焊接工程理论基础

焊接工程理论基础

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、压力焊和螺柱焊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。

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2600K，阴极区温度约为2400K，电弧中心区温度最高，可达6000～8000K。

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：

（1）具有陡降的特性；

（2）具有一定的空载电压以满足引弧的需要，一般为50～90V；

（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。

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2～3cm3)，冷却速度快，液态停留时间短(熔池从形成到凝固约10s)，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。

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。

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。

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。

六、焊接变形的基本形式有哪些？

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：

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。

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。

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。

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。