焊接工程理论基础

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一、焊接的本质是什么？如何分类？有何优点？  
    焊接是利用加热或加压等手段，使分离的两部分金属，借助于原子的扩散与结合而形成原子间永久性连接的工艺方法。  
    焊接方法的种类很多，根据实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊3大类。  
    焊接方法具有如下优点：  
    （1）成形方便：焊接方法灵活多样，工艺简便；在制造大型、复杂结构和零件时，可采用铸焊、锻焊方法，化大为小，化复杂为简单，再逐次装配焊接而成。  
    （2）适应性强：采用相应的焊接方法，不仅可生产微型、大型和复杂的金属构件，也能生产气密性好的高温、高压设备和化工设备；此外，采用焊接方法，还能实现异种金属或非金属的连接。  
    （3）生产成本低：与铆接相比，焊接结构可节省材料10%～20%，并可减少划线、钻孔、装配等工序。另外，采用焊接结构能够按使用要求选用材料。在结构的不同部位，按强度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温等要求选用不同材料，具有更好的经济性。  
二、什么是焊接电弧？电弧的构造有何特点？什么情况下有正接法与反接法之分？各区域温度约为多少？  
    焊接电弧是电极与工件之间的强烈而持久的气体放电现象。   0 y' \# N! m. Y0 E. v5 p( Q
    电弧的构造：焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成。   % C& S9 W( W0 d0 l! R
    采用直流弧焊机焊接时有正接法与反接法之分，正接是将工件接电源正极，焊条接负极；反接是将工件接电源负极，焊条(或电极)接正极。   ; P3 ~: ^3 J7 c; O1 `$ }
    用钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为2 600 K，阴极区温度约为2 400 K，电弧中心区温度最高，可达6 000～8 000 K。  
三、焊条电弧焊时，对焊接电源有哪些基本要求？常用焊接电源的类型有哪些？   8 h' A, k" I* U; m5 y8 _1 S. c; {
    焊条电弧焊时，对焊接电源的基本要求有：   2 v& N2 s' w1 h1 Z
    （1）具有陡降的特性；   + I x) E4 J1 T. G5 r7 l; A
    （2）具有一定的空载电压以满足引弧的需要，一般为50～90 V；  
    （3）限制适当的短路电流，以保证焊接过程频繁短路时，电流不致无限增大而烧毁电源。短路电流一般不超过工作电流的1.25～2倍。   # Q, m' [2 K- s; O6 x
    常用焊接电源的类型有交流弧焊机、直流弧焊机和交、直流两用弧焊机。   / {6 l, p" _( l& |
四、焊接冶金过程有何特点？焊接过程中为什么要对焊接区进行有效保护？  
    焊接冶金过程特点：电弧焊时，被熔化的金属、熔渣、气体三者之间进行着一系列物理化学反应，如金属的氧化与还原，气体的溶解与析出，杂质的去除等。因此，焊接熔池可以看成是一座微型冶金炉。但是，焊接冶金过程与一般的冶炼过程不同，主要有以下特点。  
   （1）冶金温度高：容易造成合金元素的烧损与蒸发；  
   （2）冶金过程短：焊接时，由于焊接熔池体积小(一般2～3 cm3)，冷却速度快，液态停留时间短(熔池从形成到凝固约10 s)，各种化学反应无法达到平衡状态，在焊缝中会出现化学成分不均匀的偏析现象。  
   （3）冶金条件差：焊接熔池一般暴露在空气中，熔池周围的气体、铁锈、油污等在电弧的高温下，将分解成原子态的氧、氮等，极易同金属元素产生化学反应。反应生成的氧化物、氮化物混入焊缝中，使焊缝的力学性能下降；空气中水分分解成氢原子，在焊缝中产生气孔、裂缝等缺陷，会出现“氢脆”现象。  
    上述情况将严重影响焊接质量，因此，必须采取有效措施来保护焊接区，防止周围有害气体侵入金属熔池 。   . E6 p; `9 d, t8 B5 F2 w5 @
五、焊条的组成及作用是什么？焊条的选用原则有哪些？  
    （1）焊条是由金属焊芯和药皮两部分所组成的，焊芯的主要作用是作为电极和填充金属；药皮的作用主要是稳弧、保护、脱氧、渗合金及改善焊接工艺性。  
    （2）选用焊条的基本原则如下：  
    1）等强度原则 即选用与母材同强度等级的焊条。一般用于焊接低碳钢和低合金钢。  
    2）同成分原则 即选用与母材化学成分相同或相近的焊条。一般用于焊接耐热钢、不锈钢等金属材料。   2 @ z( a& j: c) v& o: x/ V
    3）抗裂纹原则 选用抗裂性好的碱性焊条，以免在焊接和使用过程中接头产生裂纹。一般用于焊接刚度大、形状复杂、使用中承受动载荷的焊接结构。   & { g; Y5 i" `5 G0 `
    4）抗气孔原则 受焊接工艺条件的限制，如对焊件接头部位的油污、铁锈等清理不便，应选用抗气孔能力强的酸性焊条，以免焊接过程中气体滞留于焊缝中，形成气孔。  
    5）低成本原则 在满足使用要求的前提下，尽量选用工艺性能好、成本低和效率高的焊条。   / L7 I! l. b5 { V
六、焊接变形的基本形式有哪些？   ' U$ Y% A% `) w$ x- R
    焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等。   7 v2 r/ @5 \: ^9 E" o
七、焊接应力与变形产生的原因是什么？减少焊接应力与变形的工艺措施主要有哪些？  
    焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。   / M' Q9 s' ?1 K
    减少焊接应力与变形的工艺措施主要有：  
    1）预留收缩变形量 根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸。  
    2）反变形法 根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。   ; d9 z8 J% g* _5 a
    3）刚性固定法 焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。   ) M- n8 d7 c3 x
    4）选择合理的焊接顺序 尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均匀，从而减少了焊接应力和变形。   8 i; u/ z- x3 R
    5）锤击焊缝法 在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形 。   + b+ i+ x. e2 F! T2 }+ h
    6）加热“减应区”法 焊接前，在焊接部位附近区域(称为减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可有效减小焊接应力和变形。  
    7）焊前预热和焊后缓冷 预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从而减少焊接应力与变形。