固態(tài)焊接技術(shù)要點(diǎn)

1、【中文摘要】焊接技術(shù)水平是一個國家機(jī)械制造和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，越來越多的焊接技術(shù)發(fā)展并應(yīng)用于各個領(lǐng)域， 焊接技術(shù)的 發(fā)展和應(yīng)用直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能， 隨著焊接技術(shù)的日趨成熟，在此基礎(chǔ) 上一些新的焊接技術(shù)也誕生，比如本文所要談的固態(tài)焊接技術(shù)。本文主要介紹現(xiàn)階段固態(tài)焊接技術(shù)的現(xiàn)狀,以及在材料科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生的固態(tài)焊接技術(shù)在一些科技領(lǐng)域的具體應(yīng)用,并通過對各種固態(tài)焊接方法的原理進(jìn)行分析揭示其各自的優(yōu)越性及其應(yīng)用工況,最后對固態(tài)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望【關(guān)鍵詞】固態(tài)焊接技術(shù) 工藝 材料 發(fā)展趨勢應(yīng)用目錄一、焊接技術(shù)的發(fā)展歷史1二、固態(tài)焊接技術(shù)4（一）材料

2、科學(xué)的發(fā)展 4（二）固態(tài)焊接技術(shù)的概念5（三）固態(tài)焊接技術(shù)的形式6三、固態(tài)焊接技術(shù)的原理及特點(diǎn) 6（一）電阻焊6（二）超聲波焊8（三）摩擦焊8（四）擴(kuò)散焊9（五）電磁焊10四、固態(tài)焊接技術(shù)的應(yīng)用 11（一）慣性摩擦焊的應(yīng)用 11（二）線性摩擦焊的應(yīng)用12（三）擴(kuò)散焊的應(yīng)用13五、固態(tài)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢 14六、參考文獻(xiàn)16七、致謝18一、焊接技術(shù)發(fā)展史19世紀(jì)80年代，焊接只用于鐵匠鍛造上。工業(yè)化的發(fā)展和兩次世界大戰(zhàn)的爆 發(fā)對現(xiàn)代焊接的快速發(fā)展產(chǎn)生了影響。 基本焊接方法一電阻焊、氣焊和電弧焊都 是在一戰(zhàn)前發(fā)明的。但20世紀(jì)早期，氣體焊接切割在制造和修理工作中占主導(dǎo)地 位。過些年后，電焊得到了同

3、樣的認(rèn)可。（一）電阻焊首例電阻焊要追溯到1856年o James Joule （ Joule加熱原理發(fā)明者）成功 用電阻加熱法對一捆銅絲進(jìn)行了熔化焊接。第1臺電阻焊機(jī)用于對接焊。1886年,英國的Elihu Thomson造出了第1個焊接變壓器并在來年為此項工藝申請了專利。 該變壓器在2V空載電壓時能產(chǎn)生200A電流輸出。此后，Thomson又發(fā)明了點(diǎn)焊 機(jī)、縫焊機(jī)、凸焊機(jī)以及閃光對焊機(jī)，后來點(diǎn)焊成為電阻焊最常用的方法，如今 已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)和對其它許多金屬片的焊接上。1964年，Unimation生產(chǎn)的首批用于電阻點(diǎn)焊的機(jī)器人在通用汽車公司使用。（二）氣焊19世紀(jì)末，一種氧乙炔火焰的氣焊

4、在法國出現(xiàn)了。大約在1900年,Edmu ndFouche和Charles Picard 造出了第一支焊炬。實(shí)驗證明焊炬發(fā)出的火焰炙熱， 大約在3100. C以上。后來焊炬成為了焊接切割鋼時的重要工具。早在英國的EdmundDavy發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳化物在水中分解時能產(chǎn)生一種可燃性氣體 之前就發(fā)現(xiàn)了乙炔氣體。當(dāng)乙炔燃燒時，其亮無比，這一點(diǎn)成為它的主要用途。 然而，在傳輸使用乙炔時經(jīng)常發(fā)生爆炸。 人們發(fā)現(xiàn)丙酮能溶解大量乙炔，尤其是 壓力增加時。1896年, Le Chatelier發(fā)明了一種安全的方法儲存乙炔。那就是在圓瓶內(nèi)使用丙酮和多孔石來儲存乙炔。 其他許多國家利用這項法國發(fā)明儲存乙 炔。但時有報道在

5、傳輸過程中發(fā)生爆炸。瑞典人 Gustaf Dahlen改變了滲透物的 成分，成功做到了讓乙炔100液全。（三）電弧焊1810年，Humphrey Davy在電路的兩極造了一個穩(wěn)定的電弧-電弧焊的基 礎(chǔ)。在1881年的巴黎“首屆世界電器展”上，俄羅斯人 Nikolai Ben ardos 展示 了一種電弧焊的方法。他在碳極和工件間打出一個弧。填充金屬棒或填充金屬絲 可以送進(jìn)這個電弧并熔化。那時他是法國Cabot實(shí)驗室的學(xué)生，和他的朋友Stanislav Olszewski 一道于1885年至1887年間在幾個國家得到了專利權(quán)。該專 利展示了早期電極夾，參見圖2。到19世紀(jì)末和20世紀(jì)上半葉，碳弧

6、焊越來越流 行。Benardos, Nicolai Slavianoff的同胞進(jìn)一步完善了這一焊接法。1890年,他用金屬棒代替碳棒作為電極并獲得專利。電極熔化，從而充當(dāng)熱源和填充金屬。但是，焊縫不能隔絕空氣，質(zhì)量問題也接踵而來。瑞典人Oscar Kjellberg在使用該方法修理船上的蒸汽鍋爐時注意到焊接金屬上到處都是氣孔和小縫，這樣的話根本不可能讓焊縫防水。為了改善這種方法，他發(fā)明了涂層焊條，于1907 年6月29日獲得專利（瑞典專利號27152）。質(zhì)量改善后，電焊技術(shù)得到突破，現(xiàn) 在也能應(yīng)用于工業(yè)。這家電焊公司（ESAB瑞典語首字母縮略）作為一家輪船修 理公司于1904年9月 12日成立

7、。此后，在20世紀(jì)30年代，又發(fā)明了不少新焊接法。 直到那時，所有的金屬電弧焊都是通過手工焊的方法完成的。人們不斷嘗試用連續(xù)絲讓該工藝自動化。最成功的發(fā)明是埋弧焊，在這種焊接方法中，電弧埋在一 層粒狀熔劑里。氣體保護(hù)電弧焊早在1890年就由C. L. Cofin獲得了專利。但在二戰(zhàn)期間， 航空業(yè)需要找到焊接鎂和焊接鋁的方法。1940年,在美國，用隋性氣體保護(hù)電弧 的實(shí)驗開展得如火如荼。通過使用鎢電極，不用熔化電極也可以打出電弧。 這樣 的話，不管有沒有填充金屬都可以進(jìn)行焊接。這種方法現(xiàn)在稱為TIG焊接（鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊）。過些年以后，用連續(xù)放入金屬絲作為電極的MIG焊接工藝（熔化極惰性氣

8、體保護(hù)電弧焊）出現(xiàn)了。起初，保護(hù)氣體為隋性氣體氦或氬。因為CO更容易找到（活性氣體保護(hù)電弧焊MAG丄yubavskii和Novoshilov成功使用了它。他們使用“浸沾轉(zhuǎn)移”法減少了由產(chǎn)生激烈的飛濺引起的一些問 題。到那時為止，我們今天使用的大多數(shù)焊接工藝都已發(fā)明。接下來又出現(xiàn)了其他一些焊接法，諸如激光束焊和攪拌摩擦焊，兩者都是由英國焊接學(xué)會發(fā)明的。（四）焊接電源19世紀(jì)末以前沒有出現(xiàn)電焊的理由之一就是缺乏合適的電源。 18世紀(jì)末期， 意大利人Volta 和Galvani成功發(fā)現(xiàn)了電流。1831年,Michael Faraday創(chuàng)立了 變壓器和電機(jī)原理，這是對電源的重要發(fā)展。首批焊接實(shí)驗的開展

9、是通過不同類型的方法來解決焊接電源的。1801年,HumphreyDavy先生在首批電弧實(shí)驗中使用電池作為電源。Benardos在碳弧焊實(shí)驗中使用一臺22馬力的蒸汽機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)，用150個電池來發(fā)電。單是電池的 總重量就達(dá)到2400kg。1905年，德國AEG公司生產(chǎn)了焊接發(fā)電機(jī)。它由三相異步電動機(jī)驅(qū)動，其特 性適合焊接，重1000kg,電流250A直流電直到20世紀(jì)20年代才適合用于電弧焊。 焊接變壓器很快變得受歡迎，因為它的價格較便宜，消耗能源相對較少。20世紀(jì)50年代末，固體焊接整流器問世。最初使用的是硒整流器，接著很快 出現(xiàn)了硅整流器。此后，硅可控整流器的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了電子控制焊接電流。

10、這些整 流器現(xiàn)在都普遍使用，尤其是用于大型焊接電源。焊接逆變器的出現(xiàn)是在電源上 最引人注目的發(fā)展。伊薩首個逆變器模型造于1970年。但是逆變器在1977年以前 沒有普遍用于工業(yè)。1984年，伊薩推出140A “Caddy'牌逆變器，重量只有8kg。（五）先進(jìn)的焊接工藝等離子焊接出現(xiàn)時，實(shí)驗證明它是更集中、更炙熱的能源，利用它可以提高 焊接速度，減少線能量。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的激光電子束焊接也與之有相似的好 處。質(zhì)量提高，容差減小，超過了以前可能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。對新材料和不同金屬組 合都能進(jìn)行焊接。電子束狹窄，要求必需使用機(jī)械化設(shè)備。從1964年起，機(jī)器人就已經(jīng)用于電阻焊。大約10年后出現(xiàn)

11、電弧焊機(jī)器人。電 動機(jī)器人可以設(shè)計得非常精確，達(dá)到熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊焊接的要求。最 初，機(jī)器人內(nèi)輸入的焊接數(shù)據(jù)和手工焊使用的焊接數(shù)據(jù)是相同的。人們進(jìn)行了許多嘗試來提高熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊工藝的生產(chǎn)力。加拿大人John Church使用了快速送絲速度和由4種成分組成的保護(hù)氣體來做此嘗試。工藝相似，仍然 使用同樣的焊接設(shè)備，但卻有可能讓焊接速度提高一倍。 在同一熔池內(nèi)使用兩根 焊絲的焊接法一一雙絲焊或雙芯焊，實(shí)驗證明更富有成效。最新高效焊接法是混 合焊這種方法結(jié)合了兩種不同的工藝。 激光熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊混合 焊是最有發(fā)展前景的。這種焊接速度極快，熔深大。機(jī)械化焊接打開了投入到新應(yīng)

12、用中去的大門。 窄間隙焊既節(jié)省時間，又節(jié)省 耗材，減少了熱影響區(qū)焊接的變形。起初使用的是熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊工 藝，后來也使用埋弧焊和鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊。1980年前后，伊薩把重型埋 弧焊、窄間隙焊設(shè)備運(yùn)往了前蘇聯(lián)Volgadonsk。1992年，TWI獲得攪拌摩擦焊專 利權(quán)。這種焊接法對鋁很適用。鋁不用熔化就能接合并形成高質(zhì)量接合點(diǎn)。 該工 藝不使用耗材，能源消耗少，它的另一個好處就是對環(huán)境影響小。 此工藝非常簡 單有效，是20世紀(jì)最重要的焊接創(chuàng)新之一。二、固態(tài)焊接技術(shù)(一) 發(fā)展背景材料科學(xué)(materials scienee)是研究材料的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和 使用效能，以及

13、它們之間相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是多學(xué)科交叉與結(jié)合的結(jié)晶， 是一門與工程技術(shù)密不可分的應(yīng)用科學(xué)。人類社會的發(fā)展歷程，是以材料為主要標(biāo)志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進(jìn)行加工，使之成為器皿 和精致的工具，從而進(jìn)入新石器時代。新石器時代后期，出現(xiàn)了利用粘土燒制的 陶器。人類在尋找石器過程中認(rèn)識了礦石， 并在燒陶生產(chǎn)中發(fā)展了冶銅術(shù)，開創(chuàng) 了冶金技術(shù)。公元前5000年，人類進(jìn)入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使 用鑄鐵，從而進(jìn)入了鐵器時代。隨著技術(shù)的進(jìn)步，又發(fā)展了鋼的制造技術(shù)。18世紀(jì)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)中葉

14、，現(xiàn)代平爐和轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的出現(xiàn)，使人類真正進(jìn)入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、 鋅也大量得到應(yīng)用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世并得到應(yīng)用。直到20世紀(jì)中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導(dǎo)地位。20世紀(jì)中葉以后，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展， 作為發(fā)明之母和產(chǎn)業(yè)糧食的新材料又出現(xiàn)了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應(yīng)用。先后出現(xiàn)尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等 塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。 僅半個世紀(jì)時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅(qū)，并在年產(chǎn) 量的體積上已超過了鋼，成為國民經(jīng)濟(jì)、國防尖端科學(xué)和高科技領(lǐng)域不可缺少的 材料。其次是陶

15、瓷材料的發(fā)展。陶瓷是人類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備工藝的發(fā)展， 使陶瓷材料產(chǎn)生了一 個飛躍，出現(xiàn)了從傳統(tǒng)陶瓷向先進(jìn)陶瓷的轉(zhuǎn)變，許多新型功能陶瓷形成了產(chǎn)業(yè)， 滿足了電力、電子技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展和需要。結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，推動了功能材料的進(jìn)步。20世紀(jì)初，開始對半導(dǎo)體材料進(jìn) 行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導(dǎo)體等，使電子 技術(shù)領(lǐng)域由電子管發(fā)展到晶體管、 集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路。半導(dǎo) 體材料的應(yīng)用和發(fā)展，使人類社會進(jìn)入了信息時代?，F(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了金屬、非金屬無機(jī)材料和高分子材料之間 的密切聯(lián)系，從而出

16、現(xiàn)了一個新的材料領(lǐng)域復(fù)合材料。復(fù)合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強(qiáng)體，可獲得比單一材料更優(yōu)越的性能。 復(fù)合材 料作為高性能的結(jié)構(gòu)材料和功能材料， 不僅用于航空航天領(lǐng)域，而且在現(xiàn)代民用 工業(yè)、能源技術(shù)和信息技術(shù)方面不斷擴(kuò)大應(yīng)用。（二）固態(tài)焊接技術(shù)的概念固態(tài)焊接，顧名思義、簡而言之即：非熔化焊接、非機(jī)械連接、非膠接連接。隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，新型金屬材料、陶瓷材料、 復(fù)合材料、有序金屬間化合物和功能材料等需求的日益增長， 在其構(gòu)件的制造過 程中，不可避免地存在著結(jié)構(gòu)分離面和工藝分離面， 故當(dāng)它們作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用 時，會遇到大量同質(zhì)材料、異質(zhì)材料乃至多層材料的連接問題

17、。由于新材料所具有的優(yōu)異特性或功能，以及在極限工作條件下對焊接接頭的 成份、組織、性能和可靠性壽命等提出的極為苛刻的要求，已經(jīng)很難、甚至不可 能采用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)作為它們的連接工藝。這樣，就使得更多的人對固態(tài)焊接 技術(shù)的產(chǎn)品，有了廣泛的需求。固態(tài)焊接技術(shù)（包括摩擦焊接、擴(kuò)散焊接、爆炸 焊接、超聲波焊接、熱壓焊接等）最重要的技術(shù)優(yōu)勢是在被焊接材料不熔化的條 件下，通過加熱、加壓和塑性流變使接觸界面高度激活、相互擴(kuò)散和動態(tài)再結(jié)晶 而形成連接，其接合區(qū)為鍛造組織。因此，固態(tài)焊接這種特有的熱力耦合作用過 程對被焊接材料原有的組織結(jié)構(gòu)、理化性能所造成的焊接損傷和破壞性影響最 小，連接接頭的可靠性壽命最高

18、，這些都是其它傳統(tǒng)的熔化焊接、 機(jī)械連接和膠 接工藝所不能比擬的。通過與材料技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、過程仿真技術(shù)、 無損檢測技術(shù)的相互滲透融合，在先進(jìn)材料、機(jī)電一體化及先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中， 當(dāng)前，固態(tài)焊接這一在國際、國內(nèi)有著 40余年歷史，歷經(jīng)不斷發(fā)展、不斷成熟、 日臻完美的傳統(tǒng)技術(shù)正在以全新的面貌展示在人們面前。（三）固態(tài)焊接技術(shù)的形式固態(tài)焊接方法指兩塊被焊材料在固態(tài)下（無熔池）通過接觸面上的擴(kuò)散和再 結(jié)晶過程達(dá)到牢固結(jié)合的一種方法。焊接特點(diǎn)：固態(tài)焊接方法不發(fā)生原子熔化再形核，這樣就可以避免一些相變 的發(fā)生，減少焊接界面處一些化合物的形成， 從而最大程度上增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)

19、 度。常見的固態(tài)焊接方法：電阻焊、超聲波焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊、電磁焊等。三、固態(tài)焊接技術(shù)的原理及特點(diǎn)（一）電阻焊電阻焊是將被焊工件壓緊于兩電極之間， 并施以電流，利用電流流經(jīng)工件接 觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)， 使之形成金屬結(jié) 合的一種方法。電阻焊方法主要有四種，即點(diǎn)焊、縫焊、凸焊、對焊。圧力圖1電阻焊原理圖1點(diǎn)焊點(diǎn)焊是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩柱狀電極之間，利用電阻熱熔化 母材金屬，形成焊點(diǎn)的電阻焊方法。點(diǎn)焊主要用于薄板焊接。點(diǎn)焊的工藝過程：1、預(yù)壓，保證工件接觸良好。2、通電，使焊接處形成熔核及塑性環(huán)。3、斷電鍛壓，使熔核在壓力繼續(xù)作用下冷卻結(jié)晶，形成組織致

20、密、無縮孔、 裂紋的焊點(diǎn)。圖2點(diǎn)焊原理圖2.縫焊縫焊的過程與點(diǎn)焊相似，只是以旋轉(zhuǎn)的圓盤狀滾輪電極代替柱狀電極， 將焊 件裝配成搭接或?qū)咏宇^，并置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓焊件并轉(zhuǎn)動，連續(xù) 或斷續(xù)送電，形成一條連續(xù)焊縫的電阻焊方法。縫焊主要用于焊接焊縫較為規(guī)則、要求密封的結(jié)構(gòu)，板厚一般在3mm以下。圖3縫焊原理圖3. 對焊對焊是使焊件沿整個接觸面焊合的電阻焊方法。(1) 電阻對焊電阻對焊是將焊件裝配成對接接頭， 使其端面緊密接觸，利用電阻熱加熱至 塑性狀態(tài)，然后斷電并迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。電阻對焊主要用于截面簡單、直徑或邊長小于20mm和強(qiáng)度要求不太高的焊 件。(2) 閃光對焊閃光對焊

21、是將焊件裝配成對接接頭， 接通電源，使其端面逐漸移近達(dá)到局部 接觸，利用電阻熱加熱這些接觸點(diǎn)，在大電流作用下，產(chǎn)生閃光，使端面金屬熔 化，直至端部在一定深度范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定溫度時，斷電并迅速施加頂鍛力完成焊接的方法。閃光焊的接頭質(zhì)量比電阻焊好，焊縫力學(xué)性能與母材相當(dāng)，而且焊前不需要 清理接頭的預(yù)焊表面。閃光對焊常用于重要焊件的焊接。 可焊同種金屬，也可焊 異種金屬；可焊0.01mm的金屬絲，也可焊20000mm的金屬棒和型材。電阻焊接的品質(zhì)是由以下4個要素決定的：1電流；2.通電時間；3.加壓力；4. 電阻頂端直徑。PIAr t v v >- v , v r 圖4閃光對焊原理圖4.凸焊凸焊

22、是點(diǎn)焊的一種變型形式；在一個工件上有預(yù)制的凸點(diǎn)，凸焊時，一次可 在接頭處形成一個或多個熔核。圖5凸焊原理圖（二）超聲波焊金屬材料的超聲波焊接是利用超聲頻率（超過16KHZ）的機(jī)械振動能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法。金屬在進(jìn)行超聲波焊接時，既不向工 件輸送電流，也不向工件施以高溫?zé)嵩矗皇窃陟o壓力之下，將框框振動能量轉(zhuǎn) 變?yōu)楣ぷ鏖g的摩擦功、形變能及有限的溫升。焊接特點(diǎn)：接頭間的冶金結(jié)合是母材不發(fā)生熔化的情況下實(shí)現(xiàn)的一種固態(tài)焊 接，因此它有效地克服了電阻焊接時所產(chǎn)生的飛濺和氧化等現(xiàn)象。超聲波焊接金屬方法主要使用點(diǎn)焊。點(diǎn)焊： A、將二片塑膠分點(diǎn)熔接無需預(yù) 先設(shè)計焊線，達(dá)到熔接目的。B、對

23、比較大型工件，不易設(shè)計焊線的工件進(jìn)行分點(diǎn)焊接，而達(dá)到熔接效果，可同時點(diǎn)焊多點(diǎn)JE水平方向焊頭焊接區(qū)茨焊底/圖6超聲波焊原理圖（三）摩擦焊摩擦焊是在壓力作用下，通過待焊工件的摩擦界面及其附近溫度升高， 材料 的變形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴隨著材料產(chǎn)生塑性流變，通過 界面的分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)焊接的固態(tài)焊接方法（見圖3.1所示）。摩擦焊通常由如下四個步驟構(gòu)成：1、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能；2、材料塑性變形；HMJi 力3、熱塑性下的鍛壓力；4、分子間擴(kuò)散再結(jié)晶。圖7摩擦焊摩擦焊技術(shù)經(jīng)過長年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出很多種摩擦焊接的分類：包括慣性摩擦焊、徑向摩擦焊、線性摩擦焊、軌道摩擦焊、攪拌摩擦焊

24、等，而以攪拌摩擦 焊應(yīng)用較廣。1.攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊與常規(guī)摩擦焊一樣，也是利用摩擦熱作為焊接熱源。不同之處在 于，攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。 同時對材料進(jìn)行攪拌摩擦來完成焊接的。 焊接過程如圖3.2所示。在焊接過程中， 工件要剛性固定在背墊上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)邊沿工件的接縫與工件相對移動。焊 頭的突出段伸進(jìn)材料內(nèi)部進(jìn)行摩擦和攪拌， 焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并 用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時可以起到清除表面氧化膜的作用。圖8攪拌摩擦焊（四）擴(kuò)散焊擴(kuò)散焊是將焊件緊密貼合，在一定溫

25、度和壓力下保持一段時間， 使接觸面之 間的原子相互擴(kuò)散形成聯(lián)接的焊接方法。焊接特點(diǎn)：影響擴(kuò)散焊過程和接頭質(zhì)量的主要因素是溫度壓力擴(kuò)散時間和表 面粗糙度。在一定范圍內(nèi)焊接溫度越高，原子擴(kuò)散越快焊接溫度一般為材料熔點(diǎn) 的0.50.8倍，一般在0.7倍的時候效果最好。根據(jù)材料類型和對接頭質(zhì)量的要 求，擴(kuò)散焊可在真空、保護(hù)氣體或溶劑下進(jìn)行，其中以真空擴(kuò)散焊應(yīng)用最廣，這 是因為在真空狀態(tài)下，焊接過程中焊接界面的氣體會被吸到真空中。為了加速焊接過程、降低對焊接表面粗糙度的要求或防止接頭中出現(xiàn)有害的 組織，常在焊接表面間添加特定成分的中間夾層材料，其厚度在0.01毫米左右。擴(kuò)散焊可與其他熱加工工藝聯(lián)合形成組

26、合工藝，如熱耗 -擴(kuò)散焊、粉末燒結(jié)-擴(kuò)散 焊和超塑性成形擴(kuò)散焊等。這些組合工藝不但能大大提高生產(chǎn)率，而且能解決單個工藝所不能解決的問 題。如超音速飛機(jī)上各種鈦合金構(gòu)件就是應(yīng)用超塑性成形 -擴(kuò)散焊制成的擴(kuò)散焊 的接頭性能可與母材相同，特別適合于焊接異種金屬材料、石墨和陶瓷等非金屬19材料、彌散強(qiáng)化的高溫合金、金屬基復(fù)合材料和多孔性燒結(jié)材料等。焊件真嚴(yán)嚴(yán)系統(tǒng)I庶壬查音源網(wǎng)靈圖9擴(kuò)散焊原理圖（五）電磁焊電磁焊是利用由線圈感應(yīng)產(chǎn)生的脈沖電磁壓力進(jìn)行焊接的。當(dāng)高壓充電電源給脈沖儲能電容器充電后，接通高壓間隙放電開關(guān)，則電容向線圈快速放電，產(chǎn) 生一瞬時、高壓的電磁力，該力迫使焊件高速撞擊另一個焊件，當(dāng)條件

27、（如壓力 或速度）滿足時，則可使兩焊件焊在一起（如圖5.1所示）。圖10 電磁焊焊接特點(diǎn)：（1）焊接過程很短，瞬間（30100 us）即可完成，且無污染；（2） 可焊接異種金屬，即使兩金屬的晶體結(jié)構(gòu)和性能差別很大；（3）可使金屬材料和 非金屬材料進(jìn)行連接或焊接；（4） 一般可在常溫（即冷態(tài)）下進(jìn)行，且焊接過程 無顯明的溫升，故可保持材料的原有性能；（5）比爆炸焊安全，且簡單易行；（6） 能量易精確控制，重復(fù)性好，故容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化；（7）兼有電磁成形和 爆炸焊的一些特點(diǎn)。工藝流程：待焊面的表面處理（物理的或化學(xué)的）焊接后序處理，如熱 處理、性能及質(zhì)量檢查等。該工藝的要求：（1待焊表面應(yīng)認(rèn)

28、真清理，使其干凈 和無污染；（2）材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性和耐沖擊性能；（3）為了有利于射流的 形成，應(yīng)有初始接觸角存在；（4）表面處理后應(yīng)立即進(jìn)行焊接，否則會因處理過 的表面上重新形成吸附層和氧化層，而增加焊接難度，甚至無法焊接。四、固態(tài)焊接方法的應(yīng)用（一）慣性摩擦焊的應(yīng)用慣性摩擦焊作為一種先進(jìn)的焊接工藝，已成為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子 及渦輪部件的主要焊接工藝。為了降低成本，減輕重量，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子已基本采用焊接連 接代替螺栓連接。這是因為采用焊接結(jié)構(gòu)后，省去了大量的盤與盤之間的連接緊 固件，并且減少了轉(zhuǎn)子在螺栓孔處的截面尺寸。同時，采用焊接連接后，還可以 消除應(yīng)力集中的螺栓孔

29、，提高轉(zhuǎn)子的剛性，改進(jìn)轉(zhuǎn)子的平衡性，提高發(fā)動機(jī)的工 作穩(wěn)定性。目前，慣性摩擦焊與電子束焊均被應(yīng)用于轉(zhuǎn)子的焊接，但慣性摩擦焊更具 有優(yōu)勢。因為慣性摩擦焊屬于固態(tài)焊接過程， 焊縫及熱影響區(qū)組織好，可焊接異 種金屬，焊接過程中不易造成漏焊，缺陷極少（6 c以上的質(zhì)量水平）。但慣性 摩擦焊設(shè)備的一次性投入較高。慣性摩擦焊自出現(xiàn)之后就在各大航空發(fā)動機(jī)公司得到廣泛應(yīng)用。GE公司在20世紀(jì)60年代中期開始研發(fā)慣性摩擦焊技術(shù)，并使其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)件的焊接；在 60年代后期，慣性摩擦焊就得到了批產(chǎn)。 GE公司的航空發(fā)動機(jī)重要轉(zhuǎn)動件幾乎 全部都采用慣性摩擦焊焊接。如 GE公司為波音787開發(fā)的新一代發(fā)動機(jī)GEnx 其

30、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用慣性摩擦焊焊接。又如由GE與P&W聯(lián)合開發(fā)的發(fā)動機(jī)GP7200用于世界上最大的飛機(jī) A380,其高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子也采用慣性摩擦焊焊 接。同樣，GE90的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子也采用了慣性摩擦焊焊接。慣性摩擦焊的應(yīng)用使GE公司獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。例如，CF6發(fā)動機(jī)的39級壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，原為整體鍛件，重413kg,改為2個鍛件經(jīng)慣性摩擦焊連接后，重量降至300kg。 GE90的風(fēng)扇盤在最初設(shè)計時為 Ti17的整體鍛件，后也改為由3個Ti17鍛件經(jīng) 慣性摩擦焊連接，大大降低了制造成本。另外，GE與 SNECM共同開發(fā)的CFM56發(fā)動機(jī)的12級壓氣機(jī)盤和49級壓氣機(jī)盤的連接、低壓渦輪軸

31、與盤的連接都采 用了慣性摩擦焊。P&W 公司同時采用慣性摩擦焊和電子束焊，電子束焊用于一般轉(zhuǎn)動件， 慣性摩擦焊用于工作溫度高、轉(zhuǎn)速快、受力大的重要轉(zhuǎn)動件。RR公司則在60年代后期開始研究慣性摩擦焊，但在 Trent系列發(fā)動 機(jī)中一直采用電子束進(jìn)行焊接。隨著高溫合金向更高耐溫能力的方向發(fā)展，采用電子束焊接已越來越困難。近幾年，慣性摩擦焊在R-R公司得到了快速發(fā)展，并逐漸成為Trent后續(xù)衍生機(jī)型盤軸的主要焊接方法。R-R公司現(xiàn)已裝備了 2000t的慣性摩擦焊設(shè)備，用于焊接高壓壓氣機(jī)鼓筒。隨著壓氣機(jī)壓比及出口溫 度的進(jìn)一步增加，壓氣機(jī)后幾級需要采用耐溫能力更高的材料，如粉末合金。慣性摩擦焊

32、同樣可以用于這類新材料的焊接，RR公司研制的Trent1000發(fā)動機(jī)的渦輪后短軸（Inco718合金）和粉末合金渦輪盤（RR1000粉末合金）就采用了 慣性摩擦焊。同時，R-R公司已將Inco718與U720Li, Inco718與粉末合金等 異種材料的慣性摩擦焊工藝列入了相應(yīng)的材料工藝標(biāo)準(zhǔn)中。（二）線性摩擦焊的應(yīng)用近年來，關(guān)于線性摩擦焊的研究較多，開展了復(fù)雜型面的焊接、鑄件與鍛件 的焊接、渦輪單晶或定向合金葉片的焊接等。但迄今為止，線性摩擦焊在航空發(fā) 動機(jī)上最主要的應(yīng)用是整體葉盤的焊接。整體葉盤是新一代航空發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的核心部件，也是高效、低油耗航空發(fā)動機(jī)所要采用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

33、在大型客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)發(fā)動機(jī)中 的風(fēng)扇、壓氣機(jī)部位使用整體葉盤，可以達(dá)到減重、增效、簡化零件結(jié)構(gòu)和提高 可靠性的目的。對于空心風(fēng)扇葉片與風(fēng)扇盤的連接， 為了進(jìn)一步減輕重量，也可 以采用線性摩擦焊制備成整體葉盤； 對軍用航空發(fā)動機(jī)來說，尤為適用，并且線 性摩擦焊是空心葉片與盤連接的唯一可行的方法。與傳統(tǒng)的葉盤分離結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤有兩大優(yōu)勢。一是在結(jié)構(gòu)上，整體葉盤由于省去了榫槽，減輕了重量，并可進(jìn)一步縮小壁厚，重量減輕達(dá)50%，大大提高了燃油效率。二是葉盤分離結(jié)構(gòu)中的榫槽在服役過程中易磨蝕， 采用整體 葉盤可以避免榫槽磨蝕和修復(fù)的問題。整體葉盤的制備方法包括機(jī)械加工方法和線性摩擦焊方法。采用機(jī)械

34、加工制 備整體葉盤是將鍛件直接進(jìn)行機(jī)械加工而成；采用線性摩擦焊方法是將單個的葉 片逐個焊接到輪盤上，雖然焊接后也需要機(jī)械加工，但與機(jī)械加工制備整體葉盤 相比，加工余量要少得多。具體采用哪種方法制備整體葉盤還要從成本上考慮， 機(jī)械加工的成本主要取決于去除的材料量，線性摩擦焊制備整體葉盤的成本主要 取決于葉片的數(shù)量，因此，最適合用線性摩擦焊制備的整體葉盤應(yīng)具有相對少的 葉片數(shù)量，并且葉片之間的材料去除量大。一般來說，當(dāng)整體葉盤的葉片尺寸超 過100mm以上時，較適宜采用線性摩擦焊方法制備。GEnx發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)前兩級采用了線性摩擦焊制備的整體葉盤結(jié)構(gòu)， CF34的后繼機(jī)型（NG34）的風(fēng)扇也準(zhǔn)備

35、采用線性摩擦焊制備整體葉盤。R R公司采用線性摩擦焊制備了 EJ200及聯(lián)合攻擊機(jī)JSF發(fā)動機(jī)的整體葉盤。線性摩擦焊也可應(yīng)用于整體葉盤的修復(fù)。整體葉盤在服役過程中，可能受到 高溫高速氣流的沖蝕，及可能的外物撞擊，葉片不可避免地出現(xiàn)點(diǎn)坑、裂紋、葉 片掉角、葉片卷邊甚至斷裂等損傷。由于整體葉盤是一體式結(jié)構(gòu)，損傷葉片的更 換非常困難，而如果更換整個整體葉盤則面臨高昂的費(fèi)用和生產(chǎn)周期。整體葉盤的修復(fù)技術(shù)已成為制約整體葉盤應(yīng)用的關(guān)鍵。 線性摩擦焊作為整體葉盤單個葉片 的修理工藝，于20世紀(jì)80年代中期開發(fā)，作為一種重要的修復(fù)技術(shù)，可以替 換損傷的單個葉片，是一種方便且實(shí)用的修復(fù)方法。R R公司采用線性摩

36、擦焊技術(shù)開展了整體葉盤的修復(fù)研究，并申請了線性摩擦焊修復(fù)整體葉盤的專利。（三）擴(kuò)散焊的應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)中，擴(kuò)散焊最成功的應(yīng)用是與超塑成形Superplastic Formi ng結(jié)合使用，制備鈦合金空心風(fēng)扇葉片。由于鈦合金的擴(kuò)散焊與超塑成型的溫度在 同一溫度區(qū)間，風(fēng)扇葉片復(fù)雜的幾何形狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以在一個制造過程中完 成。大型寬弦風(fēng)扇葉片是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)典型部件之一。 R R公司采用SPF/DW方法制造鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片已有 20年的歷史，將其用于Trent系列及RB211發(fā)動機(jī)。采用SPF/DW方法制造鈦合金空心風(fēng)扇葉片后，與實(shí)心風(fēng)扇葉片 相比，每臺份發(fā)動機(jī)可減重約50kg，并且還可以進(jìn)

37、一步減輕包容機(jī)匣及風(fēng)扇盤 的重量。P&W公司由于在F119發(fā)動機(jī)中成功采用擴(kuò)散焊制備空心風(fēng)扇葉片，以 及采用線性摩擦焊制備整體葉盤，被美國焊接學(xué)會授予杰出開發(fā)獎Outsta ndingDevelopment in Welded Fabrication Award ）。目前，我國已能生產(chǎn) 4層鈦合金超 塑成型/擴(kuò)散連接風(fēng)扇導(dǎo)流葉片，并具備了研制大型寬弦風(fēng)扇葉片的基礎(chǔ)和能力。五、固態(tài)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，焊接已從簡單的構(gòu)件連接方法和毛坯制造手段發(fā)展成 為制造行業(yè)中一項生產(chǎn)尺寸精確的產(chǎn)品的生產(chǎn)手段。因此，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的 穩(wěn)定性和提高勞動生產(chǎn)率已成為焊接生產(chǎn)發(fā)展的急待解決的

38、問題。下面舉例重點(diǎn)說明一下。在機(jī)械制造業(yè)中不少過去一直用整鑄整鍛方法生產(chǎn)的大型毛坯改成了焊接 結(jié)構(gòu)，這大大簡化了生產(chǎn)工藝，降低了成本。許多尖端技術(shù)如宇航、核動力等如 果不采用焊接結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。焊接在整個工業(yè)中的地位還可以從 這樣一個事實(shí)來判斷，即世界主要工業(yè)國家每年生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)約占鋼產(chǎn)量的 45%左右，焊接結(jié)構(gòu)之所以有如此迅速的發(fā)展是因為它具有一系列優(yōu)點(diǎn)。下面舉 例說明一下：（一）與鉚接相比它可以節(jié)省大量金屬材料，大約可減輕15-20%的金屬材料，因為它不需要輔 助材料，比如角鋼、平板，更不需要鉚釘，而且柳接件經(jīng)過很長時間以后有可以 會松動，影響質(zhì)量，但焊接絕是不可能的，雖然只

39、有一道焊縫，但它屬于原子結(jié) 核，所以能夠充分的解決一切問題。 其次焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)不需打孔，劃線的工作量 也比較少，因此比較省工、省時間，工作效率當(dāng)然就要高多了。（二）與鑄件相比焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)不需要制作木模和砂型， 也不需要專門熔煉，澆鑄，工序簡單, 生產(chǎn)周期短。這一點(diǎn)對于單件和小批量生產(chǎn)特別明顯， 換句話說，和鑄件相比就 是特別的節(jié)省時間也就是工作效率高， 其次，焊接結(jié)構(gòu)比鑄件節(jié)省材料，一般情 況下，它比鑄鋼輕20-30%以上，比鑄鐵件輕50-60%,這主要是因為焊接結(jié)構(gòu)的 截面可以按設(shè)計的需要來選取，不必象鑄件那樣因工藝的限制而加大尺寸。因為 液體要想讓它流動的好充分到位， 就必須要有較大的空間，這勢必會用到更多的 金屬材料?，F(xiàn)代焊接技術(shù)自誕生以來一直受到諸學(xué)科最新發(fā)展的直接影響與引導(dǎo)， 眾所 周知受材料，信息學(xué)科新技術(shù)的影響，不僅導(dǎo)致了數(shù)十種焊接新工藝的問世， 而 且也使得焊接工藝操作正經(jīng)歷著手工焊到自動焊， 自動化，智能化的過渡，這已 成為公認(rèn)的發(fā)展趨勢。在今天焊接作為一種傳統(tǒng)技術(shù)又面臨著 21世紀(jì)的挑戰(zhàn)。一方面，材料作為 21世紀(jì)的支柱