焊接基本原理

焊缝可以定义为在施加或不施加压力以及使用或不使用填充材料的情况下加热至合适温度而产生的金属的接合。

在熔焊中，热源产生足够的热量来产生和维持所需尺寸的金属熔池。热量可以由电或燃气火焰提供。电阻焊可以被认为是熔焊，因为会形成一些熔融金属。

固相工艺可在不熔化母材且不添加填充金属的情况下进行焊接。总是使用压力，并且通常提供一些热量。超声波接合和摩擦接合中产生摩擦热，扩散接合中通常采用炉加热。

焊接中使用的电弧是高电流、低电压放电，通常在 10-50 伏电压下，电流范围为 10-2,000 安培。电弧柱很复杂，但从广义上讲，它由发射电子的阴极、用于传导电流的气体等离子体以及由于电子轰击而变得比阴极相对更热的阳极区域组成。通常使用直流(DC)电弧，但也可以使用交流(AC)电弧。

所有焊接过程中输入的总能量超过了产生接头所需的能量，因为并非所有产生的热量都能得到有效利用。效率从 60% 到 90% 不等，具体取决于流程；一些特殊工艺与此数字相差很大。热量通过基底金属的传导和向周围环境的辐射而损失。

大多数金属在加热时会与大气或其他附近的金属发生反应。这些反应可能对焊接接头的性能极其有害。例如，大多数金属在熔化时会迅速氧化。一层氧化物会妨碍金属的正确结合。涂有氧化物的熔融金属液滴被困在焊缝中，使接头变脆。一些为了特定性能而添加的有价值的材料在暴露于空气中时反应非常快，以至于沉积的金属的成分与最初不同。这些问题导致了助焊剂和惰性气氛的使用。

在熔焊中，焊剂具有保护作用，促进金属的受控反应，然后通过在熔融材料上形成覆盖层来防止氧化。助焊剂可以是活性的，有助于加工过程，也可以是非活性的，只是在连接过程中保护表面。

惰性气氛起到类似于助焊剂的保护作用。在气体保护金属电弧焊和气体保护钨极电弧焊中，惰性气体（通常是氩气）从焊枪周围的环形空间连续流动，置换电弧周围的空气。该气体不会与金属发生化学反应，只是保护其不与空气中的氧气接触。

金属连接的冶金学对于接头的功能能力很重要。电弧焊展示了接头的所有基本特征。焊接电弧的通过会产生三个区域：(1) 焊缝金属或熔化区，(2) 热影响区，以及 (3) 未受影响区。焊缝金属是焊接过程中已熔化的接头部分。热影响区是与未焊接的焊缝金属相邻但由于焊接热量而发生显微组织或力学性能变化的区域。未受影响的材料是未充分加热以改变其特性的材料。

焊缝金属成分及其冻结（凝固）条件会显着影响接头满足使用要求的能力。在电弧焊中，焊缝金属包括填充材料和已熔化的母材金属。电弧通过后，焊缝金属迅速冷却。一次焊缝具有铸造结构，其柱状晶粒从熔池边缘延伸至焊缝中心。在多道焊接中，可以根据所焊接的特定金属来修改该铸造结构。

邻近焊缝或热影响区的母材会经历一系列温度循环，其结构变化与任何给定点的峰值温度、暴露时间和冷却速率直接相关。母材的类型太多，无法在此讨论，但可以分为三类：（1）不受焊接热影响的材料，（2）通过结构变化硬化的材料，（3）通过沉淀过程硬化的材料。

焊接会在材料中产生应力。这些力是由焊缝金属的收缩以及热影响区的膨胀和收缩引起的。未加热的金属对上述情况施加限制，并且由于收缩占主导地位，焊缝金属不能自由收缩，并且在接头中产生应力。这通常被称为残余应力，对于某些关键应用，必须通过对整个制造件进行热处理来消除。所有焊接结构中都不可避免地存在残余应力，如果不加以控制，焊件就会发生弯曲或变形。通过焊接技术、夹具和夹具、制造程序和最终热处理进行控制。