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。   f) l+ ^1 K4 w7 d
    （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。   ; W+ p% K- l* K3 `, l4 @& k
    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。  
    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。  
    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？  
    焊条电弧焊时，对焊接电源的基本要求有：   ) D9 s5 z0 d; f/ Q( O: ]7 C u
    （1）具有陡降的特性；   ( f. C# f: S7 D, ~2 }9 Y( f- u1 H
    （2）具有一定的空载电压以满足引弧的需要，一般为50～90 V；   & n+ @5 @0 @, m- y
    （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。  
    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。   5 h5 R7 P/ {# k F4 W; Y
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 Z! [# o: T0 V5 f8 c
   （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。   + `) O1 `6 A( y _' B7 J0 {2 A
   （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。   & ]6 B; _( R, P* p
    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 。  
五、焊条的组成及作用是什么？焊条的选用原则有哪些？   + d# `5 i' o( R
    （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。   8 G" \6 a3 p- l% J. H
    （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。  
    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。   , U; d: J% a8 ~8 y9 h% {
    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。   9 d7 F: X; q( A. O) t! h, ?! ^
    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。   " `0 L% k. c) P6 f! k* r% N
六、焊接变形的基本形式有哪些？   5 G1 b/ G& N7 z l+ S
    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。  
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。  
    减少焊接应力与变形的工艺措施主要有：   , X/ g5 F) \# {
    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。   : y/ M! H4 q# q$ u1 ^" D
    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。   : V7 b! |; n$ r; S
    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。  
    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 。   * X3 \) ]2 ?9 _
    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。   : S; m0 U/ H% q( J! d. u
    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。 8 r) T! m' M) A4 o. ^