（一）固态焊接技术的概念     

固态焊接，顾名思义、简而言之即：非熔化焊接、非机械连接、非胶接连接。

随着科技的发展，新技术、新材料的不断涌现，新型金属材料、陶瓷材料、复合材料、有序金属间化合物和功能材料等需求的日益增长，在其构件的制造过程中，不可避免地存在着结构分离面和工艺分离面，故当它们作为结构材料应用时，会遇到大量同质材料、异质材料乃至多层材料的连接问题。     

由于新材料所具有的优异特性或功能，以及在极限工作条件下对焊接接头的成份、组织、性能和可靠性寿命等提出的极为苛刻的要求，已经很难、甚至不可能采用传统的焊接技术作为它们的连接工艺。这样，就使得更多的人对固态焊接技术的产品，有了广泛的需求。固态焊接技术（包括摩擦焊接、扩散焊接、爆炸焊接、超声波焊接、热压焊接等）最重要的技术优势是在被焊接材料不熔化的条件下，通过加热、加压和塑性流变使接触界面高度激活、相互扩散和动态再结晶而形成连接，其接合区为锻造组织。因此，固态焊接这种特有的热力耦合作用过程对被焊接材料原有的组织结构、理化性能所造成的焊接损伤和破坏性影响最小，连接接头的可靠性寿命最高，这些都是其它传统的熔化焊接、机械连接和胶接工艺所不能比拟的。     

通过与材料技术、信息技术、计算机技术、机电一体化技术、过程仿真技术、无损检测技术的相互渗透融合，在先进材料、机电一体化及先进制造技术领域中，当前，固态焊接这一在国际、国内有着40余年历史，历经不断发展、不断成熟、日臻完美的传统技术正在以全新的面貌展示在人们面前。  

（二） 固态焊接技术的形式    

 固态焊接方法指两块被焊材料在固态下（无熔池）通过接触面上的扩散和再结晶过程达到牢固结合的一种方法。     

焊接特点：固态焊接方法不发生原子熔化再形核，这样就可以避免一些相变的发生，减少焊接界面处一些化合物的形成，从而最大程度上增强了界面结合强度。

常见的固态焊接方法：电阻焊、超声波焊、摩擦焊、扩散焊、电磁焊等。  

三、固态焊接技术的原理及特点

（一）电阻焊  电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊。

1. 点焊   

点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，利用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊方法。点焊主要用于薄板焊接。  

点焊的工艺过程：   

1、预压，保证工件接触良好。  

2、通电，使焊接处形成熔核及塑性环。 

3、断电锻压，使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、裂纹的焊点。

2. 缝焊   

缝焊的过程与点焊相似，只是以旋转的圆盘状滚轮电极代替柱状电极，将焊件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，形成一条连续焊缝的电阻焊方法。 

缝焊主要用于焊接焊缝较为规则、要求密封的结构，板厚一般在3mm以下。

3. 对焊 

对焊是使焊件沿整个接触面焊合的电阻焊方法。

(1) 电阻对焊  电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。  

电阻对焊主要用于截面简单、直径或边长小于20mm和强度要求不太高的焊件。

 (2) 闪光对焊  

 闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源，使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点，在大电流作用下，产生闪光，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完成焊接的方法。   

闪光焊的接头质量比电阻焊好，焊缝力学性能与母材相当，而且焊前不需要清理接头的预焊表面。闪光对焊常用于重要焊件的焊接。可焊同种金属，也可焊异种金属；可焊0.01mm的金属丝，也可焊20000mm的金属棒和型材。 

电阻焊接的品质是由以下4个要素决定的：

⒈电流；

2.通电时间；

3.加压力；

4.电阻顶端直径。

4. 凸焊 

凸焊是点焊的一种变型形式；在一个工件上有预制的凸点，凸焊时，一次可在接头处形成一个或多个熔核。

（二）超声波焊 

金属材料的超声波焊接是利用超声频率（超过16KHz）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将框框振动能量转变为工作间的摩擦功、形变能及有限的温升。     

焊接特点：接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接，因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象。  超声波焊接金属方法主要使用点焊。点焊：A、将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线，达到熔接目的。 B、对比较大型工件，不易设计焊线的工件进行分点焊接，而达到熔接效果，可同时点焊多点。

（三）摩擦焊    

 摩擦焊是在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法（见图3.1所示）。 

 摩擦焊通常由如下四个步骤构成：

1、机械能转化为热能；

2、材料塑性变形；

3、热塑性下的锻压力；

4、分子间扩散再结晶。

摩擦焊技术经过长年的发展，已经发展出很多种摩擦焊接的分类：包括惯性摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊、搅拌摩擦焊等，而以搅拌摩擦焊应用较广。 

11    1. 搅拌摩擦焊 

搅拌摩擦焊与常规摩擦焊一样，也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图3.2所示。在焊接过程中，工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

（四）扩散焊 

扩散焊是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。  焊接特点：影响扩散焊过程和接头质量的主要因素是温度压力扩散时间和表面粗糙度。在一定范围内焊接温度越高,原子扩散越快焊接温度一般为材料熔点的0.5～0.8倍，一般在0.7倍的时候效果最好。根据材料类型和对接头质量的要求，扩散焊可在真空、保护气体或溶剂下进行，其中以真空扩散焊应用最广，这是因为在真空状态下，焊接过程中焊接界面的气体会被吸到真空中。 

为了加速焊接过程、降低对焊接表面粗糙度的要求或防止接头中出现有害的组织，常在焊接表面间添加特定成分的中间夹层材料,其厚度在0.01毫米左右。扩散焊可与其他热加工工艺联合形成组合工艺，如热耗-扩散焊、粉末烧结-扩散焊和超塑性成形-扩散焊等。

这些组合工艺不但能大大提高生产率，而且能解决单个工艺所不能解决的问题。如超音速飞机上各种钛合金构件就是应用超塑性成形-扩散焊制成的扩散焊的接头性能可与母材相同，特别适合于焊接异种金属材料、石墨和陶瓷等非金属

 12    材料、弥散强化的高温合金、金属基复合材料和多孔性烧结材料等。

（五）电磁焊 

电磁焊是利用由线圈感应产生的脉冲电磁压力进行焊接的。当高压充电电源给脉冲储能电容器充电后，接通高压间隙放电开关，则电容向线圈快速放电，产生一瞬时、高压的电磁力，该力迫使焊件高速撞击另一个焊件，当条件（如压力或速度）满足时，则可使两焊件焊在一起（如图5.1所示）。

焊接特点：

（1）焊接过程很短，瞬间（30～100 us）即可完成，且无污染；

（2）可焊接异种金属，即使两金属的晶体结构和性能差别很大；

（3）可使金属材料和 13    非金属材料进行连接或焊接；

（4）一般可在常温（即冷态）下进行，且焊接过程无显明的温升，故可保持材料的原有性能；

（5）比爆炸焊安全，且简单易行；

（6）能量易精确控制，重复性好，故容易实现机械化和自动化；

（7）兼有电磁成形和爆炸焊的一些特点。      

工艺流程：待焊面的表面处理（物理的或化学的）→焊接→后序处理，如热处理、性能及质量检查等。该工艺的要求：

（1）待焊表面应认真清理，使其干净和无污染；

（2）材料应具有良好的导电性和耐冲击性能；

（3）为了有利于射流的形成，应有初始接触角存在；

（4）表面处理后应立即进行焊接，否则会因处理过的表面上重新形成吸附层和氧化层，而增加焊接难度，甚至无法焊接。

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2015-090201