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什么是焊接?
1.焊接過程的物理本質(zhì)
焊接是兩種或兩種以上同種或異種材料通過原子或分子之間的結(jié)合和擴散連接成一體的工藝過程。
促使原子和分子之間產(chǎn)生結(jié)合和擴散的方法是加熱或加壓，或同時加熱又加壓。
2.焊接的分類
金屬的焊接，按其工藝過程的特點分有熔焊，壓焊和釬焊三大類。
熔焊是在焊接過程中將工件接口加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。熔焊時，熱源將待焊兩工件接口處迅速加熱熔化，形成熔池。熔池隨熱源向前移動，冷卻后形成連續(xù)焊縫而將兩工件連接成為一體。
在熔焊過程中，如果大氣與高溫的熔池直接接觸，大氣中的氧就會氧化金屬和各種合金元素。大氣中的氮、水蒸汽等進入熔池，還會在隨后冷卻過程中在焊縫中形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，惡化焊縫的質(zhì)量和性能。
為了提高焊接質(zhì)量，人們研究出了各種保護方法。例如，氣體保護電弧焊就是用氬、二氧化碳等氣體隔絕大氣，以保護焊接時的電弧和熔池率；又如鋼材焊接時，在焊條藥皮中加入對氧親和力大的鈦鐵粉進行脫氧，就可以保護焊條中有益元素錳、硅等免于氧化而進入熔池，冷卻后獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。
壓焊是在加壓條件下，使兩工件在固態(tài)下實現(xiàn)原子間結(jié)合，又稱固態(tài)焊接。常用的壓焊工藝是電阻對焊，當電流通過兩工件的連接端時，該處因電阻很大而溫度上升，當加熱至塑性狀態(tài)時，在軸向壓力作用下連接成為一體。
各種壓焊方法的共同特點是在焊接過程中施加壓力而不加填充材料。多數(shù)壓焊方法如擴散焊、高頻焊、冷壓焊等都沒有熔化過程，因而沒有象熔焊那樣的有益合金元素燒損，和有害元素侵入焊縫的問題，從而簡化了焊接過程，也改善了焊接安全衛(wèi)生條件。同時由于加熱溫度比熔焊低、加熱時間短，因而熱影響區(qū)小。許多難以用熔化焊焊接的材料，往往可以用壓焊焊成與母材同等強度的優(yōu)質(zhì)接頭。
釬焊是使用比工件熔點低的金屬材料作釬料，將工件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于工件熔點的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕工件，填充接口間隙并與工件實現(xiàn)原子間的相互擴散，從而實現(xiàn)焊接的方法。
焊接時形成的連接兩個被連接體的接縫稱為焊縫。焊縫的兩側(cè)在焊接時會受到焊接熱作用，而發(fā)生組織和性能變化，這一區(qū)域被稱為熱影響區(qū)。焊接時因工件材料焊接材料、焊接電流等不同，焊后在焊縫和熱影響區(qū)可能產(chǎn)生過熱、脆化、淬硬或軟化現(xiàn)象，也使焊件性能下降，惡化焊接性。這就需要調(diào)整焊接條件，焊前對焊件接口處預熱、焊時保溫和焊后熱處理可以改善焊件的焊接質(zhì)量。
另外，焊接是一個局部的迅速加熱和冷卻過程，焊接區(qū)由于受到四周工件本體的拘束而不能自由膨脹和收縮，冷卻后在焊件中便產(chǎn)生焊接應力和變形。重要產(chǎn)品焊后都需要消除焊接應力，矯正焊接變形。
現(xiàn)代焊接技術已能焊出無內(nèi)外缺陷的、機械性能等于甚至高于被連接體的焊縫。被焊接體在空間的相互位置稱為焊接接頭，接頭處的強度除受焊縫質(zhì)量影響外，還與其幾何形狀、尺寸、受力情況和工作條件等有關。接頭的基本形式有對接、搭接、丁字接（正交接）和角接等。
對接接頭焊縫的橫截面形狀，決定于被焊接體在焊接前的厚度和兩接邊的坡口形式。焊接較厚的鋼板時，為了焊透而在接邊處開出各種形狀的坡口，以便較容易地送入焊條或焊絲。坡口形式有單面施焊的坡口和兩面施焊的坡口。選擇坡口形式時，除保證焊透外還應考慮施焊方便，填充金屬量少，焊接變形小和坡口加工費用低等因素。
厚度不同的兩塊鋼板對接時，為避免截面急劇變化引起嚴重的應力集中，常把較厚的板邊逐漸削薄，達到兩接邊處等厚。對接接頭的靜強度和疲勞強度比其他接頭高。在交變、沖擊載荷下或在低溫高壓容器中工作的聯(lián)接，常優(yōu)先采用對接接頭的焊接。
搭接接頭的焊前準備工作簡單，裝配方便，焊接變形和殘余應力較小，因而在工地安裝接頭和不重要的結(jié)構(gòu)上時常采用。一般來說，搭接接頭不適于在交變載荷、腐蝕介質(zhì)、高溫或低溫等條件下工作。
采用丁字接頭和角接頭通常是由于結(jié)構(gòu)上的需要。丁字接頭上未焊透的角焊縫工作特點與搭接接頭的角焊縫相似。當焊縫與外力方向垂直時便成為正面角焊縫，這時焊縫表面形狀會引起不同程度的應力集中；焊透的角焊縫受力情況與對接接頭相似。
角接頭承載能力低，一般不單獨使用，只有在焊透時，或在內(nèi)外均有角焊縫時才有所改善，多用于封閉形結(jié)構(gòu)的拐角處。
焊接產(chǎn)品比鉚接件、鑄件和鍛件重量輕，對于交通運輸工具來說可以減輕自重，節(jié)約能量。焊接的密封性好，適于制造各類容器。發(fā)展聯(lián)合加工工藝，使焊接與鍛造、鑄造相結(jié)合，可以制成大型、經(jīng)濟合理的鑄焊結(jié)構(gòu)和鍛焊結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟效益很高。采用焊接工藝能有效利用材料，焊接結(jié)構(gòu)可以在不同部位采用不同性能的材料，充分發(fā)揮各種材料的特長，達到經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)。焊接已成為現(xiàn)代工業(yè)中一種不可缺少，而且日益重要的加工工藝方法。
在近代的金屬加工中，焊接比鑄造、鍛壓工藝發(fā)展較晚，但發(fā)展速度很快。焊接結(jié)構(gòu)的重量約占鋼材產(chǎn)量的45%，鋁和鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的比重也不斷增加。
未來的焊接工藝，一方面要研制新的焊接方法、焊接設備和焊接材料，以進一步提高焊接質(zhì)量和安全可靠性，如改進現(xiàn)有電弧、等離子弧、電子束、激光等焊接能源；運用電子技術和控制技術，改善電弧的工藝性能，研制可靠輕巧的電弧跟蹤方法。
另一方面要提高焊接機械化和自動化水平，如焊機實現(xiàn)程序控制、數(shù)字控制；研制從準備工序、焊接到質(zhì)量監(jiān)控全部過程自動化的專用焊機；在自動焊接生產(chǎn)線上，推廣、擴大數(shù)控的焊接機械手和焊接機器人，可以提高焊接生產(chǎn)水平，改善焊接衛(wèi)生安全條件。
焊接工藝的發(fā)展歷史
焊接技術是隨著銅鐵等金屬的冶煉生產(chǎn)、各種熱源的應用而出現(xiàn)的。古代的焊接方法主要是鑄焊、釬焊、鍛焊、鉚焊。中國商朝制造的鐵刃銅鉞，就是鐵與銅的鑄焊件，其表面銅與鐵的熔合線婉蜒曲折，接合良好。
春秋戰(zhàn)國時期曾侯乙墓中的建鼓銅座上有許多盤龍，是分段釬焊連接而成的。經(jīng)分析，所用的與現(xiàn)代軟釬料成分相近。戰(zhàn)國時期制造的刀劍，刀刃為鋼，刀背為熟鐵，一般是經(jīng)過加熱鍛焊而成的。據(jù)明朝宋應星所著《天工開物》一書記載：中國古代將銅和鐵一起入爐加熱，經(jīng)鍛打制造刀、斧；用黃泥或篩細的陳久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船錨。中世紀，在敘利亞大馬士革也曾用鍛焊制造兵器。
古代焊接技術長期停留在鑄焊、鍛焊、釬焊和鉚焊的水平上，使用的熱源都是爐火，溫度低、能量不集中，無法用于大截面、長焊縫工件的焊接，只能用以制作裝飾品、簡單的工具、生活器具和武器。19世紀初，英國的戴維斯發(fā)現(xiàn)電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫熱源；1885～1887年，俄國的別納爾多斯發(fā)明碳極電弧焊鉗；1900年又出現(xiàn)了鋁熱焊。
20世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應用，同時還出現(xiàn)了薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩(wěn)定，焊接熔池受到熔渣保護，焊接質(zhì)量得到提高，使手工電弧焊進入實用階段，電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。也成為現(xiàn)代焊接工藝的發(fā)展開端。在此期間，美國的諾布爾利用電弧電壓控制焊條送給速度，制成自動電弧焊機，從而成為焊接機械化、自動化的開端。1930年美國的羅賓諾夫發(fā)明使用焊絲和焊劑的埋弧焊，焊接機械化得到進一步發(fā)展。40年代，為適應鋁、鎂合金和合金鋼焊接的需要，鎢極和熔化極惰性氣體保護焊相繼問世。
1951年蘇聯(lián)的巴頓電焊研究所創(chuàng)造電渣焊，成為大厚度工件的高效焊接法。1953年，蘇聯(lián)的柳巴夫斯基等人發(fā)明二氧化碳氣體保護焊，促進了氣體保護電弧焊的應用和發(fā)展，如出現(xiàn)了混合氣體保護焊、藥芯焊絲氣渣聯(lián)合保護焊和自保護電弧焊等。1957年美國的蓋奇發(fā)明等離子弧焊；40年代德國和法國發(fā)明的電子束焊，也在50年代得到實用和進一步發(fā)展；60年代又出現(xiàn)激光焊等離子、電子束和激光焊接方法的出現(xiàn)，標志著高能量密度熔焊的新發(fā)展，大大改善了材料的焊接性，使許多難以用其他方法焊接的材料和結(jié)構(gòu)得以焊接。
其他的焊接技術還有1887年，美國的湯普森發(fā)明電阻焊，并用于薄板的點焊和縫焊；縫焊是壓焊中最早的半機械化焊接方法，隨著縫焊過程的進行，工件被兩滾輪推送前進；二十世紀世紀20年代開始使用閃光對焊方法焊接棒材和鏈條。至此電阻焊進入實用階段。1956年，美國的瓊斯發(fā)明超聲波焊；蘇聯(lián)的丘季科夫發(fā)明摩擦焊；1959年，美國斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末蘇聯(lián)又制成真空擴散焊設備。
焊接-工業(yè)藝術
焊接的出現(xiàn)迎合了金屬藝術發(fā)展對新工藝手段的需要。而在另一方面，金屬在焊接熱量作用下所產(chǎn)生的獨特美妙的變化也滿足了金屬藝術對新的藝術表現(xiàn)語言的需求。在今天的金屬藝術創(chuàng)作中，焊接可以而且正在被作為一種獨特的藝術表現(xiàn)語言而著力加以表現(xiàn)。本文對這一技術的出現(xiàn)與運用進行了分析。
藝術創(chuàng)造與工藝方法永遠是密不可分的。作為一種工業(yè)技術，焊接的出現(xiàn)迎合了金屬藝術發(fā)展對新的工藝手段的需要。而在另一方面，金屬在焊接熱量作用下所產(chǎn)生的獨特美妙的變化也滿足了金屬藝術對新的藝術表現(xiàn)語言的需求。在今天的金屬藝術創(chuàng)作中，焊接可以而且正在被作為一種獨特的藝術表現(xiàn)語言而著力加以表現(xiàn)。金屬焊接藝術可以作為一種相對獨立的藝術形式以分支的方式從傳統(tǒng)的金屬藝術中分離出來，這是因為焊接具有藝術性。
焊接可以產(chǎn)生豐富的藝術創(chuàng)作的表現(xiàn)語言。焊接通常是在高溫下進行的，而金屬在高溫下會產(chǎn)生許多美妙豐富的變化。金屬母材會發(fā)生顏色變化和熱變形（即焊接熱影響區(qū)） ；焊絲熔化后會形成一些漂亮的肌理；而焊接缺陷在焊接藝術中更是經(jīng)常被應用。焊接缺陷是指焊接過程中，在焊接接頭產(chǎn)生的不符合設計或工藝要求的缺陷。其表現(xiàn)形式主要有焊接裂紋、氣孔、咬邊、未焊透、未熔合、夾渣、焊瘤、塌陷、凹坑、燒穿、夾雜等。這是個十分有趣的現(xiàn)象 :焊接的藝術性通常體現(xiàn)在一些工業(yè)焊接的失敗操作之中，或者說蘊藏于一些工業(yè)焊接極力避免的焊接缺陷之中。其次，焊接藝術語言是獨特的。選用不同的金屬材料，使用不同的焊接工藝，焊接的藝術性可以在不同的金屬藝術形式中發(fā)揮得淋漓盡致。
在焊接雕塑作品中，焊縫和割痕不是作為一種技術加工的痕跡被動地存在，而是以一種精彩的、不可或缺的表現(xiàn)語言著力地加以體現(xiàn)的。一件焊接雕塑，粗的焊縫裸露在雕塑表面，各種不規(guī)則的切割痕跡也變成了藝術家優(yōu)美的藝術語言在很多情況下，由于焊接雕塑所追求的粗糙質(zhì)樸的風格，金屬的銹蝕、瑕疵也大多根據(jù)作品的需要特意保留，因此，在焊接雕塑中常?？梢愿杏X到一種非雕琢的、原始的美。
