◎ 文/ e-works 魏蝶

焊接，也稱作熔接，是一種以加熱、高溫或高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的製造工藝及技術。近代焊接技術從1885年出現碳弧焊開始，直到20世紀40年代才形成較完整的焊接工藝體系，特別是40年代出現優質電焊條後，焊接技術突飛猛進。

隨著製造業的高速發展，傳統的手工焊接已不能滿足現代高技術產品製造的質量、數量要求，現代焊接製造技術正在向著機械化、自動化、數位化的方向發展。近年來，焊接自動化在實際工程中的應用發展迅速，已成為先進位造技術的重要組成部分。本文主要介紹不同焊接方式的特點和應用場景，焊接技術的發展趨勢及其在智能製造中的影響。

與時俱進的加工技術

焊接技術在機器製造、造船工業、建築工程、電力設備生產、航空及航天工業等應用十分廣泛。焊接加工的特點：

①節省金屬材料，結構重量輕；

②焊接工藝過程簡單、生產率高；

③焊接接頭具有良好的力學性能和密封性；

④能夠製造雙金屬結構，使材料的性能得到充分利用。

焊接技術是隨著金屬的應用出現並逐步發展的。

1885年出現碳弧焊標誌著近代焊接工藝的開始，上世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應用。

1930年美國的羅賓諾夫發明使用焊絲和焊劑的埋弧焊，使得焊接機械化得到進一步發展。

1951年蘇聯的巴頓電焊研究所創造電渣焊，為大厚度工件提供了高效焊接的方法。

1953年，二氧化碳氣體保護焊的問世，促進了氣體保護電弧焊的應用和發展。

1957年美國的蓋奇發明等離子弧焊，60年代又出現電子束和雷射焊等先進焊接方法，使焊接技術的發展達到一個新的水平。

20世紀80年代，隨著工業機器人的應用在先進工業國家普及，焊接技術開始朝著自動化方向發展。

智能焊接機器人的應用，是焊接技術自動化的重要標誌。焊接機器人屬於工業機器人的範疇，作為電子集成控制的綜合產物，它是整體數位化工廠系統中的重要組成部分，許多數位化技術的發展對焊接機器人的發展有一定的借鑑意義。例如，虛擬實境技術可以模擬仿真焊接機器人焊接作業的過程；智能傳感技術的發展會給焊接機器人加上視覺、聲覺、觸覺等多方位的感知能力。焊接機器人逐漸被應用在多個工業自動化生產中，為了發展智能製造，必須加強機器人焊接技術的可靠性，注重加工技藝提升，以提升產品質量和市場競爭實力。

在數位化轉型和智能製造的熱潮下，當今世界的許多科研成果、前沿技術和高新技術，諸如：計算機、微電子、數字控制、信息處理、工業機器人、雷射技術等，已被廣泛地應用於焊接領域，使得焊接技術在智能製造的發展中創造了極高的附加值。焊接技術作為先進位造技術的重要組成部分，必將與其它使能技術相結合，成為智能製造的重要基石，從而實現製造業生產模式的創新。目前，許多工業產品的製造已無法離開焊接技術的使用，焊接已深深地溶入了現代工業生產中，並在智能製造中顯現了十分重要、不可替代的作用。

各種焊接方式及其應用

根據焊接過程中加熱程度和工藝特點的不同，焊接方法可以分為三大類：

(1)熔焊，包括電弧焊、氣焊、電子束焊、雷射焊等；

(2)壓焊，包括電阻焊、摩擦焊、超聲波焊、爆炸焊等；

(3)釺焊，分為硬釺焊和軟釺焊。

2.1熔焊

熔焊是指焊接過程中，將連接處的金屬在高溫等的作用下至熔化狀態而完成的焊接方法，可形成牢固的焊接接頭。其特徵為：需要一個能量集中、熱量足夠的熱源，將被連接金屬局部熔化，然後冷卻結晶使分子或原子彼此達到晶格距離並形成結合力；焊接部位必須採取有效的保護，使其不能和空氣接觸，以免造成焊道的成分變化和性能不良。

熔焊包括電弧焊、氣焊、電子束焊、雷射焊等。

電弧焊是利用電弧作為熱源的熔焊方法，包括焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、等離子弧焊等。焊條電弧焊是用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法，因此焊縫的質量取決於焊工的操作技術。埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，有焊接生產率高、成本較低、焊縫質量好、勞動條件好等優點，是目前廣泛使用的一種生產效率較高的機械化焊接方法。但顆粒狀的焊劑使得埋弧焊只能進行平面焊接，如果焊接面傾斜太大，很可能焊接失敗；且埋弧焊不適合焊接薄板和短焊縫。埋弧焊適用於5mm以上較厚的工件，碳素結構鋼、低合金結構鋼、不鏽鋼、耐熱鋼以及某些有色金屬都可用埋弧焊的方式。

最能發揮埋弧焊快速、高效特點的生產領域是造船、鍋爐、化工容器、大型金屬結構等工業製造部門。例如，工業鍋爐鋼架中的樑柱在採用焊條電弧焊焊接時，由於是單條焊縫焊接，效率低，焊後箱型梁易產生扭曲；改用埋弧焊進行雙邊角縫焊接後，焊件的扭曲問題得到解決，且焊接效率提升。今後隨著對埋弧焊焊接方式的改進，其將在箱型梁的焊接中得到更為廣泛的應用。

氣體保護焊是一種用外加氣體作為電弧介質並保護電弧和焊接區的電弧焊，氬弧焊和二氧化碳氣體保護焊是兩種應用較為普遍的氣體保護焊。氬弧焊又稱氬氣體保護焊，就是在電弧焊的周圍通上氬弧保護性氣體，將空氣隔離在焊區之外，防止焊區的氧化。因而氬弧焊有焊件不易氧化、焊接熱影響區小，焊件不易變形、焊縫緻密成形美觀等優點；但其設備成本較高且輻射大。氬弧焊主要用於焊接易氧化的有色金屬和合金鋼，如鋁、鎂、鈦及其合金、不鏽鋼等。同時為降低焊接成本，氬弧焊應儘量在室內進行。

雷射焊是一種以聚焦的雷射束作為能源轟擊焊件所產生的熱量進行焊接的方法。雷射焊有以下優點：焊件不易被氧化，可在空氣中焊接；不需與工件接觸，可焊接難以接近的接頭；焊接熱影響區極小，焊件變形量極小。但其設備有效係數低、功率較小，焊接厚度受限。雷射焊特別適用於焊接排列密集、對受熱敏感的焊件，目前已廣泛應用於汽車工業、電子工業、機械製造、傳感器行業等。

在汽車工業中，雷射焊接可以達到兩塊鋼板之間的分子結合，從而提升車身強度和結合精度；此外，採用雷射焊接可以在汽車製造中用更多的衝壓件代替鑄造件，用連續的雷射焊縫代替分散的點焊縫，可以減少搭接寬度，降低車身結構本身的體積，從而減少車身的重量，滿足了汽車節能減排的要求。因此，雷射焊接技術通常被用於車身焊接的關鍵工位以及對工藝有特殊要求的部位，如用於車頂與側圍外板焊接能解決焊接強度、效率、外觀及密封性的問題；用於後蓋焊接可解決直角搭接問題；用於車門總成的雷射拼焊可有效提高焊接質量及效率。目前雷射焊接技術已經被世界上部分生產高檔轎車的大汽車製造商和領先的配件供給商所採用。

2.2壓焊

壓焊指在加熱或不加熱狀態下對組合焊件施加一定壓力，使其產生塑性變形或融化，並通過再結晶和擴散等作用，使兩個分離表面的原子達到形成金屬鍵而連接的焊接方法。其特徵為：若加熱，則加熱的目的是為使金屬軟化，使材料在施加壓力下更易產生塑變；變形小，裂紋少。

壓焊包括電阻焊、摩擦焊、超聲波焊、爆炸焊等。

電阻焊是指利用電流通過焊件及接觸處產生的電阻熱作為熱源將焊件局部加熱，同時加壓進行焊接的方法。電阻焊具有生產效率高、低成本、節省材料、易於自動化等優點，但目前缺乏可靠的無損檢驗方法，焊接質量只能靠破壞性試驗來檢查。電阻焊又分為電阻點焊、縫焊和凸焊。

電阻點焊是焊件裝配成搭接接頭，並壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點的電阻焊方法。電阻點焊主要適用於各種薄板、板料衝壓結構，廣泛應用於飛機、汽車製造和日常生活用品的生產中。例如，電阻點焊技術主要應用汽車生產環節當中的汽車薄板的焊接過程，車身結構是汽車的主要承載結構，需要電阻點焊來完成大量的焊接任務，一般的轎車大概都有4000-6000個電阻點焊焊點。此外，汽車的生產對於自動化水平的要求很高，而電阻焊接技術十分適合機械自動化的生產環節，因此被廣泛應用於汽車的零部件製造中。

摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦所產生的熱，使端面達到熱塑性狀態，然後迅速頂鍛，完成焊接的一種壓焊方法。其優點為：焊件焊接表面不易氧化，接頭質量好，不易產生缺陷，廢品率低，操作簡單，成本低。但受焊機電機功率的限制，目前摩擦焊可焊接的最大截面為20000 mm2，同時，摩擦焊機一次性投資成本較高。

摩擦焊適用於圓形截面的棒材或管材，亦可將管材焊在平板上，多用於異種金屬產品的焊接，在航空航天、核能開發、汽車、電力、海洋開發、機械製造等新技術和傳統產業部門有著廣泛的應用。摩擦焊技術成功地解決了很多汽車工業中難以跨越的技術障礙。例如，許多用螺栓、法蘭機械連接的複雜部件可以改用一體化的摩擦焊連接；摩擦焊可以實現異種材料的可靠連接，從而滿足了同一零件不同部位具有不同性能的需求。隨著摩擦焊技術的進一步普及、提高和完善，更多高精尖的汽車產品將有可能採用新技術摩擦焊生產。

超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。其優點為：清潔無污染、對焊接金屬表面要求低，氧化或電鍍均可焊接、成本低，效率高、容易實現自動化生產。但超聲波焊接需用功率隨工件厚度及硬度的提高呈指數劇增，因而只限於絲、箔、片、條、帶等薄件的焊接，大多數情況下只適用於搭接接頭。超聲波焊接技術廣泛用於微電子器件及精加工技術，如在鋰離子電池行業的應用，在鋁殼電池在製作過程中，對於層數較多的極耳，需通過超聲波焊接機對多層極耳預焊，再將焊接後的極耳與蓋板極耳引片焊接起來；在軟包電池製作中，軟包電池需要將正負極的極耳引片分別焊接在正負極片上，再進行卷繞，在此過程中，需用超聲波焊機進行極耳引片焊接。

2.3釺焊

釺焊指低於焊件熔點的釺料和焊件同時加熱到釺料熔化溫度後，利用液態釺料填充固態工件的縫隙使金屬連接的焊接方法。根據釺料熔點不同，分為軟釺焊和硬釺焊。

軟釺焊的釺料熔點低於450℃，接頭強度較低，用於受力不大或工作溫度較低的工件，多用於電子工業，以錫鉛合金作為釺料的錫焊最為常用。軟釺料一般需要用釺劑，以改善釺料的濕潤性能。釺劑種類很多，電子工業中多用松香或氯化鋅溶液。

硬釺焊的釺料熔點高於450℃，接頭強度較高，經常用銀基、銅基釺料，適用於工作應力大、環境溫度高的場合。比如硬質合金車刀、地質鑽頭的焊接。加熱方法有火焰加熱、高頻感應加熱等，常用的釺劑是硼砂、硼酸。

更多焊接方式的特點及應用見表1：

焊接技術的發展趨勢

焊接技術已被廣泛應用於許多重要的工業領域，並且為促進工業的發展做出了貢獻，使得焊接技術已成為一個重要的製造技術。焊接技術隨著工業以及科學技術的不斷發展和進步，其發展呈現出以下趨勢：

◉ 提高焊接生產率，推動焊接工藝的高速和高效化。提高生產率的途徑有二：第一提高焊接熔敷率，第二個途徑則是減少坡口斷面及金屬熔敷，最突出的成就就是窄間隙焊接。窄間隙焊接採用氣體保護焊為基礎，利用單絲、雙絲、三絲進行焊接，無論接頭厚度如何，均可採用對接形式，所需熔敷金屬量會數倍、數十倍的地降低，從而大大提高生產率。高效、快速、優質的焊接方法將成為焊接工藝的主力軍。

◉ 提高焊接方式的智能化、自動化水平是當前世界先進工業國家的重點發展方向。焊接方式的智能化、自動化水平主要體現在焊接機器人技術的發展水平，目前應用廣泛的焊接機器人大多屬於示教再現型。此類機器人不具備對工件裝配誤差、焊接過程中的熱變形等環境變化，以及對工作對象變化的自適應能力，因此，研製新一代具有多種傳感功能的、能夠自動制訂運動軌跡、焊矩姿態和焊接參數的智慧機器人將成為主要的發展方向。

◉ 焊接技術的前進離不開新興技術和材料的發展。例如，陶瓷材料和複合材料的發展促進了真空釺焊、真空擴散焊的發展；宇航技術的發展也將促進空間焊接技術的發展。

◉ 不斷開發與研究新的熱源。焊接工藝幾乎運用了世界上一切可以利用的熱源，其中包括火焰、電弧、電阻、超聲波、摩擦、等離子、電子束、雷射束、微波等，歷史上每一種熱源的出現，都伴有新的焊接工藝的出現。但是，至今焊接熱源的開發與研究並未終止。

◉ 發展節能、環保的焊接技術已成為必然趨勢。眾所周知，焊接消耗能量甚大，不少新技術的出現就是為了實現這一節能目標。例如在電阻點焊中，利用電子技術的發展，將交流點焊機改成次級整流點焊機，可以提高焊機的功率因素，減少焊機容量，而仍能達到同樣的焊接效果。

焊接技術進步的突出表現就是焊接過程由機械化向自動化、智能化和信息化發展。未來的焊接工藝，一方面要研製新的焊接方法、焊接設備和焊接材料，以進一步提高焊接質量和安全可靠性，如改進現有電弧、等離子弧、電子束、雷射等焊接能源；運用電子技術和控制技術，改善電弧的工藝性能，研製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，如焊機實現程序控制、數字控制；研製從準備工序、焊接到質量監控全部過程自動化的專用焊機；在自動焊接生產線上，推廣、擴大數控的焊接機械手和焊接機器人，可以提高焊接生產水平，改善焊接衛生安全條件。

結語

焊接技術在當前我國社會發展的過程中，已經被人們廣泛地應用到了各個領域中，這不僅有利於我國社會經濟的發展建設，還給人們的生活帶來了便利。

而且為了提高焊接加工工藝的水平和工作效率，人們也將許多先進的科學技術和理念應用到了其中，新型焊接技術的應用、焊接自動化及機器人的發展和多種高新技術在焊接領域中的應用，必將提高焊接領域的自動化程度，提高生產效率，從而有效推動我國製造行業的發展。

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