种材料。

同时，也可焊接厚度变化材料、多层材料。

锻造与铸造材料之间的焊接等。

（3）焊缝质量高，接头中不发生热裂纹、气孔等缺陷，接头力学性能优异。

例如，与氩弧焊相比焊接2×××系列铝合金，其接头强度提高15%~20%，延伸率提高100%，断裂韧度提高30%。

同时，焊接变形小，甚至长焊缝变形也不大，残余应力很低。

（4）焊接成本低。

焊前准备要求低，允许接缝有薄氧化膜及附着杂质；不需焊后处理；无需填充材料和保护气体等；
（5）焊接过程无熔化、无飞溅、无烟尘、低噪声，是一环保型的节能连接技术。

搅拌摩擦焊的缺点主要是，施焊时焊件需刚性固定，需要有背垫，焊缝尾部有匙孔等，这些使FSW的工艺柔性受到限制。

鉴于FSW具有诸多显著的优点，近年来该技术及其工程应用的开发进展很快，英国TWI、美国爱迪生焊接研究所（EWI）、德国Stuttgart大学、瑞典ESAB公司、中国的北京航空工艺研究所等均作了大量工作，主要集中在：
（1）建立FSW模型。

例如，英国剑桥大学的H.R.Shercliff、美国EWI的Z.Feng等开发了一种模拟FSW热过程的加热模型，利用该模型可以快速准确地计算出焊接工艺参数，更好地了解该工艺的加热和接合机理；国内学者汪建华等人提出了一个基于三维热弹塑性有限元分析的传热和力学计算模型，利用该模型可以了解FSW过程中温度场，并首次预测了焊后的残余应力和变形。

（2）改变搅拌头形状和材质，以适应不同材料焊接的需要。

（3）发展复杂接头形式的FSW技术，通过旋转工件、采用数控式机器人以用于环状焊缝、非线性焊缝和三维焊缝。

（4）发展轻质镁合金，以及镁合金与铝合金的焊接技术，开发在汽车行业的应用。

搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）是FSW中的特定形式，是针对汽车铝结构车身的连接而进行开发研究的。

FSSW装置安装在机器人臂上，施焊时由机器人臂移到要焊部位，夹紧臂下降夹紧要焊的板，然后搅拌头下降进行焊接，焊接结束后松开夹紧臂，整个装置由机器人臂移到新的点焊位置，工作过程和完成的焊点如图2所示。

图2搅拌摩擦点焊（FSSW）
（a）FSSW装置（b）FSSW焊点外观（c）FSSW焊点横截面
FSSW焊点实际上有一段长度L（mm，D是该板材电阻点焊时焊点直径，d是特形指棒直径），试验表明，AA6061-T4板材的FSSW焊点表面光滑，内部无缺陷，有较好的静载和动载强度。

1.2 线性摩擦焊（Linear Friction Welding, LFW）
LFW焊接过程如图3所示：摩擦副中的一侧工件被一对往复机构驱动着相对于另一侧被夹紧的工件表面作相对运动，并在其轴向施加压力下，随着摩擦运动的进行，摩擦表面被清理并产生摩擦热，摩擦表面的金属逐渐达粘塑性状态并产生变形，形成飞边。

然后，停止往复运动并施加顶锻力，完成焊接。

图3线性摩擦焊示意图
线性摩擦焊的优点：
（1）可焊接方形、圆形、多边形截面的金属或塑料工件。

配合合适的工夹具还可焊接更不规则的构件，如叶片与涡轮盘的焊接（图4）。

（2）固态焊接，金属不熔化和热影响区窄；低应力和小变形，高完整性；焊缝的结构强度与弹性性能与基体金属相同。

（3）焊接过程可完全机械和自动控制，可靠性高（图5）。

因此，可实现一次焊接多零件，亦可用于生产线上。

目前，已用LFW焊接不锈钢、铝、钛和镍合金，甚至金属间化合物（—TiAl）以及异种金属。

剑桥焊接研究所已经在研究采用LFW技术制造整体叶轮，并实现航空发动机轮毂与发动机体的整体焊接。

西北工业大学开展了整体叶盘LFW焊接过程中温度场、应力场的计算机数值模拟及焊接过程的拟实分析与验证实验等工作。

图4 LFW焊接的整体叶盘图5LinFricTM型线性摩擦焊机
2 扩散焊技术新发展
扩散焊（diffusion welding）是将两被焊工件紧压在一起，真空或保护气氛中加热，使两焊
接表面微观凸凹不平处产生塑性变形达到紧密接触，再经保温原子相互扩散而形成牢固的冶金连接的一种焊接方法。

2.1 随着扩散焊的发展和工艺方法的多样化，为了加速焊接过程和降低对焊接表面制备质量的要求，常在两焊接表面中间加一层很薄的，容易变形的，促进扩散的材料，即中间扩散层。

有时，中间扩散层与母材通过固态扩散形成少量液相，填充缝隙而形成接头，这就是所谓的瞬时液相扩散焊。

扩散焊是在热压焊的基础上吸收了钎焊的某些优点而发展起来的，具有下列优点。

1．焊接温度一般为0.4~0.8倍的母材融化温度，因此，排除了由于融化给母材带来的影响。

从而适合于焊接用融化焊难于焊接，或易受到严重损害的材料，如弥散强化的高温合金和纤维强化的复合材料等。

2．可焊接各种不同种类的材料，包括金属与非金属等冶金物理性能上差别极大的材料。

3．可焊结构复杂，封闭型焊缝；厚薄相差悬殊，要求精度很高的各种工件。

4．根据需要可使接头的成分组织和母材均匀化，接头的性能与母材相同。

但是，由于扩散焊要求焊接表面十分平整光洁并能均匀加压，因而，使用范围受到一定限制。

2.2 发展概况
由于扩散焊有以上的优点，因此，再发展初期就受到过内外的重视。

在20~30年的时间内就成为了日臻成熟与完善的焊接方法，解决了一批现代尖端科学技术部门的焊接难题。

在苏联，扩散焊已发展为一种高生产率的，并在700多个企业中获得广泛应用的焊接工艺。

到80年代初投入使用的焊机有8000多台，成功得解决了600多组不同种类材料的焊接问题。

每年的经济收益已达到几千万卢布。

再美国，扩散焊在尖端科学技术部门起着十分重要的作用。

70年代研究成功的瞬时液相焊和超速性成型一扩散焊，不但大大开拓了扩散焊的适用范围，促进了本身的发展，而且解决了弥散强化的高温合金涡轮叶片超音速飞机中钛合金构件的焊接。

使钛合金在宇航工业中的应用取得了一个重要突破，获得了重大的经济效益。

我国50年代末期才开始对扩散焊的研究，70年代建立了许多专用扩散焊机，目前已有几十个单位在从事研究与应用工作，并取得了一批可喜的成果。

大型超高真空扩散焊机，钛—陶瓷静电加速管和钛合金飞机构件等一系列产品的试制成功标志着我国扩散焊已发展到一个较高水平，只是目前应用尚不及苏美普遍。

3超声波焊技术发展
超声波焊（uetrasonic welding）利用超声波的高频振荡能，对焊件接头进行局部加热和表面处理，同时施加压力实现焊接的一种压焊方法。

金属超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件引入高温热源，只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及随后不限的温升。

接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的。

因而是一种固态焊接。

3.1超声波焊的种类
常见的金属超声波焊可分为点焊、环焊、缝焊及线焊。

1．点焊
点焊机的振动系统可根据上声极振动状况分为纵向振动（轻型结构）系统、弯曲振动（重型结构）系统以及介于二者的轻型弯曲振动系统等几种。

轻型结构用于功率小于500W的小型点焊机。

重型结构适用于千瓦级大功率焊机。

轻型弯曲振动系统则适用于中小功率焊机，它兼不两振动系统的诸多优点。

2．环焊
用环焊方法可以一次形成封闭形焊缝，采用的是扭转振动系统。

焊接时焊盘扭转，振动
的振幅相对于声极轴线呈对称线性分布，轴心区振幅为零，焊盘边缘振幅最大。

显然环焊最适用于微电子器件的封装工艺。

有时环焊也用于对气密要求特别高的直线焊缝场合，这时候可以采用部分重叠环焊方法，形同缝焊以获得连续地直线焊缝。

由于环焊的面积较大，需要较大的功率输入，因此常常采用多换能器驱动方式。

3．缝焊
缝焊机的振动系统按其焊盘的振动状态可分为；a）纵向振动系统；b）弯曲振动系统；c）扭转振动系统等几类。

其中a）及b）两种较为常用。

其焊盘的振动方向与焊接方向垂直。

而c）的振动方向则与焊接方向平行。

缝焊可以获得密封的连续焊缝。

通常工件被夹持在上、下焊盘之间。

在特殊情况下可采用平板式下声极。

4．线焊
线焊可以看成是点焊方法的一种延伸。

现在已经可以通过线状上声极上次获得150mm长的线状焊缝。

这种方法最适用于箔片的线状封口。

3.2优缺点及其应用范围
1）可适用于多种组合材料的焊接，很少有其它焊接方法具有如此广泛的可焊的材料组合范围。

2）由于是一种固相焊接方法，因而不会对半导体等材料引起高温污染及损伤。

微电子器件中，半导体硅片金属细丝（Au、Ag、Al、Pt、Ta）的精密焊接是超声波焊接方法最重要，最成功的一个应用领域。

3）容易焊接高热导率及高电导率的材料。

金、银、铜、铝等材料在电阻点焊中是比较难焊的，但是在使用超声波焊接时，这些金属成为最容易焊接的几种材料。

4）与电阻点焊相比较，耗用功率仅为电阻点焊的5%左右。

焊件变形小于3-5%。

焊点强度及强度稳定性平均提高约15－20％。

5）对工件表面的清洁度要求不高，允许少量的氧化膜及油污等存在。

甚至可以焊接带漆及聚合物薄膜的金属。

根据这一特点，近年来发展了先胶后点焊的超声波胶点焊方法。

金属超声波焊的一个主要缺点是焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，因而只限用于丝，箔，片等薄件。

此外，虽然近年来已发明了超声波对焊方法，但绝大多数情况下超声波焊只适用于搭接接头。

4 爆炸焊技术发展
爆炸焊（explosive welding）是以炸药为能源进行金属间焊接的方法。

这种焊接是利用炸药的爆轰，使被焊金属面发生高速倾斜碰撞，在接触面上造成一薄层金属的塑性变形，在此十分短暂的冶金过程中形成冶金结合。

爆炸焊接现象人们在弹片与靶子的撞击中早已观察到了。

但最早记入文献的是美国的卡尔。

1957年，美国的费列普捷克成功地实现了铝和钢的爆炸焊接。

50年代末，国外开始了系统的研究。

60年代中期以后，美、英、日等国先后开始了爆炸焊接产品的商业性生产。

我国是60年代末和70年代初开始试验及生产的。

20年来，爆炸焊已逐渐地应用于国民经济的一些部门。

爆炸焊的特点是：
1）能将任意相同的、特别是不同的金属材料迅速和固地焊接起来。

2）工艺十分简单，容易掌握。

3）不需要厂房、不需要大型设备和大量高效投资。

4）不仅可以进行点焊和线焊，而且可以进行面焊－爆炸复合，从而获得大面积的复合板、复合管和复合管棒等。

5）能源为低焊速的混合炸药，它们价廉、易得、安全和使用方便。

5 磁力脉冲焊技术发展
磁力脉冲焊（magnetic-pulse welding）依靠被焊工之间脉冲磁场相互作用而产生冲击的结果，来实现金属之间的连接，它的作用原理与爆炸焊相似。

磁力脉冲焊在要求焊接接头组织和性能接近于母材的场合下尤为合理。

目前，它可以焊接薄壁管材，异种金属铜-铝铝-不锈钢锆-不锈钢等。

磁力脉冲焊的主要缺点是：被焊金属应有良好的导电率。

同时，焊件应有高的强度及能承受焊接过程中的高压力。

6 旋弧焊技术发展
旋弧焊（rotating arc welding）两工件对接端面间的电弧，在磁场中做高速旋转运动，电弧的高温使端面加热熔化并使其邻近区域达到足够的塑性状态，迅速加压顶锻形成牢固接头的一种压焊法。

旋弧焊出现于1959年，70年代后期得到迅速发展，主要用于焊接圆形或异形断面的管子，管—板接头：汽车减震器传动轴方形管等多种零件，所焊材料可以是低碳钢奥氏体钢铜和铝等。

目前已能焊接直径为325*9毫米的钢管。

旋弧焊的特点
（1）旋弧焊具有明显的节能优点。

一般说，旋弧焊的电源功率仅为其他压焊方法的5-10%。

（2）旋弧焊具有高的生产率。

焊接时间通常是其它压焊方法的10-20%。

（3）顶锻力小，仅为其它压焊方法的20-25%。

简化了设备，减小了零件长度上的缩短量，不仅节约材料，并使零件长度上误差易于控制。

另外，旋弧焊还具有：三相供电电网负荷均衡；焊接中无大量火花喷溅，改善了劳动条件，设备安装紧凑；无高速机械旋转部分，降低造价和可进行异形截面和有相对位置要求的零件焊接。

存在的主要问题：旋弧焊受到对工件加热均匀度的限制，管壁厚度一般在5毫米以下。

可以认为，旋弧焊在与闪光对焊摩擦焊等方法的竞争中，其优势将日趋明显。

此外，还有许多其它压焊方法，诸如常温压焊气压焊冰压焊热压焊水击焊等。