焊接工程理論基礎

焊接工程理論基礎

一、焊接的本質是什么？如何分類？有何優點？

焊接是利用加熱或加壓等手段，使分離的兩部分金屬，借助于原子的擴散與結合而形成原子間永久性連接的工藝方法。

焊接方法的種類很多，根據實現金屬原子間結合的方式不同，可分為熔化焊、壓力焊和螺柱焊3大類。

焊接方法具有如下優點：

（1）成形方便：焊接方法靈活多樣，工藝簡便；在制造大型、復雜結構和零件時，可采用鑄焊、鍛焊方法，化大為小，化復雜為簡單，再逐次裝配焊接而成。

（2）適應性強：采用相應的焊接方法，不僅可生產微型、大型和復雜的金屬構件，也能生產氣密性好的高溫、高壓設備和化工設備；此外，采用焊接方法，還能實現異種金屬或非金屬的連接。

（3）生產成本低：與鉚接相比，焊接結構可節省材料10%～20%，并可減少劃線、鉆孔、裝配等工序。另外，采用焊接結構能夠按使用要求選用材料。在結構的不同部位，按強度、耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫等要求選用不同材料，具有更好的經濟性。

二、什么是焊接電弧？電弧的構造有何特點？什么情況下有正接法與反接法之分？各區域溫度約為多少？

焊接電弧是電極與工件之間的強烈而持久的氣體放電現象。

電弧的構造：焊接電弧由陰極區、陽極區和弧柱區3部分組成。

采用直流弧焊機焊接時有正接法與反接法之分，正接是將工件接電源正極，焊條接負極；反接是將工件接電源負極，焊條(或電極)接正極。

用鋼焊條焊接工件時，陽極區溫度約為2600K，陰極區溫度約為2400K，電弧中心區溫度最高，可達6000～8000K。

三、焊條電弧焊時，對焊接電源有哪些基本要求？常用焊接電源的類型有哪些？

焊條電弧焊時，對焊接電源的基本要求有：

（1）具有陡降的特性；

（2）具有一定的空載電壓以滿足引弧的需要，一般為50～90V；

（3）限制適當的短路電流，以保證焊接過程頻繁短路時，電流不致無限增大而燒毀電源。短路電流一般不超過工作電流的1.25～2倍。

常用焊接電源的類型有交流弧焊機、直流弧焊機和交、直流兩用弧焊機。

四、焊接冶金過程有何特點？焊接過程中為什么要對焊接區進行有效保護？

焊接冶金過程特點：電弧焊時，被熔化的金屬、熔渣、氣體三者之間進行著一系列物理化學反應，如金屬的氧化與還原，氣體的溶解與析出，雜質的去除等。因此，焊接熔池可以看成是一座微型冶金爐。但是，焊接冶金過程與一般的冶煉過程不同，主要有以下特點。

（1）冶金溫度高：容易造成合金元素的燒損與蒸發；

（2）冶金過程短：焊接時，由于焊接熔池體積小(一般2～3cm3)，冷卻速度快，液態停留時間短(熔池從形成到凝固約10s)，各種化學反應無法達到平衡狀態，在焊縫中會出現化學成分不均勻的偏析現象。

（3）冶金條件差：焊接熔池一般暴露在空氣中，熔池周圍的氣體、鐵銹、油污等在電弧的高溫下，將分解成原子態的氧、氮等，極易同金屬元素產生化學反應。反應生成的氧化物、氮化物混入焊縫中，使焊縫的力學性能下降；空氣中水分分解成氫原子，在焊縫中產生氣孔、裂縫等缺陷，會出現“氫脆”現象。

上述情況將嚴重影響焊接質量，因此，必須采取有效措施來保護焊接區，防止周圍有害氣體侵入金屬熔池。

五、焊條的組成及作用是什么？焊條的選用原則有哪些？

（1）焊條是由金屬焊芯和藥皮兩部分所組成的，焊芯的主要作用是作為電極和填充金屬；藥皮的作用主要是穩弧、保護、脫氧、滲合金及改善焊接工藝性。

（2）選用焊條的基本原則如下：

1）等強度原則即選用與母材同強度等級的焊條。一般用于焊接低碳鋼和低合金鋼。

2）同成分原則即選用與母材化學成分相同或相近的焊條。一般用于焊接耐熱鋼、不銹鋼等金屬材料。

3）抗裂紋原則選用抗裂性好的堿性焊條，以免在焊接和使用過程中接頭產生裂紋。一般用于焊接剛度大、形狀復雜、使用中承受動載荷的焊接結構。

4）抗氣孔原則受焊接工藝條件的限制，如對焊件接頭部位的油污、鐵銹等清理不便，應選用抗氣孔能力強的酸性焊條，以免焊接過程中氣體滯留于焊縫中，形成氣孔。

5）低成本原則在滿足使用要求的前提下，盡量選用工藝性能好、成本低和效率高的焊條。

六、焊接變形的基本形式有哪些？

焊接變形的基本形式有收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形等。

七、焊接應力與變形產生的原因是什么？減少焊接應力與變形的工藝措施主要有哪些？

焊接過程中，對焊件進行不均勻加熱和冷卻，是產生焊接應力和變形的根本原因。

減少焊接應力與變形的工藝措施主要有：

1）預留收縮變形量根據理論計算和實踐經驗，在焊件備料及加工時預先考慮收縮余量，以便焊后工件達到所要求的形狀、尺寸。

2）反變形法根據理論計算和實踐經驗，預先估計結構焊接變形的方向和大小，然后在焊接裝配時給予一個方向相反、大小相等的預置變形，以抵消焊后產生的變形。

3）剛性固定法焊接時將焊件加以剛性固定，焊后待焊件冷卻到室溫后再去掉剛性固定，可有效防止角變形和波浪變形。此方法會增大焊接應力，只適用于塑性較好的低碳鋼結構。

4）選擇合理的焊接順序盡量使焊縫自由收縮。焊接焊縫較多的結構件時，應先焊錯開的短焊縫，再焊直通長焊縫，以防在焊縫交接處產生裂紋。如果焊縫較長，可采用逐步退焊法和跳焊法，使溫度分布較均勻，從而減少了焊接應力和變形。

5）錘擊焊縫法在焊縫的冷卻過程中，用圓頭小錘均勻迅速地錘擊焊縫，使金屬產生塑性延伸變形，抵消一部分焊接收縮變形，從而減小焊接應力和變形。

6）加熱“減應區”法焊接前，在焊接部位附近區域(稱為減應區)進行加熱使之伸長，焊后冷卻時，加熱區與焊縫一起收縮，可有效減小焊接應力和變形。

7）焊前預熱和焊后緩冷預熱的目的是減少焊縫區與焊件其他部分的溫差，降低焊縫區的冷卻速度，使焊件能較均勻地冷卻下來，從而減少焊接應力與變形。