金属焊接时，借助加热、加压或两者并用的工艺手段，通过连接界面上的物理化学过程，使被焊金属达到原子（分子）间的结合，并在微观组织上形成一体。随着金属焊接工艺的发展，其应用范围也在不断扩大。除用于各种金属外，也应用于非金属材料以及金属与非金属异种材料的连接。有些金属焊接工艺（如堆焊）还可用来改变材料表面层的成分、组织和性能，以及修复零件磨损表面和其他缺陷，甚至用作材料快速成形。

金属焊接已有几千年发展历史。铸焊、锻焊和钎焊是最早使用的几种金属焊接方法。中国早在商代就用铸焊制造铁刃铜钺；战国时期制造刀剑时用锻焊连接钢刃和熟铁，当时曾侯乙墓中的蟠龙建鼓铜座上的龙是用钎焊连接的。铸焊和锻焊由于工艺落后、应用范围窄，已基本被淘汰；但钎焊的应用仍很广，并有很大的发展。

很长一段时间，金属焊接技术停滞不前，直到19世纪末20世纪初，随着工业的迅速发展，焊接技术才有新的突破。当时出现的气焊和电弧焊由于以新的高温集中热源取代原始的炉火加热方式，使焊接技术发生根本性的变化，它能将被焊金属的连接部位迅速加热熔化后冷却凝固为一体。19世纪末出现的焊接方法有电阻焊和铝热焊，而早于此出现的电弧焊直至20世纪30年代出现优质焊条后，才开始用于制造业，并逐步取代铆接成为一种基本的加工手段。20世纪40年代以来，随着新热源和新材料的应用，以及机械化、自动化技术的发展，焊接进入了蓬勃发展的时期，涌现出很多新的焊接方法。如40年代的埋弧自动焊和惰性气体保护电弧焊，50年代的电渣焊、二氧化碳气体保护电弧焊、等离子弧焊、电子束焊、超声波焊、爆炸焊、摩擦焊和真空扩散焊等，60年代的激光焊，90年代的搅拌摩擦焊等。焊接已成为一种先进的材料加工技术，广泛应用于现代工业和高科技领域（图1）。

图1　焊接机器人焊接

为使被焊金属（母材）连接界面处的原子间形成牢固的结合，必须使界面上的原子间距近到足以发生相互作用，并产生结合力的程度。但是，即使经过精密加工的材料表面实际上还是凹凸不平，而且很难避免表面氧化膜的阻挡作用。焊接时为达到待焊表面紧密接触并形成原子间结合，可采用两种工艺措施：①向被焊界面施加压力，通过破坏表面氧化膜和局部塑性变形，达到紧密接触和原子间的结合。②将待焊部位加热到高温塑性状态，促使氧化膜破坏，减小变形阻力和增强原子活力，以便降低所需的焊接压力；或将待焊界面局部加热到熔化，在不加压的情况下形成液相连接，冷却凝固后达到固态下的原子结合。焊接方法按机理可归纳为熔焊、压焊和钎焊3类。

属于液相焊接，一般在不加压的情况下将待焊界面处的局部加热熔化，利用材料液态时的互溶性形成液相连接，经冷却凝固后达到固态结合（图2）。故金属熔焊时连接部位（焊缝）具有明显的铸态组织特征。这类焊接方法用得最广，种类最多，可按热源的类型进行分类：①用氧和燃气（如乙炔）混合后燃烧产生的高温火焰为热源的气焊和用金属氧化物（氧化铁）与还原剂（铝）之间氧化还原反应产生的高温为热源的铝热焊（又称热剂焊），均属利用化学反应热的焊接方法。②以电弧为热源的电弧焊是熔焊中用得最广的一大类。根据焊接时保护方式的不同又可分为用焊条的手工电弧焊、用焊剂的埋弧自动焊、用各种保护气体的电弧焊和药芯焊丝电弧焊等。另外，还有一种特殊的等离子弧焊。③利用电阻热作为热源的焊接方法有电渣焊和电阻点焊、缝焊。电阻点焊和缝焊是一类较为特殊的加压熔化焊，焊缝是由液相凝固而成的，具有明显的铸态组织，故属于熔焊。但工件局部熔化时需通过电极施加一定压力，因此也可归入压焊。④以高能束为热源的焊接方法，如电子束焊和激光焊。

图2　熔焊示意图

属固相焊接，凡在固态下通过加压产生塑性变形使被焊金属界面处原子相互接近和结合的焊接方法，无论是否加热均属压焊。根据加热情况可将压焊分为3大类：①在不加热的室温下进行压焊的方法称冷焊。此时，为使被焊界面处产生大量塑性流变来破坏和排除氧化膜达到紧密接触和原子间的结合，必须要求被焊金属的延性很好，而且焊接所需的界面局部压力较被焊材料的屈服强度高许多倍。②将待焊部位加热到高温塑性状态下进行压焊的方法。此时，焊接所需的压力较材料室温屈服强度低得多。这是一类典型的压焊，其中包括古老的锻焊，用电能加热的电阻对焊与扩散焊，用机械能加热的摩擦焊、超声波焊和爆炸焊等。③将待焊界面迅速加热到表面轻微熔化状态，并在压力作用下将液相连同氧化物一起挤掉后，使洁净的固态表面通过塑性变形达到紧密接触和原子间结合的方法。在这类压焊方法中虽有液相出现，但并未形成焊缝，只起净化连接界面的作用，焊接部位无铸态组织。这是一类特殊的固相焊接。利用电阻热的闪光对焊和高频焊以及用火焰加热的气压焊均属此类方法。

在被焊材料的连接界面既不熔化又不直接接触的情况下，借助于中间液相进行焊接的方法，属固-液相焊接。钎焊时，熔点低于母材的钎料熔化成液相，并充满接缝间隙，凝固后与固态母材形成原子间结合。根据所用热源和保护方式，钎焊有很多种方法，是焊接中的一大分支。

焊接结构的安全可靠性不仅与被焊金属（母材）的结合区（焊缝）性能有关，而且取决于整个焊接区（焊接接头）的性能。焊接区的组成与所用焊接热源有关。当采用高温集中热源时，焊接接头中除焊缝外，还包括焊缝周围母材中受焊接热作用后组织和性能发生变化的区域（焊接热影响区）。其宽度和组织性能变化的特点与所用热源的集中程度、焊接时加热到的温度以及母材的冶金特性有关。热源的集中程度愈大（如高能束焊接）以及母材对热的敏感性愈小（如晶粒长大倾向小和不易淬硬的钢材），则热影响区愈窄，组织性能变化愈小，焊接质量愈好。此外，即使采用集中热源，在焊接温度低于母材发生组织和性能变化的温度时（如软钎焊）也不会出现热影响区。采用整体加热的焊接方法（如炉中扩散焊和钎焊），由于焊件受到整体均匀加热，因此焊接接头中也不会出现热影响区。但在异种金属扩散焊和用中间层材料的扩散焊以及钎焊时，虽采用整体加热，但在焊缝周围的母材内也可能出现扩散区。这种扩散区不同于一般的热影响区，不仅组织和性能不同于母材，而且成分也有变化。扩散区宽度和组织性能除与构成接头的材料有关外，也与焊接温度和时间有关。由此可见，焊接接头是一个组织性能不均匀的复合体，是焊接结构中的薄弱环节。即使是同一种母材，由于焊接方法和工艺不同，所得的焊接接头的组织和性能也都不同，因此正确选择焊接方法和工艺非常重要。另外，从焊接结构设计出发，根据焊接接头的几何形状可将焊接接头分为对接接头、丁字（T形）接头、角接接头和搭接接头等几种基本形式（图3）。

图3　焊接接头的几种形式

焊接可以在金属结构的制造中取代铆接，也可以在各类重型设备的制造中采用拼焊结构取代整体的大型铸、锻件，从而简化生产工艺，节省材料和大型生产设备的投资，降低生产成本。如中国早在20世纪50年代末和60年代初就采用拼焊结构制造成12 000吨水压机。在发达国家中，焊接结构用钢已达到其钢产量的50%～60%。焊接广泛应用于机械制造、车辆、船舶、桥梁、建筑、石油化工、航空、航天、核能、海洋工程和微电子等工业领域。造船工业中，船体就是一个巨型的焊接结构，如一艘27 000吨集装箱船的船体焊缝总长约359千米，焊接工时约占船体建造工时的30%～40%。大跨度的钢结构桥梁需要焊接，如216米大跨度栓焊式九江长江大桥是由厚度超过50毫米的钢板焊接而成的。石油化工和核反应堆中的大型压力容器都是一些内壁堆焊不锈钢的低合金钢厚壁锻焊结构，如年产500万吨炼油厂的热壁加氢反应器为直径超过3米、厚210毫米、重560吨的大型锻焊结构；120万～130万千瓦核电站压力壳为内径4.5～5.0米、壁厚220～250毫米、高12～14米的锻焊结构。在飞机制造中，一台先进的喷气发动机实际上就是一台熔焊、钎焊和电阻焊完成的精密复杂组合结构，焊缝长达320米，焊点近8000个，钎焊面积近2000平方厘米。

金属焊接作为一种先进的材料加工技术，在现代科学技术的发展中起着越来越重要的作用，同时也在高新技术的带动下不断向前发展。从优质、高效、低耗和灵活等要求出发，应利用电子、计算机、信息和自动化技术等方面的新成就研究开发各种焊接专家系统、智能焊接机器人、焊接工艺的计算机辅助设计和制造以及柔性生产线，实现焊接生产过程的自动化和智能化；利用数值模拟技术研究和解决焊接过程中复杂的冶金问题和热学、力学问题；随着宇宙探索、海洋开发和核能利用等方面的发展，需要研究开发太空、水下和核辐射等极端恶劣条件下的焊接技术。从焊接结构的大型化、重型化和高参数化的发展趋势出发，应重视焊接结构设计的合理性，开发安全评定技术并制定相应的标准。此外，为适应材料科学与工程的发展，除研究开发一些特种材料的焊接新技术外，还应利用焊接技术的某些特点发展新的交叉学科，例如，建立在电渣焊、等离子弧焊和电子束焊基础上可以实现材料的精炼和提纯的特种电冶金技术，利用热喷涂、堆焊和高能束焊接技术发展材料表面改性及增材制造技术，以及利用爆炸焊和扩散焊技术发展复合材料的制造技术等。