搅拌摩擦钎焊（FSB）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW）

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室焊接研究所 张贵锋 赵继鹏 苏伟 张建勋

三一重工股份有限公司 吴相省

摘 要：为解决Al与异种高强金属材料焊接过程中的工具磨损问题，西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺——搅拌摩擦钎焊（FSB）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW），并均已申报国家专利。两种技术均采用无针搅拌头，既避免了针的磨损，又获得了无匙孔的光滑外观；同时所得接头均断裂于Al母材内而非原始待焊接面。由此证明了两种新技术分别相对于传统搅拌摩擦焊与搅拌摩擦点焊的优越性。其中搅拌摩擦钎焊不仅成功用于Al/steel焊接，还可采用多道搅拌摩擦钎焊技术制备Al/steel双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究结果。

关键词：铝/钢异种金属钎焊；搅拌摩擦焊；搅拌摩擦钎焊（FSB）；嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW）

1 搅拌摩擦焊的优点与存在问题

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的一种尤为适于Al材的固态焊接技术。其核心技术特征在于采用了由粗肩与细针组成的同轴台阶式耐磨工具（搅拌头）。肩的主要作用在于：保护、摩擦加热（包括预热与维持两方面）、保证焊缝表面光滑成形、锻压焊缝、驱动表层塑化材料转移等；针的主要作用在于：搅拌、破膜、界面混合、转移塑化材料等。搅拌头所采用的这种分段式特殊结构为同时实现焊缝表面光滑成形（主要靠肩）与焊缝内部界面混合（主要靠针）创造了条件。另一方面，利用工件/工具间的摩擦热代替工件/工件间的摩擦热，从而为工件固定、工具运动创造了条件, 进而为其适用于各种接头型式（对接、搭接、角接等）创造了条件。

迄今为止，适于Al材的焊接技术有：交流TIG及VPTIG（变极性TIG）、MIG、VPPAW（变极性等离子弧焊接）等。与上述熔焊工艺相比，属于固态焊接的FSW具有显著优点：耗能小、无须焊丝与保护气体、焊接变形小、参与应力水平低、焊缝晶粒不易长大、无热裂纹与气孔这两类与凝固有关的缺陷、适于各种Al合金（包括熔焊无法焊接的硬铝——2XXX系列、超硬铝 ——7XXX系列）等。由于FSW的上述优点，美国波音公司（Boeing Co.）、美国国家宇航局（NASA）早在1994年以后便采用了FSW焊接技术焊接Al合金。

FSW存在的问题主要有：

（1）要求母材必须能够被刚性固定于工作台面。对此，目前已有采用双肩搅拌头的改进型焊接技术的报道。

（2）焊缝末端存在针拔出时残留的匙孔（keyhole）。对此，已有采用可伸缩针的改进型焊接技术的报道。

（3）当母材之一或两种母材均为屈服强度较高的材料（如钢材）时，搅拌头磨损严重。目前尚难以应用于钢材的焊接。对此，日本有人采用陶瓷搅拌头。但陶瓷搅拌头存在制备难、加工难、价格贵、供货及时性差等经济与技术不足，难以在工业领域普遍推广。

FSW的改进工艺方兴未艾，在美国于1995~2006年间已有50项相关专利被授权[1]。

为解决Al与异种高强金属材料（如铜、钢、不锈钢等）焊接过程中的工具磨损问题，拓宽搅拌摩擦焊的应用范围，西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺—— 搅拌摩擦钎焊（FSB：friction stir bra-zing）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW：embedding friction stir spot welding），并均已申报国家专利。其中FSB不仅可用于Al/steel焊接，还可用于制备Al/steel 双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究成果。

2 Al/steel搅拌摩擦钎焊

2.1 搅拌摩擦钎焊的推出

虽然搅拌摩擦焊在国内外业界有强势影响，但搅拌摩擦焊并非万能的：最典型的情况是当母材之一是钢材时（制备双金属板时，常常有一种为较硬的钢材）经典搅拌摩擦焊便难以胜任。其原因在于：若使用普通工具钢制搅拌头，则因工具严重磨损而难以为继（除非采用陶瓷搅拌头，不仅价贵、易碎且市场供货难以保证）；若为了避免工具磨损而采用无针式搅拌头时，则无论如何调整参数，两板界面上无变形、无粘附，界面结合极差, 断裂于原始界面。此时，恰好正是搅拌摩擦钎焊的用武之地。

2.2 搅拌摩擦钎焊工艺、机理与应用

为了避免钢材与针的直接接触导致的对针的严重磨损，搅拌摩擦钎焊（friction stir brazing，FSB）在所用工具、压入深度、能量利用重点方面均不同于传统搅拌摩擦焊。（1）FSB所采用的工具为无针工具，这是FSB区别于FSW的一个显著特征。（2）FSB要求柱状工具的压入深度较浅，无须穿透Al母材而达到Al/steel界面，这是FSB 区别于搭接搅拌摩擦焊（FSLW）的一个显著特征。（3）在这种使用无针工具的情况下，上/下界面之间的破膜、机械混合因丧失了针的搅拌作用而难以实现。为此，提出采用冶金途径—— 即预置中间层，利用冶金反应（共晶反应、还原反应）、溶解代替机械破膜与机械混合，以实现上/下界面之间的洁净、致密连接。该思路的特点在于充分挖掘摩擦加热及Al母材热传导快的可能潜力，以降低对界面处机械搅拌的要求，从而免去对针的磨损。只要界面温度适可，便有可能在免机械搅拌情况下，实现上/下界面之间的致密、牢固的连接。相比而言，传统搅拌摩擦焊更侧重于利用强烈塑性变形及其引发的动态再结晶来形成致密、牢固的接头。

当加入锌钎料后，基于活用搅拌摩擦热源的思路，以清洁、高效的摩擦热使锌充分液化，通过钎料的熔化、母材的快速溶解、氧化膜的破碎与分散、多余液态金属的挤出，即可在待焊上/下界面间获得牢固而致密的焊接, 从而完成焊接过程。这样，便同时解决了经典搅拌摩擦焊存在的或工具磨损（有针情况下），或很容易地沿原始界面开裂（无针情况下）的问题。因此，从应用范围角度看，搅拌摩擦钎焊的适用范围更广，不仅可以用于铝/铝搭接，更适于铝/钢类含有较硬异种材料搭接的工况，是传统搅拌摩擦焊的重要补充。

金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法。

在各种产品制造工业中，焊接与切割（热切割）是一种十分重要的加工工艺。据工业发达国家统计,每年仅需要进行焊接加工后使用的钢材就占钢总产量的45%左右。

焊接不仅可以解决各种钢材的连接，而且还可以解决铝、铜等有色金属及钛、锆等特种金属材料的连接，因而已广泛应用于机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、石油化工、航天技术、原子能、电力、电子技术及建筑等部门。

随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展，焊接技术不断进步。仅以新型焊接方法而言，到目前为止，已达数十种之多。

生产中选择焊接方法时，不但要了解各种焊接方法的特点和选用范围，而且要考虑产品的要求，然后还要根据所焊产品的结构、材料以及生产技术等条件作出初步选择。

首先讨论焊接方法分类，然后概括介绍各种焊接方法的特点和选用的范围。其次简要介绍如何根据产品的要求和特点选择在技术和经济上最适宜的焊接方法的基本知识，以供那些需要从事焊接生产的工程技术人员参考。最后提出焊接技术在各个方面的发展，希望对于关心焊接新技术的较有经验的焊接技术人员在发展或采用新技术时有所帮助。

一、焊接方法分类

焊接方法各类繁多，而且新的方法仍在不断涌现，因此如何对焊接方法进行科学的分类是一个十分重要的问题。正确的分类不仅可以帮助读者了解、学习各种焊接方法的特点和本质，而且可以为科学工作者开发新的焊接技术提供有力根据。目前，国内外著作中焊接方法分类法种类甚多，各有差异。本手册首先对现有分类法进行简单描述和评论，然后提出一种新的分类方法，讨论其原则和优点。并将它作为本卷各章编写的依据。

1．族系法

本分类方法基本上是根据焊接工艺中某几个特征将焊接方法分为若干大类，然后进一步根据其它特征细分为若干小类，如此等等，形成族系。这种分类法在目前各种著作中应用最多。在此分类法中，首先将焊接方法划分为三大类，即熔化焊、固相焊和钎焊。其次，将每一大类方法，例如熔化焊、固相焊和钎焊。其次，将每一大类方法，例如溶化焊，按能源种类细分为电弧焊、气焊、铝热焊、电渣焊等类。然后有的如电弧焊，再细分为熔化极的、各种保护方法的焊接方法。

按焊接工艺特征分类时，分类的层次可多可少，比较灵活，其主次关系己也比较明确。这是优点。但是，这种分类法往往没有明确的、一致的分类原则，例如表1－1中，分大类时与后面几层分类时根据的原则是不一致的。三大类特征之间也没有一定的、一致的分类原则。例如熔化焊是以焊接过程中是否熔化和结晶为准则；钎焊则以钎料为划分的主要根据。因此，对于某一种焊接方法，可能因强调的特点不同而有不同的分类，例如点焊、闪光焊、熔化气压焊。

此外，由于上下各主次分类之间界限过于机械，不可能跨界交叉分类，以致有些焊接方法无法归类，例如扩散钎焊，热喷涂等。

二、焊接方法介绍

1．电弧焊

电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法。它包括有：手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。

绝大部分电弧焊是以电极与工件之间燃烧的电弧作热源。在形成接头时，可以采用也可以不采用填充金属。所用的电极是在焊接过程中熔化的焊丝时，叫作熔化极电弧焊，诸如手弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊、管状焊丝电弧焊等；所用的电极是在焊接过程中不熔化的碳棒或钨棒时，叫作不熔化极电弧焊，诸如钨极氩弧焊、等离子弧焊等。

（1）手弧焊

手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。

手弧焊设备简单、轻便，操作灵活。可以应用于维修及装配中的短缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的焊接。手弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢、不锈钢、铸铁、铜、铝、镍及其合金。

（2）埋弧焊

埋弧焊是以连续送时的焊丝作为电极和填充金属。焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化，形成焊缝。

在电弧热的作用下，上部分焊剂熔化熔渣并与液态金属发生冶金反应。熔渣浮在金属熔池的表面，一方面可以保护焊缝金属，防止空气的污染，并与熔化金属产生物理化学反应，改善焊缝金属的万分及性能；另一方面还可以使焊缝金属缓慢泠却。

埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与手弧焊相比，其最大的优点是焊缝质量好，焊接速度高。因此，它特别适于焊接大型工件的直缝的环缝。而且多数采用机械化焊接。

埋弧焊已广泛用于碳钢、低合金结构钢和不锈钢的焊接。由于熔渣可降低接头冷却速度，故某些高强度结构钢、高碳钢等也可采用埋弧焊焊接。

（3）钨极气体保护电弧焊

这是一种不熔化极气体保护电弧焊，是利用钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝的。焊接过程中钨极不熔化，只起电极的作用。同时由焊炬的喷嘴送进氩气或氦气作保护。还可根据需要另外添加金属。在国际上通称为TIG焊。

钨极气体保护电弧焊由于能很好地控制热输入，所以它是连接薄板金属和打底焊的一种极好方法。这种方法几乎可以用于所有金属的连接，尤其适用于焊接铝、镁这些能形成难熔氧化物的金属以及象钛和锆这些活泼金属。这种焊接方法的焊缝质量高，但与其它电弧焊相比，其焊接速度较慢。

（4）等离子弧焊

等离子弧焊也是一种不熔化极电弧焊。它是利用电极和工件之间地压缩电弧（叫转发转移电弧）实现焊接的。所用的电极通常是钨极。产生等离子弧的等离子气可用氩气、氮气、氦气或其中二者之混合气。同时还通过喷嘴用惰性气体保护。焊接时可以外加填充金属，也可以不加填充金属。

等离子弧焊焊接时，由于其电弧挺直、能量密度大、因而电弧穿透能力强。等离子弧焊焊接时产生的小孔效应，对于一定厚度范围内的大多数金属可以进行不开坡口对接，并能保证熔透和焊缝均匀一致。因此，等离子弧焊的生产率高、焊缝质量好。但等离子弧焊设备（包括喷嘴）比较复杂，对焊接工艺参数的控制要求较高。

钨极气体保护电弧焊可焊接的绝大多数金属，均可采用等离子弧焊接。与之相比，对于1mm以下的极薄的金属的焊接，用等离子弧焊可较易进行。

（5）熔化极气体保护电弧焊

这种焊接方法是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体保护电弧来进行焊接的。

熔化极气体保护电弧焊通常用的保护气体有：氩气、氦气、CO2气或这些气体的混合气。以氩气或氦气为保护气时称为熔化极惰性气体保护电弧焊（在国际上简称为MIG焊）；以惰性气体与氧化性气体(O2,CO2)混合气为保护气体时，或以CO2气体或CO2＋O2混合气为保护气时，或以CO2气体或CO2＋O2混合气为保护气时，统称为熔化极活性气体保护电弧焊（在国际上简称为MAG焊）。

熔化极气体保护电弧焊的主要优点是可以方便地进行各种位置的焊接，同时也具有焊接速度较快、熔敷率高等优点。熔化极活性气体保护电弧焊可适用于大部分主要金属，包括碳钢、合金钢。熔化极惰性气体保护焊适用于不锈钢、铝、镁、铜、钛、锆及镍合金。利用这种焊接方法还可以进行电弧点焊。

（6）管状焊丝电弧焊

管状焊丝电弧焊也是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧为热源来进行焊接的，可以认为是熔化极气体保护焊的一种类型。所使用的焊丝是管状焊丝，管内装有各种组分的焊剂。焊接时，外加保护气体，主要是CO。焊剂受热分解或熔化，起着造渣保护溶池、渗合金及稳弧等作用。

管状焊丝电弧焊除具有上述熔化极气体保护电弧焊的优点外，由于管内焊剂的作用，使之在冶金上更具优点。管状焊丝电弧焊可以应用于大多数黑色金属各种接头的焊接。管状焊丝电弧焊在一些工业先进国家已得到广泛应用。

2.电阻焊

这是以电阻热为能源的一类焊接方法，包括以熔渣电阻热为能源的电渣焊和以固体电阻热为能源的电阻焊。由于电渣焊更具有独特的特点，故放在后面介绍。这里主要介绍几种固体电阻热为能源的电阻焊，主要有点焊、缝焊、凸焊及对焊等。

电阻焊一般是使工件处在一定电极压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化而实现连接的焊接方法。通常使用较大的电流。为了防止在接触面上发生电弧并且为了锻压焊缝金属，焊接过程中始终要施加压力。

进行这一类电阻焊时，被焊工件的表面善对于获得稳定的焊接质量是头等重要的。因此，焊前必须将电极与工件以及工件与工件间的接触表面进行清理。

点焊、缝焊和凸焊的牾在于焊接电流（单相）大（几千至几万安培），通电时间短（几周波至几秒），设备昂贵、复杂，生产率高，因此适于大批量生产。主要用于焊接厚度小于3mm的薄板组件。各类钢材、铝、镁等有色金属及其合金、不锈钢等均可焊接。

3．高能束焊

这一类焊接方法包括：电子束焊和激光焊。

（1）电子束焊

电子束焊是以集中的高速电子束轰击工件表面时所产生的热能进行焊接的方法。

电子束焊接时，由电子枪产生电子束并加速。常用的电子束焊有：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。前两种方法都是在真空室内进行。焊接准备时间（主要是抽真空时间）较长，工件尺寸受真空室大小限制。

电子束焊与电弧焊相比，主要的特点是焊缝熔深大、熔宽小、焊缝金属纯度高。它既可以用在很薄材料的精密焊接，又可以用在很厚的（最厚达300mm）构件焊接。所有用其它焊接方法能进行熔化焊的金属及合金都可以用电子束焊接。主要用于要求高质量的产品的焊接。还能解决异种金属、易氧化金属及难熔金属的焊接。但不适于大批量产品。

（2）激光焊

激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接。这种焊接方法通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。

激光焊优点是不需要在真空中进行，缺点则是穿透力不如电子束焊强。激光焊时能进行精确的能量控制，因而可以实现精密微型器件的焊接。它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。

4．钎焊

钎焊的能源可以是化学反应热，也可以是间接热能。它是利用熔点比被焊材料的熔点低的金属作钎料，经过加热使钎料熔化，靠毛细管作用将钎料及入到接头接触面的间隙内，润湿被焊金属表面，使液相与固相之间互扩散而形成钎焊接头。因此，钎焊是一种固相兼液相的焊接方法。

钎焊加热温度较低，母材不熔化，而且也不需施加压力。但焊前必须采取一定的措施清除被焊工件表面的油污、灰尘、氧化膜等。这是使工件润湿性好、确保接头质量的重要保证。

钎料的液相线湿度高于450℃而低于母材金属的熔点时，称为硬钎焊；低于450℃时，称为软钎焊。

根据热源或加热方法不同钎焊可分为：火焰钎焊、感应
钎焊、炉中钎焊、浸沾钎焊、电阻钎焊等。

钎焊时由于加热温度比较低，故对工件材料的性能影响较小，焊件的应力变形也较小。但钎焊接头的强度一般比较低，耐热能力较差。

钎焊可以用于焊接碳钢、不锈钢、高温合金、铝、铜等金属材料，还可以连接异种金属、金属与非金属。适于焊接受载不大或常温下工作的接头，对于精密的、微型的以及复杂的多钎缝的焊件尤其适用。

5．其它焊接方法

这些焊接方法属于不同程度的专门化的焊接方法，其适用范围较窄。主要包括以电阻热为能源的电渣焊、高频焊；以化学能为焊接能源的气焊、气压焊、爆炸焊；以机械能为焊接能源的摩擦焊、冷压焊、超声波焊、扩散焊。

（1）电渣焊

如前面所述，电渣焊是以熔渣的电阻热为能源的焊接方法。焊接过程是在立焊位置、在由两工件端面与两侧水冷铜滑块形成的装配间隙内进行。焊接时利用电流通过熔渣产生的电阻热将工件端部熔化。

根据焊接时所用的电极形状，电渣焊分为丝极电渣焊、板极电渣焊和熔嘴电渣焊。

电渣焊的优点是：可焊的工件厚度大（从30mm到大于1000mm），生产率高。主要用于在断面对接接头及丁字接头的焊接。

电渣焊可用于各种钢结构的焊接，也可用于铸件的组焊。电渣焊接头由于加热及冷却均较慢，热影响区宽、显微组织粗大、韧性、因此焊接以后一般须进行正火处理。

（2）高频焊

同频焊是以固体电阻热为能源。焊接时利用高频电流在工件内产生的电阻热使工件焊接区表层加热到熔化或接近的塑性状态，随即施加（或不施加）顶锻力而实现金属的结合。因此它是一种固相电阻焊方法。

高频焊根据高频电流在工件中产生热的方式可分为接触高频焊和感应高频焊。接触高频焊时，高频电流通过与工件机械接触而传入工件。感应高频焊时，高频电流通过工件外部感应圈的耦合作用而在工件内产生感应电流。

高频焊是专业化较强的焊接方法，要根据产品配备专用设备。生产率高，焊接速度可达30m/min。主要用于制造管子时纵缝或螺旋缝的焊接。

（3）气焊

气焊是用气体火焰为热源的一种焊接方法。应用最多的是以乙炔气作燃料的氧－乙炔火焰。由于设备简单使操作方便，但气焊加热速度及生产率较低，热影响区较大，且容易引起较大的变形。

气焊可用于很多黑色金属、有色金属及合金的焊接。一般适用于维修及单件薄板焊接。

（4）气压焊

气压焊和气焊一样，气压焊也是以气体火焰为热源。焊接时将两对接的工件的端部加热到一定温度，后再施加足够的压力以获得牢固的接头。是一种固相焊接。

气压焊时不加填充金属，常用于铁轨焊接和钢筋焊接。

（5）爆炸焊

爆炸焊也是以化学反应热为能源的另一种固相焊接方法。但它是利用炸药爆炸所产生的能量来实现金属连接的。在爆炸波作用下，两件金属在不到一秒的时间内即可被加速撞击形成金属的结合。

在各种焊接方法中，爆炸焊可以焊接的异种金属的组合的范围最广。可以用爆炸焊将冶金上不相容的两种金属焊成为各种过渡接头。爆炸焊多用于表面积相当大的平板包覆，是制造复合板的高效方法。

（6）摩擦焊

摩擦焊是以机械能为能源的固相焊接。它是利用两表面间机械摩擦所产生的热来实现金属的连接的。

摩擦焊的热量集中在接合面处，因此热影响区窄。两表面间须施加压力，多数情况是在加热终止时增大压力，使热态金属受顶锻而结合，一般结合面并不熔化。

摩擦焊生产率较高，原理上几乎所有能进行热锻的金属都能摩擦焊接。摩擦焊还可以用于异种金属的焊接。要适用于横断面为圆形的最大直径为100mm的工件。

（7）超声波焊

超声波焊也是一种以机械能为能源的固相焊接方法。进行超声波焊时，焊接工件在较低的静压力下，由声极发出的高频振动能使接合面产生强裂摩擦并加热到焊接温度而形成结合。

超声波焊可以用于大多数金属材料之间的焊接，能实现金属、异种金属及金属与非金属间的焊接。可适用于金属丝、箔或2～3mm以下的薄板金属接头的重复生产。

（8）扩散焊

扩散焊一般是以间接热能为能源的固相焊接方法。通常是在真空或保护气氛下进行。焊接时使两被焊工件的表面在高温和较大压力下接触并保温一定时间，以达到原子间距离，经过原子朴素相互扩散而结合。焊前不仅需要清洗工件表面的氧化物等杂质，而且表面粗糙度要低于一定值才能保证焊接质量。

扩散焊对被焊材料的性能几乎不产生有害作用。它可以焊接很多同种和异种金属以及一些非金属材料，如陶瓷等。

扩散焊可以焊接复杂的结构及厚度相差很大的工件。

三、焊接方法的选择

1．产品特点

（1）产品结构类型焊接的产品按结构特点大致可分为以四大类。

1）结构类如桥梁、建筑工程、石油化工容器等。

2）机构零件类如汽车零部件等。

3）半成品类如工字梁、管子等。

4）微电子器件类。

这些不同结构的产品由于焊缝的长短、形状、焊接位置等各不相同，因而适用的焊接方法也会不同。

结构类产品中规则的长焊缝和环缝宜用埋弧焊。手弧焊用于打底焊和短焊缝焊接。机械类产品接头一般较短，根据其准确度要求，选用气体保护焊（一般厚度）、电渣焊、气电焊（重型构件宜于立焊的）、电阻焊（薄板件）、摩擦焊（圆形断面）或电子束焊（有高精度要求的）。半成品类的产品的焊接接头往往是规则的，宜采用适于机械化的焊接方法，如埋弧焊、气体保护电弧焊、高频焊。微型电子器件的接头主要要求密封、导电性、受热程度小等，因此宜用电子束焊、超声波焊、扩散焊、钎焊和电容储能焊。

如上述，对于不同结构的产品通常有几种焊接方法可供选择，因此还要综合考虑产品的以下其它特点。

（2）工件厚度工件的厚度可在一定程度上决定所适用的焊接方法。每种焊接方法由于所用热源不同，都有一定的适用的材料厚度范围。在推荐的厚度范围内焊接时较易控制焊接质量和保持合理的生产率。

（3）接头型式和焊接位置根据产品的使用要求和所用母材的厚度及形状，设计的产品可采用对接、搭接、角接等几种类型的接头型式。其中对接型式适用于大多数焊接方法。钎焊一般只适于连接面积比较大而材料厚度较小的搭接接头。

产品中各个接头的位置往往根据产品的结构要求和受力情况决定。这些接头可能需要在不同的焊接位置焊接，包括平焊、立焊、横焊、仰焊及全位置焊接等。平焊是最容易、最普遍的焊接位置，因此焊接时应该尽可能使产品接头处于平焊位置，这梓就可选择既能保证良好的焊接质量，又能获得较高的生产率的焊接方法，如埋弧焊和熔化极气体保护焊。对于立焊接头宜采用熔化极气体保护焊（薄板）、气电焊（中厚度），当板厚超过约30mm时可采用电渣焊。

（4）母材性能

1）母材的物理性能母材的导热性能、导电性能、熔点等物理性能会直接影响其焊接性及焊接质量。

当焊接导热系数较高的金属如铜、铝及其合金时，应选择热输入强度大、具有较高焊透能力的焊接方法，以使被焊金属在最短的时间内达到熔化状态，并使工件变形最小。

对于电阻率较高的金属则更宜采用电阻焊。

对于热敏感材料，则应注意选择热输入较小的焊接方法，例如激光焊、超声波焊等。

对于钼、钽等高熔点的难熔金属，采用电子束焊是极好的焊接方法。而对于物理性能相差较大的异种金属，宜采用不易形成脆性中间相的焊接方法，如各种固相焊、激光焊等。

2）母材的力学性能被焊材料的强度、塑性、硬度等力学性能会影响焊接过程的顺利进行。如铝、镁一类塑性温度区较窄的金属就不能用电阻凸焊，而低碳钢的塑性温度区宽则易于电阻焊焊接，又如，延性差的金属就不宜采用大幅度塑性变形的冷焊方法。再如爆炸焊时，要求所焊的材料具有足够的强度与延性，并能承受焊接工艺过程中发生的快速变形。

另一方面，各种焊接方法对焊缝金属及热影响区的金相组织及其力学性能的影响程度不同,因此也会不同程度地影响产品的使用性能。选择的焊接方法还要便于通过控制热输入从而控制熔深、熔合比和热影响区（固相焊接时以便于控制其塑性变形）来获得力学性能与母材相近的接头。例如电渣焊、埋弧焊时由于热输入较大，从而使焊接接头的冲击韧度降低。又如电子束焊的焊接接头的热影响区较窄，与一般电弧焊相比，其接头具有较好的力学性能和较小的热影响区。因此，电子束焊对某些金属如不锈钢或经热处理的零件是很好的焊接方法。

3）母材的冶金性能由于母材的化学成分直接影响了它的冶金性能，因而也影响了材料的焊接性。因此这也是选择焊接方法时必须考虑的重要因素。

工业生产中应用最多的普通碳钢和低合金钢采用一般的电弧焊方法都可进行焊接。钢材的合金含量，特别是碳含量愈高，焊接性往往愈差，可选用的焊接方法种类愈有限。

对于铝、镁及其合金等这些较活泼的有色金属材料，不宜选用CO2电弧焊、埋弧焊，而应选用惰性气体保护焊，如钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊等。对于不锈钢，通常可采用手弧焊、钨极氩弧焊或熔化术氩弧焊等。特别是氩弧焊，其保护效果好，焊缝成分易于控制，可以满足焊缝耐蚀性的要求。对于钛、锆这类金属，由于其气体溶解度较高，焊后容易变脆，因此采用高真空电子束焊最佳。

此外，对于含有较多合金元素的金属材料，采用不同的焊接方法会使焊缝具有不同的熔合比，因而会影响焊缝的化学成分，亦即影响其性能。

具有高淬硬性的金属宜采用冷却速度缓慢的焊接方法，这样可以减少热影响区开裂倾向。淬火钢则不宜采用电阻焊，否则，由于焊后冷却速度太快，可能造成焊点开裂。焊接某些沉淀硬化不锈钢时，采用电子束焊可以获得力学性能较好的接头。

对于熔化焊不容易焊接的冶金相容性较差的异种金属，庆考虑采用某种非液相结合的焊接方法，如本卷介绍的钎焊，扩散焊或爆炸焊等。

2．生产条件

（1）技术水平在选择焊接方法以制造具体产品时，要顾及制造厂家的设计及制造的技术条件。其中焊工的操作技术水平尤其重要。

通常需要对焊工进行培训。包括：手工操作、焊机使用、焊接技术、焊接检验及焊接管理等。对某些要求较高的产品如压力容器，在焊接重复前则要对焊工进行专门的培训和考核。

手弧焊时要求焊工具有一定的操作技能，特别是进行立焊、仰焊、横焊等位置焊接时，则要求焊工有更高的操作技能。

手工钨极氩弧焊与手弧焊相比，要求焊工经过更长期的培训和具有更熟练、更灵巧的操作技能。

埋弧焊、熔化极气体保护焊多为机械化焊接或半自动焊，其操作技术比手弧焊要求相对低一些。

电子束焊、激光焊时，由于设备及辅助装置较复杂，因此要求有更高的基础知识和操作技术水平。

（2）设备每种焊接方法都需要配用一定的焊接设备。包括：焊接电源、实现机械化焊接的机械系统、控制系统及其它一些辅助设备。电源的功率、设备的复杂程度、成本等都直接影响了焊接生产的经济效益，因此焊接设备也是选择焊接方法时必须考虑的重要因素。

焊接电流有交流电流电源和直流电源两大类。一般交流弧焊机的构造比较简单、成本低。

手弧焊所需设备最简单，除了需要一台电源外，只须配用焊接电缆及夹持焊条的电焊钳即可。宜优先考虑。

熔化极气体保护电弧焊需要有自动进焊丝、自动行走小车等机械设备。此外还要有输送保护气的供气系统、通冷却水的供水系统及焊炬等。

真空电子束焊需配用高压电源、真空室和专门的电子枪。激光焊时需要有一定功率的激光器及聚焦系统。因此，这两种焊接方法都要有专门的工装和辅助设备，其设备较复杂、功率大，因而成本也比较高。

由于电子束焊机的高电压及其X射线辐射，因此还要有一定的安全防护措施及防止X射线辐射的蔽设施。

（3）焊接用消耗材料焊接时的消耗材料包括：焊丝、焊条或填充金属、焊剂、钎剂、钎料、保护气体等。

各种熔化极电弧焊都需要配用一定的消耗性材料。如手弧焊时使用涂料焊条；埋弧焊、熔化极气体保护焊都需要焊丝；电渣焊则需要焊丝、熔嘴或板极。埋弧焊和电渣焊除电极（焊丝等）外，都需要有一定化学成分的焊剂。

钨极氩弧焊和等离子弧焊时需使用熔点很高的钨极、钍钨极或铈钨极作为不熔化电极。此外还需要价格较高的高纯度的惰性气体。电阻焊时通常用电导率高、较硬的铜合金作电极，以使焊接时既能有高的电导率，又能在高温下承受压力和磨损。

四、焊接技术的新发展

随着工业和科学技术的发展，焊接工艺不断进步。本手册各篇章仅对其中比较成熟者加以介绍。但是时代车轮迅速运转，手册内容不可能及时修订补充以反映焊接技术最前沿情况，为补此不足本节特介绍焊接技术之发展趋势。

1．提高焊接生产率是推动焊接技术发展的重要驱动力

提高生产率的途径有二。第一是提高焊接熔敷率。手工焊中的铁粉焊条、重心焊条、躺焊条等工艺，埋弧焊中的多丝焊、热丝焊均属此类，其效果显著。例如三丝埋弧焊，其工艺参数分别为2200A×33V,1400A×40V,1100A×45V,采用坡口断面较小，背面采用挡板或衬垫，50~60mm的钢板可一次焊透成形，焊速达到0.4m/min以上。其熔敷效率与手工焊相比在100倍以上。第二个途径则是减少坡口断面及熔敷金属量，近10年来最突出的成就是窄间隙焊接。窄间隙焊接采用气体保护焊为基础，利用单丝、双丝或三丝进行焊接。无论接头厚度如何，均可采用对接型式。例如，钢板厚度由50~300mm，间隙均可设计为13mm左右，因而所需熔敷金属量成数倍、数十倍地降低，从而大大提高生产率。窄间隙焊接的主要技术关键是如何保证两侧熔透和保证电弧中心自动跟踪处于坡口中心线上。为解决这两个问题，世界各国开发出多种不同方案，因而出现了种类多样的窄间隙焊接法。

电子束焊、等离子焊及激光焊时，可采用对接接头，且不用开坡口，因此是更理想的窄间隙焊接法，这是它受到广泛的重视重要原因之一。

2．提高准备车间的机械化、自动化水平是当前世界先进工业国家重点发展方向

为了提高焊接结构生产的效率和质量，仅仅从焊接工艺着手是有一定局限性的。因而世界各国特别重视准备车间的技术改造。准备车间的主要工序包括:材料运输；材料表面去油、喷砂、涂保护漆；钢板划线、切割、开坡口；部件组装及点固。以上四道工序在现代化的工厂中均已全部机械化、自动化。其优点不仅在于提高生产率，更重要的是提高产品质量。例如，钢板划线（包括装配时定位中心及线条）、切割、开坡口全部采用计算机数字控制技术（CNC技术）以后，另部件尺寸精度大大提高而坡口表面粗糙度大幅度降低。整个结构在装配时已可接近机械零件装配方式，因而坡口几何尺寸都相当准确，在自动焊施焊以后，整个结构工整、精确、美观、完全改变了过去铆焊车间人工操作的落后现象。

3．焊接过程自动化、智能化是提高焊接质量稳定性，解决恶劣劳动条件的重要方向

由于焊接质量要求严格，而劳动条件往往较差，因而自动化、智能化受到特殊重视。机器人的出现迅速得到焊接工业界热烈响应。目前全世界机器人有50%以上用在焊接技术上。在则开始时多用于汽车工业中的点焊流水线上，近几年来已拓展到弧焊领域。

机器人虽然是一个高度自动化的装备，但从自动控制的角度来看，它仍是一个程序控制的开环控制系统。因而它不可能根据焊接时具体情况而进行适时调节。为此智能焊接成为当前焊接界重视的中心。智能焊接的第一个发展重点在视觉系统。目前已开发出的视觉系统可使机器人根据焊接中具体情况自动修改焊炬动动轨迹，有的还能根据坡口尺寸适时地调节工艺。然而，总的来说，智能化仅仅处在初级阶段，这方面的发展将是一个长期的任务。

4．新兴工业的发展不断推动焊接技术前进

焊接技术自发明至今已有百余年历史，它几乎已可解决当前工业中一切重要产品生产制造的需要，如航空、航天及核能工业中的重要产品等。但是新兴工业的发展仍然迫使焊接技术不断前进，以满足其需要。例如，微电子工业的发展促进了微型连接工艺和设备的发展。又如陶瓷材料和复合材料的发展促进了钎焊、真空扩散焊、喷涂以及粘结工艺的发展，使它们获得更大的生命力，走上了一个新台阶。

5．热源的研究与开发是推动焊接工艺发展的根本动力

焊接工艺几乎运用了世界上一切可以利用的热源，其中包括火焰、电弧、电阻、超声、摩擦、等离子、电子束、激光束、微波等等。历史上每一种热源的出现，都伴随着新的焊接工艺出现。但是至今，焊接热源的研究与开发并未终止。新的发展可概括为两方面。一方面是对现有热源的改善，使之更为有效、方便、经济适用。在这方面电子束特别是激光束焊接的发展比较显著。另一方面则是开发更好更有效的热源。例如近来有不少工作采用两种热源叠加，以求获得更强的能量密度，如在等离子束中加激光、在电弧中加激光等。

6．节能技术是普遍关切的问题

节能技术在焊接工业中也是重要方向之一。众所周知，焊接能源消耗甚大，以手工焊机为例，每台约20kVA,埋弧焊机每台约60kVA,电阻焊机每台则可高达上千kVA。不少新技术的出现就是为了这一节能目标。在电阻点焊中，利用电子技术的发展，将交流点焊改变为次级整流点焊，可以大大提高焊机可降低至200kVA,而仍能达到同样的焊接效果。近10年来逆变焊机的出现是另外一个成功的例子。当然逆变焊机不仅可以节约电能，提高功率因素，更重要的是它能大幅度减小焊机体积及重量。

总之，通过以上介绍，可见焊接技术仍在不断发展之中，我们希望通过这个简单的介绍，使读者知道如何;辨别当前五花八门的新工艺的意义，并能明确如何正确地选用发展新的工艺。



（摘自：《焊接手册·第1卷》潘际銮、刘文焕著）

摩托车车架多数采用复杂管、板式焊接结构，是摩托车的支撑骨架，在整车中既要满足众多车体零件安装的要求，又要保证车辆行驶平稳，因此对车架的结构尺寸和形状精度要求较高。摩托车车架焊接后往往会出现变形，不但直接影响整车装配及整车性能，还可能降低车架结构的承载能力引发事故，因此制造中限制和消除焊接变形非常重要。控制摩托车车架的焊接变形主要从设计和工艺2个方面解决，现探讨如何控制车架焊接变形的措施。

1、影响车架变形的因素和焊接变形的种类

1．1 影响因素

影响车架焊接变形的因素有很多，主要有以下几点：

a) 焊接工艺方法：不同的焊接方法将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说自动焊比手工焊加热集中，受势区窄，变形较小；CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小，比手工焊更适合于车架焊接。

b) 焊接参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度）：焊接变形随焊接电流和电弧电压增大而增大，随焊接速度增快而减小，其中电弧电压的作用明显。因此低电压、高速大电流密度的自动焊变形较小。

c) 焊缝数量和断面大小：焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大。

d) 施焊方法：连续焊、断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大，断续焊变形较小。

e) 材料的热物理性能：不同材料的导热系数、比热和膨胀系数等均不同，产生的热变形不同，焊接变形也不同。

f) 焊接夹具的设计合理性：采用焊接夹具，增加了构件的刚性，从而影响到焊接变形。

g) 构件焊接程序：焊接程序能引起构件在不同组合阶段刚性变化和质心位置改变，对控制构件焊接变形有很大影响。

1．2 车架焊接变形的种类

车架结构的焊接变形分为整体变形和局部变形，整体变形是焊接以后，整个构件的尺寸或形状发生变化，包括纵向和横向收缩，弯曲变形和扭曲变形等；局部变形是指焊接后构件的局部区域出现变形，包括角变形和波浪变形等。

2、设计措施

2．1 合理的焊缝尺寸和形式

焊缝尺寸直接关系到车架的焊接工作量和焊接变形大小，焊缝尺寸大，焊接工作量大，焊接变形也大。因此，在保证车架承载能力的情况下，应尽量减小焊缝尺寸，但并不是说焊缝尺寸越小越好，焊缝尺寸太小，冷却速度快，容易产生裂纹、热影响区硬度过高等焊接缺陷；应在保证焊接质量的前提下，按板厚（管壁厚）来选取工艺上允许的最小焊缝尺寸。

2．2 合理的焊缝数目

在车架结构中力求焊缝数量合理，焊缝不宜过分集中，尽量避免2条或3条焊缝垂直交叉。有时为了减小车架质量，采用壁厚较薄的钢管加筋板来焊接车架，以提高车架的稳定性和刚性，其实这样既增加了构件和焊接的工作量，还因焊接变形大增加校正工时。因此，适当增加管壁厚或管径，减少筋板，车架质量稍大一些也是比较经济的。另外，合理选择筋板形状，适当安排筋板位置，也可以减少焊缝达到提高筋板加固的效果。

2．3 合理的焊缝位置

设计车架时，尽可能将焊缝对称于截面中性轴，这样能使焊缝引起的挠曲变形互相抵消；或者使焊缝接近断面中性轴，以减少焊缝引起的挠曲。

3、工艺措施

3．1 反变形法

反变形法是事先估计好焊接结构变形的大小和方向，然后在组合（点固焊）时给予一个相反方向的变形来抵消焊接变形，这是使焊后构件保持设计要求的一种工艺方法，也是车架生产中较常用的一种控制变形方法。

因焊接变形影响因素很多，包括焊接顺序、拘束度、焊接条件和接头特征等，焊接手册中的变形估算公式及有关图表只能提供一个大致数值，有关变形量的确定可以参考文献。在实际生产的工艺规范和相同条件下通过试验来实测确定，再根据所得数据确定反变形量，并在焊胎制造中应用，可获得比较好的效果。

3．2 刚性固定法

当不便采用反变形时，将零部件加以固定来限制焊接变形。车架生产中普遍采用焊接夹具定位和紧固，装夹的刚度越大，变形越小。

3．3 合理施焊

CO2气体保护焊与其它电弧焊相比，具有生产率高、焊接成本低、能耗低、适用范围广、抗锈能力强、焊后无须清渣等优点，所以车架采用CO2气体保护自动（半自动）焊接。同时由于CO2气体保护焊电弧热量集中，加热面积小，以及CO2气流的冷却作用，所以，工件的焊接变形也较小。此外，在焊接时适当降低规范，选用较低的线能量，可以有效地防止焊接变形，但线能量不能过低，否则影响焊接质量。

3．4 合理的焊接顺序

焊接顺序对焊接结构的变形有很大影响。焊接顺序合理，焊接变形可以通过自由收缩，互相抵消；焊接顺序不合理，焊接变形将互相叠加。为便于控制焊接变形，尽量采用对称焊接，以使焊缝引起的变形相互抵消。焊缝不对称的，先焊焊缝少的一侧，因为焊缝越长，变形越大，先焊焊缝少的一侧，可以增大焊缝多的一侧施焊时焊件的结构刚度和反变形能力。

4、焊接变形的矫正

车架焊接过程中，虽然在车架结构设计和工艺上采取多种措施来控制施焊过程中所产生的焊接变形，但由于焊接过程的特点和车架焊接工艺的复杂性，还或多或少产生焊接变形，为此必须矫正超过设计要求的焊接变形。

矫正工艺只限于矫正焊接构件的局部变形，如角变形、弯曲变形和波浪变形等，对于车架结构的整体变形如纵向和横向收缩（总尺寸缩短），只能通过下料或装配时预放余量来补偿。机械矫正法是在室温条件下，对焊接施加外力，使构件压缩塑性变形区的金属伸展减少或消除焊缝区的塑性变形，达到矫正变形的目的；如车架焊完后可以在矫正整形胎上矫正整形，以保证车头管中心线与车架中心平面的垂直度。此外各部件焊完后也整形，以避免产生综合效应。实际操作中还应注意自然时效的作用，必须通过经验积累和严格检验手段保证矫正的精度。

5、结论综上所述，车架在制造过程中，焊接变形是不可避免的，只能采取有效的设计和工艺措施控制焊接变形，并对超出公差要求的焊接变形进行矫正，才能达到车架强度、使用性能及经济性能的要求。实际生产中，只有对焊接进行全过程控制，才能更有效控制车架的焊接变形，达到保证车架尺寸精度和装配要求的目的。

1、影响车架变形的因素和焊接变形的种类

1．1 影响因素

影响车架焊接变形的因素有很多，主要有以下几点：

a) 焊接工艺方法：不同的焊接方法将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说自动焊比手工焊加热集中，受势区窄，变形较小；CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小，比手工焊更适合于车架焊接。

b) 焊接参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度）：焊接变形随焊接电流和电弧电压增大而增大，随焊接速度增快而减小，其中电弧电压的作用明显。因此低电压、高速大电流密度的自动焊变形较小。

c) 焊缝数量和断面大小：焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大。

d) 施焊方法：连续焊、断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大，断续焊变形较小。

e) 材料的热物理性能：不同材料的导热系数、比热和膨胀系数等均不同，产生的热变形不同，焊接变形也不同。

f) 焊接夹具的设计合理性：采用焊接夹具，增加了构件的刚性，从而影响到焊接变形。

g) 构件焊接程序：焊接程序能引起构件在不同组合阶段刚性变化和质心位置改变，对控制构件焊接变形有很大影响。

1．2 车架焊接变形的种类

车架结构的焊接变形分为整体变形和局部变形，整体变形是焊接以后，整个构件的尺寸或形状发生变化，包括纵向和横向收缩，弯曲变形和扭曲变形等；局部变形是指焊接后构件的局部区域出现变形，包括角变形和波浪变形等。

2、设计措施

2．1 合理的焊缝尺寸和形式

焊缝尺寸直接关系到车架的焊接工作量和焊接变形大小，焊缝尺寸大，焊接工作量大，焊接变形也大。因此，在保证车架承载能力的情况下，应尽量减小焊缝尺寸，但并不是说焊缝尺寸越小越好，焊缝尺寸太小，冷却速度快，容易产生裂纹、热影响区硬度过高等焊接缺陷；应在保证焊接质量的前提下，按板厚（管壁厚）来选取工艺上允许的最小焊缝尺寸。

2．2 合理的焊缝数目

在车架结构中力求焊缝数量合理，焊缝不宜过分集中，尽量避免2条或3条焊缝垂直交叉。有时为了减小车架质量，采用壁厚较薄的钢管加筋板来焊接车架，以提高车架的稳定性和刚性，其实这样既增加了构件和焊接的工作量，还因焊接变形大增加校正工时。因此，适当增加管壁厚或管径，减少筋板，车架质量稍大一些也是比较经济的。另外，合理选择筋板形状，适当安排筋板位置，也可以减少焊缝达到提高筋板加固的效果。

2．3 合理的焊缝位置

设计车架时，尽可能将焊缝对称于截面中性轴，这样能使焊缝引起的挠曲变形互相抵消；或者使焊缝接近断面中性轴，以减少焊缝引起的挠曲。

3、工艺措施

3．1 反变形法

反变形法是事先估计好焊接结构变形的大小和方向，然后在组合（点固焊）时给予一个相反方向的变形来抵消焊接变形，这是使焊后构件保持设计要求的一种工艺方法，也是车架生产中较常用的一种控制变形方法。

因焊接变形影响因素很多，包括焊接顺序、拘束度、焊接条件和接头特征等，焊接手册中的变形估算公式及有关图表只能提供一个大致数值，有关变形量的确定可以参考文献。在实际生产的工艺规范和相同条件下通过试验来实测确定，再根据所得数据确定反变形量，并在焊胎制造中应用，可获得比较好的效果。

3．2 刚性固定法

当不便采用反变形时，将零部件加以固定来限制焊接变形。车架生产中普遍采用焊接夹具定位和紧固，装夹的刚度越大，变形越小。

3．3 合理施焊

CO2气体保护焊与其它电弧焊相比，具有生产率高、焊接成本低、能耗低、适用范围广、抗锈能力强、焊后无须清渣等优点，所以车架采用CO2气体保护自动（半自动）焊接。同时由于CO2气体保护焊电弧热量集中，加热面积小，以及CO2气流的冷却作用，所以，工件的焊接变形也较小。此外，在焊接时适当降低规范，选用较低的线能量，可以有效地防止焊接变形，但线能量不能过低，否则影响焊接质量。

3．4 合理的焊接顺序

焊接顺序对焊接结构的变形有很大影响。焊接顺序合理，焊接变形可以通过自由收缩，互相抵消；焊接顺序不合理，焊接变形将互相叠加。为便于控制焊接变形，尽量采用对称焊接，以使焊缝引起的变形相互抵消。焊缝不对称的，先焊焊缝少的一侧，因为焊缝越长，变形越大，先焊焊缝少的一侧，可以增大焊缝多的一侧施焊时焊件的结构刚度和反变形能力。

4、焊接变形的矫正

车架焊接过程中，虽然在车架结构设计和工艺上采取多种措施来控制施焊过程中所产生的焊接变形，但由于焊接过程的特点和车架焊接工艺的复杂性，还或多或少产生焊接变形，为此必须矫正超过设计要求的焊接变形。

矫正工艺只限于矫正焊接构件的局部变形，如角变形、弯曲变形和波浪变形等，对于车架结构的整体变形如纵向和横向收缩（总尺寸缩短），只能通过下料或装配时预放余量来补偿。机械矫正法是在室温条件下，对焊接施加外力，使构件压缩塑性变形区的金属伸展减少或消除焊缝区的塑性变形，达到矫正变形的目的；如车架焊完后可以在矫正整形胎上矫正整形，以保证车头管中心线与车架中心平面的垂直度。此外各部件焊完后也整形，以避免产生综合效应。实际操作中还应注意自然时效的作用，必须通过经验积累和严格检验手段保证矫正的精度。

5、结论综上所述，车架在制造过程中，焊接变形是不可避免的，只能采取有效的设计和工艺措施控制焊接变形，并对超出公差要求的焊接变形进行矫正，才能达到车架强度、使用性能及经济性能的要求。实际生产中，只有对焊接进行全过程控制，才能更有效控制车架的焊接变形，达到保证车架尺寸精度和装配要求的目的。

摘　要】　TIG焊接工艺已在合成塔内件中心管对柱中应用,因其电弧稳定,控制性好,质量优的特
点,应用效果良好。
　　【关键词】　氩弧焊　TIG焊接　氧压

一、要求分析
111Cr18Ni9Ti不锈钢大管焊接
￠159×5mm大管对接焊接,主要用于化工厂设备中需要耐热、耐酸、耐压的设备和管道。管子对接方法,主要用于化肥厂最主要的设备———合成塔内件中管生产加工的对接焊,其焊接难度较高,对接焊焊头质量要求也很高,而且要求形成良好的内表面,其凸起量不能大于018mm,要求焊后管内能通过的直径为￠147mm,以便管内装电阻丝和瓷瓶等,焊后要通过PT、RT检验。以往采用的是氩弧焊水平焊接或手工电弧焊,焊后内孔尺寸难以保证。为保证焊接质量又提高生产效率,采用氩弧焊立焊的方法打底,再用手工电弧平焊盖面,其质量和效率都能得到保证。
2.11Cr18Ni9Ti化学成分


1Cr18Ni9Ti不锈钢热膨胀率、电导率均与低合金钢差别较大且熔池流动性差,成形较差,所以焊枪焊条摆动幅度、频率、速度及边缘停留时间配合应适当,动作要协调一致,使焊缝边缘熔合整齐,成形美观,以保证填充层质量。
二、焊接方法及焊前准备
11焊接材质
为1Cr18Ni9Ti管件,规格为￠159×5mm,采用手工钨极氩弧焊立焊方式打底,手工电弧焊平焊方式盖面。
21焊前准备
(1)清理油、污物　将坡口面及周围10mm内修磨出金属光泽。
(2)检查水、电、气路是否畅通,设备及附件应状态良好。
(3)按尺寸进行装配　定位焊采用坡口内定位焊(1点、9点、5点半为点位置),要求定位焊长10mm,并必须保证质量焊透,再用角向磨光机,在点位两端磨出斜坡口形状,使在焊接中形成良好的接头。　　　　　　
(4)加工一个充氩气保护装置　取一段￠150×10,长200mm的钢管,在中间车出一段底深5mm、宽58mm的槽,再用宽度56mm、厚度5mm的纯铜板紧密包住钢管车过的部位,用气焊、铜焊的方式焊接牢固,管子两端也用钢板焊好,上车床加工到￠157mm,再在一头打出一孔,焊上接氩气的接嘴,然后在纯铜处打出几十个小孔,以排出氩气,起管内保护作用。最后在有孔焊一边的中间焊上一根长度￠30mm钢管。　　　
三、TIG焊接工艺
11焊接参数
采用￠2.5mm的Wce-Z0钨极,钨极伸长度4～5mm,不预热,喷嘴直径12mm。

.操作方法
(1)管子对接焊缝是采用立焊方式完成焊接,因此焊接难度较大。为保证内部凸出不大于0.8mm,采用外填丝法进行施焊。
(2)引弧前一定要把管内氩气内保护装好,再进行焊接。焊接过程中焊丝不能与钨极接触或直接深入电弧的弧控区,否则造成焊缝夹钨并破坏电弧稳定性。焊丝端部不得抽离氩气保护区,以避免造成氧化;焊丝不能用来搅动熔池,以避免影响焊缝质量。
(3)在3点5分处起焊,一般焊接位置保持在3点到2点45分范围内,焊接时钨极垂直于管子轴心,这样能更好地控制熔池的大小,而且可使喷嘴均匀地保护熔池不被氧化。
(4)焊接时钨极端部离焊件距离2mm左右,焊丝要顺着坡口沿着管子切点送到熔池的前端。利用熔池的高温将焊丝熔化,在坡口一端预热,待金属融化后,立即送第一滴焊丝熔化金属,然后摆到坡口另一端。给送第二滴焊丝熔化金属,使二滴钢液连接形成焊缝的根基,然后电弧作横向摆动,两边稍作停留,焊丝均匀地、断续地送进熔池向前施焊。使用自动滚轮架慢慢均匀的转动,焊枪保持在3点5分位置。
(5)填丝过程中切勿扰乱氩气气流,停弧时注意氩气保护熔池,防止焊缝氧化,焊到每一位置固定焊处,用电弧把斜坡处熔化成熔孔再熔丝,使它形成良好的接头形式,过了固定焊位置按正常焊接方法。
(6)到5点半处把单边斜坡处按前面处理的焊法,正5点半停止焊接,留着另一边斜坡处,等再次焊接时形成良好的接头,用角向磨光机把起头点位,打磨成斜坡状,注意这时候减小内部保护气流,以防止气压过大使焊缝内凹,再引弧焊接斜坡处的方法焊接,最后收口时暂停给丝,用电弧把斜坡处熔化成熔孔后,继续向前施焊5～10mm停弧,停弧后不要立即移开焊枪,要待熔池凝固后再移开并关掉氩气。
3.常见缺陷产生原因及预防
(1)未焊透　焊接电流小,根部间隙小,焊接速度过快,焊枪角度不正确等均会产生未焊透缺陷,根部间隙一定不小于2.5mm。合适的焊接电流和正确的焊枪角度就可避免产生未焊透。
(2)氧化严重　打底焊时,管内充氩装置未能起到良好的保护作用。焊缝背面将氧化,焊接过程中对熔池及焊丝端头氩气保护不良,或焊丝表面有氧化杂质也将会氧化严重。充氩装置尽可能与管子对严。
(3)夹渣、夹钨　焊接过程中,若焊丝端头在高温过程中脱离了氩气保护区,在空气中被氧化,当再次焊接时被氧化的焊丝端头未清理,就送入熔池中,在断口试验中判为夹渣,若钨极长度伸出量过大,焊枪动作不稳定,钨极与焊丝或钨极与熔池相碰后,又未终止焊接,从而造成夹钨,因管子是圆的,旋转速度一定要均匀。焊枪、送丝手法一定要稳、准,就能避免夹渣、夹钨的现象。
(4)内凹　装配间隙小,焊接过程中焊枪摆动幅度大,致使电弧热量不能集中于根部,氩气内保护气流太大,均会产生背面焊缝低于试件表面的内凹现象,所以电弧热量尽量集中根部。
四、手工电弧焊接工艺
1.焊接工艺
采用直流电焊机,手工电弧焊平焊位置,层间温度≤130℃,其他工艺参数见表。

(1)焊条烘熔后放入保温箱内以恒温存放,领用要有严格的手续。领后要放在保温筒里,以防焊条吸收空气中的水分,减少焊接中气孔的产生。
(2)填充盖面层是手工电弧焊,热源温度高,层间温度越低焊接后的质量就越好。一般焊接1Cr18Ni9Ti选择小电流。电弧要稳定,焊条与工件保持1～2mm的高度,电弧低熔池就稳定,金属飞溅就少。如果焊条与工件距离高,焊接过程中电弧不稳定,金属飞溅严重,药皮保护性差,焊缝成形不良,盖面时摆动要均匀,每根焊条焊完后,再接一根焊条引弧要过收弧处6mm,引弧成功后,移到收弧处,这样的接头形式良好,也不会夹渣,焊缝的高低基本上一样。
(3)焊接时,焊条与管子的角度要正确,自动转速均匀,这样才能保证焊缝质量,避免焊缝产生气孔、夹渣等现象。焊接时采用小月牙形摆动,两侧稍作停留稳弧,中间速度稍快,这样可以避免焊缝凸起,不平整。填充时,要注意坡口边缘不要被电弧擦伤,以备盖面层焊接,盖面时应在坡口边缘稍作停顿,以保证熔池与坡口更好地融合。焊接过程中,焊条摆动幅度和频率要适应,以保证盖面层焊缝表面尺寸和边缘融合整齐。　　　　　
(4)收弧后,要马上在收弧处引弧再点焊一次,这样可防止收弧处产生裂纹,焊接接尾处低下和夹渣。
2.常见缺陷的产生原因及预防
(1)不锈钢焊接时温度超高,它的组织性能会受到破坏,还会产生裂纹,所以一定要控制层间温度,最好采用小电流多层的焊接。
(2)不锈钢易采用小电流,容易产生未焊透和夹渣、气孔等,所以一定要控制电流。不能太小,还要注意焊条与工件的距离要保持好,焊接角度要严格控制。　　　　
(3)盖面时容易产生咬边,摆动幅度和频率不正确,焊条角度不正确,或两边停留时间不均匀,速度不相等,电弧太高均易产生咬边。
(4)不锈钢收弧处容易产生裂纹夹渣等缺陷,所以收弧的好坏比较重要。收弧要再回焊一下,以保证收弧处的良好。
(5)气孔　焊接电流过小,易出现焊条受潮,电弧过高等问题,易产生气孔。
四、焊后检验
1)首先进行外观检验。如果焊缝太高,用角向磨光机打磨,使其有良好的焊缝跟母材过渡。合格后进行无损检验及性能检验(采用X射线探伤)。
2)TIG焊电弧稳定,控制性好,质量优的特点,进行底层焊接,再用手工电弧焊进行平焊填充及盖面层焊接,可以提高工作效率。类似工艺已在合成塔内件中心管对接中应用,其效果良好,因内件中心管内尺寸要求很高。对内尺寸要求不高的不锈钢大口径管对接,还是可以采用平焊打底的。

热轧支撑辊的堆焊修复强化工艺技术

摘要：介绍了梅山热轧支撑辊的堆焊修复工艺。热轧支撑辊的堆焊难点主要是堆焊层开裂，通过工艺调整，可解决堆焊层开裂问题。热轧支撑辊堆焊修复后的使用效果接近新辊，而堆焊成本仅为国产新辊的1/3，经济效益可观。

一、概述

梅山1422热轧带钢生产线有在线支撑辊20支，全部为铸钢辊，其中有日本和英国等的进口辊，也有国产辊。支撑辊的损坏形式除了正常磨损外，还有疲劳裂纹、辊面剥落等，有些支撑辊因工作层存在铸造缺陷，而不得不将缺陷厚度范围内的工作层全部车削去除。支撑辊的工作层尺寸低于下限值时，其服役周期便结束，如作废辊处理，则浪费晾人。如何充分发挥旧辊的“绿色”再利用潜力，达到降本增效的目的，这是冶金企业非常关心、重视的课题。为此，我们在成功掌握堆焊修复粗轧工作辊的技术基础上，探索、开发了热轧支撑辊的堆焊修复、强化工艺技术。

二、热轧支撑辊的工况、材质及匹配的堆焊材料分析

支撑辊与工作辊直接接触，其主要承受高压力、一定的热应力、疲劳应力及磨损的综合作用，因此，其辊面材质应具有一定的强度、高的疲劳强度、热冲击性能、抗磨损性能。梅山热轧支撑辊典型规格为：ψ1390mm(辊面直径)×1429mm(辊面长度)×3924mm(总长)，重量25444kg／支。几种梅山热轧支撑辊的化学成分见表1。

热轧支撑辊对堆焊材料的性能要求：

(1)较高的硬度60～70HSD，保证其刚度和耐磨性。

(2)高强度，避免断辊。

(3)高疲劳强度，防止网状裂纹和剥落。

(4)良好的热冲击性，防止辊而局部受热产生软点。

(5)良好的焊接性。

据此，我们选择低碳低合金104焊丝配431焊剂作打底层，选择耐磨性较高的Stoody224H焊丝配107焊剂作工作层，堆焊硬面层硬度达67～74HSD，堆焊层成分见表2。

三、主要堆焊装备

埋弧堆焊电源的型号为ZXG—1000R，自动焊剂烘箱的型号为NZHG6—500内热式鼓风型。采用自行设计并多次改进的多功能辊体堆焊装置，这是一种适合支撑辊、工作辊等大型辊体堆焊的特种设备(见图1)，主要由动力转动装置、支承架、炉体、炉顶工作平台等部分组成。大型辊体安装与其轴颈匹配

的保护托圈工装后，搁置在支承架上，通过动力装置使其转动，辊身置于炉膛内，部分辊颈和与之配合的保护托圈置于炉外，预热、堆焊和热处理过程中，辊体始终转动。炉体主要由前上部、前下部、后上部、后下部、炉盖和两端开孔的圆柱形炉膛等组成，能自由拆分，结构紧凑。炉膛内分区均匀布置LCD履带式远红外加热板，总加热功率为300kw，各加热区通过智能温控系统独立控温，且通过电源调频改变功率输出，可控性好。炉顶工作平台上有狭长的活动炉顶，移开炉顶，形成堆焊槽，堆焊机头可伸入堆焊槽内对辊体表面堆焊。由于堆焊槽部位温度高、堆焊平台与辊体表面距离较大，故焊接机头进行了结构改进(见图2)，保证了焊接稳定性及可操作性。

四、堆焊热轧支撑辊的工艺流程及措施

在堆焊热轧支撑辊时，我们采用了创新的短流程堆焊修复工艺。所谓短流程是指修复周期短、堆焊工序少而简单，以及没有太多的中间环节，修复效率高。

1．创新的短流程堆焊修复工艺

众所周知，大型轧钢厂都有配套的磨辊装配车间，用于车削、磨削、装配、更换轧辊。利用磨辊装配车间的起重、装配、车削等设备，在车间内设立一个小型的堆焊工位，将轧辊的堆焊修复过程安排在轧钢厂的磨辊装配车间，这样就避免了传统修复时委托堆焊工厂所产生的中间周转环节多的缺陷，大大缩短了堆焊修复进程，用户也能很好地跟踪轧辊的堆焊情况。轧辊从进厂服役，然后多次堆焊修复循环利用，直到最终报废，全部过程都在轧钢厂，很容易实现对轧辊的终身跟踪管理，这是实现短流程堆焊修复方法的第一步骤。

图3是轧辊短流程堆焊修复方法应用时，堆焊工位在轧钢厂的平面布置图。

实现短流程堆焊修复扎轧焊的第二步骤是：应用堆焊、热处理提一体化的多功能辊体堆焊装置。该堆焊装置的工作原理是综合大型堆焊机床、大型热处理炉的基本结构，具有预热、堆焊、层间保温、热处理等多种功能，优化了设备资源配置，使大型辊体堆焊过程中的预热、堆焊、热处理三个工序集中于同一装置操作，工序少而简单，缩短了堆焊生产流程，提高了堆焊修复效率。

2．热轧支撑辊的堆焊工艺流程

堆焊前原始记录→清除热疲劳层→焊接材料准备，应用多功能辊体堆焊装置先后对支撑辊预热→堆焊打底层→堆焊合金工作层→中间去应力热处理，再堆焊合金工作层→最终去应力热处理→缓冷后出炉→初检；车削加工→终检→待用。

具体工艺措施如下：

(1) 堆焊前准备 堆焊前，对热轧支撑辊进行原始尺寸、表面形貌记录，主要目的是用于堆焊前后的对比，并使堆焊有针对性；车削、清除热疲劳层，探伤检测、确保疲劳龟裂彻底除净，并在此基础上再车削、下切5mm左右，进一步清除微观的疲劳损伤层，再对车削后的辊面尺寸记录，确定堆焊层厚度、材料消耗、后续堆焊工艺流程。然后，热轧支撑辊两端轴颈安装匹配的轴颈保护托圈工装后，搁置在多功能辊体堆焊装置的支承架上，热轧支撑辊的局部轴颈位于堆焊装置炉膛内，对此处的局部轴颈刷涂抗高温氧化涂料。保持辊体和托圈工装一起连续转动。堆焊装置炉膛内的LCD履带式远红外加热板通电，对辊体预热至200℃，保温6h，用A307焊条在辊面的两侧边缘焊接80～100mm宽的引弧板托圈，保证辊面的堆焊成形，并有效地防止焊剂流淌。然后，使辊体温度以低于50℃/h的速度缓慢升温至 450℃，保温12h。焊剂HJ107在烘箱预热至300℃、保温2h以上，待用。

(2)堆焊 辊体预热充分后，将堆焊装置的下部炉体、活动炉顶移开，改进后的焊接机头伸入堆焊槽，对辊面堆焊。堆焊时采用环焊缝螺旋堆焊法，主要堆焊工艺参数见表3。

打底过渡层至少3层、总厚度一般不小于8mm，当辊体车削疲劳层多，导致初始直径较小时，打底过渡层的总厚度可提高，既降低了堆焊成本，又减少了过厚合金工作层的应力，以避免开裂危险。堆焊工作层时，由于厚度一般较厚，所以特别要注意层间的温度控制、设备的稳定运行，以及适当的中间去应力热处理。堆焊过程中，对局部焊瘤、凹陷、漏弧斑、微裂纹等缺陷应及时清除、补焊，当然，这在多功能辊体堆焊装置上是很容易实现的。

(3)去应力热处理 根据车削情况，热轧支撑辊的辊面的单边堆焊厚度约50～125mm不等，堆焊层厚度一般较厚，为减少堆焊应力，防止堆焊开裂，应注意保温、去应力热处理。去应力热处理分中间去应力热处理、最终去应力热处理两个过程。

堆焊时，多功能堆焊装置的炉膛内，上部炉体的LCD履带式远红外加热板始终带电加热，保证层间温度，每堆焊约30mm的堆焊层，需进行一次中间去应力热处理。中间去应力热处理时，移开焊接机头，将多动能堆焊装置组合成封闭的圆柱形炉膛，炉膛内的所有LCD履带式远红外加热板通电，对辊体加热，使辊体温度以低于50℃/h的速度缓慢升温至560℃、保温20h，然后随炉冷却，通过智能温控系统使降温速度﹤40℃/h，冷至低于100℃后，自然冷却。最终去应力热处理后，记录堆焊后的槽形辊面尺寸和表面形貌，拆除轴颈保护托圈工装，在不损坏轴颈的前提下，清除抗高温氧化涂料，将堆焊后的热轧支撑辊车削加工至尺寸要求和表面粗糙度要求。

五、热轧支撑辊的堆焊质量控制及效果

堆焊热轧支撑辊的主要难点是堆焊层开裂。经过长期工艺试验和堆焊实践，我们总结了堆焊层开裂的主要因素：

(1)疲劳裂纹车削不尽 由于车削辊面疲劳层的刀纹一般较粗，因而小的疲劳纹不易被发现，这便为堆焊层开裂提供了裂纹源，即使焊后不马上裂，使用时也会开裂或大块掉肉、剥落。

(2)预热和层间温度控制 预热不够、辊面层间温度偏低、堆焊装置的加热失控等因素很容易造成开裂。

(3)热处理工艺 热处理温度偏低、保温时间不足、加热或冷却速度过快等因素可造成堆焊层应力消除不尽或增加新的热应力，从而导致堆焊层开裂。

因此，我们采取以下措施来控制、避免堆焊层开裂：焊前严格探伤，确保疲劳裂纹彻底车削干净；严格控制预热和层间温度，经常检查电加热设备、加强炉膛的密封保温；控制合适的热处理工艺，特别是冷却时，不仅随炉冷却，而且采用“智能控温、电加热辅助炉冷“工艺，严格控制300℃前的冷却速度。

实践表明：应用国内同行业领先水平的多功能辊体堆焊装置，采用科学、合理的堆焊修复工艺，成功解决了国内普遍存在的支撑辊堆焊层开裂难控制的问题。热轧支撑辊经成功堆焊，堆焊层的表面平均硬度为74HSD，高低落差不超过5，着色和超声波探伤检测，堆焊层没有裂纹和超过Φ2mm当量平底孔的缺陷，性能技术指标符合热轧支撑辊的质量要求。

多年来，我们完成了梅山公司每年的热轧支撑辊堆焊修复工作，堆焊修复后的热轧支撑辊使用效果接近新辊，而修复成本约20万元/支。远低于国产新辊60万元/支、进口新辊80万元/支的投资。显著降低了辊耗，达到了降本增效的预期目标，效果令人满意。

六、结论

堆焊的热轧支撑辊表面材质明显改善，修复后的使用效果接近新辊，而堆焊成本仅为国产新辊的1/3，经济效益可观。归纳热轧支撑辊的堆焊修复、强化的工艺要点：

(1)采用了创新的短流程堆焊修复工艺；制定科学、合理的堆焊工艺流程和工艺措施。

(2)选择优良的合金堆焊工作层，同时配置合适的低底过渡层。

(3)应用了具有预热、堆焊、加热保温、去应力热处理等功能的特殊堆焊装置，焊接机头作了适当改进。

(4)选择了合适的堆焊工艺和热处理工艺。

(5)严格的质量控制措施。