焊接

焊接（Welding），又称熔接、镕[róng]接^[1]，是一种被焊工件的材质（同种或者异种），通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法 ^[5]。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。焊接与其他连接方式不同，即不仅在宏观上形成了永久性的连接，而且在微观上也建立了金属组织之间的内在联系。^[5]根据母材是否被加热而熔化或是否被加压，通常将焊接方法分为熔焊、压焊及钎[qiān]焊三类。^[5]

焊接技术最早可以追溯到公元3000年前，秦始皇兵马俑中出土的铜车马构件上就有钎焊焊缝。工业生产中广泛应用的焊接技术几乎都是19世纪末、20世纪初的现代科学技术，特别是治金学、金属学、力学、电子学等技术的迅速发展所带来的现代工业的产物，如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊电阻焊、超声波焊、电子束焊、摩擦焊、等离子弧焊、激光焊、爆炸焊等。^[4]

焊接主要是借助热能或机械能，使被焊接材料达到原子间结合。满足焊接条件的热能有电弧热、化学热、电阻热、高频感应热、摩擦热、等离子焰、电子束、激光束等^[3]。焊接已成为一门独立的学科，它广泛应用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术，桥梁、船舶、潜艇，以及各种金属结构等工业部门。^[2]

公元3000年前，秦始皇兵马俑中出土的铜车马构件上就有钎焊焊缝，^[4]同时代的古埃及也出现了锻焊技术，所谓锻焊就是将金属加热后，用锤子击打，使被焊金属连接在一起。叙利亚大马士革刀可以追溯到中世纪（约476～1453年），就是采用锻焊方法打造的^[5]。

公元前2000多年中国的殷商年代制造的铁刃铜钺[yuè]就是铁和铜的铸焊件。所谓铸焊就是把分铸的部件用铅锡合金或铜铸焊在一起。据明朝宋应星所著《天工开物》记载，中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈旧壁土撒在接口上，分段锻焊大型船锚^[5]。

春秋战国时期（公元前770～公元前221年）曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的，经分析，其钎料与现代软钎料成分相近^[5]。

19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源。1881年，巴黎首次世界电器展上，俄罗斯人NBenardos在碳极和焊件引弧，填充金属棒使其熔化，首次展示了电弧焊方法。N.Benardos和另一个俄罗斯人S.Olszewski在1885年获得了一项英国专利权，在1887年获得了一项美国专利权。这些专利涉及的是一种早期的电极夹，他们的研究标志着碳弧焊的开端。^[5]

1890年，美国人C.LCoffin 首次使用光焊丝作为电极进行了电弧焊接。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时1900年英国人Strohmyer发明了薄药皮焊条（薄皮涂料焊条），电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段。1904年瑞典人0.Kiellberg建立了世界上第一个焊条厂，当他在使用电弧焊方法修理船上的蒸汽锅炉时注意到焊缝问题，后续对焊条进行改进（如1907年获得专利的厚药皮焊条）进一步提升了质量，电弧焊从20年代起成为一种重要的焊接方法。^[5]

1919年，美国人C.J. Holslag首次将交流电用于焊接，但这一技术直到十年后才得到广泛应用。1920 年美国的诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成了自动电弧焊机，成为最初的自动焊，开创了焊接机械化、自动化的先河。^[5]

1920年，第一全焊接船体的汽船 Fulagar 号在英国下水，第一艘使用焊接方法制造的油轮 Poughkeepsie Socony 号在美国下水。1927年，由Lindberg单独驾驶的单翼飞机成功地飞过了大西洋，该飞机机身是由全焊合金钢管结构组成的。1931年，由焊接工艺制造的全钢结构的帝国大厦建成。^[5]

1933年，第一条使用电弧焊工艺焊接的接头采用无衬垫结构的长输管线铺成。同年，世界上最高的悬索桥旧金山的金门大桥建成通车，它是由 87750t 钢材焊接拼成的。^[5]

1935年，美国的Linde Air Products公司完善了埋弧焊技术，埋弧焊的焊丝兼有电极和填充金属的作用，电弧及熔池都处于悍剂形成的熔渣保护下，无明弧。^[5]

1940年，第一艘全焊结构船体的Exhequer号在美国建成下水。第二次世界大战时期，铝、镁合金和合金钢在工业中得到了应用，对焊接提出了新的要求，特别是采用以往的焊接方法焊接铝、镁合金遇到了困难，航空业急需找到焊接铝、镁合金的方法。为此，美国开展了气体保护电弧焊的研究。1941年美国人 Meredith 发明了钨极惰性气体保护电弧焊 (TIG 焊)采用不熔化的钨电极与焊件之间引燃电弧进行焊接，采用惰性气体氩或氦作为保护气体。该种焊接方法适用于铝、镁及其合金的焊接。^[5]

1951年苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。1953年，苏联的柳巴夫斯基等人发明二氧化碳气体保护焊，促进了气体保护电弧焊的应用和发展，如出现了混合气体保护焊、药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。1957年美国的盖奇发明等离子弧焊。40年代德国和法国发明的电子束焊，也在50年代得到实用和进一步发展；60年代又出现激光焊，等离子、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接^[6]。

1967年，世界上第一条海底管线在墨西哥湾铺设成功，它是由美国的Krak Pilia公司使用热螺纹工艺及焊接工艺制造而成，1968年，在芝加哥John Hacock中心的22层以上接制成了世界上最高的锐角形钢结构其高度达到1107ft (1ft = 0.3048m)。^[5]

1983年，航天飞机上直径为160ft的瓣状结构的圆形顶部，是采用埋弧焊和气体保护电弧焊方法焊接而成的，并使用了射线探伤机进行焊接检验。1984年苏联女宇航员 Svetlana Savitskaya 在太空中使用电子束焊枪进行了空间焊接试验。^[5]

1991年，英国焊接研究所 (TWI) 经过10年的研究，发明了搅摩擦焊，成功地焊接了铝合金平板，使摩擦焊技术得到了新的发展。搅挫摩擦焊属于固相焊接技术，采用这种焊接方法焊接金属材料，不用熔化就能接合并形成高质量焊缝。该焊接工艺不使用耗材，能源消耗少，是20世纪末期最重要的焊接创新之一。^[5]

2000年以后，越来越多的高效焊接技术得到了快速发展，例如，原来的埋弧焊、熔化极气体保护焊基本都是用一个焊丝作为熔化极，而目前双丝、多丝埋弧焊，双丝熔化极气体保护焊已经在生产企业得到广泛应用。^[5]

2018年5月，外科手术缝合技术取得突破性进展，生物焊接技术利用焊接原理，将人体蛋白质细胞作为焊接材料，将所有的参数输入焊接仪，然后进行分类划分，将焊接不同组织的电流调节到不同的强度。^[7]

2023年11月，中国钢结构大会暨中国钢结构协会八届六次理事会在成都市召开，由山西建投潇河公司与唐山松下、中铁山桥共同完成的“智能高效焊接关键技术及工程应用”荣获“2023年度中国钢结构协会科学技术奖一等奖”，展示了中国在钢结构建筑领域的专业能力与创新实力。^[8]

固体材料之所以能够保持固定的形状，是由于其内部原子之间的距离足够小，使原子之间能形成牢固的结合力。要将两块固体材料连接在一起从物理本质上讲，就是要采取措施使这两块固体连接表面上的原子接近到足够小的距离，使其产生足够的结合力，从而达到永久性连接的目的^[9]。

对于实际焊接件，要使连接表面上的原子接近到足够小的距离是非常困难的。这是因为连接表面的表面质量较差，即使经过精密磨削加工，其表面从微观上看仍是凹凸不平的；而且连接表面常带有氧化膜、油污等，阻碍连接表面紧密地接触。因此，为了实现材料之间可靠的焊接必须采取有效的措施^[10]。例如：利用热源加热被焊母材的连接处，使之发生熔化，利用熔融金属之间的相溶及液-固两相原子的紧密接触来实现原子间的结合；对被焊母材的连接表面施加压力，在清除连接面上的氧化物和污物的同时，克服连接界面的不平，或使之产生局部塑性变形，使两个连接表面的原子相互紧密接触， 并产生足够大的结合力。如果在加力的同时加热，结合过程更容易进行；对填充材料加热使之熔化，利用液态填充材料对固态母材润湿，使液-固界面的原子紧密接触，相互扩散，产生足够大的结合力从而实现连接。这即是熔焊、压焊和钎焊能够实现永久性连接的基本原理^[9]。

焊接时热源与被焊材料相互作用传导到焊件，焊件受热发生局部熔化，被焊材料之间发生化学冶金重新结晶后连接在一起。焊接热过程涉及热传导、焊件金属相变以及温度变化引起应力变化过程等众多材料物理、化学过程。^[9]焊接热过程特点如下：焊接热源集中加热工件局部区域，焊接热过程具有局域性；大部分情况下焊接热过程热源和工件相对运动，受热区域不断变化，焊接热源具有移动性；由于焊接热源通常高度集中，工件加热速度快，短时间大量热能传导给工件使其局部熔化，且由于局部加热及移动性，工件冷却过程快，焊接热过程具有瞬时性；焊接中液态金属始终处于强烈运动状态，熔池内部传热以液态金属对流为主，外部传热以固体热传导为主，同时存在蒸发及热辐射，焊接传热过程具有复合性。^[10]

焊接化学冶金过程对焊缝金属的化学成分、性能，某些焊接缺欠（如气孔、结晶裂纹等）以及焊接工艺性能都有很大的影响^[11]，焊接化学冶金是指在熔焊过程中所发生的气体- 熔渣- 金属之间的物理与化学变化、熔化金属的结晶凝固以及由于焊接热循环造成的焊接热影响区内金属显微组织和性能的变化等。焊接化学冶金主要涉及各种焊接工艺条件下，化学冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。运用这些规律合理地选择焊接材料，控制焊缝金属的成分和性能使之符合工程使用性能要求，设计创造新的焊接材料。^[5]

焊接方法指特定的焊接方法，其含义包括该方法涉及的冶金、电、物理、化学及力学原则等内容。焊接常用的方法有电弧焊，氩yà弧焊，CO2保护焊，氧气-乙炔焊，激光焊接，电渣压力焊等多种，主要应用到铁、钢等金属材料上，塑料等非金属材料亦可进行焊接。金属材料焊接方法有40种以上，按照焊接过程中金属所处的状态不同，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类^[12]，如熔焊包括焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊、等离子弧焊、电渣焊、铝热焊、激光焊、电子束焊等；压焊包括变形焊、闪光焊、摩擦焊、电阻焊、高频焊、超声波焊、扩散焊等；钎焊包括烙铁钎焊、火焰钎焊、感应钎焊、电弧钎焊、炉中钎焊、电子束钎焊等^[5]。

熔焊也就是熔化焊，是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源会迅速加热熔化待焊两工件的接口处，形成熔池。^[5]

熔焊的典型特点是采用热源对焊件连接处进行局部加热、熔化，熔焊的热源有很多种，包括化学热源（铝热焊等）、电阻热源（电渣焊等）、电弧热源（焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊、埋弧焊等）、高能束热源（激光焊、电子束焊等） 等。^[5]

压焊旧称压力焊^[5]，是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。压力焊包括电阻焊（对焊、缝焊、点焊）、摩擦焊、超声波焊、冷压焊、锻焊等。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有像熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头^[13]。

电阻焊中的电阻点焊广泛用于汽车车体成形制造中，一般采用薄板搭接结构，焊件置于两个电子中间施加一定压力，在两电极间通焊接电流，电阻热转为热能熔化焊件，加压后是焊缝成形^[5]。

钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。钎焊包括火焰钎焊、高频钎焊、炉中钎焊、盐浴钎焊、真空钎焊等^[3]。

钎焊与熔焊相比，钎焊时母材是不熔化的，这就减少了母材热导率大对焊接质量的影响，防止了未焊透的形成，并能减少产生气孔和裂纹的倾向，保证焊缝性能。又由于在焊接过程中，母材不熔化，所以母材的组织、结构性质几乎不发生变化，从而可以保证母材原有的使用性能。^[14]

激光束焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。^[15]

电子束焊接是指依靠高速电子束的撞击，使焊接部位熔化并形成焊缝的焊接方法。该方法在焊接两种不同材料时，由于焊接过程中的热循环时间短，所以减少了由于热膨胀系数等性能的差异而产生裂纹的可能性，极大增加了接头处的力学性能。此外，采用电子束焊接方法的焊接变形小，焊缝深度比大，焊接质量高，且焊接规范有着较宽的调节范围。^[16]

现在的固态焊接技术是指：对焊件的焊接表面清理后，施加静态或动态压力，加热或不加热，在母材不熔化的情况下使两材料发生固相结合的焊接法。摩擦焊、扩散焊、冷压焊、爆炸焊、超声波焊等均属此类。这种方法，由于母材不熔化，所以和熔焊相比固态焊接有自己独特的优点。^[17]

优点是设备简单，便于操作，适用于各种位置的焊接，可以焊接各种材料，应用十分广泛。缺点是生产效率低，劳动强度大，对焊工的技术水平及操作要求较高。^[18]

优点是适于焊接各种钢材、有色金属及合金，焊接质量优良，便于实现全位置自动化焊接，热量集中，熔池较小，焊接速度较快，热影响区较小，工件焊接变形较小，电弧稳定，飞溅小，成形美观，适于双面成形。缺点是氩气成本较昂贵，氩弧焊的设备和控制系统比较复杂，钨极氩弧焊的生产效率较低。^[19]

优点是成本低，效率高，质量好，操作性能好。缺点是控制或操作不当时，容易产生气孔，焊接设备比较复杂。^[20]

优点是不需要保护气体，用于野外现场，效率高。缺点是操作技术要求高。^[21]

优点是能量利用率提高，焊接过程稳定性增强，熔深增加，焊接速度提高，焊缝成形改善，降低工件装配要求，间隙适应性好。可以采用复合热源，降低激光器的功率要求。缺点是设备成本较高。^[22][23]

焊接缺欠是指在焊接接头中因焊接产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象， 简称‘缺欠’。^[24]

焊接缺陷是指不符合具体焊接产品使用性能要求的焊接缺欠，焊接缺陷标志判废或必须返修。焊接缺陷对每一结构，甚至每一结构的每一构件都不相同，通常应根据测试、计算所得的判据才能确定^[11]。

焊接缺欠有焊缝气孔、夹杂、咬边、夹渣、未焊合、裂纹等，焊接缺欠对结构的承载强度、疲劳强度、脆性断裂及抗应力腐蚀开裂有重要影响。焊接缺陷是不符合焊接产品使用性能要求的焊接缺欠，判别是否为焊接缺陷的标准是焊接缺欠的容限^[11]。

高速动车组和大部分城轨车辆的车体均由铝合金板材和型材组焊而成，搅拌摩擦焊、激光焊等焊接工艺在轨道交通车辆生产线上大量的使用，如铝合金车体双轴肩搅拌摩擦焊，不锈钢轨道交通车体激光焊接，铝合金车体激光-MIG复合焊接，转向架自动焊接工艺，轨道交通车辆CMT薄板焊接等。^[25]

焊接与汽车制造行业密切相关。 电子束焊接主要用于汽车的变速箱中的齿轮、汽 缸、发动机增压器涡轮、离合器等部件的生产。汽车的一些零部件以及一些基础框架结构采用的是激光焊接。搅拌摩擦焊接主要应用于汽车的成型附件、车身支架、发动机引擎等方面。^[26]

航空和航海领域对材料要求都具有一定的特殊性，相应的特种焊接逐渐应用于航空和船舶制造领域。目前高能束流焊接技术、电子束焊及激光焊，焊接在航天领域的应用较为广泛^[27]。如双光束激光焊接应用于飞机铝合金机身壁板结构，而在船舶制造领域则主要使用高效焊接，如MIG/MAG(熔化极气体保护焊)双丝焊接工艺、高熔敷率大电流MAG焊接工艺、埋弧自动横向焊工艺、变极性等离弧焊技术、多丝埋弧焊和气保焊工艺及带活性焊剂的气保焊技术，可以更好地提高船舶制造的质量，增加产量，缩短制造工期，降低成本和劳动强度，保障生产安全，提高经济效益。^[28]

闪光对焊、激光焊、电子束焊、径向摩擦焊、搅拌摩擦焊、瞬时液相扩散焊、活性气体保护锻焊等焊接方法在石油管线钢管环焊施工中广泛应用。如高压TIG水下焊接新技术应用到500m深的海洋石油开采装备焊接中，能够保证海洋石油开采设备得到更好的安装与修复。高压TIG水下焊接新技术主要采用惰性气体为保护极，焊接人员可以采用填丝的方式对各项开采设备进行相应的焊接。^[29][30]

焊接是汽车制造过程中一项重要的环节。在汽车的焊接中，焊装质量直接决定着后面工序的质量，汽车焊接不同于其他产品焊接的主要工艺特点有：①对焊接件的尺寸精度要求高，为了保证产品的装配精度和尺寸稳定性。要求尽可能减少薄板件在焊前的精度偏差和焊后的热应力与变形；②对焊接接头的性能要求高，焊接接头不仅要满足静态和动态的力学性能指标，而且还应有很好的抗低周疲劳性能和高周疲劳性能；③对批量焊接生产品质要求高且一致性好；④对焊接生产过程要求高节拍、高效率；⑤对“零缺陷”的质量控制与保证要求自动化焊接过程的监测与信息化管理。^[31]

在桥梁改造与加固工程中，不管是大型钢桥的工程改造、不同桥梁桥墩系统加固，还是伸缩装置位置的维修等，焊接技术均得到了较为广泛的应用，焊接结构设计与焊接质量的好坏直接关系到工程质量和施工效率。^[32]

焊接相关的国内法规主要有：焊接质量GB6416-1986影响钢熔化焊接头质量的技术因素、焊接质量GB6417-1986金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明、焊接质量TJ12.1-1981建筑机械焊接质量规定、焊接质量JB/ZQ3679焊接部位的质量、焊接质量JB/ZQ3680焊缝外观质量、焊接质量CB999-1982船体焊缝表面质量检验方法、焊接质量JB3223-1983焊条质量管理规程等。^[33]

ISO 3834焊接体系认证。该认证是针对焊接这个特殊的工艺过程，要求企业将设计、工艺、生产、质量保证结合起来，共同形成成熟的体系，以保证产品最终的质量需求。^[34]

焊接规范是指制造焊件所有关的加工和实践要求的细则文件，可保证由熟练焊工或操作工操作时质量的再现性，如电弧焊接会造成金属熔化后的化学有害污染，如焊接粉尘、有害气体、高频电磁辐射、光辐射、热辐射等，在焊接过程中应遵从焊接规范，加强个人防护。^[5]

焊接自动化技术中融合了多种学科知识，从当前应用现状来看，未来一段时间焊接自动化技术必然与信息化技术形成更深层次的技术融合，焊接操作智能化程度将不断地逐渐提高，特别是对于石油化工自动焊接设备，可搭载当下最为先进的数字化智能控制系统，对焊接操作全过程形成可靠的监控与跟踪。^[35]

随着各种新型焊接技术的出现，焊接设备也必然发生更新换代，例如在传统的钨极氩弧焊技术的基础上，技术人员进一步研发了热丝钨极氩弧焊，设备也随之发生了一定的改变，加入了参数调节模块、焊缝跟踪模块、熔深调节模块等智能化控制模块，不仅能够提高焊接效率，还能够更为精准地控制焊丝与焊枪的运动轨迹、合理调整电参数，保证焊接质量。^[35]

人工智能技术在各学科前沿领域均得到高度关注，纷纷探索人工智能技术与学科自身的融合与创新，自动化焊接技术也不例外，将人工智能技术引入其中，能够真正实现技术上的突破。我国所出台的“智能制造中，将机器人技术与高档数控机床技术列为重点发展对象，自动化焊接机器人将会是未来一阶段的主要发展目标，这充分体现了中国对于焊接自动化的重视程度。很多先进国家经过研究已经初步实现了对焊接参数的人工智能优化，通过传感器监测焊接过程中的光、温度、电弧等信息，并按照设定调整焊接路径、摆动参数、送丝速度等指标，最大程度上确保熔深及焊道的稳定性，具有很强的应用价值。^[35]