激光焊接、电子束焊接、超声波焊接、电弧焊等传统焊接方法有什么区别？
焊接是连接金属或热塑性塑料的制造或雕刻过程。在焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔化区(熔池)，熔池冷却凝固形成材料间的连接。在这个过程中，通常需要压力。普通焊接与钎焊、锡焊的区别在于，锡焊是通过熔化熔点较低(低于工件本身熔点)的焊料形成连接，而不需要加热熔化工件本身。
焊接能量有许多来源，包括气体火焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波。除了在工厂中使用，焊接还可以在各种环境中进行，如室外、水下和太空。无论在哪里，焊接都可能给操作者带来危险，因此在焊接过程中必须采取适当的保护措施。焊接可能对人体造成伤害，包括烧伤、触电、视力损伤、吸入有毒气体、过量紫外线照射等。
19年底之前，唯一的焊接工艺就是铁匠们用了几百年的金属锻焊。最早的现代焊接技术出现在19年底，先是电弧焊和氧气焊，后来出现了电阻焊。20世纪初，一战和二战对军事装备的需求很大，相应的廉价可靠的金属连接技术受到重视，进一步推动了焊接技术的发展。战后先后出现了几种现代焊接技术，包括最流行的手工电弧焊，以及气体保护焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊、电渣焊等自动或半自动焊接技术。20世纪下半叶，随着焊接技术的飞速发展，激光焊接和电子束焊接得到了发展。如今，焊接机器人已经广泛应用于工业生产中。研究人员仍在深入研究焊接的本质，继续开发新的焊接方法，进一步提高焊接质量。
电弧焊
电弧焊利用焊接电源在电极和焊接材料之间产生并维持电弧，使焊点上的金属熔化形成熔池。他们可以使用直流电或交流电，也可以使用自耗电极或非自耗电极。有时在熔池附近引入一些惰性或半惰性气体，即保护气体，有时加入焊补材料。
电弧焊过程消耗大量电能，这些电能可以由各种焊接电源提供。最常见的焊接电源包括恒流电源和恒压电源。在电弧焊过程中，施加的电压决定电弧的长度，输入的电流决定输出的热量。恒流电源输出恒流和波动电压，多用于手工焊接，如手工电弧焊、钨极气体保护焊等。由于手工焊接要求电流保持相对稳定，在实际操作中，很难保证电极的位置不变，弧长和电压也会随之变化。恒压电源输出恒定的电压和波动的电流，因此常用于自动焊接过程，如气体保护金属极电弧焊、药芯焊丝电弧焊和埋弧焊。在这些焊接过程中，弧长保持不变，因为焊头和工件之间距离的任何波动都被电流的变化所补偿。例如，如果焊头与工件的距离太近，电流会迅速增加，导致焊点处的发热量急剧增加，焊头会部分熔化，直到距离恢复到原来的程度。
所用的电的类型对焊接有很大的影响。手工电弧焊、气体保护电弧焊等高耗电的焊接工艺通常使用直流电，电极可以接正极，也可以接负极。焊接时，与正极相连的部分会有更多的热集中，所以改变电极的极性会影响焊接性能。如果工件接正极，工件会更热，焊接深度和焊接速度会大大提高。相反，如果工件连接到负极，就会焊接浅焊缝。低功耗的焊接工艺，如钨极气体保护电弧焊，可以用直流电(使用任何接头方法)或交流电连接。但这些焊接工艺中使用的电极只产生电弧，不提供焊料，所以使用直流电时，连接正极时焊接深度较浅，连接负极时可产生较深的焊缝。交流电使焊条的极性迅速改变，这将产生中等熔深的焊缝。使用交流电的一个缺点是，每次变化的电压通过电压零点时，必须重新点燃电弧。为了解决这一问题，一些特殊的焊接电源产生方波交流电，而不是通常的正弦波，以使通过零点的电压变化的负面影响最小化。
电弧焊
屏蔽金属电弧焊(SMAW)是最常见的焊接工艺。在焊接材料和可消耗的焊条之间，通过施加高电压形成电弧。药皮焊条的药芯通常由钢制成，外层覆盖一层焊剂。在焊接过程中，焊剂燃烧产生二氧化碳，保护焊接区免受氧化和污染。电极芯直接用作填充材料，不需要额外的焊料。
该工艺适用范围广，所需设备相对便宜，非常适合野外和室外作业。操作人员只需稍加培训就能熟练掌握。焊接时间很慢，因为自耗电极焊条必须经常更换。焊接后，需要清除焊剂形成的焊渣。另外，这种技术通常只用于焊接黑色金属，焊接铸铁、镍、铝、铜等金属需要特殊的焊条。没有经验的操作者经常发现很难掌握特殊位置的焊接。
气体保护金属极电弧焊(GMAW)，也称为金属惰性气体保护焊或MIG焊，是一种半自动或自动焊接工艺。它采用焊条连续送丝作为电极，用惰性或半惰性混合气体保护焊点。类似手工电弧焊，操作者稍加训练就能掌握。由于焊丝的供给是连续的，GMAW的焊接速度比手工电弧焊高。另外，由于其电弧比手工电弧焊小，MIG电弧焊更适合特殊位置的焊接(如仰焊)。
与手工电弧焊相比，MIG电弧焊所需的设备要复杂和昂贵得多，安装过程也更加复杂。所以MIG电弧焊的便携性和通用性都不好，因为必须使用保护气体，所以不是特别适合室外作业。而MIG电弧焊的焊接速度更快，非常适合大规模工业焊接。该工艺适用于各种金属，包括黑色金属和有色金属。
另一种类似的技术是药芯焊丝电弧焊(FCAW ),它使用类似于MIG的设备，但使用的焊条是钢焊条芯，上面覆盖着粉末材料。与标准实芯焊条相比，这种焊丝价格更高，焊接时会产生烟雾和焊渣，但可以实现更高的焊接速度和更大的焊接深度。
气体保护钨极电弧焊(GTAW)，或钨极惰性气体保护焊(TIG)(有时被误称为氦弧焊)，是一种手工焊接工艺。它使用非自耗钨电极，惰性或半惰性保护气体和额外的焊料。这种工艺电弧稳定，焊接质量高，特别适合焊接薄板，但这种工艺对操作人员要求较高，焊接速度相对较低。
钨极气体保护电弧焊适用于几乎所有可焊金属，最常用于焊接不锈钢和轻金属。常用于焊接对焊接质量要求高的产品，如自行车、飞机、海工工具等。类似地，等离子弧焊(PAW)使用钨电极和等离子气体来产生电弧。等离子弧焊的电弧比钨极气体保护焊更集中，这就使得等离子弧焊的侧向控制显得尤为重要，因此这项技术对机械系统的要求更高。与钨极气体保护焊相比，该方法电流稳定，焊接深度更深，焊接速度更快。几乎能焊接所有钨极气体保护焊能焊接的金属，唯一不能焊接的是镁。不锈钢的自动焊接是等离子弧焊的一个重要应用。这种工艺的另一种形式是等离子切割，它适用于切割钢材。
埋弧焊是一种高效的焊接工艺。埋弧焊的电弧产生在焊剂内部，由于焊剂阻挡了大气的影响，焊接质量大大提高。埋弧焊的焊渣经常会自行脱落，不清理焊渣。埋弧焊采用自动送丝装置可以实现自动焊接，可以获得极高的焊接速度。由于电弧隐藏在焊剂下，几乎不产生烟雾，埋弧焊的工作环境比其他弧焊工艺好得多。这种工艺常用于工业生产，尤其是大型产品和压力容器的制造。其他电弧焊工艺包括原子氢焊(AHW)、碳弧焊(CAW)、电渣焊(ESW)、气电焊(EGW)和螺柱焊。
用可燃气体焊接金属零件
最常见的气焊工艺是氧燃料焊接，也称为氧乙炔火焰焊接。它是最古老和最常见的焊接工艺之一，但近年来在工业生产中很少见。它仍广泛用于管道的制造和维修，也适用于某些类型的金属艺术品的制造。易燃焊接不仅可用于焊接铁或钢，还可用于钎焊、铜焊、加热金属(用于弯曲)、火焰切割等。
可燃气体焊接所需的设备相对简单和便宜。通常，温度约为365，438+000摄氏度的火焰是由氧气和乙炔的混合燃烧产生的。由于火焰比电弧更分散，可燃气体焊接时焊缝的冷却速度较慢，可能导致较大的应力残余和焊接变形，但这一特点简化了高合金钢的焊接。一个衍生应用叫做火焰切割，也就是用气体火焰切割金属[5]。其他气焊工艺包括空气乙炔焊、氧氢焊和气压焊，它们的区别主要在于使用不同的燃料气体。氢氧焊接有时用于精密焊接小物件，如珠宝。气焊也可用于焊接塑料。一般用加热空气焊接塑料，其工作温度远低于焊接金属。
电渣焊
电阻焊的原理是当两个或两个以上的金属表面接触时，接触面上会产生接触电阻。如果大电流(1，000-100，000安培)通过这些金属，根据焦耳定律，接触电阻大的部分会产生热量，使接触点附近的金属熔化，形成熔池。总的来说，电阻焊是一种高效、无污染的焊接工艺，但其应用受到设备成本的限制。
点焊机
点焊或电阻点焊是一种流行的电阻焊接工艺，用于连接层压金属板，金属板的厚度可以达到3毫米..这两个电极不仅可以固定金属板，还可以向金属板输送强电流。这种方法的优点包括能量利用效率高、工件变形小、焊接速度快、易于自动焊接和无需焊料。因为电阻点焊的焊缝强度明显较低，所以这种工艺只适用于制造某些产品。广泛应用于汽车制造，一辆普通汽车上由工业机器人进行的焊接点就有上千个。特殊的喷丸焊接工艺可用于不锈钢的点焊。
一种类似于点焊的焊接工艺被称为缝焊，它通过电极施加压力和电流来拼接金属板。缝焊使用的电极是辊形而不是点形，电极可以滚动来传送金属板，这使得缝焊可以进行更长的焊接。以前这种工艺是用来做罐头的，现在很少用了。其他电阻焊接工艺包括闪光焊、凸焊和对焊。
能量束焊接
能量束焊接技术包括激光束焊接(LBW)和电子束焊接(EBW)。它们是相对较新的技术，在高科技制造业中非常流行。这两个过程的原理是相似的，最显著的区别在于它们的能量来源。激光焊接方法使用高度集中的激光束，而电子束焊接方法使用在真空室中发射的电子束。因为两种能量束的能量密度都很高，所以能量束焊接的熔深很大，焊点很小。这两个焊接过程速度非常快，容易实现自动化，生产效率高。主要缺点是设备成本极其昂贵(虽然价格一直在跌)，焊缝容易热裂。这一领域的新发展是激光复合焊接，它结合了激光焊接和电弧焊的优点，可以获得更高质量的焊缝。
固态焊接
与最早的焊接工艺锻焊类似，一些现代焊接工艺不需要熔化材料来形成连接。最受欢迎的是超声波焊接，它通过应用高频声波和压力来连接金属和热塑性塑料片和线。超声波焊接的设备和原理与电阻焊类似，但输入不是电流而是高频振动。这种焊接过程不会加热金属，直到它熔化，焊缝的形成依赖于水平振动和压力。焊接塑料时，应在熔化温度下施加垂直振动。超声波焊接通常用于制造由铜或铝制成的电气接口，也用于焊接复合材料。
另一种常见的固态焊接工艺是爆炸焊接，其原理是在爆炸产生的高温高压作用下使材料接合。爆炸的冲击使材料在短时间内表现出塑性，从而形成焊点，在这个过程中只产生少量的热量。这种工艺通常用于焊接不同的材料，例如连接船体或复合板上的铝部件。其他固态焊接工艺包括共挤压焊接、冷焊、扩散焊、摩擦焊(包括搅拌摩擦焊)、高频焊、热压焊、感应焊和滚焊。
关节类型
常见焊接接头类型:(1)工字形对接接头；(2)V型对接接头；(3)搭接接头；(4)丁字接头。
工件之间的焊接连接可以有多种接头形式。五种基本接头类型是对接接头、搭接接头、角接接头、端接接头和丁字接头。也有一些由此衍生的接头形式，如双V型对接接头，其特点是将两种要连接的材料切割成V型尖角。用单U型和双U型对接接头制作接头也很常见，它们的接头加工成弯曲的U型。与直线型V形接头不同，搭接接头可用于连接两种以上的材料，具体取决于焊接工艺和材料厚度，一个搭接接头可焊接多个工件。
一般来说，有些焊接工艺不能加工某些类型的接头或几乎不能完全加工。例如，搭接接头常用于电阻点焊、激光焊接和电子束焊接。然而，一些焊接工艺，例如手工电弧焊，可以使用几乎任何类型的接头。值得一提的是，有些焊接工艺允许多次焊接:一次焊接的焊缝冷却后，再进行焊接。这样，较厚的工件可以用V型对接接头焊接。
在焊接接头的横截面中，最暗的部分是焊接区或熔化区，较浅的部分是热影响区，最轻的部分是母材。
焊接后，焊缝附近的材料显示出几个不同的区域。焊缝被称为熔化区，更确切地说，是熔化后被焊剂填充的区域。熔化区的材料特性主要取决于所使用的焊剂以及焊剂和基底金属之间的相容性。熔化区周围是热影响区(HAZ)，该区域的材料在焊接过程中经历了微观结构和特性的变化，这取决于受热状态下母材的特性。热影响区的金属性能往往不如母材和熔化区，残余应力就分布在这个区域[28]。
[编辑]焊接质量
衡量焊接质量的主要指标是焊点及其周围材料的强度。影响强度的因素很多，包括焊接工艺、注能形式、母材、填充材料、焊剂、接头设计形式，以及上述因素之间的相互作用。通常，破坏性或无损检测用于检查焊接质量。测试的主要对象是焊点的缺陷、残余应力和变形的程度以及热影响区的性质。焊接检验有一套规范和标准来指导操作者采用合适的焊接工艺和判断焊接质量。
[编辑]热影响区
图中蓝色部分显示的是600°c左右焊接过程引起的金属氧化，用颜色判断焊接温度非常准确，但颜色面积并不代表热影响区的大小。真正的热影响区实际上是焊缝周围非常狭窄的区域。
可以校准焊接工艺对焊缝附近金属性能的影响。不同的焊接材料和焊接工艺会形成不同大小和特征的热影响区。基底金属的热扩散系数对热影响区的性能有很大的影响:较大的热扩散系数使材料能以较快的速度冷却，形成相对较小的热影响区。反之，如果材料的热扩散系数小，散热困难，热影响区就比较大。焊接过程的热输入对热影响区也有显著影响。例如，在氧乙炔焊接中，由于热量不是从中心输入，会形成大的热影响区。然而，激光焊接等工艺会集中有限的热量输出，并产生一个小的热影响区。电弧焊引起的热影响区位于两种极端情况之间，操作者的水平往往决定了热影响区的大小[29][30]。
以下公式可用于计算电弧焊的热输入:
q = \ left(\ frac { V \ times I \ times 60 } { S \ times 1000 } \ right)\ times \ mathit { Efficiency }
其中q是热输入(kJ/mm)，v是电压(v)，I是电流(a)，s是焊接速度(mm/min)。效率的数值取决于所采用的焊接工艺:手工电弧焊为0.75，气体保护金属极电弧焊和埋弧焊为0.9，气体保护钨极电弧焊为0.8[31]。
[编辑]扭曲和断裂
由于金属在焊接过程中被加热到熔化温度，当它们冷却时会收缩。收缩会产生残余应力，引起纵向和周向变形。变形可能导致产品形状失控。为了消除变形，有时在焊接过程中会引入一定的偏移量来抵消冷却引起的变形[32]。限制变形的其他方法包括夹紧工件，但这可能会导致热影响区的残余应力增加。残余应力会降低母材的机械性能，形成灾难性的冷裂纹。第二次世界大战期间建造的许多自由轮都出现了这个问题[33][34]。冷裂纹只存在于钢铁材料中，与钢冷却时形成马氏体有关，断裂多发生在母材热影响区。为了减少变形和残余应力，应控制焊接的热输入，在单一材料上的焊接应一次完成，不能分多次进行。
其他类型的裂纹，如热裂纹和硬化裂纹，可能出现在所有金属的焊接熔化区。为了减少裂纹的发生，焊接金属时不应施加外力，应使用合适的焊剂[35]。
[编辑]可焊性
焊接质量还取决于所用的母材和填料。不是所有的金属都能焊接，不同的母材需要搭配特定的焊剂。
[编辑]钢铁
不同钢材的焊接性与其自身的硬化特性成反比，硬化特性是指钢材在焊后冷却过程中产生马氏体的能力。钢的硬化特性取决于它的化学成分。如果一块钢含有高比例的碳和其他合金元素，其硬化性能指数高，因此其焊接性相对较低。比较不同合金钢的焊接性，可以用一种叫做当量碳含量的方法，它可以反映不同合金钢相对于普通碳钢的焊接性。比如铬和钒对可焊性的影响高于铜和镍，而上述合金元素的影响因子小于碳。合金钢的当量碳含量越高，其可焊性越低。如果使用普通碳钢和低合金钢来实现更高的可焊性，则产品的强度相对较低——可焊性和产品强度之间存在微妙的权衡。1970年代开发的高强度低合金钢克服了强度和可焊性之间的矛盾。这些合金钢具有高强度和良好的可焊性，使其成为焊接应用的理想材料[36]。
由于不锈钢含有高比例的铬，对其焊接性的分析不同于其他钢。不锈钢中的奥氏体具有良好的可焊性，但奥氏体由于热膨胀系数高，对扭转非常敏感。一些奥氏体不锈钢合金容易断裂，从而降低其耐腐蚀性。如果在焊接中不仔细控制铁素体的形成，它可能导致热断裂。为了解决这个问题，可以使用额外的电极头来沉积含有少量铁素体的焊接金属。铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的焊接性不好，焊接时必须预热，用专用焊条焊接[37]。
[编辑]铝
铝合金的可焊性因其所含合金元素的不同而有很大差异。铝合金对热断裂高度敏感，所以焊接时通常采用高焊接速度和低热输入。预热可以降低焊接区域的温度梯度，从而减少热裂。但预热也会降低基材的机械性能，在基材固定的情况下无法应用。采用合适的接头形式和相容性较好的填充合金可以减少热断裂的发生。铝合金表面在焊接前应清洗干净，去除氧化物、油污和松散的杂质。表面清洁非常重要，因为铝合金焊接时，氢气过多会造成起泡，氧气过多会形成浮渣[38]。
[编辑]极端环境下的焊接
水下焊接
有些焊接工艺除了在工厂、修理厂等受控环境下工作外，还可以在室外、水下、真空(如太空)等各种环境下进行。手工电弧焊经常用于室外作业，例如建筑施工和修理工作。需要保护气体的焊接过程通常不能在室外进行，因为空气的无序流动会导致焊接失败。手工电弧焊也可用于水下焊接，如焊接船体、水下管道、海上平台等。药芯焊丝电弧焊也常用于水下焊接。在太空焊接也是可行的:1969年，苏联宇航员首次在真空环境下试验了手工电弧焊、等离子电弧焊和电子束焊。在随后的几十年里，空间焊接技术得到了极大的发展。如今，研究人员仍在试图将不同的焊接技术转移到真空中，如激光焊接、电阻焊和摩擦焊。这些焊接技术在国际空间站的建设中发挥了巨大的作用。通过真空焊接技术，建造在地面上的空间站子模块可以在太空中组装成型[39]。
[编辑]保护措施
焊工佩戴防护头盔、手套和防护服进行电弧焊。
没有保护的焊接操作是非常危险和有害健康的。通过采用新技术和适当的保护措施，可以大大降低焊接过程中的事故和死亡风险。常用的焊接技术经常使用明弧或火焰，容易造成烫伤。焊工穿戴个人防护装备，如橡胶手套和长袖防护夹克，以避免接触高温和火焰。另外，焊接区域的强光会引起电光性眼炎等疾病，因为焊接时产生的大量紫外线会刺激和破坏角膜和视网膜。在电弧焊过程中，你必须戴护目镜或防护头盔来保护你的眼睛。近年来开发的一种新型防护头盔可以随着入射紫外线的强度改变护目镜的透光率。为了保护靠近焊接现场的除焊工以外的人，焊接工作现场往往被半透明的防护帘所包围。这些防护帘通常是PVC制成的塑料帘，可以保护附近无关人员免受电弧产生的高强度紫外线的伤害，但不能完全替代护目镜和头盔[40]。
焊工也受到危险气体和飞溅物的威胁。药芯焊丝电弧焊、手工电弧焊等焊接工艺会产生含有多种氧化物的烟雾，可能引起金属烟热等职业病。焊接烟尘中的小颗粒也会影响工人的健康。粒径越小，危害越大。此外，许多焊接过程会产生有害气体和烟雾，如二氧化碳、臭氧和重金属氧化物。这些气体对没有经验和有效通风措施的操作者来说是非常有害的。还有一点值得注意的是，很多焊接过程中使用的保护气体和原材料都是易燃易爆的，需要采取适当的防护措施，比如控制空气中的氧含量，将易燃易爆材料分开堆放[41]。焊接排烟设备常用于驱散有害气体，通过带隔板的高效空气过滤器过滤。
[编者]经济与发展趋势
焊接的经济成本是影响其工业应用的重要因素。影响焊接成本的因素很多，如设备、人力、原材料和能源成本等。对于不同的工艺，焊接设备的成本差别很大。手工电弧焊和可燃气体焊接相对较低，激光焊接和电子束焊接相对较高。由于一些焊接工艺成本高，一般只用于制造重要零件。自动焊接设备和焊接机器人的设备成本也很高，因此它们的使用也相应受到限制。人工成本取决于焊接速度、小时工资和总工时(包括焊接和后处理)。原材料成本包括购买母材、焊接填料和保护气体的成本。能量成本取决于电弧的工作时间和焊接的能量需求。
对于手工焊接，人工成本往往占总成本的很大一部分。因此，手工焊接成本的降低往往着眼于减少焊接操作的时间，有效的方法包括提高焊接速度和优化焊接参数。焊后除渣也是一项费时费力的工作。所以减少焊渣可以提高安全环保，降低成本，提高焊接质量[42]。机械化、自动化也能有效降低人工成本，但另一方面增加了设备成本，需要额外的时间进行设备安装调试。当产品有特殊需求时，原材料成本往往随之上涨。能源成本通常不重要，因为它通常只占总成本的几个百分点[43]。
近年来，为了降低高端产品焊接的人工成本，自动化焊接设备被广泛应用于工业生产(尤其是汽车工业)中的电阻点焊和电弧焊。焊接机器人能有效地完成焊接，尤其是点焊。随着技术的发展，焊接机器人也应用于电弧焊。焊接技术的前沿发展领域包括:异种材料之间的焊接(如铁铝零件的焊接连接)，新型焊接技术，如搅拌摩擦焊、磁脉冲焊、导电热缝焊、激光复合焊等。其他研究侧重于扩大现有焊接技术的应用范围，如激光焊接在航空和汽车工业中的应用。研究人员还希望进一步提高焊接质量，特别是控制焊缝的显微组织和残余应力，以减少焊缝的变形和断裂。