特种焊接技术

特种焊接方法

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。

一、电子束焊

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”。

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。

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。

电子束焊的常用接头：对接、角接、T形接、搭接和端接。

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。

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。

二、激光焊

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。

优点：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。

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。

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。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。

三、扩散焊

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。

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。

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。

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。。

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

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。

四、摩擦焊

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。

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。

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