9.1 焊接基本原理9.1.1 焊接的物理本质
于工程实际当中，材料的连接通常能够借由三种办法达成，即机械连接、焊接以及粘接，当中，材料机械连接的主要形式乃铆接与螺栓连接，材料的焊接主要是经由熔化焊、固相焊以及钎焊（涵盖硬钎焊与软钎焊）予以完成。和机械连接作比较，材料的焊接主要拥有以下优势：
① 接头的强度较高；
② 焊接结构的应用场合比较广泛；
③ 适于制备有密闭性要求的结构；
④ 接头形式简单；
⑤ 大型结构制造周期短、成本较低。
采取适宜的方式（加热、加压或者两者同时运用），让两个分开的物体（同种材料或者不同种材料）达成原子间的结合进而构成永久性连接之类别。焊接的含义起码涵盖三个范畴：其一为焊接的路径，也就是说加热、加压或者两者同时运用；其二是焊接的实质，也就是微观层面达成原子间的结合；其三是焊接的成效。
固体材料能保持固定形状，是因内部原子间距足够小，由此使原子间形成牢固结合力。若要把固体材料分成两块，必得施加足够大外力，破坏这些原子间结合方可达成。同样道理，若要把两块固体材料连接一起，从物理本质说，就是要采取办法，让这两块固体连接表面的原子接近到足够小距离，使其产生足够结合力，进而达到永久性连接目的。对于实际焊接件，若不采取一定措施，要让连接表面上的原子接近到足够小的距离是极为困难的。此处的原因在于，连接表面的表面质量欠佳，即便经过精密磨削加工，从微观层面看其表面依旧是凹凸不平的。并且，连接表面常常带有氧化膜、油污等，这对连接表面紧密接触形成了阻碍。
所以说呀，为了达成材料彼此间稳固可靠的焊接，那就一定要去采取切实有效的举措。比如说呢：
有热源，对被焊母材的连接处予以加热，让其发生熔化，借助熔融金属之间的相溶，以及液 – 固两相原子的紧密接触，达成原子间的结合。
首先，对被焊母材的连接表面施加压力，接着会产生局部塑性变形，在这个过程中，清除连接面上的氧化物和污物，同时克服连接界面的不平，进而让两个连接表面的原子相互紧紧接触，并且产生出足够大的结合力，要是在加力之际加热，那么结合过程会更易于进行。
③ 让填充材料被加热进而使其熔化，靠液态填充材料去对固态母材实施润湿，促使液 – 固界面的原子紧密式接触、相互间扩散，产生足够大的结合力以此达成连接。上述三项措施实际上恰恰就是熔焊、压焊以及钎焊方法达成永久性连接的基本原理。
9.1.2 焊接热过程与焊接接头
在熔焊以及钎焊里，有熔化、凝固现象，热量经各种传热方式，从焊接热源传给被焊金属，焊件温度升高，于此焊件中产生温度分布，也就是温度场。焊接时，焊件依次历经加热、熔化，还有随后的冷却凝固过程，一般称作焊接热过程。焊接热过程贯穿整个焊接过程，跟焊接化学冶金过程，以及焊接接头中熔池金属凝固结晶的过程，一同被叫做焊接的三大过程，对焊接质量以及焊接生产率有着决定性作用和影响。
焊接热过程远比诸如铸造以及热处理等其他热加工工艺的热过程要复杂许多，具备以下若干主要特点：
在焊接时，存在一种焊接热过程的局域性情况，焊接热源会将能量，集中于工件上的局部区域进行加热，并非对整个焊件实施全面加热，进而导致工件的加热呈现出极不均匀的状况，同时冷却过程也同样极不均匀。
② 焊接热源具备移动性。除了少数情形之外，在焊接热过程里，热源与工件处于相对运动状态，所以焊件受热的区域持续发生改变，焊件上某一个点的温度也随着时间不断产生变化。
③ 焊接热过程具有瞬时性，焊接热源通常高度集中且加热区域小，工件加热速度极快，能在极短时间内将大量热能从热源传递给焊件，使其局部熔化，也因加热局部性与热源移动，工件冷却速度非常快。
④ 焊接传热过程具备复合性，焊接熔池里的液态金属一直处于强烈运动状态。在熔池内部，传热过程是以液态金属的对流为主。在熔池外部，传热过程是以固体热传导为主。此外还存在着蒸发以及辐射换热。所以，焊接热过程涉及各类传热方式，属于复合传热问题。焊接热过程的这些特性致使焊接传热问题相当复杂。然而为了把控焊接质量并提升焊接生产率，焊接工作者必须认识焊接热过程的基本规律以及其在各种焊接参数下的变化趋向。
（1）焊接热源与温度场
实现金属焊接在工业实践里所需的主要能量是热能以及机械能，熔焊主要运用由特定热源产生的热能，这里仅探讨和熔焊相关的热源问题，焊接工程对于焊接热源的要求为，热源热量应高度集中，能达成快速焊接且确保得到高质量焊缝与最小焊接热影响区，当前能满足这些条件的热源有以下几种：
① 电弧热：借助气体介质出现的电弧放电现象而产生的热能当作焊接热源，它是当前焊接里应用最为广泛的一种热源。
② 化学热：借助气体（像液化气、乙炔），或者固体（例如铝、镁），与氧或者氧化物发生剧烈化学反应，进而产生的热能，将其用作焊接热源（比如气焊和热剂焊）。
③ 电阻热：有这样一种情况，利用作为焊接热源的电阻热，它是电流通过导体时所产生的，像电阻焊和电渣焊这类焊接方式就是利用它。
④ 摩擦热运用存在相对运动的两个物体高速摩擦所产生的热能当作焊接热源，像摩擦焊、搅拌摩擦焊这种情况。
⑤ 等离子焰：把由电弧放电或者高频放电所产生的、高度电离且携带大量热能以及动能的等离子体气流当作焊接热源来利用，像等离子弧焊接以及切割这种情况。
⑥ 电子束，于真空中，借助高电压下高速运动的电子，去轰击金属局部表面，运动电子的动能转化为热能，以此作为焊接热源。
⑦激光束，是利用那种由受激辐射而增强的光束也就是激光，经过聚焦从而产生能量高度集中的激光束，将其用作焊接热源，用于激光焊接及切割。不同的焊接热源是有着各自特点的，适用于不一样的焊接方法以及工艺。表9-1呈现出一些常用焊接热源的主要特性。
在进行焊接之时，焊件之上的温度分布并非均匀一致，于某一个特定时刻，焊件上面各个点的温度分布，我们将其称作焊接温度场。鉴于焊接热源正以一定的速率沿着焊缝进行移动，所以焊接温度场同样也是处于持续不断的运动并且发生变化的状态。焊接温度场能够借助等温线（面）绘制而成的图像予以表征，所说的等温线实际上就是在某一瞬时的温度场当中，那些具有相同温度的各个点连接而成的线，就如同图9 – 1所展示的那样。温度变化率是由等温线的密集程度体现出来的，等温线越是密集，就意味着该区域的温度梯度越大，如此一来，在后续进行的传热过程当中，将会有更大的传热速度。
表 9-1 常用焊接热源的主要特性
