第3章 其他焊接方法
常用的焊接方法包括手弧焊、气焊、埋弧自动焊、气体自动焊、电渣焊、电阻焊和钎焊。在金工焊接实习时，已经比较详细地介绍了手弧焊和气焊。上一节中又介绍了埋弧焊和气体保护焊。本节再介绍其他3种常用的焊接方法：电渣焊、电阻焊和钎焊，并把常用的焊接方法加以比较。还有一些较先进的焊接方法，如等离子弧焊、电子束焊、激光焊和摩擦焊等，应用还不是很广泛，本节将对它们作一简单介绍。
3.1 电渣焊
电渣焊是利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热加热熔化母材与电极（填充金属）的一种焊接方法。
3.1.1 电渣焊焊接过程
图4.3.1 电渣焊示意图
1—已凝固的焊缝金属 2—金属熔池 3—熔渣池
4—导电嘴 5—焊丝 6—水冷滑块 7—焊缝 8—母材
图4.3.1为电渣焊过程示意图。两个焊件处于垂直位置，相距25～35 mm（视焊件厚度而定），焊缝两侧装有铜滑块，并通入冷却水使焊缝强制冷却成形，在焊件下端加引入板和引弧板。开始焊接时，先在引弧板上撒一层焊剂，使焊丝和引弧板之间产生电弧，利用电弧热使焊剂熔化，从而形成一定深度的渣池；随即将焊丝迅速插入渣池，电弧熄灭，电弧过程转为电渣过程，依靠渣池的电阻热，不断使焊丝和焊件熔化，并沉积在渣池下面形成熔池。焊接过程中，不断送入焊丝，熔池和渣池逐渐上升（两边铜滑块随之上升），熔池下面相继凝固成焊缝。为保证焊缝质量，焊件上端事先装有引出板，以便引出渣池，获得完整焊缝。
3.1.2 电渣焊的特点
（1）焊接厚件时，生产率高、成本低
厚大截面焊缝一次焊成，生产率高。同时，可节省开坡口工时，节省焊接材料和焊接工时，电能消耗小，因而成本低。
（2）焊缝金属洁净
这是由于渣池机械保护好，空气不易进入，熔池存在时间长，低熔点夹杂物和气体易于上浮排除。
（3）热影响区大，晶粒较粗大
因电渣焊焊接速度慢，接头金属在高温停留时间长，过热现象较严重，引起接头力学性能降低，因此焊后需进行正火处理。
电渣焊主要用于厚壁压力容器纵缝的焊接，以及大型铸-焊、锻-焊或厚板拼接结构的制造。焊接厚度一般在40 mm以上。焊件材料常用碳钢、低合金钢、不锈钢等。电渣焊已在我国的水轮机、轧钢机、重型机械制造中得到广泛的应用。
3.2 电阻焊
电阻焊又称接触焊，是利用电流通过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热，把焊件加热到塑性状态或局部熔化状态，再在压力作用下形成牢固接头的一种压力焊接方法。
电阻焊可分为点焊、缝焊和对焊3种，如图4.3.2所示。
图4.3.2 电阻焊种类
电阻焊使用低电压（仅2～10 V）、大电流（几千至几万安），从而使焊接时间极短（百分之几秒到几十秒），具有生产率高、焊接变形小、劳动条件好，不需添加填充金属，易于自动化，乃至采用机器人操作。但设备复杂、耗电量大，对焊件厚度和截面形状有一定限制。
3.2.1 点焊
点焊是利用柱状电极通电加压在搭接的两焊件间产生电阻热，使焊件局部熔化，形成熔核（周围为塑性状态），将接触面焊成一个焊点的焊接方法。焊完一点，焊接下一个焊点时，有一部分电流会流经已焊好的焊点，称为点焊分流现象。分流将使焊接处电流减小，影响焊接质量，因此两焊点之间应有一定距离。工件厚度越大，材料导电性越好，分流现象越严重，点间距越应加大。
影响点焊质量的因素除了焊接电流、通电时间、电极压力等工艺参数外，焊件表面状态影响也很大。因此，点焊前必须清理焊件表面氧化物和油污等。
点焊主要用于厚度在4 mm以下薄板冲压壳体结构及钢筋的焊接，尤其是汽车和飞机制造中大量应用。目前，点焊厚度可从10μm（精密电子器件）至30 mm（钢梁框架）。每次焊一个点或一次焊多个点。
3.2.2 缝焊
缝焊过程与点焊相似，都属于搭接电阻焊。缝焊采用滚盘作电极，利用脉冲电流，边焊边滚，相邻两个焊点部分重叠，形成一条密封性的焊缝。因此，缝焊分流现象严重，一般只适合于焊接3 mm以下的薄板结构，如油箱、烟道焊接等。
3.2.3 对焊
对焊是对接电阻焊。按焊接过程不同，分为电阻对焊和闪光对焊。
（1）电阻对焊
电阻对焊的过程是：先加预压，使两焊件端面压紧，再通电加热，使待焊处达到塑性温度后，再断电加压顶锻，产生一定塑性变形而焊合。
电阻对焊操作简便，接头外形较圆滑，但对焊件端面加工和清理要求较高，否则接触面容易发生加热不均匀，容易发生氧化物夹杂，焊接质量不易保证。因此，电阻对焊一般仅用于截面简单，直径小于20 mm和强度要求不高的杆件。
（2）闪光对焊
闪光对焊的过程是：两焊件先加电压，再移动焊件使之接触，由于接触点少，其电流密度很大，接触点金属迅速达到熔化、蒸发、爆破，呈高温颗粒飞射出来，称为闪光；经过多次闪光加热后，端面均匀达到半熔化状态，同时多次闪光把端面的氧化物也清除干净了，于是断电加压顶锻，形成焊接接头。
闪光对焊的质量较高，对端面加工要求较低，常用于焊接重要零件。闪光对焊可焊相同的金属材料，也可以焊异种金属材料，如钢与铜、铝与铜等。闪光对焊可焊接直径0.01 mm的金属丝，也可以焊接截面积为0.1 m2的钢坯。
3.3 钎 焊
钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法。钎焊时要求两母材的接触面很干净，一般要使用钎剂（钎焊熔剂）。钎剂能去除氧化膜和油污等杂质，保护母材接触面和钎料不受氧化，并增加钎料润湿性和毛细流动性。
钎焊接头的质量在很大程度上取决于钎料。钎料应具有合适的熔点和良好的润湿性，能与母材形成牢固结合，得到一定的力学性能与物理化学性能的接头。钎焊按钎料熔点分为两大类：软钎焊和硬钎焊。
3.3.1 软钎焊
钎料熔点在450℃以下的钎焊称为软钎焊。常用钎料是锡铅钎料。常用钎剂是松香、氯化锌溶液等。软钎焊接头的强度低，工作温度低，主要用于电子线路的焊接。
3.3.2 硬钎焊
钎料熔点高于450℃的钎焊称为硬钎焊。常用钎料有铜基钎料和银基钎料等。常用钎剂由硼砂、硼酸、氯化物、氟化物等组成。硬钎焊接头强度较高，工作温度也较高，主要用于机械零、部件的钎焊。
钎焊的加热方法可以很多，如烙铁加热、气体火焰加热、各种炉子加热、电阻加热和高频加热等。
与一般熔化焊相比，钎焊的特点如下：
①钎焊过程中，工件加热温度较低，因此组织和力学性能变化很小，变形也小。接头光滑平整，工件尺寸精确。
②钎焊可以焊接性能差异很大的异种金属，对工件厚度也没有严格限制。
③对工件整体加热钎焊时，可同时钎焊由多条（甚至上千条）焊缝组成的复杂形状构件，生产率很高。
④钎焊设备简单，生产投资费用少。
但钎焊的接头强度较低，尤其动载强度低。钎焊构件的接头形式都采用板料搭接和套件镶接，如图4.3.3所示。这些接头都有较大的钎接面，以弥补钎料强度的不足。
图4.3.3 钎焊接头形式
钎焊不适于一般钢结构和重载动载机的焊接。钎焊主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属构件以及某些复杂薄板结构，如夹层结构、蜂窝结构等，也常用于钎焊各类导线与硬质合金刀具。
3.4 常用的焊接方法的比较和选用
制造焊接结构时，应选择合理的焊接方法，以获得符合质量要求的焊接接头，并且有较高生产率和较低成本。表4.3.1列出常用焊接方法的比较。
表4.3.1 常用焊接方法的比较
3.5 焊接新技术简介
图4.3.4 等离子切割示意图
1—冷却水 2—等离子气 3—电极
4—等离子弧 5—工件
3.5.1 等离子弧切割
等离子弧切割是先于等离子弧焊的一种新工艺，如图4.3.4所示。它的切割原理和氧气切割不同，它是利用能量密度高的高温高速的等离子流，将切割金属局部熔化并随即吹除，形成整齐的切口。因此，它能切割一般氧气切割所不能切割的金属，如不锈钢、铝、铜、钛、铸铁及钨、锆等难熔金属，也可用于切割花岗石、碳化硅、耐火砖、混凝土等非金属材料。
3.5.2 电子束焊接
电子束焊接方法（图4.3.5）属于高能密度焊接方法。其特点是焊接时的能量密度大，可以焊出宽度小、深度大的焊缝，热影响区以及焊接变形很小。电子束焊在真空中进行，焊缝受到充分保护，能保证焊缝金属的高纯度。
电子束焊以前多用于航空航天、核工业等部门，焊接活性材料及难熔材料。现已应用在汽车制造、工具制造等工业，如焊接汽车大梁及双金属锯条等。
3.5.3 激光焊接
激光焊接是利用原子受激辐射的原理，是工作物质受激而产生一种单色性好、方向性强、亮度高的光束。聚焦后的激光束能量密度极高，在千分之几秒甚至更短时间内，光能转变成热能，其温度可达104℃以上，极易熔化和汽化。各种对激光有一定吸收能力的金属和非金属材料，可以用来焊接和切割。
激光焊接的基本原理如图4.3.6所示。利用激光器产生的激光束，通过聚焦系统聚焦，形成十分微小且能量密度很高的焦点（光斑），当调焦到焊件接缝处时，光能转换成热能，将被焊部位的材料熔化而形成焊接接头。
图4.3.5 电子束焊原理
1—阴极 2—控制板 3—阳极
4—电磁透镜 5—电子束
6—聚焦束 7—工件 8—焊缝
激光焊的特点：
①焊接速度快 激光辐射放出能量极其迅速，被焊材料不易氧化，可以在大气中焊接，而不需要真空环境或气体保护。
②灵活性较大 激光焊不需要与被焊工件接触。激光还可以通过透明材料进行焊接。
③易于焊接异种金属材料，甚至把金属材料和非金属材料焊接到一起。
图4.3.6 激光焊示意图
1—激励电源 2—激光器 3—聚焦系统
4—聚焦光束 5—工件 6—工作台
3.5.4 激光切割
激光光束能切割各种金属材料和非金属材料，如氧气切割难以切割的不锈钢、钛、铝、铜、锆及其合金等金属材料，木材、纸、布、塑料、橡胶、岩石、混凝土等非金属材料。
激光切割具有以下优点：
①切割质量好，效率高。
②激光切割速度快。
③激光切割成本低。据统计，用激光切割一般难以切割的金属时，其成本比等离子切割降低75%。
3.5.5 摩擦焊
摩擦焊是利用工件金属焊接表面相互摩擦产生的热量，将金属局部加热到塑性状态，然后在压力下完成焊接的一种焊接方法。
图4.3.7为摩擦焊过程示意图。将焊件装夹在摩擦焊机上，加一定预压力，使两焊件抵紧，然后由夹具1带动焊件2作旋转运动，摩擦导致焊件接触面部位升温到高温塑性状态，利用刹车装置急速使焊件2停转，同时给焊件3施以较大的顶锻压力P，使两焊件的接触部位产生塑性变形而焊接起来。
图4.3.7 摩擦焊示意图
1—旋转夹具 2，3—焊具 4—静止夹具
摩擦焊有以下优点：
（1）焊接质量好
由于焊接时表面杂质被挤出，接头组织致密，不易产生气孔、夹渣等缺陷。
（2）生产效率高
完成一个焊接总循环时间一般不超过半分钟，每小时可生产几百甚至上千件。
（3）适于焊接异种金属
它不仅可焊接普通异种钢，还可焊接性能差异较大的钢种和合金。如碳素钢或低合金钢与不锈钢、高速钢，以及铜与不锈钢的焊接等。
摩擦焊大量应用于生产是从20世纪60年代开始的，主要用于锅炉、石油化工机械、刀具、汽车、飞机、电力等工业部门。如锅炉蛇形管、拖拉机双金属轴瓦、高速钢-中碳钢刀具等。
当然，摩擦焊和其他焊接方法一样，也有其局限性。摩擦焊是一种旋转工件的压力焊接方法，主要用于杆状工件，非圆截面工件的焊接是很困难的。大截面工件的焊接也受到焊机主轴电动机功率和压力的限制，目前摩擦焊可焊直径2～100 mm的棒料或外径可达数百毫米的管件。摩擦焊机一次投资费用很大，适用于大批量生产。
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