激光焊接与电子束焊接比较

图1 电子束焊接原理

在汽车制造中，无论是发动机、变速箱等零部件的生产，还是车身制造与装配，焊接工艺都是重要的加工手段。除电弧焊、电阻焊等传统焊接技术被普遍采用外，在现代汽车生产过程中，以电子束焊和激光焊为代表的新一代焊接技术的应用也越来越广泛，并凭借精密和高效的特点，成为汽车生产企业提升产品质量、降低生产成本、增加产品竞争力的有力工具。

电子束焊接技术起源于20世纪50年代，10年后激光器诞生，激光加工技术的研究与应用也随即展开。电子束与激光加工同属于高能密度束流加工技术，应用的领域大体相同，其能量密度在同一段数量级远高于其他热源。同时，他们与材料的作用原理也极其相近。

电子束焊接与激光焊接的原理

电子束焊接（electron beam machining，EBM）是在真空条件下，利用电子中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109W/cm2的极细束流，高速（光速的60%~70%）冲击到工件表面，并在极短的时间内，将电子的动能大部分转换为热能，形成“小孔”效应，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，达到焊接目的。

激光器利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生波长均一，方向一致和强度非常高的光束。通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑，其功率密度可达105～1011W/cm2，温度可达10000℃，将材料在瞬间熔化和蒸发。

激光焊接分为热导焊和深熔焊，在深熔焊中，巨大的能量同样可以形成“小孔”效应，并随着工件的移动，“小孔”身后的材料迅速冷却凝固成为焊缝。

与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性： □ 能量密度高（大于105W/cm2）；

□ 焊接速度高（一般可以达到5~10m/min）； □ 热影响区窄（仅为焊缝宽度的10%~20%）； □ 热流输入少、工件变形小；

□ 易实现自动控制、可在线检测焊缝质量； □ 非接触加工、无后续加工。

图2 激光焊接原理

经过不断发展，电子束焊接已经成为一种成熟的加工技术，而激光焊也已从实验室走向了实用阶段，并大有取代电子束焊的势头。但实践证明，激光和电子束作为高能量密度热源，除了具有很多相同技术特点外，在技术和经济性能上，针对不同的应用场合，仍有各自不同的特点。

电子束焊接的优点是相当突出的：

□ 电子束的能量转换效率非常高（80%~90%），可以研制出很高功率的大型焊接设备（在日本，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问世）；

□ 电子束焊接的焊缝很细，其深宽比很容易达到10∶1，甚至是20∶1（最新报道显示：日本在焊接200 mm厚不锈钢时，深宽比达70∶1）；

□ 电子束的可控性更好，甚至可以在工件内部形成曲线孔径； □ 电子束对不同材料、特殊材料的焊接更容易。 当然，电子束的缺点也十分明显：

□ 需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的（非真空环境的电子束焊，是重要的研究方向）；

□ 由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍（目前用于齿轮焊接的单台电子束设备循环时间很难做到60s以内）；

□ 有磁偏移：由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理； □ X射线问题：X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护； □ 对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。

相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到30s以内）。因此，激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。

表 电子束焊与激光焊的比较

但是，受到技术进步的局限，激光焊还存在一定的缺点：

□ 激光的能量转换效率较低，常用的CO2激光器能量转换效率不足20%，最新的光纤激光器转换效率也没有超过30%；

□ 能量转换效率低造成在生产线中应用大功率激光焊接的经济性很差，目前实用的激光焊接设备功率大多小于20kW，可焊接的深度一般很少超过10 mm；

□ 随着新一代激光器的诞生，激光器的寿命可以达到50000h，这大大降低了激光焊接设备的使用成本。但是，要想获得理想的焊接质量，保护气体是不可少的，这也造成加工成本的增加；

□ 激光焊接的深宽比小于电子束焊，一般在10∶1以内（在齿轮激光焊接中，焊缝的深度一般在4~6 mm，故这个深宽比还比较适用），不适合大厚度工件的焊接；

□ 激光焊接对于铝合金材料及其他高反射率材料的焊接还存在一些技术难点，必须通过填丝等辅助手段，才能达到较理想的焊接效果。

电子束技术的发展已经相当成熟，大功率、超大功率电子束焊接设备的发展相当快，而且已经具备了相当实用的价值。激光技术受到能量转换率较低及其他技术障碍，使得激光焊接的功率还不能大幅提升。目前，实用的激光器功率还不能超过10kW，更高功率的激光器，成本的增加非常快，实际应用价值还较低。

在欧美国家，同等功率（3~5kW）的电子束焊接设备与激光焊接设备的价格基本相当，而激光焊接的高效率、灵活性（不受真空室）和便于集成到生产线中的特性，使得激光焊接设备在汽车制造中的应用增长速度大大超过电子束焊接设备。在国内，由于大功率激光器（千瓦以上）的研发滞后，实际使用的激光焊接设备基本依赖进口。同时，我国的中小功率电子束焊机已接近或赶上国外同类产品的先进水平，而价格仅为国外同类产品的1/3左右，有明显的性能价格比优势。因此，国内的电子束焊接设备应用远远超过激光焊接设备。

但是，在汽车生产中，大批量、高效率已经成为汽车制造企业追求的目标，而国产的电子束焊接设备，一般不具备大批量自动化生产的能力。在汽车企业需要产能提高的时候，往往只能靠增加电子束焊接设备的数量和增加人力的方式满足生产的需求，因此综合比较下来，电子束焊接的经济性也大打折扣。

通过前面的阐述，我们可以看到，电子束焊接在超大功率（30kW以上）和大熔深（50 mm以上）焊接中具有不可替代的地位。特别是：发电设备、石化设备、矿山机械、重型汽车、航空航天器、原子能设备和造船工业等领域，电子束焊接仍然是首选的技术方案。其典型的应用是焊接反应堆基体和汽轮机转子轴等承力件，其熔深在300mm以上。与激光焊接相比较，电子束焊接的另一重要特点是不受补焊材料反射的影响，因此能很容易地焊接金、银、铜、铝等难于激光焊接的材料，如电子器件中的无氧铜零件、大电流的铜排、铜钨触头和大马力柴油机的铝活塞等，这些零件采用电子束焊接能得到高强度、大熔深的焊接接头。

为了使大功率电子束焊接更好地用于大型工件，与大功率电子束同步发展的是大型真空室、局部真空及非真空等技术。目前大型真空室容积已达800m3，可以焊接直径达10m的巨型构件。虽然大型真空室造价昂贵，但大功率电子束焊的优异焊接性能和极高的焊接速度，可使综合成本（包括设备投资及运行费用）反而比传统的焊接方法低。据估算，当焊深超过50mm时，电子束焊接的成本即可低于窄间隙焊和埋弧焊。焊深越深，差价越大。当焊深超过150mm时，电子束焊接的综合成本就只有窄间隙焊和埋弧焊的1/2～1/3。

图3 汽车车身点焊与激光焊接的比较

激光焊接技术在汽车领域的应用

在汽车制造领域，焊接的深度大部分在10 mm以下，这为激光焊接的应用提供了最好的空间。随着技术的快速发展，激光焊接正逐步取代电子束焊接，成为首选的技术方案。激光焊接的应用范围，也从齿轮焊接、传动系统零件焊接，到车身焊接、底板不等厚钢板焊接、车门焊接等各个领域。

因此，汽车制造领域是当前工业生产中最大规模使用激光焊接技术的行业，从汽车零部件生产到车身制造，激光焊接已经成为汽车制造生产中的最主要焊接方法之一。总体上讲，激光焊接在汽车制造中的应用主要包括三个方面：

1、汽车零部件的激光焊接

激光焊接在汽车制造中的应用始于变速箱的齿轮焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齿轮几乎没有焊接变形，不需要焊后热处理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了应用。目前，激光焊接已经在国外的汽车零部件生产中得到非常广泛的应用，包括尾气排放系统（歧管、排气管、消声器等）、变速箱双联齿轮、减振器储油缸筒体、滤清器、车门铰链等。国内汽车领域应用激光焊接主要有：变速箱齿轮和减振器储油缸筒的焊接。

2、激光拼焊技术

激光焊接在汽车制造领域应用最为成功，同时效益最为明显的一项技术就是汽车车身的拼焊技术。激光拼焊的目的是为了降低车身重量，在进行车身的设计制造时，根据车身不同部位的性能要求，选择钢材等级和厚度不同的钢板，通过激光裁剪和拼焊技术完成车身某一部位的制造。

激光拼焊技术具有下列优点：减少零件和模具数量；缩短设计和开发周期；减少材料浪

费；最合理使用不同级别、厚度和性能的钢板，减少车身重量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高车身结构刚度和安全性。

德国大众汽车公司最早于1985年将激光拼焊用于Audi车型底盘的焊接，日本丰田于1986年采用添丝激光焊的方法用于车身侧面框架的焊接。北美大批量应用激光拼焊技术是在1993年，当时美国为了提高美国汽车同日本汽车的竞争力而提出了“2mm工程”。到目前为止，世界上几乎所有的著名汽车制造商都大量采用了激光拼焊技术，所涉及的汽车结构件包括，车身侧框架、车门内板、挡风玻璃窗框、轮罩板、底板、中间支柱等。

3、汽车车身激光焊接技术

激光焊接在汽车制造中的另一个重要应用是汽车车身框架的激光焊接，其中一个典型例子就是汽车车身顶盖与车身侧板的焊接。传统的焊接方法为点焊，但现在正逐渐被激光焊接所代替。

两者比较可以看出，采用激光焊接后，顶盖和侧面车身的搭接边宽度减少，降低了钢板使用量，同时提高了车体的刚度。目前这种车身框架的激光焊接技术在各大汽车制造商的较新型车中都得到了非常广泛的应用，例如Audi A2 车体框架是由铝合金材料焊接而成，比同样结构使用钢材可减少重量43kg，其中激光焊接的焊缝总长多达30m。国内上海大众的Polo、Passat车型、明锐轿车，一汽大众的Bora、速腾、迈腾车型以及Audi A4和A6等车型的制造中，也都采用了激光焊接技术。这是我国汽车制造业真正使用激光焊接技术的一个重要标志。

由于激光焊接具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动控制、无后续加工的优点，近年来正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车、航空航天等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。虽然与传统的焊接方法相比，激光焊接尚存在设备昂贵，一次性投资大，技术要求高的问题，使得激光焊接在我国的工业应用还相当有限，但激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造。

结束语

电子束焊与激光焊的机理大致相同，应用领域也大体相同。但是，由于它们在束的产生和传输方式上的不同，因而各有各的应用场合。它们不能相互代替，但可相互补充。作为应用者，应合理地应用。

虽然我国激光焊接技术的整体应用水平还比较低，在激光器制造技术上还较发达国家落后许多，但是激光焊接在汽车制造领域中的许多成功应用已经凸现出激光焊接不同于传统焊接方法的特点和优势，这也为许多大功率激光器制造商和激光焊接设备制造商提供了更为诱人的经济效益前景。

公司介绍

德国思泰科（SITEC）工业技术公司自1991年起致力于激光加工技术的研发和设备制造，

凭借着与研究机构和高水平激光器供应商的密切合作，积累了丰富的经验。在欧洲已经成为众多知名汽车制造企业的设备供应商。2005年进入中国市场后，在武汉和上海都有SITEC的激光设备投入使用，用SITEC提供的激光加工设备生产的产品已经在一汽大众的系列车型上采用。

激光焊接造就更完美的车身

作者：孙志成 „ 文章来源：上海通用汽车有限公司 点击数：1324 更新时间：2009-9-29

图1 车顶激光焊接装置及车身外观

利用激光进行白车身的焊接，具有焊接效率高、焊接质量好、外形美观等优点，已被很多汽车厂家用于车身焊接的关键工位以及对工艺有特殊要求的部位。目前激光焊接和激光钎焊不断成熟，远程激光焊接正在快速发展中，其优势已经凸显。

激光加工是利用高辐射强度的激光束，经过光学系统聚焦（功率密度可达104～1011W/cm2），对工件加工部位施加高温进行热加工的技术。与传统的焊接方法相比，激光焊接生产效率高和易实现自动控制的特点使其非常适于大规模生产线和柔性化制造。其中，激光焊接在工程车辆制造领域中的成功应用可大大提高生产效率和产品质量，已经凸显出激光焊接的巨大优势。

激光焊接的优点首先是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5:1，最高时可达10:1，焊接质量比传统焊接方法好；其次是焊缝强度高，焊接速度快，焊缝窄，且通常表面状态好，免去了焊后清理等工作，外观比传统焊接要美观；另外，激光焊接可焊接难以接近的部位，施行非接触远程焊接，具有很大的灵活性，尤其是近几年来，在光纤激光加工技术中，由于光纤传输技术的优势，激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。

鉴于这些特点，在汽车工业，激光焊接通常被应用于车身焊接的关键工位以及对工艺有特殊要求的部位，如：用于车顶与侧围外板焊接能解决焊接强度、效率、外观及密封性的问

题；用于后盖焊接可解决直角搭接问题；应用在车门总成的激光拼焊可有效提高焊接质量和效率。

激光焊接在白车身制造中的应用主要由普通激光焊接、激光钎焊、激光远程焊接等，现就这些焊接工艺分别进行简单介绍。

图2 车顶侧围激光焊接头设计

激光焊接

普通激光焊接工艺主要被用于车顶焊接，可以降噪和适应新的车身结构设计。欧洲各大汽车厂的激光器绝大多数被用于车顶焊接。目前，德国大众已在Audi A6、Audi A4、Golf和Passat等车顶采用了此项技术，宝马的5系、欧宝的Vectra车型以及瑞典沃尔沃的一些车型生产中，对激光焊接更是趋之若鹜。

在我国，上海大众已经在众多车型上采用了激光技术来焊接车顶和侧围外板，如帕萨特、途安等；上海通用的新君威、君越平台上也应用了激光焊接工艺。图1是上海通用新君威的车顶与侧围焊接装置，采用了4kW泵浦激光器，同时，焊缝识别、跟踪系统以及焊缝质量实时监测系统等都集成于激光焊接头上。焊接新君威车顶只需十几秒，与传统点焊相比，焊接质量和效率都大大提高，焊接完毕后，无需增加车顶饰条，提高了整车的美观度。

与传统电阻点焊接头相比，采用激光焊接方式可大幅降低接头凹槽宽度（由20mm降低到10mm左右），从而可以减少车重。在设计连接方式时，可采用重叠方式（overlap joint）和搭接方式（fillet joint）两种。从图2可以看出，二者所焊接的位置有所差别。重叠方式对激光焦点的定位要求较低，只需聚焦在板材重叠范围内即可，不需要专门的焊缝跟踪系统，但缺点是当焊接镀锌板时，被激光气化的锌蒸汽无法溢出，会导致焊缝可能出现气孔等缺陷。搭接方式对激光焦点的定位要求较高，需聚焦在搭接缝上，故需要专门的焊缝跟踪系统，增加了设备成本，但它可以避免焊接镀锌板时的焊缝气孔等缺陷问题，锌蒸汽可从搭接头边缘缝隙中排出。图3为两种不同方式下焊接镀锌板的质量对比（4.4kW，0.8mm热镀锌板）。

图3 不同搭接方式镀锌板激光焊接质量对比

使用激光焊接的优点很明显，焊接速度快（以5～6m/min的焊接速度，焊接1.5m车顶只需十几秒）、焊缝质量好、连接强度高（激光焊缝强度是常规电阻点焊的1.5倍）且具有较高的密封性；缺点是设备投资成本较高，如两台4kW ND:YAG泵浦激光器加上附属焊接系统的成本约为250万美元，远远高于电阻点焊设备的投资。

激光钎焊

激光钎焊与传统的MIG钎焊类似，其区别在于它采用激光源来熔化焊丝，填充焊缝，以形成焊接接头。图4所示为激光钎焊的工艺及应用效果。

汽车生产厂家通常采用的激光钎焊钎料是CuSi3，熔点950℃左右，远低于钢的熔点（约1500℃），故激光钎焊所需的激光器功率较低（约为普通激光焊接的一半），能够大大节省昂贵激光器的投资成本。CuSi3浸润后强度可达350MPa左右，高于普通低碳钢，故激光钎焊能够达到很高的强度。

图4 激光钎焊工艺及应用

激光钎焊过程中，钎料被填入到接头缝隙中，无需在焊后涂胶及添加饰条，能够节省大量工艺成本。目前激光钎焊已在车顶与侧围外板、后盖焊接上得到广泛应用。激光钎焊在焊接车顶与侧围外板时的缺点是，它对夹具定位的要求较高，每种车型均需要专门的夹具来对车顶侧围进行夹持（见图5），以保证焊缝的精度，获得稳定的焊接质量，因此，激光钎焊夹具的柔性较差。

远程激光焊接

远程激光焊接（见图6）已经正在成为可替代传统汽车白车身电阻点焊的一种新手段。根据行业调查，业界已安装的远程激光焊接设备超过60套，主要集中在欧洲和北美地区。

远程激光焊接为非接触式焊接，采用专门的镜头将激光聚焦在1～2m远的焊接工件上，镜头由机器人驱动，通过机器人移动和激光聚焦点的变化，灵活地实现各个部位的焊接。激光远程焊接技术发挥了单侧、非接触式激光焊接带来的技术和经济优势，并将其与高速扫描镜片带来的优势相结合，大大缩短了焊接时间，在整个焊接工艺流程中提高了总生产效率。

对于传统激光/机器人焊接，20mm的缝焊需0.2～0.4s完成，重复定位时间约3s，而对于

远程激光焊接来说，焊接时间相同，重复定位时间仅为0.2s。由此可见，远程激光焊接的关键优势在于定位时间大大缩短，这是由于它装备了高速的光束扫描装置。

图5 激光钎焊的夹具

Comau Pico公司很早就曾为推动远程激光焊接技术的发展而努力，他们曾和Rofin Sinar等公司合作，采用一台基于 CO2激光器的远程焊接设备，利用扫描镜片以高速反射光束，焊接车身件的多个焊接位置。

在Fiat Marea车型的一个典型部件上，远程CO2激光焊接也被用来替代电阻点焊，以消除在车后部尾门上采用胶粘剂带来的成本。在这一应用中，总的激光缝焊时间是5s。在对该车型门框的焊接上，43条激光焊缝仅需30s就能完成，替代了传统的电阻点焊。在这项应用中，重复定位时间的降幅高达94%。Renault公司采用一套Agilaser焊接C85的前门部件，替代了原先使用的需要12台机器人电阻焊的系统。原系统需要占地1050m2 ，而采用5机器人工作站的 Agilaser仅占地808m2。

两台 Agilasers以66s的周期生产部件，焊接93条右侧及左侧激光焊缝，而以前则需要电阻点焊130个右侧和左侧焊点。在 Renault公司，一台Agilaser在C65车型的前门焊接3激光焊缝，仅用两套夹具。

激光远程焊接的优点在于更经济、占用空间更少，相比要使用6～8套夹具的电阻点焊来说，远程焊接的仅需一套夹具。另一方面，远程激光焊接的缺点在于其对工件匹配要求很高，这使得设计和制作夹具非常复杂。 图6 远程激光焊接系统 小结

目前普通激光焊接和激光钎焊技术已比较成熟，被普遍用在车顶及后盖的焊接中；远程激光焊接仍然在不断发展中，是一种高效率、灵活的焊接方式。

在白车身制造中，采用激光焊接技术可以提高产品设计的灵活性，提高生产效率，增强车身的刚度，提高产品质量和市场竞争力。随着激光技术的不断成熟和成本的逐步下降，各种激光焊接工艺必将在轿车白车身制造中得到越来越广泛的应用。

焊接是一种连接金属或热塑性塑料的制造或雕塑过程。焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域（熔池），熔池冷却凝固後便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。普通焊接与硬钎焊（brazing）和软钎焊（soldering）的区别在於软钎焊通过融化熔点较低（低於工件本身的熔点）的焊料来形成连接，无需加热熔化工件本身。

焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。除了在工厂中使用外，焊接还可以在多种环境下进行，如野外、水下和太空。无论在何处，焊接都可能给操作者带来危险，所以在进行焊接时必须采取适当的防护措施。焊接给人体可能造成的伤害包括烧伤、触电、视力损害、吸入有毒气体、紫外线照射过度等。

19世纪末之前，唯一的焊接工艺是铁匠沿用了数百年的金属锻焊。最早的现代焊接技术出现在19世纪末，先是弧焊和氧燃气焊，稍后出现了电阻焊。20世纪早期，第一次世界大战和第二次世界大战中对军用设备的需求量很大，与之相应的廉价可靠的金属连接工艺受到重视，进而促进了焊接技术的发展。战后，先后出现了几种现代焊接技术，包括目前最流行的手工电弧焊、以及诸如熔化极气体保护电弧焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊和电渣焊这样的自动或半自动焊接技术。20世纪下半叶，焊接技术的发展日新月异，激光焊接和电子束焊接被开发出来。今天，焊接机器人在工业生产中得到了广泛的应用。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，并进一步提高焊接质量。 弧焊

弧焊（Arc welding）使用焊接电源来创造并维持电极和焊接材料之间的电弧，使焊点上的金属融化形成熔池。它们可以使用直流电或交流电，使用消耗性或非消耗性电极。有时在熔池附近会引入某种惰性或半惰性气体，即保护气体，有时还会添加焊补材料。 [编辑] 能量供应

弧焊过程要消耗大量的电能，可以通过多种焊接电源来供应能量。最常见的焊接电源包括恒流电源和恒压电源。在弧焊过程中，所施加的电压决定电弧的长度，所输入的电流则决定输出的热量。恒流电源输出恒定的电流和波动的电压，多用于人工焊接，如手工电弧焊和钨极气体保护电弧焊。因为人工焊接要求电流保持相对稳定，而在实际操作中，电极的位置很难保证不变，弧长和电压也会随之发生变化。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工艺，如熔化极气体保护电弧焊、药芯焊丝电弧焊和埋弧焊。在这些焊接工艺中中，电弧长度保持恒定，因为焊头和工件之间距离发生的任何波动都通过电流的变化来弥补。例如，如果焊头和工件的间隔过近，电流将急速增大，使得焊点处发热量骤增，焊头部分融化直至间隔恢复到原来的程度[12]。

所用的电的类型对焊接有很大影响。耗电量大的焊接工艺，如手工电弧焊和熔化极气体保护电弧焊通常使用直流电，电极可接正极或负极。在焊接中，接正极的部分会有更大的热量集中，因此，改变电极的极性将影响到焊接性能。如果是工件接正极，工件将更热，焊接深度和焊接速度也会大大提高。反之，工件接负极的话将焊出较浅的焊缝[13]。 耗电量较小的焊接工艺，如钨极气体保护电弧焊，可以通直流电（采用任意接头方式），也可以使用交流电。然而，这些焊接工艺所采用的电极都是只产生电弧而不提供焊料的，因此在使用直流电时，接正电极的时候，焊接深度较浅，而接负电极时能产生更深的焊缝[14] 。交流电使电极的极性迅速变化，从而将生成中等穿透程度的焊缝。使用交流电的缺点之一是，每一次变化的电压通过电压零点后，电弧必须重新点燃，为解决这一问题，一些特殊的焊接电源产生的是方波型的交流电，而不是通常的正弦波型，使得电压变化通过零点时的负面影响降到最小[15]。 [编辑] 弧焊工艺 手工电弧焊

手工电弧焊（Shielded metal arc welding，SMAW）是最常见的焊接工艺。在焊接材料和消耗性的焊条之间，通过施加高电压来形成电弧，焊条的芯部分通常由钢制成，外层包覆有一层助焊劑。在焊接过程中，助焊剂燃烧产生二氧化碳，保护焊缝区免受氧化和污染。电极芯则直接充当填充材料，不需要另外添加焊料。

这种工艺的适应面很广，所需的设备也相对便宜，非常适合现场和户外作业[16]。操作者只需接受少量的培训便可熟练掌握。焊接时间较慢，因为消耗性的焊条电极必须经常更换。焊接后还需要清除助焊剂形成的焊渣[17]。此外，这一技术通常只用于焊接黑色金属，焊铸铁、镍、铝、铜等金属时需要使用特殊焊条。缺乏经验的操作者还往往难以掌握特殊位置的焊接。

熔化极气体保护电弧焊（Gas metal arc welding，GMAW） ，又称为金属-惰性气体焊或MIG焊，是一种半自动或自动的焊接工艺。它采用焊条连续送丝作为电极，并用惰性或半惰性的混合气体保护焊点。和手工电弧焊相似，操作者稍加培训就能熟练掌握。由于焊丝供应是连续的，熔化极气体保护电弧焊和手工电弧焊相比能获得更高的焊接速度。此外，因其电弧相对手工电弧焊较小，熔化极气体保护电弧焊更适合进行特殊位置焊接（如仰焊）。

和手工电弧焊相比，熔化极气体保护电弧焊所需的设备要复杂和昂贵得多，安装过程也比较繁琐。因此，熔化极气体保护电弧焊的便携性和通用性并不好，而且由于必须使用保护气体，并不是特别适合于户外作业。但是，熔化极气体保护电弧焊的焊接速度较快，非常适合工厂化大规模焊接。这一工艺适用于多种金属，包括黑色和有色金属[18]。

另一种相似的技术是药芯焊丝电弧焊（Flux-cored arc welding，FCAW），它使用和熔化极气体保护电弧焊相似的设备，但采用敷盖粉末材料的钢质电极芯的焊条。和标准的实心焊条相比，这种焊丝更加昂贵，在焊接中会产生烟和焊渣，但使用它可以获得更高的焊接速度和更大的焊深[19]。

钨极气体保护电弧焊（Gas tungsten arc welding，GTAW），或称钨-惰性气体（TIG焊）焊接（有时误称为氦弧焊），是一种手工焊接工艺。它采用非消耗性的钨电极，惰性或半惰性的保护气体，以及额外的焊料。这种工艺拥有稳定的电弧和较高的焊接质量，特别适用于焊接板料，但这一工艺对操作者的要求较高，焊接速度相对较低。

钨极气体保护电弧焊几乎适用于所有的可焊金属，最常用于焊接不锈钢和轻金属。它往往用于焊接那些对焊接质量要求较高的产品，如自行车、飞机和海上作业工具[20]。与之类似的是等离子弧焊（Plasma arc welding，PAW），它采用钨电极和等离子气体来生成电弧。等离子弧焊的电弧相对于钨极气体保护电弧焊更集中，使对等离子弧焊的横向控制显得尤为重要，因此这一技术对机械系统的要求较高。由于其电流较稳定，该方法与钨极气体保护电弧焊相比，焊深更大，焊接速度更快。它能够焊接钨极气体保护电弧焊所能焊接的几乎所有金属，唯一不能焊接的是镁。不锈钢自动焊接是等离子弧焊的重要应用。该工艺的一种变种是等离子切割，适用于钢的切割[21]。

埋弧焊（Submerged arc welding，SAW），是一种高效率的焊接工艺。埋弧焊的电弧是在助焊剂内部生成的，由于助焊剂阻隔了大气的影响，焊接质量因此得以大大提升。埋弧焊的焊渣往往能够自行脱落，无需清理焊渣。埋弧焊可以通过采用自动送丝装置来实现自动焊接，这样可以获得极高的焊接速度。由于电弧隐藏在助焊剂之下，几乎不产生烟雾，埋弧焊的工作环境大大好于其他弧焊工艺。这一工艺常用于工业生产，尤其是在制造大型产品和压力容器时[22]。其他的弧焊工艺包括原子氢焊（Atomic hydrogen welding，AHW）、碳弧焊（Carbon arc welding，CAW）、电渣焊（Electroslag welding，ESW）、气电焊（Electrogas welding，EGW）、螺柱焊接（Stud welding）等。 使用可燃气焊接金属部件 [编辑] 气焊

最常见的气焊工艺是可燃气焊接（Oxy-fuel welding），也称为氧乙炔焰焊接。它是最古老，最通用的焊接工艺之一，但近年来在工业生产中已经不多见。它仍广泛用于制造和维修管道，也适用于制造某些类型的金属艺术品。可燃气焊接不仅可以用于焊接铁或钢，还可用于铜焊、钎焊、加热金属（以便弯曲成型）、气焰切割等。

可燃气焊接所需的设备较简单，也相对便宜，一般通过氧气和乙炔混合燃烧来产生温度约为3100摄氏度的火焰。因为火焰相对电弧更分散，可燃气焊接的焊缝冷却速度较慢，可能会导致更大的应力残留和焊接变形，但这一特性简化了高合金钢的焊接。一种衍生的应用被称为气焰切割，即用气体火焰来切割金属[5] 。其他的气焊工艺有空气乙炔焊、氧氢焊、气压焊，它们的区别主要在于使用不同的燃料气体。氢氧焊有时用于小物品的精密焊接，如珠宝首饰。气焊也可用于焊接塑料，

一般采用加热空气来焊接塑料，其工作温度比焊接金属要低得多。 [编辑] 电阻焊

电阻焊（Resistance welding）的原理是：两个或多个金属表面接触时，接触面上会产生接触电阻。如果在这些金属中通过较大的电流（1,000—100,000安培），根据焦耳定律，接触电阻大的部分会发热，将接触点附近的金属熔化形成熔池。一般来说，电阻焊是一种高效、无污染的焊接工艺，但其应用因为设备成本的问题受到。 点焊机

点焊（Spot welding），或称电阻点焊，是一种流行的电阻焊工艺，用于连接叠压在一起的金属板，金属板的厚度可达3毫米。两个电极在固定金属板的同时，还向金属板输送强电流。该方法的优点包括：能源利用效率较高，工件变形小，焊接速度快，易于实现自动化焊接，而且无需焊料。由于电阻点焊的焊缝强度明显较低，这一工艺只适合于制造某些产品。它广泛应用于汽车制造业，一辆普通汽车上由工业机器人进行的焊接点多达几千处。一种特殊的点焊工艺（Shot welding），可用于不锈钢点焊。

与点焊类似的一种焊接工艺称为缝焊（Seam welding），它通过电极施加压力和电流来拼接金属板。缝焊所采用的电极是轧辊形而非点形，电极可以滚动来输送金属板，这使得缝焊能够制造较长的焊缝。在过去，这种工艺被用于制造易拉罐，但现在已经很少使用。其他的电阻焊工艺包括闪光焊（Flash welding）、凸焊（projection welding）、对焊（Upset welding）等[23]。

[编辑] 能量束焊接

能源束焊接工艺包括激光焊接（Laser beam welding，LBW）和电子束焊接（Electron beam welding，EBW）。它们都是相对较新的工艺，在高科技制造业中很受欢迎。这两种工艺的原理相近，最显著的区别在于它们的能量来源。激光焊接法采用的是高度集中的激光束，而电子束焊接法则使用在真空室中发射的电子束。由于两种能量束都具有很高的能量密度，能量束焊接的熔深很大，而焊点很小。这两种焊接工艺的工作速度都很快，很容易实现自动化，生产效率极高。主要缺点是设备成本极其昂贵（虽然价格一直在下降），焊缝容易发生热裂。在这个领域的新发展是激光复合焊（Laser-hybrid welding），它结合了激光焊接和电弧焊的优点，因此能够获得质量更高的焊缝[24]。 [编辑] 固态焊接

和最早的焊接工艺锻焊类似的是，一些现代焊接工艺也无需将材料熔化来形成连接。其中最流行的是超声波焊接（Ultrasonic welding），它通过施加高频声波和压力来连接金属和热塑塑料制成的板料和线。超声波焊接的设备和原理都和电阻焊类似，只是输入的不是电流而是高频振动。这一焊接工艺焊接金属时不会将金属加热到熔化，焊缝的形成依赖的是水平振动和压力。焊接塑料的时候，则应该在熔融温度下施加垂直方向的振动。超声波焊接常用于制造铜或铝质地的电气接口，也多见于焊接复合材料。

另一种较常见固态焊接工艺是爆炸焊（Explosion welding），它的原理是使材料在爆炸产生的高温高压作用下形成连接。爆炸产生的冲击使得材料短时间内表现出可塑性，从而形成焊点，这一过程中只产生很少量的热量。这一工艺通常用于连接不同材料的焊接，如在船体或复合板上连接铝制部件。其他固态焊接工艺包括挤压焊（Co-extrusion welding）、冷焊（Cold welding）、扩散焊（Diffusion welding）、摩擦焊（Friction welding）（包括搅拌摩擦焊（Friction stir welding））、高频焊（ High frequency welding）、热压焊（Hot pressure welding）、感应焊（Induction welding）、热轧焊 （Roll welding）[25]。 [编辑] 接头型式

常见的焊接接头类型：（1）I形对接接头；（2）V形对接接头；（3）搭接接头；（4）T形接头。

工件之间的焊接连接可以有多种接头形式。五种基本接头类型分别是：对接接头、搭接接头、角接接头、端接接头、T形接头。还有一些由此衍生的接头形式存在，例如双V形对接制备接头，它的特点是把两个待连接的材料都切屑成V型尖角形状。单U型和双U型对接制备接头也很常见，它们的接头被加工成曲线状的U形，和V形接头的直线型不同，搭接接头可以用来连接两件以上的材料，这取决于焊接工艺和材料的厚度，一个搭接接头可以焊接多个工件[26]。

通常情况下，某些焊接工艺不能或几乎完全不能加工某些类型的接头。例如，电阻点焊、激光焊和电子束焊时常常采用搭接接头。然而，一些焊接工艺，如手工电弧焊，几乎可以采用任何接头类型。值得一提的是，有些焊接工艺允许进行多次焊接：在一次焊接的焊缝冷却之后，在其基础上再焊一次。这样就能够以V形对接接头来焊接较厚的工件[27]。 一个焊接接头的横截面，颜色最深的部分是焊接区或称熔化区，较浅的部分是热影响区，颜色最浅的部分是母材

焊接结束之后，焊缝附近的材料显示出几个区别明显的区域。焊缝被称为熔化区，更具体地说就是助焊剂融化后填充的区域，熔化区的材料特性主要取决于所使用的助焊剂，以及助焊剂和母材的兼容性。熔化区周围的是热影响区（HAZ），该区域的材料在焊接过程中产生了微观结构和特性上的变化，这些变化取决于母材在受热状态下的特性。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一区域[28]。 [编辑] 焊接质量

衡量焊接质量的主要指标是焊点及其周边材料的强度。影响强度的因素很多，包括焊接工艺、能量的注入形式、母材、填充材料、助焊剂、接头设计形式，以及上述因素间的相互作用。通常采用有损或无损检测来检查焊接质量，检测的主要对象是焊点的缺陷、残余应力和变形的程度、热影响区的性质。焊接检测有一整套规范和标准，来指导操作者采用适当的焊接工艺并判断焊接质量。 [编辑] 热影响区

图中蓝色部分显示了在600°C左右的焊接过程中造成的金属氧化。通过颜色来判断焊接时的温度是很准确的，但是颜色区域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很窄小的区域。

焊接工艺对焊缝附近的金属特性的影响是可以标定的，不同焊接材料和焊接工艺会形成大小不一、特性各异的热影响区。母材的热扩散系数对热影响区的性质有很大的影响：较大的热扩散系数使得材料能以较快速度冷却，形成相对较小的热影响区。与之相反的是，如果材料的热扩散系数较小，散热困难，热影响区相对就较大。焊接工艺的热能输入量对热影响区也有显著的影响，如氧乙炔焊接中，由于热量不是集中输入的，会形成较大的热影响区。而诸如激光焊接这样的工艺，能够把有限的热量集中输出，所造成的热影响区较小。弧焊所造成的热影响区则位于两种极端情况之间，操作者水平往往决定了弧焊热影响区的大小[29][30]。

计算弧焊的热输入量，可以采用以下的公式：

Q = \\left(\\frac{V \imes I \imes 60}{S \imes 1000} \\right) \imes \\mathit{Efficiency}

式中Q为热输入量（kJ/mm），V为电压（V），I为电流（A），S为焊接速度（mm/min）。Efficiency（效率）的取值取决于所采用的焊接工艺：手工电弧焊为0.75，气体金属电弧焊和埋弧焊为0.9，钨极气体保护电弧焊为0.8[31]。 [编辑] 扭曲和断裂

由于焊接时金属被加热到熔化温度，它们在冷却时会产生收缩。收缩会产生残余应力，并造成纵向和圆周方向的扭曲。扭曲可能导致产品形状的失控。为了消除扭曲，有时焊接时会引入一定的偏移量，以抵消冷却造成的扭曲[32]。扭曲的其他方法包括将工件夹紧，但是这样可能导致热影响区残余应力的增大。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多艘自由轮就出现过这种问题[33][34]。冷裂纹仅见于钢材料，它与钢冷却时形成马氏体有关，断裂多发生在母材的热影响区。为了减少扭曲和残余应力，应该控制焊接的热输入量，单个材料上的焊接应该一次完工，而不是分多次进行。

其他类型的裂纹，如热裂纹和硬化裂纹，在所有金属的焊接熔化区都可能出现。为了减少裂纹的出现，金属焊接时不应施加外力约束，并采用适当的助焊剂[35]。 [编辑] 可焊性

焊接的质量还取决于所采用的母材和填充材料。并非所有的金属都能焊接，不同的母材需要搭配特定的助焊剂。 [编辑] 钢铁

不同钢铁材料的可焊性与其本身的硬化特性成反比，硬化特性指的是钢铁焊接后冷却期间产生马氏体的能力。钢铁的硬化特性取决于它的化学成分，如果一块钢材料含有较高比例的碳和其他合金元素，它的硬化特性指标就较高，因此可焊性相对较低。要比较不同合金钢的可焊性，可以采用以一种名为当量碳含量的方法，它可以反映出不同合金钢相对于普通碳钢的可焊性。例如，铬和钒对可焊性的影响要比铜和镍高，而以上合金元素的影响因子比碳都要小。合金钢的当量碳含量越高，其可焊性就越低。如果为了取得较高的可焊性而采用普通碳钢和低合金钢的话，产品的强度就相对较低——可焊性和产品强度之间存在着微妙的权衡关系。1970年代开发出的高强度低合金钢则克服了强度和可焊性之间的矛盾，这些合金钢在拥有高强度的同时也有很好的可焊性，使得它们成为焊接应用的理想材料[36]。

由于不锈钢含有较高比例的铬，所以对它的可焊性的分析不同于其他钢材。不锈钢中的奥氏体具有较好的可焊性，但是奥氏体因其较高的热膨胀系数而对扭曲十分敏感。一些奥氏体不锈钢合金容易断裂，因此降低了它们的抗腐蚀性能。如果在焊接中不注意控制铁素体的生成，就可能导致热断裂。为了解决这个问题，可以采用一只额外的电极头，用来沉积一种含有少量铁素体的焊缝金属。铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的可焊性也不好，在焊接中必须要预热，并用特殊焊接电极来焊接[37]。 [编辑] 铝

铝合金的可焊性随着其所含合金元素的不同变化很大。铝合金对热断裂的敏感度很高，因此在焊接时通常采用高焊接速度、低热输入的方法。预热可以降低焊接区域的温度梯度，从而减少热断裂。但是预热也会降低母材的机械性能，并且不能在母材固定时施加。采用适当的接头形式、兼容性更好的填充合金都能减少热断裂的出现。铝合金在焊接之前应清理表面，除去氧化物、油污和松散的杂质。表面清理是非常重要的，因为铝合金焊接时，过多的氢会造成泡沫化，过多的氧会形成浮渣[38]。

[编辑] 极端环境下的焊接 水下焊接

除了在工厂和修理店这样的可控制环境下工作外，一些焊接工艺还可以在多种环境下进行，如户外、水下、真空（如太空）。在户外作业，如建筑建设和修理工作中，常采用手工电弧焊。需要保护气体的焊接工艺通常不能在户外进行，因为空气的无序流动会导致焊接失败。手工电弧焊还可用于水下焊接，如焊接船体、水下管道、海上作业平台等。水下焊接较常用的工艺还有药芯焊丝电弧焊等。在太空中进行焊接也是可行的：1969年，苏联宇航员第一次在真空环境下试验了手工电弧焊、等离子弧焊和电子束焊接。在那以后的几十年中，太空焊接技术得到了很大的发展。今天，研究者们仍在尝试将不同的焊接技术转移到真空中进行，如激光焊接、电阻焊和摩擦焊等。这些焊接技术在国际空间站的建设中起了很大的作用，透过真空焊接技术，在地面搭建好的空间站子模块得以在太空中组装成型[39]。 [编辑] 保护措施

焊工穿着防护头盔、手套和防护服进行弧焊操作

在缺乏保护的情况下进行焊接作业是十分危险而且有害健康的。通过采用新技术和合适的保护措施，焊接时发生事故和死亡的危险可以大大降低。常用的焊接技术往往采用开放式电弧或火焰，很容易造成烧伤。焊工通过加穿个人防护设备，如橡胶手套、长袖防护夹克等来避免人体暴露在高温和火焰下。除此之外，焊接区域的强烈光照会造成电光性眼炎之类的疾病，因为焊接时产生的大量紫外线会刺激并破坏角膜和视网膜。在进行弧焊时，必须佩带保护眼睛的护目镜或防护头盔。近年来开发的新型防护头盔，可以随着入射紫外线的强度改变护目镜片的透光度。为了保护焊工之外接近焊接现场的人，焊接工作现场往往用半透明的保护幕围起来。这些保护幕通常是聚氯乙烯制成的塑料幕布，能够保护附近的无关人员免受电弧产生的高强度紫外线的照射，但是保护幕不能完全代替护目镜和头盔[40]。

焊工还会受到危险气体和飞溅材料的威胁。诸如药芯焊丝电弧焊和手工电弧焊这样的焊接工艺会产生含有多种氧化物的烟雾，可能会造成金属烟热之类的职业病。焊接烟雾中的小颗粒也会影响工人的健康，颗粒的尺寸越小，危害越大。另外，

很多的焊接工艺会产生有害气体和烟气，常见的如二氧化碳、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人员危害很大。值得注意的还有，很多焊接工艺所采用的保护气体和原材料是易燃易爆的，需要采用适当的防护措施，如控制空气中氧气的含量、将易燃易爆材料分开堆放等[41]。焊接排烟设备常用来抽散有害气体，并通过高效率有隔板空气过滤器来过滤。 [编辑] 经济性和发展趋势

焊接的经济成本是其工业应用的重要影响因素。影响焊接成本的因素很多，如设备、人力、原材料和能量成本等。焊接设备的成本对不同工艺来说变化很大，手工电弧焊和可燃气焊接相对成本低廉，激光焊接和电子束焊接则成本较高。由于某些焊接工艺的成本高昂，一般只用于制造重要的部件。自动焊接设备和焊接机器人的设备成本也很高，因此它们的使用也受到相应的。人力成本取决于焊接的速度、每小时工资和总工作时间（包括焊接和后续处理）。原材料成本包括购置母材、焊缝填充材料、保护气体的费用。能量成本则取决于电弧工作时间和焊接的能量需求。

对于手工焊接来说，人力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、优化焊接参数等。焊接之后的除渣也是一件费时费力的工作。因此，减少焊渣能够提高安全性、环保性，并降低成本，提高焊接质量[42]。机械化和自动化作业也能有效地降低人力成本，但另一方面增加了设备成本，还需要额外的设备安装和调试时间。当产品有特殊需求时，原材料成本往往随之水涨船高。而能量成本通常是不重要的，因为它一般只占总成本的几个百分点[43]。

近年来为了减少高端产品中焊接的人力成本，工业生产中的电阻点焊和弧焊大量采用自动焊接设备（尤其是汽车工业）。焊接机器人能够有效地完成焊接，尤其是点焊。随着技术的进步，焊接机器人也开始用于弧焊。焊接技术的前沿发展领域包括：异型材料之间的焊接（如铁和铝部件的焊接连接）、新型焊接工艺，如搅拌摩擦焊（friction stir welding）、磁力脉冲焊（magnetic pulse welding）、导热缝焊（conductive heat seam welding）和激光复合焊（laser-hybrid welding）等。其他研究则集中于扩展现有焊接工艺的应用范围，如将激光焊接应用于航空和汽车工业。研究者们还希望进一步提高焊接质量，尤其是控制焊缝的微观结构和残余应力，以减少焊缝的变形断裂[44]。

窄焊缝：最小的角度变形和横向收缩量

节约成本型技术：焊接速度快，生产效率高；优化设计更代传统手段，可以减少成本；无须辅料；焊接前只需要很简单的标准工作

材料优化：社和焊接的材料品种广泛，可以接受不同类型的材料的焊接

自动化的生产过程：所有的过程参数都是电参数，因此可以很 容易的进行测量 控制 和检测

换句话说，用电子束进行焊接它的深度比较深， 激光焊接是15mm最大的话，电子束焊接的深度可达到95mm或者更大，视 情况而定。另外，电子束焊接的速度非常快，节省时间之余节省了大量的人力； 电子束焊接的精准度很高，可以保证焊接出来的产品是高质量，长寿命的。从而很大程度上提高了下家的企业形象。