航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年 第2期 No.2 1999



世纪之交论焊接

Б.Е.巴顿
　　[摘要]　回顾了乌克兰国家科学院巴顿焊接研究所历年来的重要科研成果，概述了21世纪应关注的焊接技术及其相关技术的发展前景。
　　关键词： 焊接　焊接新技术　新型材料焊接
Problems and Advances in Welding at the Transition of the Centuries
　　[ABSTRACT]　The important scientific achievements over the years in Paton Welding Research Institute of Ukraine National Academy of Science are reviewed. The developing future of welding technology and its relative technologies which should be payed attention to in 21th century are described in this paper.
　　Keywords: Welding　New welding technology　Welding of new material
　　近一百年来，焊接已成为应用最广的工艺之一。在本世纪，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺。当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决，而且接头要在各种条件，甚至极限条件下工作。因此可以预计，焊接在21世纪将会一如既往地得到迅速发展。在新世纪即将来临之际，应当对焊接工艺进一步发展的技术途径作一番探讨。
　　毋庸置疑，熔焊仍是焊接生产的基础。现代熔焊技术利用的表面能量密度已达1×104至1×108～1×109 W/cm2, 能量密度范围如此之大，似乎不必再去寻找什么新的加工方法了。然而事实并非如此，这个问题现在仍然存在，而且将来还会出现新的熔焊加热方法。问题之一就是加热源的能量密度与液态金属压力之间的关系。在加热能量密度较小时，通过液态金属的传热使基体金属熔化，当能量密度较高（如机械化弧焊）时，在加热源的一侧又有一个电磁力在作用，它将熔化金属的一部分从熔池中挤出，从而促进基体金属的熔化。若继续提高加热能量密度，蒸气的反作用就会对液态金属挤出熔池的情况产生决定性的影响。这种现象对束流焊接工艺颇具代表性，也正是这种现象使束流焊接具有一种线能量不大却可获得大熔深的工艺优势。蒸发是一种快速而难于控制的过程，这个过程的随机性导致焊缝成形时出现缺陷，有时金属的化学成分也发生变化，因此，不得不通过自动化的控制手段沿熔池表面重新分配热源的功率，即降低加热能量密度以控制该过程在一定程度上平稳进行。
　　因此，希望能够找到新的方法，以便能在更大的程度上控制熔化深度。巴顿焊接研究所的活化剂弧焊就是这方面的一个例子。这种焊接方法在国外被称作A-TIG。活性添加剂可压缩电弧，强化对金属的电致动力作用，提高金属表面加热能量密度，从而大大提高熔化深度。
　　将来可以将大功率二极管激光器有效地用于焊接，这种激光器的有效利用系数是气体放电激光器和一般固体激光器的10倍。
　　真空电子束焊接将因可以一次焊接大厚度金属这一独特的性能而得到更广泛的应用；而且，采用局部真空电子束焊可以大大提高被焊工件的尺寸。
　　将来很有可能因物理学领域的成就而研究开发出适用于熔焊的金属加热新方法，特别是开发出表面释放热能与体积释放热能相结合的加热方法。
　　本世纪初涂药焊条的发明对弧焊的发展产生了决定性的影响，由此开辟了获得真正优质焊接接头的前景。再是20世纪30年代研究开发出溶剂层下焊接工艺，实现了焊接过程的自动化，而且将劳动生产率提高了好几倍， 并改善了接头的质量，这是焊接发展的一个新阶段。
　　20世纪40年代，为保护金属和不熔化电极，开始使用惰性气体——氩。目前，这是一种非常普遍的焊接方法。
　　到50年代，证明可以用活性气体——二氧化碳保护金属，出现了二元、三元甚至四元活性气体混合物。从普及性来看，机械化的活性气体保护焊继手动弧焊后占第二位，而在一些国家已超过了后者。
　　今后，毫无疑问将继续寻求更为完善的方法和手段，以保护熔化的金属不受周围介质的影响，以及在焊缝金属净化（某些情况下是焊缝金属合金化）及接头成形时使用这些方法和手段。所有这些都要求进一步发展液态金属与周围介质非稳态相互作用的基础理论。必须发展关于焊接接头成形过程的理论概念，研究熔池的流体动力学及相关的各种因素，其中包括不同因素所制约的表面力和体积力，以及表面张力和温度的关系等。要想进一步完善熔焊工艺，必须有这方面的新知识。
　　早在20世纪50年代就出现了电渣焊。当时，这种焊接方法对发展重型机械制造业有重大意义。在铸造和锻造能力有限的情况下，工厂可以生产大型金属制件。大型容器、大型压床的床身和许多其他部件长期以来都是采用电渣焊方法生产的。但是此后，由于重型机械厂装备了大功率压床、大容积炼钢炉，也由于出现了窄坡口焊接方法，对电渣焊的兴趣就慢慢减弱了。当然，电渣焊后必须对工件进行高温热处理也是导致出现上述现象的一个原因。
　　巴顿焊接研究所近几年的研究证明，电渣焊的速度可以大大提高（3～4倍），而且可以减小金属过度受热；采用电渣焊工艺，不进行热处理也能获得具有必要综合性能的工件，这种效果是将电流交替地导入电极和工件坡口，使熔池中的流体动力现象更加强烈而达到的。
　　完全有理由预测，在最近几年里，新的电渣焊将在厚壁零部件的生产中占据应有的位置。
　　实际应用熔焊的最初尝试是在修理工作上。现在，借助于焊接可使许多技术装备、机器和装置重返工作状态。即使到将来，修复焊也不会失去其巨大作用，然而，修复焊技术发展缓慢，专家们对其关心的程度也总与其作用不相适应。需要完善修理前工件的制备技术和手段，研制专用焊接设备，其中包括机械化设备；研制新的焊接材料，以保证在复杂的修理条件下获得优质接头；制订无需对工件预热的修理工艺以及解决许多其他工艺问题。完善探伤手段，以便在外场条件下发现各种损伤（包括腐蚀源）则更具重要意义。
　　可以举出不少采用熔焊获得特别耐磨工件的例子，这方面在将来会得到应有的发展。在材料学方面，最有效的新工艺技术有非常广泛的研究领域，如在堆焊层获得金属间化合物，在刚性和塑性基体中掺杂其他特硬物质等。微束等离子和激光束将在薄层堆焊上得到应用。首先要对修理多种机器和装置上的磨损零件的堆焊工艺进一步加以完善。
　　近年来，气体火焰、等离子体、爆炸及以真空电子束蒸发和沉积材料为基础的涂层工艺得到了成功的发展。喷涂对堆焊成功地进行了补充，它们在个别有限的应用领域上形成竞争之势，既要发展喷涂，也要发展堆焊。
　　应当改进在各种腐蚀介质中使用的工件工作表面的堆焊工艺，使许多现在用昂贵的铁基、镍基、铜基、钛基合金制造的工件可以用更便宜的材料制造。为此，需要新的经济而可靠的包覆工艺。
　　在20世纪后半叶，关于熔焊的物理现象和裂纹、气孔及其他焊接接头缺陷的产生原因已经有了理论概念，许多现象都得到了相当全面的数学描述，各种实验数据库和实验系统都得到了应用，而且，我们还继续投入资金、人力和时间来制造大量的样件进行实验。很明显，在不远的将来，焊接工艺理论方面的主要任务是完善所有各种现象的数学模型，使之相互关联，以至用金属做试验只是一种特殊情况罢了。
　　近几年，逆变电源开始广泛应用于弧焊。与传统电源相比，它可以保证电网各相的载荷均匀，功率因数接近于1，其重量和外形尺寸则大大减小，但最主要的优点是为焊接过程自动控制提供了最大的可能性。电极金属过渡、熔池金属的运动以及焊缝结晶、焊缝除气和外表面成形都可用自动控制手段对其产生影响，为此，需要将弧焊过程作为控制对象进行深入研究，而如果从自动控制的观点来看，也不应该认为我们对束流过程已经有了足够的认识。
　　接触电阻焊是最普遍的方法。汽车制造业和家用电器的发展促进了它的广泛应用，未来，这种焊接方法的应用领域估计还将保留，而在采用涂层金属的领域，接触焊可能会在一定程度上受到激光焊的排挤。
　　采用接触电阻焊有两个问题。一是降低产生缺陷接头的概率，这个问题将通过更为有效的自动控制系统来解决，而在微细焊接领域，还要采用新型电源系统来解决；二是提高大功率焊机的电力指标，将研制更为完善的相数变换器以保证提高有效系数和功率因数。
　　闪光对焊的潜力还远未发挥出来，进一步完善自动控制和大功率焊机的电源系统可以成功地解决许多技术问题，尤其是生产各种金属材料的大截面制件的问题。
　　仪器仪表制造业，尤其是电子技术的飞速发展导致一系列固相焊接方法，如扩散焊、压力焊和超声焊的诞生。肯定还会出现其他以加热和激活被焊表面的方法为基础的固相焊接法。应当解决复杂的固相接头的无损检测问题，以及直接在焊接过程中根据自动测量获得的间接征兆进行诊断的问题。
　　众所周知，对于焊接结构，尤其是受力的焊接结构，需要采用焊接性能很好的钢。值得提出的是，在20世纪40年代末，只是经过E.O.巴顿领导下的焊接人员的潜心钻研和冶金人员的参与，才成功地研制出了用于焊接桥梁的可焊性好的钢，在基辅已经矗立了将近半个世纪的横跨第聂伯河的大桥就是由这种钢建成的。焊接人员和冶金人员关于研制用于大型焊接结构的既经济、可焊性又好的材料所进行的共同研究没有失去意义。
　　还有一个迫切的问题，即如何焊接铁基、镍基、铜基、铝基、钛基合金和其他许多非常难焊的材料，如铝化物和其他金属间化合物等各种新材料。半导体材料的应用范围很广，而且不断地扩大，这些材料的应用同它们与金属材料的连接问题密不可分。
　　多层金属材料、双金属材料和三金属材料发展前景广阔，其中许多材料均寄希望于焊接结构。需要开发不会明显降低这些材料的使用性能的连接工艺技术。
　　异种材料，如铝-钢、铜-铝、钛-钢和其他的金属与合金组合在机械制造、原子能、火箭制造及其他现代工业部门得到了日益广泛的应用。扩散焊、爆炸焊、磁脉冲焊、摩擦焊、钎焊和胶接这些非熔化连接方法对获取具有独一无二物理力学性能的上述材料最有前途。
　　胶接技术具有特殊意义。目前，已研制出的各种胶粘剂几乎可按任意组合连接金属、合金、塑料、橡胶和其他材料。在设计胶接和胶焊结构方面已积累了足够的经验，制订了表面制备和接头成形的工艺，并研制了设备。胶接技术的未来研究方向是提高胶接接头在各种使用条件下的强度、可靠性和寿命。
　　近10年来，聚合物及聚合物基复合材料作为一种结构材料日益引起人们的注意。由于具有一系列优异性能，它们成功地与传统材料（钢、有色金属）展开竞争，而在某些领域，它们实际上已成为不可替代的材料。其应用效果如此之好，以至于在工业高度发达国家已显示出大大减少钢的生产和急剧提高塑料产出的趋势。鉴于塑料生产规模的扩大和广泛应用，需要有相当大的专家力量来研制现代化的焊接工艺和设备，特别是用于煤气管道、水管、管线系统等设施的热塑性塑料管的焊接工艺和装备，在超声焊、高频电流焊、摩擦焊和其他连接方法领域已取得了十分明显的成功。但是，这些研究水平大大低于金属材料连接方法的研究水平。扩大材料的种类及其应用范围，提高对接头强度、寿命的要求，需要我们大大深化这方面的知识，扩大研究。
　　目前，正在积极进行新型的加增强体的聚合物基和金属基复合材料的研究工作，以大大提高材料的强度和刚性指标。如果说现代铝合金的比强度在15～24 km*,比弹性模量在2.4×103～2.7×103 km的水平的话，那么，Al－B系金属基复合材料的相应性能为45～50和8.3×103～9.0×103 km, 而Mg－B系则为45～55和10×103～11.5×103 km。各种复合材料（纤维的、弥散强化的、多层的）的特性说明已经不可能采用传统的焊接方法。各国早已开始探索复合材料的焊接工艺，巴顿焊接所成功地进行了扩散焊Al－B复合材料管状结构和焊接热塑性复合材料的工作，焊接学者们在最近10年还将继续该领域的研究。
　　下个世纪最重要的问题之一就是征服宇宙空间，焊接在解决这个问题上应发挥重要作用。近地轨道、月亮、行星上各种大型综合设施的建立及其修理离开焊接技术是无法办到的，我们认为，在宇宙空间条件下，目前最具前景的方法是电子束焊。不排除在不远的将来会研制出具有相当高的有效系数并适用于此目的的激光设备样机。巴顿焊接所与"动力"科研生产联合体早在1984～1986年共同完成的太空电子束焊接试验，研究了在真空和微重力条件下实施焊接的特殊性，评估了人穿着密封飞行服完成手工焊工工作的可能性；进行了展开桁架式结构的综合试验，对其个别组合件进行了焊接和钎焊；在“和平”号轨道站建立了长度为15 m的太阳能电池展开和折叠系统，并正在使用，结构十分可靠。可以证明这一点的是，由于航天飞机要与“和平”号空间站对接，太阳能电池曾于使用5年后在太空中折叠收起，运到其他地方并重新打开。
　　在太空采用可变换的薄壁壳式结构十分有前景,这种结构在安装地点压缩空气的作用下可放大到50倍的规定体积。借助于这些结构，可以在轨道上建立转接过渡舱、整流罩、仓库和其他结构。可以肯定地说,最近几年,建立长期使用的空间站的新方案已要求在开敞的太空采用焊接工艺进行建筑安装工作。
　　下个世纪,我们面临着开发世界大洋深处的课题,为此，需要开发新的焊接技术。目前,我们在这方面的能力有限。按现在的技术水平,药芯焊丝的弧焊,亦称湿法焊接,可在30 m深处进行，但适用于这种焊接的金属种类十分有限。随着深度的增加,焊弧的性能变化很大,熔化金属与其周围介质的相互作用增强,如何获得优质接头很成问题。将来可能成功地找到防止电弧过度收缩的办法和保护堆焊金属的新办法。但是，所有这些情况只是增加了采用“湿”法焊接的可能性，未从根本上解决问题。此外，应当考虑到，“湿”法焊接只适合于人穿潜水服可达到的深度，显然不能超过120～160 m。人也可以潜得更深，但这种情况下人的工作能力将会十分有限。
　　在专门的焊室中进行焊接（“干”法焊接），因为有人操作，所以也有不少限制，其中包括深度方面的限制；而且这种方法耗资太大。应当研究应用激光束的可行性，既把它用于切割，也用于大深度处的焊接。将来完全有可能研究出此种用途的激光设备，也不排除在上述条件下采用接触对接焊的可能性。初步试验表明，采用这种水下焊接的方法颇具前景。
　　很明显，在不久的将来，既需要改进"湿"法焊接，也需要改进“干”法焊接，同时还要研究出适用于1 000 m深处的机械化焊接方法和设备。这不是神话，而是迫切的需要，因为近几年不可避免地要在这种深度铺设天然气和石油管道，在修理这些管道的时候，必然要用到切割和焊接技术。
　　还有一个焊接技术人员曾试图解决的问题，20世纪60年代，莫斯科包曼高等工学院(МВТУ)同医学院一起，曾用超声波焊接、堆焊和切割活组织。当时制订的骨组织和软组织焊接方法一开始就显示出大有希望的效果，然而没有经得起时间的考验，也没有得到推广，只有超声切割继续得到成功的应用。此后，随着激光的出现，开始了将激光用于医学，首先是用于血管外科的研究，就此曾发表了数十篇文章。组织的连接是靠伴随有蛋白质凝结的所谓蛋白质热变性实现的。尽管有很多研究，用激光连接血管至今尚未得到明显的推广，看来，主要原因是连接的复杂性和此时存在不利的表面能量释出现象。同样，通过蛋白质凝结形成连接的原理，早从20世纪30年代起就用于止血，此时，通过直接流过组织的高频电流加热被连接的血管壁。
　　个别并非用于止血，而是用于连接血管以恢复其工作能力的蛋白质高频电凝结试验效果不好，这只是再一次展示了解决这个问题的复杂性。我们近几年的研究工作表明，高频电凝结不仅能用于连接血管以恢复其工作能力，而且在连接更大的活体有机组织方面亦颇具前景，当前还需要改进这项工艺，有大量工作要做，直至可以将其用于外科实践。
　　如所周知，焊接生产的最终产品是焊接结构，全世界每年焊接结构的生产总量达几亿吨。如何设计制造可在地上和水下，在常温、高温和低温下，在腐蚀性介质和强放射性照射下，在各种极限使用条件下工作的经济、可靠和耐用的焊接结构是个重要的科学技术问题。焊接技术为优化结构方案、降低结构制造劳动量、采用合理的结构元件类型、从根本上减少金属用量提供了广泛的可能性。与此同时，为发挥焊接的潜力，必须进一步提高组合件和接头的设计方法，分析它们在各种载荷条件下工作的特殊性。要制造高效的焊接结构，就要解决一系列综合性问题，包括研制焊接性好的钢材，建立最符合实际工作条件的接头和组合件计算方法，制订高效的焊接工艺，研制高效的设备以及工艺材料，并寻求具有高的制造工艺性和工厂内高完成度的新型结构。
　　历史形成的局面是，过去建造的目前还在使用的大量关键焊接结构均已接近临界寿命。因此，针对所使用的机器和设备的焊接结构，研究其评估和延寿技术已刻不容缓，这种方法应对结构全寿命周期的各个阶段进行综合分析。
　　“高可靠性管道运输”计划是提高关键焊接结构可靠性与寿命的综合方法的一个实例。其主要目的是保证管道运输的可靠性和安全运行。可靠性的问题应包括设计、建造工艺、使用和维修问题。在我们看来，对于其他关键焊接结构也必须有一个类似的综合计划，尤其是核动力和热动力及桥梁结构。
　　当前，最为紧迫的是评估核电站反应堆ВВЭР－1 000焊接壳体寿命的问题。由于一系列设计和工艺方面的原因，壳体焊接接头的放射脆变的速度比计算的高，可能导致壳体实际寿命低于计算寿命。因此，必须组织实施“确定核电站使用的ВВЭР－1 000型反应堆焊接壳体的剩余寿命和制订修复加工工艺以提高其使用寿命”的计划。
　　保证铁路桥大跨度焊接结构的可靠性也需要类似的措施。在独联体国家的铁路交通网上有几千座焊接的大跨度建筑，而许多实体腹板式大跨度结构上已有疲劳裂纹，裂纹的数量在继续增加，它们沿长度方向扩展，对列车运行的安全性构成了实际威胁。必须完善这种结构的设计原理和建造工艺。
　　为提高焊接结构的质量和工作能力，就必须提高重要而繁重的焊接接头质量无损检测的技术水平。一定要继续开展在工厂条件下和安装时使用的现代化质量无损检测设备的研制工作，研制可以很确实地自动在三个坐标平面确定和描述缺陷的便携式超声检测设备尤为迫切。为了检测使用过程中焊接结构的状态，必须进一步发展工业用诊断手段，其中，我们认为，声发射检测技术很有前途。
　　因为大部分焊接结构都在交变载荷条件下工作，所以应当十分注重制订提高焊接接头抗疲劳性的方法，在焊后对焊缝进行强化处理十分有效。巴顿焊接研究所十分重视对焊缝进行超声波冲击，因为这种处理的工艺性很好，并且可以保证接头强度达到基体金属的强度。熔焊时加热循环形成的残余应力对焊接结构的承载能力及其在腐蚀介质中的工作寿命具有重要的影响，因此，必须改进残余应力的计算和实验方法，并制订有效的工艺手段去除焊接应力和变形。
　　还有一个焊接人员没有征服的工程高峰——民用飞机制造。普遍认为，铆接比焊接可靠，看来，在按传统思路使用飞机机身和翼面时确实如此。为将焊接技术有效地应用在民用飞机制造上，必须根据机械化和自动化焊接方法的特点重新设计飞机结构。要优先考虑研制焊接性好的新型轻合金，只有在此条件下，才能指望在保持飞机高可靠性和使用寿命的同时减轻重量。可以预计，在不久的将来，大型客机机身制造成桁条式薄壳焊接结构的问题可以得到解决。
　　以上的简要叙述并未穷尽焊接未来发展的所有有关问题，而且，随着时间的推移还会有一些变化，但无庸容置疑的是，焊接还会继续得到大力发展，因为它是很多生产、建筑、交通、电子技术和通信部门的关键技术。

*　比强度σ/ρ为强度与密度之比，比弹性模量E/ρ为弹性模量与密度之比，按乌克兰现行单位制，其单位均记为，经演算，比强度与比弹性模量的单位均可记为km，即相当于长度单位，其物理意义与通常的长度单位概念是不同的。——译者注

作者简介：本文作者Б.Е.巴顿院士是乌克兰的知名学者，在焊接、电冶金学领域作出了巨大贡献，现任乌克兰巴顿焊接研究所所长(在任已45年)和乌克兰国家科学院院长(在任已36年)。1998年11月27日是他的80寿辰，此前，11月24～26日在巴顿焊接研究所召开了题为“21世纪的焊接与相关技术”的国际学术会议，Б.Е.巴顿院士在大会上作了题为“世纪之交论焊接”的学术报告，报告中的一些观点对于我国今后一个时期内焊接领域的科研开发、规划制订有重要的指导意义。现经作者本人同意，本刊特刊登这篇报告的译文，以飨读者。
作者单位：Б.Е.巴顿（乌克兰国家科学院俄罗斯科学院　院士）
(李香波译　朱英发校)
(责编　文　洵)
