(完整版)4.第四章-先进连接技术与理论

第四章先进连接技术理论及应用4.1激光焊接4.2电子束焊接4.3摩擦焊接技术4.4扩散连接技术汽车一厂车身车间POLO底盘焊接

知识回顾焊接方法定义及其分类焊接成形的基本原理焊接缺陷与及其检验方法焊接：通过加热、加压或两者并用，用或不用填充材料，借助于金属原子的扩散和结合，使分离的材料牢固地连接在一起的加工方法。实质：利用加热或加压，或两者并用的手段，借助原子间的扩散和结合，使分离的金属牢固地连接起来。焊接方法定义及其分类焊接的特点与铆接等其他加工方法相比，优点为：具有减轻结构重量，节省材料；生产效率高，易实现机械化和自动化；接头密封性好，力学性能高；工作过程中无噪音等。不足：会引起焊接接头组织、性能的变化，同时焊件还会产生较大的应力和变形。焊接分类熔焊:将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝实现连接的焊接方法。如焊条电弧焊、气焊等。压焊:必须对焊件施加压力（加热或不加热）以实现连接的焊接方法。如电阻焊等。钎焊:采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件接合处和钎料加热到高于钎料熔点但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。焊接的应用金属结构件——汽车、船舶、建筑结构、自行车三角架、钢窗、锅炉、压力容器、管道等；机器部件——重型机械的机架、底座、箱体、轴、齿轮、刀具等。1．熔焊的冶金原理熔焊三要素热源能量要集中，温度要高，以保证金属快速熔化，减小热影响区。满足要求的热源有电弧、等离子弧、电渣热、电子束和激光。填充金属要保证焊缝填满并添加有益的合金元素，以达到力学性能等使用性能的要求，主要有焊芯和焊丝。

焊接成形的基本原理对熔池的保护方式（a）渣保护（b）气保护（c)渣—气保护2．焊接接头的组织和性能焊接热循环曲线

焊接时，热源沿着工件逐渐移动并对工件进行局部加热，故在焊接过程中，焊缝及其附近的母材经历了一个加热和冷却的过程。

焊接接头由焊缝、熔合区、热影响区三部分组成的。1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材焊缝——指在焊接接头横截面上由熔池金属形成的区域。熔合区——也称半熔化区，是指位于熔合线两侧的一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区。热影响区——指焊缝附近的母材因焊接热作用而发生组织或性能变化的区域。3．焊接应力和焊接变形焊接应力焊接时一般采用集中热源对焊件进行局部加热，因此，焊接过程中工件不均匀的加热和冷却以及存在刚性约束是产生焊接应力与变形的根本原因，焊后使焊缝及其附近区域的纵向受拉应力，远离焊缝区域受压应力。平板对接焊接应力的产生焊接变形常见焊接变形基本形式（a）收缩变形(b)角变形(c)弯曲变形(d)扭曲变形(e)波浪变形减少焊接应力与变形的工艺措施反变形法

(a)焊前未反变形(b)焊前反变形刚性固定法(a)刚性固定(b)定位焊点固定焊件合理选择焊接顺序常用焊接变形矫正方法(a)机械矫正(b)火焰矫正焊接缺陷与及其检验方法焊接缺陷在焊接生产过程中，由于焊接结构设计、焊接工艺参数、焊前准备和操作方法等不当，往往会产生各种焊接缺陷。焊接接头的不完整性称焊接缺陷，常见焊接缺陷如图所示。焊接检验方法外观检验用以判断焊接接头的外表质量。密封性检验检查有无漏水、漏油和漏气等现象的试验。耐压检验可以检查受压元件中焊接接头穿透性缺陷和结构的强度，并附有降低焊接应力的作用。渗透探伤利用带有荧光染料或红色染料的渗透剂的渗透作用，显示缺陷痕迹的无损检验方法。磁粉探伤只适用于磁性材料制作的薄壁工件和导管，能很好地发现表面裂纹、一定深度和一定大小的未焊透。超声波检验可探测大厚度工件。射线探伤4.1激光焊接激光加工技术及其分类激光的产生及其特性激光焊工艺激光焊设备典型材料的激光焊4.1.1激光加工技术及其分类1.激光技术发展简史

1960年:梅曼（T.MAIMAN)第一台红宝石激光器;1961年:德诺凡(俄)第一台气体激光器(He-Ne);1962年:第一台半导体激光器;1964年:帕特尔(C.Patel)第一台CO2激光器;1965年:贝尔实验室第一台YAG激光器;1971年:第一台商用1kW的CO2激光器;1971~1980年:开展激光切割、焊接、表面处理等激光加工技术的研究与开发。

2.激光加工技术分类激光切割激光焊接激光表面处理（相变硬化、合金化、表面涂敷）激光雕刻打孔刻蚀激光加工技术在汽车中的应用4.1.2激光的产生及其特性1.激光的产生激光（laser：lightamplificationbystimulatedemissionofradiation），含义即通过受激辐射实现光的放大。物质发光两种方式：自发辐射、受激辐射。处于高能级上的粒子有自发向低能级跃迁的趋势。自发辐射：粒子从高能级自发向低能级跃迁而发射光子，该过程不受外界影响自发进行。受激辐射：处于高能级上的粒子受外界入射光子的激励相低能级跃迁而发射光子，所产生的光子在频率、方向、相位、偏振等方面与入射光子完全一致，是一种光的放大过程。而受激辐射产生的加倍数量的光子又可作为激励光子，再去产生受激辐射，这个过程继续，就会出现光的雪崩式放大。激光器即利用内部谐振腔的作用，将某一方向的受激辐射产生的光反复放大，最后输出一束一定方向的强光，其中的光子在频率、方向、相位、偏振等方向是一致的，即为激光。激光的产生过程工作物质激励、受激辐射自激振荡增益

外界能量注入光学谐振腔增益＞损失，产生激光输出2、激光的特性：

单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。1、单色性激光的单色性比一般光高出106～107倍以上。自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性。CO2激光波长：10.6μmCO激光波长：

5.4μmYAG激光波长：1.06μm准分子激光波长：0.24μm；2、方向性好、亮度高

从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-3~10-5弧度。激光的方向性带来两个结果：光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。

3、相干性好以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再使两束光重合便产生明暗相间的条纹，这就是光的干涉。自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。

总结：激光的发散角很小，接近平行光，单色性好，频率单一，经聚焦后可形成很小的光斑，最小光斑直径可以与激光波长的数量级相当；激光具有高亮度，使聚焦后光斑上的功率密度可达到105～107W/cm2或者更高。因此其非常适合作为焊接加工热源。光束参数积与激光功率决定加工范围4.1.3激光焊工艺一、激光焊概念、分类及其特点二、激光与材料相互作用三、激光焊焊接过程中的几种效应四、激光深熔焊的工艺参数五、激光焊接的接头设计一、激光焊及其特点、应用1.激光焊的定义以高能量密度的激光作为热源，对金属进行熔化形成焊接接头的焊接方法。2.激光焊的分类1）按激光器输出能量方式的不同，激光焊接可分为脉冲激光焊和连续激光焊。脉冲激光焊：激光以脉冲方式输出，能量是断续的，焊接后形成一个个圆形焊点。连续激光焊：激光机联系方式输出，能量是连续的，在焊接过程中形成一条连续焊缝。2）根据激光聚焦后光斑上功率密度的不同，激光焊可分为传热焊和深熔焊。传热焊传热焊焊缝传热焊（热导焊）：所用激光功率密度较低（105～106W/cm2

），焊接时焊件吸收激光后，金属表面将吸收的光能转变为热能，激光将金属表面加热到熔点与沸点之间，仅达到表面熔化。依靠热传导方式向焊件内部传递热量，使熔化区逐渐扩大，形成熔池，熔池轮廓近似为半球形。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。功率密度小，光吸收率低，焊接速度慢，适合薄板和小焊件的生产。深熔焊接深熔焊焊缝

深熔焊（锁孔焊）：所用激光功率密度较大（106～107W/cm2

），焊接时金属在激光的照射下迅速加热，金属表面温度在极短时间内升高到沸点。焊接吸收激光后迅速熔化乃至汽化，产生金属蒸汽，进而产生小孔效应，焊缝熔深大，深宽比也大。能量密度高、焊接变形小、热影响区小。除微薄零件，一般应选用深熔焊。激光深熔焊的几何特征、熔池流动激光深熔焊小孔的形成及腔内液体金属的流动1激光束2小孔后部流动区3小孔内流动区

熔池流动示意图1激光束2等离子体3熔池后部熔化区4焊件运动方向激光深熔焊几何特征1激光束2焊接熔池3小孔4焊缝宽度5熔池深度焊缝深宽比可达12

1；3.激光焊的特点聚焦后的激光具有很高的功率，焊接可以以深熔方式进行；与电弧焊相比，在相同功率和焊接厚度的条件下，焊接速度高；由于激光加热范围小（直径<1mm）、所以焊接热影响区小，激光焊残余应力小、变形小，是精密焊接方法；可焊接一般焊接方法难焊接的材料，如高熔点金属，甚至进行非金属材料（陶瓷、有机玻璃等）的焊接。激光能反射、透射，能在空间传播相当距离而衰减很少，可进行远距离或一些难接近部位的焊接。一台激光器可供多个工作台进行不同工作，可进行焊接，也可用于切割，合金化及热处理，一机多用。与电子束焊相比，激光焊的最大优点为不需要真空室，不产生X射线，同时光束不受到电磁场的影响。但焊接厚度小于电子束焊。激光焊的不足之处：焊接一些高反射率的金属比较困难。设备（特别是高功率连续激光器）一次性投资比其他方法大。对焊件加工、组装、定位要求均很高。激光器的光电转换及整体运行效率低。二、激光与材料相互作用

激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。是一个极为广泛的概念，既包括复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、光电效应、气体击穿等）。1.激光与材料相互作用的物理过程

①能量变化过程激光与材料相互作用时，两者的能量转化遵守能量守恒定律。

E0=E反射+E吸收+E透过

E0—入射到材料表面的激光能量；

E反射—被材料反射的能量；

E吸收—被材料吸收的能量；

E透过—激光透过材料后仍保留的能量。②激光与材料相互作用引起的物态变化激光与材料相互作用过程中，材料将吸收光获得能量，获得的能量可以转化成热能、电能、化学能、不同波长的光能。影响因素主要包括：激光的波长、能量密度、材料的特性及作用时间等因素。激光照射下，随着材料对激光吸收的增加，作用区材料温度升高，当E入=E出时，作用区的温度才能保持不变。材料温度变化的特征：（1）相同作用时间下，能量差（E入-E出）越大，升温速度越快；（2）光束波长短，吸收率高，升温速度快；（3）相同能量差的条件下，材料的比热越小，作用区的温度越高；（4）相同照射条件，材料导热系数越小，作用区与邻近区的温度梯度越大。激光与材料相互作用下的物态变化：相变态

液态

气态

等离子态③材料对激光能量的吸收选择吸收：吸收系数与光束的波长有关的吸收；一般吸收：吸收系数与光束的波长无关的吸收。自变吸收：通常情况下，材料的吸收系数与激光的强度无关，但有时也可能出现反常的现象：低强度时高吸收，高强度时低吸收。

影响吸收率的因素：激光的波长：波长短，吸收率高；导电性：导电性好，吸收率低（Al、Cu、Au、Ag）；表面粗糙度和涂层（氧化锆、氧化钛、石墨及磷酸盐）；材料的温度：温度越高，吸收率越高，这与材料的直流电阻率有关。2.影响金属对激光吸收的因素

①激光波长、材料性质和温度在红外区，随着波长的增加，吸收率减小。一般来说，导电性越好的材料，它对红外光的反射率越高。金属对激光的吸收率随温度的上升而增大，随电阻率的增加而增大。

材料特性与加热温度对吸收率的影响规律

温度对吸收率的影响室温下的反射率与波长的关系红外区，随着波长增加，吸收率减小。

②材料的表面状况

材料表面有无氧化膜、表面粗糙度值大小、有无涂层等。增加氧化膜、增加表面粗糙度、进行表面涂黑等均可提高吸收率。

③激光功率密度

汽化是分界线材料表面没有汽化，无论材料是处于固相还是液相。对激光的吸收随表面温度的升高而略有变化；出现汽化并形成等离子体和小孔时，材料对激光的吸收就会发生突变，其吸收率决定于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。三、激光焊焊接过程中的几种效应形成等离子体的前提：材料被加热至汽化。当功率密度超过104W/cm2的激光辐照金属材料表面时，金属材料表面会强烈汽化，蒸汽中初始自由电子通过逆韧致辐射吸收激光能量而被加速，直至有足够的能量碰撞电离材料和周围气体，使电子密度雪崩式增长而形成等离子体。LaserbeamPlasmaWorkpiece1、激光焊焊接过程中的等离子体激光加工过程中的光致等离子体一般为材料蒸发的等离子体，因为金属材料的电离能低于保护气体。但在激光功率密度很高及周围气体流动不畅时，也可能发生周围气体击穿而产生气体等离子体。不同的保护气体产生的等离子体密度不同等离子体对能量传输的影响高功率激光深熔焊时，位于熔池上方的等离子体会引起光的吸收和散射，改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度从而影响焊接过程。等离子体对激光的吸收系数与电子密度和蒸汽密度成正比，随激光功率密度和作用时间的增长而增加。吸收系数还与波长的平方成正比。等离子体吸收的光能可通过以下不同渠道传至工件：等离子体与工件接触面的热传导；等离子体辐射易为金属材料吸收的短波长光波；材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失，则增强工件对激光能量的吸收。反之，减弱工件对激光的吸收。

2、壁聚焦效应LaserbeamPlasmaKeyholeVaporjetBeadBasematerialWeldingdirection

材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融金属抛出，形成小孔。

为形成一定深度的小孔，汽化压强应平衡表面张力、静水压力和使液相材料抛出的流动阻力。因此，激光在小孔底部的剩余功率密度必须足够高，以维持孔底有足够高的温度，产生必要的汽化压力，维持一定深度的小孔。入射激光不能全部被吸收，有一部分将由孔壁反射在小孔内重新聚起来，即壁聚焦效应。壁聚焦效应对于激光的吸收有重要作用：进入小孔的激光束通过孔壁的多次反射而几乎被完全吸收。小孔中等离子体吸收能量，通过对流和辐射将能量传递给孔壁。由于等离子体吸收，穿过小孔到达小孔底部的激光功率密度下降，底部功率密度对于产生一定的汽化压强以维持一定深度的小孔至关重要。

CO2激光焊接时，焊缝金属有害杂质元素减少或夹杂物减少的现象。提高金属的塑性和韧性。3、净化效应产生净化效应的原因:有害元素在钢中存在形式：以夹杂物或直接固溶在基体中。当有害元素以非金属夹杂物形式存在时，非金属将吸收较多的激光使其温度迅速上升而汽化；当有害元素直接固溶在基体中时，由于其沸点低，蒸气压高，它们会从溶池中蒸发出来。

四、激光深熔焊的工艺参数输出形式：连续、脉冲、波形控制。激光功率：激光器的输出功率。激光焊熔深与激光输出功率密度密切相关。激光光斑直径一定，其他条件不变时，焊接熔深随激光功率的增加而增加。通常用于焊接的激光功率等级为3kW。焊接速度激光功率一定，提高焊接速度，热输入下降，焊接熔深减小。适当降低焊接速度可加大熔深，但焊接速度过低，熔深不会增加，反而使熔宽增大。激光焊接的经济性要求焊接速度较高（2m/min）；光斑直径：照射到焊件表面的光斑尺寸大小。激光器结构一定的情况下，照射到焊件表面的光斑大小取决于透镜的焦距和离焦量。为获得深熔焊缝，要求激光光斑上的功率密度高。提高功率密度的方式：提高激光功率或减小光斑直径。离焦量：指焊接时工件表面离聚焦激光束最小斑点的距离，其是影响激光焊接熔深的主要参数。其不仅影响激光光斑大小，也影响光束的入射方向。离焦量很大时，熔深很小，属传热焊；离焦量减小到某一值后，熔深突然增加，标志着小孔产生，此时熔深随离焦量的微小变化改变很大。当激光深熔焊时，熔深最大时的焦点位于焊件表面下方某处，此时焊缝成形最好。保护气体激光焊时采用保护气体的作用：保护焊缝金属不受有害气体的侵袭，防止氧化污染，提高接头性能；影响焊接过程中的等离子体，采用保护气体可抑制等离子体。不同保护气，作用效果不同。氦气作为保护气体，抑制作用最强，焊接时熔深最大，保护效果最好。氩气保护效果较差。材料特性：材料对激光的吸收率、表面状态等。工件间隙：一般不允许有间隙（0.1mm）。填充材料：一般不采用填丝方式，超大功率、特殊情况下采用。接头形式：对接、搭接、角接等。

五、激光焊接的接头设计4.1.4激光焊设备激光焊接设备主要由激光器、光束检测仪、焊接过程检测系统、导光及聚焦系统、保护或切割气源、工作台和计算机等组成。激光器——激光焊接设备主要组成部分。由激光工作物质、激励源、谐振腔、电源、控制和冷却系统等部分组成。激光工作物质：必须是一个具有若干能级的粒子系统并具备亚稳态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。激励源（泵浦源）：由它给激光物质提供能量，使之处于非平衡状态而形成粒子数反转。谐振腔：给受激辐射提供振荡空间和稳定输出的正反馈、正常和可靠地工作。电源：为激励源提供能源。控制和冷却系统：保证激光器能够稳定、正常和可靠的工作。按激光工作物质状态，可分为固体激光器和气体激光器。其中，应用于焊接的固体激光器是YAG激光器，气体激光器主要是CO2激光器。1）YAG激光器（掺钕钇石榴石固体激光器）平均输出功率：0.3～3KW；输出波长：1.06µm。可在连续或脉冲状态下工作。特点：输出激光波长较短，利于激光聚焦和光纤传输，利于金属表面吸收；但一般输出多模光束，模式不规则，发散角大，且采用光谱泵，能量转换环节多，器件总效率低。泵浦灯使用寿命较短。2）CO2激光器工作气体的主要成分是CO2、N2、He。CO2是产生激光的粒子；

N2主要与CO2分子共振交换能量，使CO2分子激励，增加激光上能级上的CO2分子数；He作用主要是抽空激光下能级的粒子，He与CO2分子碰撞，使CO2分子从激光下能级尽快回到基级；且He具有较好的导热性，能把激光器工作时其他中的热量传给管壁或热交换器，是激光器的输出功率和效率大大提高。CO2激光器的特点：输出功率范围大（数毫瓦～几百千瓦）。能量转换效率大大高于固体激光器。理论转换效率为40%。波长为10.6µm，属于红外光，可在空气中传播很远而衰减很小。在热加工中应用的CO2激光器分为三种：封闭式或半封闭式、横流式、轴流式。光束检测系统作用：检测激光器的输出能量或功率，用来判断激光器的输出模式。光学偏转聚焦系统由若干反射镜组成导光系统，使激光器输出的激光通过反射镜改变光路方向，到达指定方位，然后通过聚焦镜对激光聚焦进行焊接或其他加工。保护或切割气源为工件提供正、反面保护气或切割时吹起，可根据不同材料和加工要求，配用合适的气体和喷嘴。工作台不仅能装夹工件，而且能做二维以上的多维运动，使聚焦后的激光束始终能照射到所需要加工或焊接的部位上。计算机用于整个激光加工机的控制和调节，如控制激光器的输出功率、控制工作台的运动，对激光加工质量进行监控等。金属的激光焊接性1、抗热裂能力

热裂纹敏感性较低。激光焊焊缝组织晶粒较细，能有效防止热裂纹的产生。2、抗冷裂能力

焊接低碳钢、合金结构钢接头具有较好的抗冷裂纹能力。3、接头的残余应力和变形

CO2激光焊加热光斑小，线能量小，热输入小，使得焊接接头的残余应力和变形比普通焊接方法小的多。4、冲击性能

焊缝净化效应能够提高激光焊焊接接头冲击吸收功。4.1.5典型材料的激光焊5.不同材料间的焊接性

一般来说，任何传统焊接方法能够焊接的材料也都能采用激光进行焊接，且多数情况下，激光焊接的质量更好、速度更快。许多黑色和有色金属材料以及冶金性能相互匹配的异种材料都可采用激光焊接。

激光焊接的主要问题：合金元素的挥发

焊接过程中一些高挥发性的合金元素(如硫和磷)从熔池中挥发出来，会导致气孔的产生，而且有很可能产生咬边。冷却速度非常快

材料的含碳量成为一个非常重要的影响参数，对材料的脆化、微裂纹及疲劳强度都会有影响。碳钢采用激光焊接时，材料的含碳量(碳当量)不应高于0.2%。

焊接难度增加，冷裂纹倾向加大，增加材料在疲劳和低温条件下的脆断倾向。

接头设计中考虑焊缝的一定收缩量，有利于降低焊缝和热影响区残余应力和裂纹倾向。

当碳当量大于0.3%的材料与碳当量小于0.3%的材料在一起焊接，采用偏置焊缝形式有利于限制马氏体的转变，减少裂纹的产生。

减小淬火速率也可减小裂纹倾向。碳当量超过0.3%激光焊接性能较好，因为材料在浇注前加入了铝、硅等脱氧剂，使得钢中含氧量降到很低程度。如果钢没有脱氧(如沸腾钢)，就不能用激光进行焊接，除非钢中的含氧量原本就很低，否则气体逸出过程中形成的气泡很容易导致气孔的产生。镇静钢和半镇静钢

含硫量高于0.04%或含磷量高于0.04%的钢激光焊接时易产生热裂纹。

焊接易切削钢或钢坯时，若材料中硫、磷、硒、镉或铅的含量过高，将会产生气孔或凝固裂纹，若这些元素的总含量不超过0.05%，则不会存在这些问题。硫、磷含量

采用脉冲激光焊接可减少热输入量，减少热裂纹的产生和工件变形。

脉冲激光焊锌的气化温度(903℃)比钢的熔点(1535℃)低很多，在焊接过程中锌的蒸发，锌蒸汽使焊缝产生严重的气孔和咬边。

当搭接区的镀锌层厚度小于5~10µm时，是可以采用激光焊的。不过只有镀锌层厚度达到10~20µm时，才能保证防腐蚀性能。镀锌钢激光焊接性能一般都较好，奥氏体不锈钢由于加入硫和硒等元素以提高机械性能，凝固裂纹的倾向有所增加。

奥氏体不锈钢的导热系数只有碳钢的1/3，吸收率比碳钢略高，焊接熔深约普通碳钢深5~10%左右。激光焊接热输入量小、焊接速度高，非常适用于Cr-Ni系列不锈钢的焊接。激光焊接奥氏体不锈钢的热变形和残余应力相对较小，采用其它常规焊接方法时，奥氏体不锈钢会产生比碳钢大50%的热膨胀量。奥氏体不锈钢不锈钢

韧性和延展性比其它焊接方法高。熔化焊过程中马氏体的相变和晶粒的粗化，接头强度和抗腐蚀性降低，但相对而言，激光焊比常规焊的影响要低。与奥氏体和马氏体不锈钢相比，用激光焊接铁素体不锈钢产生热裂纹和冷裂纹的倾向最小。铁素体不锈钢不锈钢中，马氏体不锈钢的焊接性最差，焊接接头通常硬而脆，并伴有冷裂倾向。焊接含碳量大于0.1%的不锈钢时，预热和回火可以降低裂纹和脆裂的倾向。马氏体不锈钢高反射率金属－铜黄铜、紫铜通常不宜用CO2激光进行焊接。黄铜中锌的含量超出了激光焊接允许的范围。锌容易汽化，易导致如气孔、虚焊等缺陷。紫铜对CO2激光的反射率很高，但对Nd:YAG激光的反射率很低。改进：使CO2激光具有高度聚焦的光束、大的功率和很高的脉冲能量峰值，使其具有很高的能量密度，可进行紫铜的焊接。通过表面处理提高材料对激光束的吸收率。铝合金、钛合金激光焊应用存在的问题及其解决途径Al合金反射率较高，小孔建立困难；焊接过程不稳定；焊缝易产生气孔及裂纹；Al-Mg系列合金存在合金元素的烧损问题，接头强度降低；Ti合金焊缝易产生气孔、裂纹；熔池及高温区的保护问题。自动化适应性问题材料特性问题激光焊存在对装配间隙、对中度及错边的敏感度高，焊接过程、质量检测及控制困难等适应性较低的问题。主要解决途径表面涂层技术激光束的能量波形控制：尖脉冲加缓降特性双热源焊接：双光束激光焊接、激光－电弧复合热源焊接激光填丝焊接焊接过程的质量监控激光焊缝跟踪高反射率金属－铝铝合金的激光焊接需要相对较高的能量密度：铝合金反射率较高；铝合金的导热系数很高。

LY16、L1-L6和LF21系列的铝合金能够成功地实现激光焊接，且不需要填充金属。许多其它铝合金中含有易挥发的元素，如硅、镁等，焊缝中存在较多气孔。激光焊接纯铝时不会存在以上问题。

Nd:YAG激光的波长与焊件的耦合性比CO2激光波长好。液态铝的粘度较低，表面张力也很低，因此焊接铝时必须要密切注意焊接熔池，以防止熔池中液态铝的溢出，可通过接头设计或采取不熔透方法来解决。

激光焊接铝的问题：气孔、热裂纹和焊缝不规则性。氢在熔池中的可溶性引起气孔，氧化膜溶解到熔池中导致气孔和焊缝脆化。一些铝合金的焊接熔池在凝固过程中可能产生热裂纹，裂纹的形成与冷却时间(或焊接速度)、焊缝保护程度相关。

焊缝的不规则性是指焊道粗糙、鱼鳞纹不均匀、边缘咬边及根部不规则等。氩气或者氦气作保护气体可以得到光洁的焊缝和致密的鱼鳞纹，对焊缝根部也同时进行保护。加入填充金属可有效避免热裂纹、咬边的产生，并能降低焊缝的不连续性。钛及钛合金激光焊可获高质量、塑性好的焊接接头。钛对由氧气、氢气、氮气和碳原子所引起的间隙脆化很敏感，特别注意接头的清洁和气体保护问题。钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。对热裂纹不敏感，焊接时会在接头的热影响区出现延迟裂纹，氢是主要原因。减少氢的来源、真空退火可以减少焊接接头的含氢量。气孔是钛及钛合金焊接时一个主要的问题。消除气孔的主要途径：用高纯度的氩气进行焊接，纯度高于99.9%；焊前清洗；合适焊接规范。

Ti3Al基合金抗凝固裂纹能力较强，激光焊接的主要困难在于室温塑性不足，从而对固态裂纹敏感。采用较高的预热温度以减缓冷却速度和相转变的发生，或采用特殊的焊后热处理工艺，以得到满意的显微组织。铝合金、钛合金的激光焊应用激光焊接大厚钢、铝及钛合金构件，最大厚度可达20mm，主要应用于军用车辆。

激光焊的高速度、低变形大大减少焊后处理工作，人工费用降低30%。Al-Ti合金激光焊接应用存在问题及解决的途径要求工件装配精密、对中严格高反射材料（铝合金）焊接过程不稳定、焊缝成形差激光焊接等离子体对光反射、吸收，降低能量利用率大功率激光设备价格随功率等级提高呈指数增加开发新型激光器、提高功率、改善光束质量改变材料表面状态选择保护气体、控制能量输出形式激光焊接新工艺：双光束、填丝激光焊接、激光-电弧复合热源焊接等4.2电子束焊接电子束焊的概念电子束焊的分类真空电子束焊设备电子束深熔焊机理电子束焊接技术特点电子束焊接工艺电子束焊接的应用随着科学技术的最新发展，尤其原子能和导弹技术的发展。大量应用了锆、钛、钽、铂、镍及其合金。焊接这些金属用一般的气体保护焊常不能得到满意的结果。电子束焊接研制成功才顺利地解决了上述稀有和难熔金属的焊接问题。

一、电子束焊的概念电子束焊是指由高电压（几十～几百千伏）加速装置形成高能量电子束流通过磁透镜会聚，利用会聚的高速电子流（速度可达160000km／s）轰击置于真空或非真空中的工件，电子的动能迅速转变为热能，使被焊金属融化并熔合的一种焊接方法。电子束焊热源具有高功率密度，可达104～109W/cm2，能量密度比普通电弧可大5000倍，它使焊件金属迅速熔化甚至气化。根据焊件的熔化程度，逐渐移动焊件，即能得到要求的焊接接头。电子束流的产生电子枪由加热灯丝、阴极、阳极及聚焦装置等组成。当阴极被灯丝加热到2600℃时，能发出大量电子。这些电子在阴极与阳极（焊件）间的高电压作用下，经电子透镜聚焦成电子流束。二、电子束焊分类按焊件所处环境分类1）高真空电子束焊焊接在高真空（10-4～10-1Pa）工作室中进行。工作室和电子枪均处于高真空状态下工作。良好的高真空环境对熔池有很好的保护，可防止金属元素氧化和烧损，适用于活泼金属、难容金属和质量要求高的焊接。2）低真空电子束焊焊接在低真空（10-1～10Pa）工作室中进行。而电子枪仍处于高真空状态工作。也具有束流密度和功率密度高的特点。由于真空度要求不高，明显缩短了抽真空时间，提高了生产效率，适用于批量大的零件的焊接和生产线上使用。3）非真空电子焊焊机没有真空工作室，电子束仍在高真空条件下产生，通过一组气阻通道和若干级真空小室，引入到处于大气压力下环境中对焊件进行焊接。由于在大气压下，电子束散射强烈，焊缝深宽比最大仅为5：1。该方法的优点：不需要真空室，工件尺寸不受限制，可以焊接尺寸大的焊件，生产效率高。4）局部真空电子束焊采用移动密封技术在北韩部位产生局部真空室，被焊构件不需整体进入真空室，电子枪可静止在某一位置进行局部焊接，也可移动以局部的形式完成整体焊接。该方法既保留了真空电子束焊高功率的优点，又不需要真空室，因此对于大型焊件的焊接有前景。按电子束加速电压分类1）高压电子束焊接电子枪的加速电压：120KV以上。易于获得直径小、功率密度大的束斑和深宽比大的焊缝。例：加速电压为600KV，功率为300KW时，一次可焊透200mm的不锈钢。2）中压电子束焊接加速电子在40～100kV之间。电子枪可做成固定式或移动式。3）低压电子束焊接加速电子在40kV以下。功率密度小，适合于薄板焊接，电子枪可做成小型移动式。按电子束对材料的加热机制分类1）传热焊接。当作用于焊件表面功率密度小于105W/cm2时，无显著的金属蒸发，电子束能量在焊件表面转化的热能通过热传导使焊件熔化。2）深熔焊接。

作用在焊件表面功率密度大于105W/cm2时，金属被熔化并伴随有强烈的蒸发，形成小孔效应，焊缝深宽比大。三、真空电子束焊设备通常由电子枪、工作真空室、高压电源、控制及调整系统、真空系统、工作台以及辅助装置等组成。电子枪电子束焊机的核心部件，是产生电子、使之加速、会聚成电子束的装置。电子枪由静电和电磁两部分组成，主要包括阴极、阳极、聚束极、聚焦透镜、偏转线圈等。静电部分阴极：在直接加热或间接加热下，其表面温度上升，发射电子。为获得较高的发射电流密度，要求阴极材料具有较小的逸出功和较高的熔点。阴极材料常采用难熔金属及其化合物，如钨、钽、六膨化镧等。阳极：在阴极和阳极之间加上负高压，使电子在此加速电压作用下产生定向加速运动，形成束流。聚束极（控制极、栅极）为了能控制两级间的电子，进而控制电子束流，有时需要在电子枪上加一个聚束极，其相对于阴极可接负偏压来控制通过阳极孔的电子束流强度。电磁部分电磁透镜由电子枪发射出来的电子束，向焊件方向运动，经历一段路程后会发散，其束流功率并不十分集中，因此需要通过聚焦线圈对其进行聚焦，这部分也叫电磁透镜。电子束重新聚焦后，可增加电子束焊接的工作距离，又易对其控制和调节。偏转线圈焊接过程中，往往需要电子束具有扫描功能，因此通过偏转线圈来控制电子束进行偏摆。影响电子束稳定的主要因素：金属蒸气导致的高压放电，高压放电往往在电子枪中使电子束偏转，应避免金属蒸汽对束源段产生直接影响。电子枪一般安装在真空室的外部。电源及控制系统包括提供电子枪的加速电压电源、阴极加热电源、电磁透镜电源、偏转线圈电源及其电气控制系统。工作室及真空系统真空室应满足刚度要求及X射线防护需要，应具备真空阀门及密封措施，以保证真空室的气压稳定。工作台和辅助装置大多数电子束焊机采用固定电子枪，焊件作直线移动或旋转运动实现焊接。四、电子束深熔焊机理电子束撞击焊件表面时，在表面以下很浅范围内电子动能转化为热能，使金属迅速熔化和蒸发，产生小孔效应，形成深熔型焊接。电子束功率密度低于105W/cm2时，金属表面不产生大量蒸发现象，电子束的穿透能力很小。在大功率焊接中，电子束的功率密度大106W/cm2以上，足以获得很深的穿透效应和很大的深宽比。在大厚度焊件的焊接中，焊缝的深宽比可高达60：1，焊缝两边缘基本平行，温度横向传递很小。高速电子流轰击工件表面时，被轰击的表层温度可达104℃，表层金属迅速被熔化，并伴随液态金属蒸发，产生小孔效应。材料表面蒸发走的原子的反作用力力图使液态金属表面压凹，随着电子束功率密度增加，金属蒸气量增多，液面被压凹的程度也越大，形成一个通道。电子束经过通道轰击底部待熔金属，使通道逐步向纵深发展。五、电子束焊接技术的特点：

（1）热源能量密度大、熔深大、焊速快、焊缝深而窄，焊缝深宽比在5：1以上，最高可达60：1，能单道焊厚件。焊接热影响区很小，基本上不产生焊接变形。可防止难熔金属焊接时易产生的裂纹和泄漏。（2）在真空中进行焊接，金属不会氧化、氮化。且无金属电极沾污，所以能保证焊缝金属的高纯度。表面平滑洁净，没有孤坑或其他表面缺陷。焊缝内部熔合得好，无气孔夹渣。

（3）焊接时一般不加填充金属。因而接头要加工得平整清洁、装配紧密，不留间隙。任何厚度的工件都不开坡口。（4）电子束参数可在较宽范围内调节、控制灵活、精度高、适应性强。（5）电子束焊适用范围广。可用于焊接贵重部件，也可焊接廉价不见；既可用于大批量生产，也可用于单件生产；可用于焊接微型部件，也可焊接大型结构件；可焊薄件，也可焊接厚件等。（6）真空电子束焊接的缺点是设备复杂、造价高。使用维护技术要求高、焊件尺寸受真空室限制，对焊件清整装配质量要求严格，因而其应用受到一定限制。

六、电子束焊接工艺1.焊前准备电子束焊接头焊前应紧密配合，一般采用无坡口对接形式，不加填充金属，要求接合面必须经过机械加工。装配间隙一般不大于0.13mm。当板厚超过15mm时，允许间隙可放宽到0．25mm。非真空电子束焊时，装配间隙可以放宽到0．8mm

。真空电子束焊接焊前必须对焊件表面进行严格清理。待焊工件的接缝区应精确加工、清洗、装配和固定。接头清洗不当会形成焊接缺陷，降低接头的性能。不清洁的表面还会延长抽真空时间，影响电子枪工作的稳定性，降低真空泵的使用寿命。

工件表面的氧化物、油污应用化学或机械方法清除。煤油、汽油可用于除油污，乙醇和丙酮是清洗电子枪零件和被焊工件最常用的溶剂。已清洗干燥后的工件，不得用手或不清洁的工具接触接缝区。非真空电子束焊接，要求可适当降低。焊前应将焊件准确定位及夹紧，移动工作台或电子枪体完成焊接。且应采用无磁性的夹具。所有磁性金属材料在电子束焊之前应退磁处理，否则引起电子束偏转。焊前预热和焊后热处理对需要预热的工件，一般可在工件装入真空室前进行。根据工件的形状、尺寸及所需要的预热温度，选择一定的加热方法(如气焊枪、加热炉、感应加热、红外线辐射加热等)。在工件较小，加热引起的变形不会影响工件质量时，可在真空室内用散焦电子束来进行预热。

对需要进行焊后热处理的工件，可在真空室内或在厂件从真空室取出后进行。2.接头设计常用的电子束焊接接头是对接、角接、T形接、搭接和端接。电子束斑点直径小，能量集中，焊接时一般不加焊丝，设计接头时应注意这些特点。

对接接头是最常用的接头形式。图a、b、c三种接头的准备工作简单，但需要装配夹具。不等厚的对接接头采用上表面对齐的设计优于台阶接头，后者在焊接时要用宽而倾斜的电子束(d)。带锁口的接头(图e、f)，便于装配对齐，锁口较小时，焊后可避免留下未焊合的缝隙。图g、h接头皆有自动填充金属的作用，焊缝成形得到改善。斜对接接头只用于受结构和其他原因限制的特殊场合。

角接头是仅次于对接的常用接头。图a为熔透焊缝的角接头，其留有未焊合的间隙，接头承载能力差。图h为卷边角接，主要用于薄板，其中一件须准确弯边90°。其他几种接头都易于装配对齐。

T形接头也常用于电子束焊接。熔透焊缝在接头区有未焊合缝隙，接头强度差。推荐采用单面T形接头，焊接时焊缝易于收缩，残余应力较低。c）方案多用于板厚超过25mm的场合。

搭接接头多用于板厚1．5mm以下的场合。熔透焊缝主要用于板厚小于0．2mm的场合，有时需要采用散焦或电子束扫描以增加熔合区宽度。厚板搭接接头焊接时需添加焊丝以增加焊角尺寸，有时也采用散焦电子乘以加宽焊缝并形成光滑的过渡。

端接接头。厚板端接接头常采用大功率深熔透焊接。薄板及不等厚度的端接接头常用小功率或散焦电子束进行焊接。

3.电子束焊焊接参数的选择主要参数：加速电压、电子束流、聚焦电流、焊接速度和工作距离。主要按板厚和材料来选择电子束焊的焊接参数，板厚越大，所要求的热输入越高。（1）加速电压提高加速电压可增加焊缝熔深，焊缝横断面深宽比随加速电压增加而增加。当焊接大厚度焊件并要求得到窄而平的焊缝或电子枪与焊件的距离较大时，应提高加速电压。提高加速电压还有助于改善电子束的聚焦性能。（2）电子束流束流与加速电压一起决定着电子束的功率。增加电子束电流，熔深和熔宽都会增加。为满足不同焊接工艺需要，常调整束流值。（3）焊接速度焊接速度和电子束功率一起决定焊缝熔深、焊缝宽度以及被焊材料熔池行为（冷却、凝固及焊缝融合线形状）。增加焊接速度使焊缝变窄，熔深减小。（4）焦点位置和聚焦电流改变聚焦电流可以改变电磁透镜焦距，从而改变电子束的焦点位置。电子束焊时，相对焊件表面而言，电子束的聚焦位置有上焦点、下焦点和表面焦点三种，焦点位置对焊缝形状影响很大。根据被焊材料的焊接速度、焊缝街头间隙等决定。当焊件被焊厚度大于10mm时，通常采用下焦点焊，且焦点在焊缝熔深30%处。焊接厚度大于50mm时，焦点在焊缝熔深的50%～75%之间更适宜。（5）工作距离指电磁透镜中心到焊件表面的距离。其影响电子束的聚焦程度。当工作距离变小时，电子束聚焦电流一般要增大，使电子束斑点直径变小，增加了电子束功率密度。但工作距离太小会使过多的金属蒸汽进入电子枪枪体造成放电。因此，在不影响电子枪稳定工作的前提下，可采用尽可能短的工作距离。4.深熔焊的工艺电子束焊的最大优点是具有深穿透效应，获得打熔深、大深宽比。为了保证获得深穿透效应，除了合理选择电子束焊焊接参数外，还可采取如下措施：（1）电子束水平入射焊当焊接熔深超过100mm时，采用电子束水平入射，侧向焊接方法进行焊接。因为水平入射侧向焊接时，液态金属在重力作用下，流向偏离电子束轰击路径的方向，对小孔通道的封堵作用降低，此时的焊接方向可以是自下而上或横向水平施焊。（2）脉冲电子束焊同样功率下，采用脉冲电子束焊，可有效增加熔深。原因如下：因为脉冲电子束的峰值功率比直流电子束高的多，焊缝可获得更高的峰值温度，金属蒸发速率会高出一个数量级。另外，脉冲焊可产生更多金属蒸汽，反作用力大，小孔效应增强，焊缝熔深增大。（3）变焦电子束焊电子束功率密度最高的区域在焦点上。在焊接大厚度焊件时，可使焦点位置随着焊件的熔化速度变化而改变，始终以最大功率密度的电子束来轰击待焊金属，可获得更大熔深。（4）焊前预热或预置坡口焊件在焊前预热，可减少焊接时热量沿焊缝横向的热传导损失，利于增加熔深。深熔焊时，会有一定量的金属堆积在焊缝表面，如预开坡口，则这些金属会填充坡口，相当于增加了熔深。七、

电子束焊接的应用随着电子束焊接工艺及设备的发展，特别是近10年来工业应用中对高精度、高质量连接技术需求的不断扩大，电子束焊接在航空、航天、核、能源工业、电子、兵器、汽车制造、纺织、机械等许多工业领域已经获得了广泛应用。

电子束焊接可应用于下属材料和场合：除含锌高的材料、低级铸铁和未脱氧处理的普通碳钢外，绝大多数金属材料及合金都和用电子束焊接。可以焊接熔点、热导率、溶解度相差很大的异种金属。对不开坡口焊厚大工件，焊接变形小。可用于焊接质量要求高，在真空中使用的器件。或用于焊接内部要求真空的密封器件；焊接精密仪器、仪表或电子工业中的微型期间。在外太空等极端条件下的焊接，可能使其潜在的应用领域。在能源工业中，各种压缩机转子、鼓筒轴、叶轮组件、仪表膜盒等；在核能工业中，反应堆壳体、送料控制系统部件、热交换器等；在飞机制造业中，发动机机座、转子部件、起落架等；在化工和金属结构制造业中，高压容器壳体等；在汽车制造业中，齿轮组合体、后桥、传动箱体等；在仪器制造业中，各种膜片、继电器外壳、异种金属的接头等都成功地应用了电子束焊。4.3摩擦焊接技术摩擦焊接技术概念摩擦焊接技术原理摩擦焊接技术的特点摩擦焊接技术的分类连续驱动摩擦焊接工艺一、摩擦焊接（FrictionWelding）技术概念在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其临近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通过被焊材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。二、摩擦焊接技术原理对于给定材料，在足够的摩擦力和足够的运动速度条件下，被焊材质温度不断上升，伴随着摩擦过程的进行，焊件也产生一定的变形量，在适当时刻，停止焊件间的相对运动，同时施加较大的预锻力，并维持一定的时间，部分金属被挤出，焊缝金属产生变形、扩散及再结晶，形成结合牢固的街头，实现材质间的固相连接。三、摩擦焊技术的特点摩擦焊技术的优点：1.接头质量好且稳定。焊接过程不发生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂裂纹等铸造组织的结晶缺陷。焊接时间段，热影响区窄，热影响区组织无明显粗化，因此焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到甚至超过母材的强度。

2.广泛的适应性。除传统的金属材料外，还可焊接粉末冶金、复合材料、功能材料、难熔材料等。而且特别适合异种材料的焊接，如钢-紫铜、钢-铝、钢-黄铜等；甚至陶瓷-金属等差异很大的异种材料也可采用摩擦焊接方法连接。3.焊件尺寸精度高。由于摩擦焊接为固态连接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快以及沿整个摩擦焊接表面同步均匀加热等特点，故焊接变形较小摩擦焊焊接变形小。且焊接过程由机器控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。4.效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的；5．节能、节材、低耗。所需功率仅及传统焊接工艺的1/5～1/15，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极。6.环保，无污染。焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有孤光和火花，没有放射线。

摩擦焊技术被誉为未来的绿色焊接技术。但是，摩擦焊也存在缺点和局限性：（1）对非圆形截面焊接较困难，所需设备复杂；对盘状薄零件和薄壁管件，由于不易夹固，焊接也比较困难。（2）对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊接。（3）接头容易产生飞边，必须焊后进行机械加工。（4）夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。（5）焊机一次性投资大，大批量生产才能减低成本。四、摩擦焊接技术的分类（1）连续驱动摩擦焊（continuesdrivefrictionwelding）

利用被焊工件的相对转动，同时施加适当的轴向压力（摩擦压力），使工件接触面相互摩擦而升温，当温度达到使焊接件接触端部呈热塑性状态时，迫使工件相对转动迅速停止，同时将轴向压力加大，并适当保压一段时间以产生足够塑性变形，从而使两工件牢固地焊接在一起。摩擦焊接过程：1、将移动工件近旋转工件；2、使移动工件与旋转工件接触，并使旋转工件开始旋转；3、轴向压力开始上升，从而使温度升高，直至达到锻造温度；4、旋转工件停止旋转并施以最后的锻造力。

连续驱动摩擦焊接过程包括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5、纯顶锻阶段6、顶锻维持阶段（1）初始摩擦阶段从两工件开始接触的a点开始，到摩擦加热功率显著增大的b点为止。摩擦开始时，由于摩擦焊接表面存在氧化膜、油、灰尘和吸附着一些气体，使得摩擦系数小，随后摩擦压力逐渐增大，摩擦加热功率慢慢增加使得焊件表面的温度上升。（2）不稳定摩擦阶段从热功率显著增大的ｂ点起，超过功率极值ｃ点，到功率稳定的ｄ点。不稳定摩擦阶段是摩擦加热过程中的一个主要阶段。在这个阶段中，接头的变形量开始增大，并以飞边的形式出现。（3）稳定摩擦阶段从摩擦加热功率稳定值ｄ点起到接头形成最佳温度分布的ｅ点为止。ｅ点与工件开始停止旋转的ｅ，，顶锻压力开始上升的ｆ点以及顶锻变形的开始点，它们在时间上是重合的。在这个阶段中，各焊接工艺参数的变化趋于稳定，只有摩擦变形量不断增大，飞边增大，接头的热影响区增宽。（4）停车阶段从主轴和工件一起开始停车减速的ｅ，点开始，到主轴停止转动的ｇ点为止。它是摩擦加热过程和顶锻焊接过程的过渡阶段，具有双重特点。这个阶段是焊接过程的重要阶段，直接影响到接头的焊接质量，因此要严格控制这个时间。（5）纯顶锻阶段从主轴停止转动的ｇ点起，到顶锻压力上升到最大值的ｈ点为止。在这个阶段中，应有足够大的顶锻力、顶锻变形量和顶锻速度，这是保证焊接质量的关键。（6）顶锻维持阶段从顶锻压力的最高值ｈ点起，到接头温度冷却至规定值一下的ｉ点为止。在这个阶段顶锻时间、顶锻压力和顶锻速度相互配合，以获得合适的摩擦变形量和顶锻变形量。

总之，在整个摩擦焊接过程中，待焊的金属表面经历了从低温到高温摩擦加热，连续发生了塑性变形、机械挖掘、粘接和分子连接的过程变化，形成了一个存在于全过程的高速摩擦塑性变形层，摩擦焊接时的产热、变形和扩散现象都集中在变形层中。在停车阶段和顶锻焊接过程中，摩擦表面的变形层和高温区金属被部分挤碎排出，焊缝金属经受锻造，形成了质量良好的焊接接头。（2）惯性摩擦焊工件的旋转端被夹持在飞轮里，焊接过程开始时首先将飞轮和工件的旋转端加速到一定的速转，然后飞轮与主电机脱开，同时，工件的移动端向前移动，工件接触后开始摩擦加热。在摩擦焊加热过程中，飞轮受摩擦扭矩的制动作用，转速逐渐下降，当转速为零时，焊接过程结束。（3）径向摩擦焊将一个带有斜面的圆环装在一个对开坡口的管子端面上，摩擦焊接时使圆环旋转，并对其施加径向压力。当摩擦终了时，停止圆环的转动，并向两个管端施加轴向顶锻压力。搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利技术，即利用高速旋转的摩擦焊头进行焊接，摩擦焊头一边旋转一边沿着工件的焊缝移动，使被焊工件在摩擦热的作用下焊接成一体。

（4）搅拌摩擦焊（Frictionstirwelding）将耐高温硬质材料制成的一定形状的搅拌头旋转插入到被焊接工件的待焊处，高速旋转的搅拌头与被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生摩擦热，摩擦热使搅拌头邻近区域的材料受热变软从而得到了热塑化。刀头的旋转，对母材也有搅动、碾压和锻造等作用，随着刀具的移动，在其后形成一道焊缝。焊接过程

搅拌摩擦焊焊接黄铜板全貌

搅拌摩擦焊焊接紫铜板全貌（5）摩擦堆焊堆焊金属圆棒高速旋转，并向母材金属施加摩擦压力。由于母材体积大，导热好，冷却速度快。使摩擦表面从堆焊金属和母材的交界面移向堆焊金属一边。同时堆焊金属凝结过渡到母材上形成堆焊焊肉。当母材相对于堆焊金属棒转动或者移动时，在母材上就会形成堆焊焊缝。（6）线性摩擦焊待焊的两个工件一个固定，另一个以一定的速度作往复运动，或两个工件作相对往复运动，在压力的作用下两工件的界面摩擦产生热量，从而实现焊接。

（７）轨道摩擦焊轨道摩擦焊是一种新发展起来的焊接方法，主要用于焊接非圆断面工件。直线轨道摩擦焊工件沿直线轨道，以一定的振幅和频率保证振动速度达到要求的数值，使焊接表面做相对的反复振动摩擦。圆形轨道摩擦焊工件的每个质点以相同的半径和转速，沿圆形轨道使焊接表面做相对的移动摩擦。当接头加热到焊接温度以后，就停止工件的摩擦运动，进行顶焊。

五、连续驱动摩擦焊接工艺接头形式设计连续驱动摩擦焊可以实现棒材-棒材、管材-管材、棒材-管材、棒材-板材及管材-板材的可靠连接。连续驱动摩擦焊接头形式在设计时主要遵循以下原则：1)在旋转式摩擦焊的两个工件中，至少要有一个工件具有回转断面。2)焊接工件应具有较大的刚度，夹紧方便、牢固，要尽量避免采用薄管和薄板接头。3)同种材料的两个焊件断面尺寸应尽量相同，以保证焊接温度分布均匀和变形层厚度相同。4)一般倾斜接头应与中心线成30°～45°的斜面。5)对锻压温度或热导率相差较大的异种材料焊接时，为了使两个零件的顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸；为了防止高温下强度低的工件端面金属产生过多的变形流失，需要采用模子封闭接头金属。6)为了增大焊缝面积，可以把焊缝设计成搭接或维形接头。7)焊接大断面接头时，为了降低加热功率峰值，可以采用将焊接端面倒角的方法，使摩擦面积逐渐增大。8)对于棒－棒和棒－板接头，当中心部位材料被挤出形成飞边时要消耗更多的能量，而焊缝中心部位对扭矩和弯曲应力的承担又很少，所以，如果工件条件允许，可将一个或两个零件加工成具有中心孔洞，这样，既可用较小功率的焊机，又可提高生产率。9)待焊表面应避免渗氮、渗碳等。10)设计接头形式的同时，还应注意工件的长度、直径公差、焊接端面的垂直度、不平度和表面粗糙度。连续驱动摩擦焊焊接参数（1）转速和摩擦压力当工件的直径一定时，转速就代表摩擦速度。一般将达到焊接温度时的转速称为临界摩擦速度，为了使变形层加热到金属材料的焊接温度，转速必须大于临界摩擦速度。摩擦压力对焊接接头的质量有很大影响，为了产生足够的摩擦加热功率，保证摩擦表面的全面接触，摩擦力不能太小。摩擦力大时，接头的温度梯度大，变形层金属不易被氧化。一般情况下摩擦力为定值，但是为了满足工艺要求，还可以不断上升，或采用两级或三级加压。

（2）摩擦时间与摩擦变形量摩擦时间短，焊接表面加热不完全，不能形成完整的塑性变形层，接头上的温度和温度分布不能满足焊接质量要求。摩擦时间过长，接头温度分布宽，高温区金属容易过热，摩擦变形量大，飞边大，消耗的热量多。碳钢工件的摩擦时间一般在1～40s范围内。要得到牢靠的接头，必须有一定的摩擦变形量，通常选取的范围为1～10mm。（3）停车时间由于停车时间对摩擦扭矩、变形层厚度和焊接质量有很大影响，因此根据变形层厚度来正确设置该参数。当摩擦表面的变形层很厚时，停车时间要短。当表面上的变形层比较薄时，为在停车时间能产生较厚的变形层，停车时间可以延长。但是要防止过大后峰值扭矩使接头金属产生扭曲组织，通常停车时间选择范围为0.1~1s。（4）顶锻压力与变形量顶锻压力的作用是挤碎和挤出变形层中的氧化金属及其他有害杂质，并使接头金属在压力作用下得到锻造，促进晶粒细化，从而提高接头力学性能。顶锻压力的选择与材质、接头温度、变形层厚度以及摩擦压力有关。材料的高温强度高时，顶锻压力要大；温度高、变形层厚度小时，顶锻压力要小（较小的顶锻压力就可得到所需要的顶锻变形量）；摩擦压力大时，相应的顶锻压力要小一些。顶锻变形量是顶锻压力作用结果的具体反映，一般选取1～6mm。顶锻速度对焊接质量影响很大，如顶锻速度慢，则达不到要求的顶锻变形量，一般为10～40mm/min。摩擦焊接技术的发展概况及应用利用摩擦热焊接起源于一百多年前，此后经半个多世纪的研究发展，摩擦焊技术才逐渐成熟起来，并进入推广应用阶段。由原苏联学者首先提出．摩擦焊以其优质、高效、节能和无污染的技术特色，受到制造业的重视。近年来不断开发出的摩擦焊新技术使焊件的形状由典型的圆截面扩展到非圆截面（线性摩擦焊）和板材（搅拌摩擦焊），所焊材料由传统金属材料拓宽到粉末合金、复合材料、功能材料、难熔材料，及陶瓷-金属等新型和异种材料领域。我国的摩擦焊研究始于1957年，发源地是哈尔滨焊接研究所，是世界上最早开展摩擦焊研究的几个国家之一，取得了很多引人注目的成果。

4.4

扩散连接扩散连接的定义扩散连接技术分类固相扩散连接基本原理液相扩散连接基本原理扩散连接技术的特点扩散连接工艺一、扩散连接技术的定义扩散连接(diffusionbonding，diffusionwelding)——指相互接触的材料表面，在温度和压力的作用下相互靠近，局部发生塑性变形，原子间产生相互扩散，在界面处形成了新的扩散层，从而实现可靠连接。属于压力焊的一种。与常用压力焊方法（冷压焊、摩擦焊、爆炸焊、超声波焊）相同的是：在连接过程中要施加一定的压力，不同：温度-压力强度及过程持续时间。固态扩散连接扩散连接加中间层的扩散连接不加中间层的扩散连接真空扩散连接气体保护扩散连接溶剂保护扩散连接烧结－扩散连接瞬时液相扩散连接超塑性成形－扩散连接二、扩散连接技术分类三、固相扩散连接基本原理1.固相扩散连接过程第一阶段为物理接触阶段，这是保证整个表面都可靠接触，只有接触面达到一定的距离，原子间才能相互作用形成原子间的结合，才能形成可靠的连接。在高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，总有一些点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下，接触面逐渐增大，而达到整个面的可靠接触。第二阶段则是接触的表面原子间的相互扩散，形成牢固的结合层。第三阶段是在接触的部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠的连接接头。扩散连接的三阶段模型示意图

c)元素相互扩散和反应阶段a)凹凸不平的初始接触

b)变形和形成部分界面阶段

d)体积扩散及微孔消除阶段

上述过程相互交叉进行，最终在连接界面处由于扩散、再结晶等生成固溶体及共晶体，有时生成金属间化合物，形成可靠的连接接头。该过程不但应考虑扩散过程，同时应考虑界面生成物的性质，如性能差别较大的两种金属，在高温长时间扩散时，界面极易生成脆性金属间化合物，而使接头性能变差。2、材料连接时的物理接触过程（1）物理接触及氧化膜去除

被连接面在真空中加热时，油脂逐渐分解和挥发，吸附的蒸气和各种气体分子被解吸下来。化学吸附气体和氧化膜一般难以从表面上清除，但在扩散连接的条件下，由于产生解吸、升华、溶解和还原作用，很容易将氧化膜清除掉。

（2）物理接触的形成扩散连接时表面的物理接触(使表面接近到原子间力的作用范围之内)是形成连接接头的必要条件。表面凹凸变形的接触面积，一般称为物理接触面积，它主要取决于材料的性质、连接温度和施加的压力。3、扩散连接时的化学反应（1）原子的相互作用：接触面形成时，所产生的结合力不足以产生表面原子间的牢固连接，为了获得原子之间的牢固结合(形成金属键、共价键、离子键)，就必须激活表面上的原子。（2）扩散时的化学反应：在异种材料特别是金属与非金属材料连接时，界面将发生化学反应。首先在局部形成反应源，而后向整个连接界面上扩展，当整个界面都发生反应时，则形成良好的连接。

四、液相扩散连接基本原理该方法也称瞬时液相扩散连接(transientliquitphase)，通常采用比母材熔点低的材料作为中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化。在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。液相扩散的三个阶段（1）液相的生成将中间扩散夹层材料夹在被连接表面之间，施加一定的压力（0.1MPa），或依靠工件自重使相互接触。（2）等温凝固过程液相形成并充满整个焊缝缝隙后，应立即开始保温，使液-固相之间进行充分的扩散，由于液相中使熔点降低的元素大量扩散至母材内，母材中某些元素向液相中溶解，使液相的熔点逐渐升高而凝固，凝固界面从两侧向中间推进。

（3）成分均匀化等温凝固形成的接头，成分不均匀。为了获得成分和组织均匀的接头，需要继续保温扩散。瞬时液相扩散连接过程示意图