焊接工程理論基礎(chǔ)

焊接工程理論基礎(chǔ)

一、焊接的本質(zhì)是什么？如何分類？有何優(yōu)點(diǎn)？

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(kuò)散與結(jié)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(jù)實(shí)現(xiàn)金屬原子間結(jié)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(yōu)點(diǎn)：

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

（2）適應(yīng)性強(qiáng)：采用相應(yīng)的焊接方法，不僅可生產(chǎn)微型、大型和復(fù)雜的金屬構(gòu)件，也能生產(chǎn)氣密性好的高溫、高壓設(shè)備和化工設(shè)備；此外，采用焊接方法，還能實(shí)現(xiàn)異種金屬或非金屬的連接。

（3）生產(chǎn)成本低：與鉚接相比，焊接結(jié)構(gòu)可節(jié)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(jié)構(gòu)能夠按使用要求選用材料。在結(jié)構(gòu)的不同部位，按強(qiáng)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(jīng)濟(jì)性。

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

焊接電弧是電極與工件之間的強(qiáng)烈而持久的氣體放電現(xiàn)象。

電弧的構(gòu)造：焊接電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)和弧柱區(qū)3部分組成。

采用直流弧焊機(jī)焊接時(shí)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(fù)極；反接是將工件接電源負(fù)極，焊條(或電極)接正極。

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

三、焊條電弧焊時(shí)，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(shí)，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(dāng)?shù)亩搪冯娏?，以保證焊接過程頻繁短路時(shí)，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(jī)、直流弧焊機(jī)和交、直流兩用弧焊機(jī)。

四、焊接冶金過程有何特點(diǎn)？焊接過程中為什么要對焊接區(qū)進(jìn)行有效保護(hù)？

焊接冶金過程特點(diǎn)：電弧焊時(shí)，被熔化的金屬、熔渣、氣體三者之間進(jìn)行著一系列物理化學(xué)反應(yīng)，如金屬的氧化與還原，氣體的溶解與析出，雜質(zhì)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(diǎn)。

（1）冶金溫度高：容易造成合金元素的燒損與蒸發(fā)；

（2）冶金過程短：焊接時(shí)，由于焊接熔池體積小(一般2～3cm3)，冷卻速度快，液態(tài)停留時(shí)間短(熔池從形成到凝固約10s)，各種化學(xué)反應(yīng)無法達(dá)到平衡狀態(tài)，在焊縫中會出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的偏析現(xiàn)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(tài)的氧、氮等，極易同金屬元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)生成的氧化物、氮化物混入焊縫中，使焊縫的力學(xué)性能下降；空氣中水分分解成氫原子，在焊縫中產(chǎn)生氣孔、裂縫等缺陷，會出現(xiàn)“氫脆”現(xiàn)象。

上述情況將嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，因此，必須采取有效措施來保護(hù)焊接區(qū)，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(wěn)弧、保護(hù)、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(qiáng)度原則即選用與母材同強(qiáng)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(xué)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(chǎn)生裂紋。一般用于焊接剛度大、形狀復(fù)雜、使用中承受動載荷的焊接結(jié)構(gòu)。

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(yīng)選用抗氣孔能力強(qiáng)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(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因是什么？減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施主要有哪些？

焊接過程中，對焊件進(jìn)行不均勻加熱和冷卻，是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。

減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施主要有：

1）預(yù)留收縮變形量根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在焊件備料及加工時(shí)預(yù)先考慮收縮余量，以便焊后工件達(dá)到所要求的形狀、尺寸。

2）反變形法根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先估計(jì)結(jié)構(gòu)焊接變形的方向和大小，然后在焊接裝配時(shí)給予一個(gè)方向相反、大小相等的預(yù)置變形，以抵消焊后產(chǎn)生的變形。

3）剛性固定法焊接時(shí)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(yīng)力，只適用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)先焊錯開的短焊縫，再焊直通長焊縫，以防在焊縫交接處產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)力和變形。

6）加熱“減應(yīng)區(qū)”法焊接前，在焊接部位附近區(qū)域(稱為減應(yīng)區(qū))進(jìn)行加熱使之伸長，焊后冷卻時(shí)，加熱區(qū)與焊縫一起收縮，可有效減小焊接應(yīng)力和變形。

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