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1、焊接冶金（1）答案要点一、术语解释（20分，每题2分）.焊接接头 焊件上由焊缝、热影响区和熔合区组成的局部。1 .焊接温度场 焊接过程中焊件上某瞬时的温度分布，可用等温线或等温面表示。2 .焊接线能量热源功率和焊接速度之比，或单位长度焊缝上焊接热源输入的能量。3 .碱性焊条 药皮中含有多量碱性氧化物的焊条。其焊缝的含氢量低，故又称低氢型焊条。4 .熔炼焊剂 将一定比例的各种配料放在炉内熔炼，然后经过水冷粒化、烘干、筛选而制成的焊剂。5 .外延生长 形核通过液相原子在母材晶粒上的排列产生，且晶核初始生长方向与基底晶粒的位向 相同。这种生长初始过程称为外延生长。6 .层状偏析焊缝上因结晶过程周期性
2、变化而化学成分分布不均匀所造成的呈层状分布的偏析。7 .延迟裂纹 焊后并不立即出现，在氢、钢材淬硬组织和拘束应力共同作用下产生的冷裂纹。8 . HAZ焊接热影响区，即在焊接热源作用下焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。9 .拘束度 有拉伸和弯曲两类。拉伸拘束度是焊接接头根部间隙产生单位长度弹性位移时，焊缝每 单位长度上受力的大小；弯曲拘束度是焊接接头产生单位弹性弯曲角变形时，焊缝每单位长度上 所受弯矩的大小。（答对一个即得分）二、简答题（35分，每题7分）10 氢对焊接质量的影响及控制氢的主要措施。（1）影响：引起氢脆、白点，产生冷裂纹，形成气孔（2）措施：限制焊接材料的含氢量、清除焊丝或焊件外
3、表上的杂质、冶金处理（如在药皮和焊剂中 加入氟化物、控制焊接材料的氧化还原势、在药皮或焊芯中加入微量稀土元素等）、控制焊接工 艺参数（如焊接电流、电弧电压、电流种类和极性）、焊后脱氢处理11 粗晶脆化产生的部位及形成原因。（1）部位：HAZ靠近熔合线附近和过热区（2）原因：加热峰值温度高、高温停留时间长、线能量大等使晶粒粗化；晶粒越粗，脆性转变温度 越高，脆性越大。对于淬硬倾向较小的钢，粗晶脆化主要是晶粒长大所致；对于易淬火钢，主要 是由于产生淬火组织所造成的。12 焊缝脱氧的目的、主要措施及选择脱氧剂的原那么。（1）目的：尽量减少焊缝中的含氧量。（2）措施：在焊丝、焊剂或药皮中加入合适的元素
4、或铁合金，使之在焊接过程中夺取氧。（3）原那么：脱氧剂在焊接温度下对氧的亲和力比被焊金属大；脱氧产物应不溶于液态金属；必须考 虑脱氧剂对焊缝成分、性能以及焊接工艺性能的影响；在满足技术要求的前提下，还应考虑本钱。13 .低碳钢焊接热影响区各局部的组织和性能。（1）熔合区：半熔化区，其范围虽然很窄，但化学成分和组织性能上存在较大不均匀性，常是产生 裂纹、脆性破坏的发源地。（2）过热区：晶粒粗大，常出现魏氏组织，韧性很低，常产生裂纹和脆化，是焊接接头的薄弱环节。（3）相变重结晶区（正火区）：发生重结晶，晶粒细小，塑性韧性较好。（4）不完全重结晶区：局部组织发生重结晶，晶粒大小不一、组织不均匀，力学
5、性能亦不均匀。14 .低碳钢埋弧焊时焊丝与焊剂的匹配原那么。焊接低碳钢时，可采用高硅熔炼焊剂和酸性烧结焊剂，配合适当焊丝。采用高硅熔炼焊剂时，焊 丝中不必再特意加硅。焊剂与焊丝的配合方式为：高硅无镒或低锦熔炼焊剂配合高镒焊丝（Mn=L5%L9%）,如H10Mn2；高硅中镒熔炼焊剂配合含镒焊丝（Mn=0.8%1.1%）,如H08MnA；高硅高锌熔炼焊剂配合低碳钢焊丝或含锦焊丝，如H08A； SJ401、SJ501或SJ502等酸性烧结焊剂配合低碳钢焊丝H08A。三、论述题（45分，每题15分）1 ,试比照分析碱性焊条和酸性焊条的工艺性能。碱性焊条的工艺性能比酸性焊条差。主要表达在如下几个方面：
6、焊接电弧的稳定性：酸性焊条药皮含有较多的稳弧剂，电弧燃烧稳定；碱性焊条由于药皮中萤石 的反电离作用，用交流电源焊接时电弧不能稳定燃烧，只能采用直流电源焊接。 焊缝成形：酸性焊条熔渣的高温粘度、外表张力等适中，焊缝外表光滑、波纹细密美观；碱性焊 条熔渣粘度大、外表张力小，焊缝成形差。 飞溅：酸性焊条电弧燃烧稳定，熔滴为细颗粒过渡，飞溅小；碱性焊条电弧稳定性较差，熔滴多 为大颗粒短路过渡，故飞溅较大。 脱渣性：酸性焊条脱渣性比碱性焊条好。酸性焊条熔渣与碳钢的线膨胀系数相差较大，松脆性适 中，故脱渣性好；碱性焊条熔渣与碳钢的线膨胀系数相差较小，松脆性差，故脱渣性较差，在角 焊缝和深坡口底层脱渣尤为困
7、难。 焊条发尘量：碱性焊条发尘速度和发尘量高于酸性焊条，且烟尘中常含有多种致毒物质。2 .试分析焊接结晶裂纹产生的原因及防治措施。（1）产生原因焊缝中存在的液态薄膜和拉伸应力共同作用的结果。液态薄膜是内因，拉伸应力是必要条件。焊缝金属的结晶过程大致经历两个阶段，即液-固阶段和固-液阶段。在液-固阶段不会产生结晶裂纹。 在固-液阶段，液相少而固相多，晶粒相互接触，液体粘度大不易流动，拉伸应力作用下所产生的微小缝隙 无法填充，只要有拉伸应力存在就可能产生裂纹。如果拉伸应力所产生的应变超过焊缝金属在脆性温度区 内所具有的最小塑性，那么必产生裂纹。（2）防止措施1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量
8、。2）改善焊缝凝固结晶，细化晶粒（变质处理）。3）利用“愈合”作用。4）适当控制焊接线能量和预热温度。5）改善应力状态，如合理设计接头形式，防止应力集中（错边、咬肉、未焊透等），尽量使大多数焊 缝能在较小的刚度条件下焊接，尽可能采用对称施焊。3 .试分析微量元素（Mo、Nb、Ti、B、稀土等）对焊缝组织和性能的影响，并阐述其作用机制。1） Mo加入适量M。（0.20%0.35%）,有利于形成均一的细晶铁素体，提高焊缝强度、改善韧性。2） Nb和V加入适量的Nb和V可提高焊缝的冲击韧性。Nb和V可推迟冷却过程中奥氏体向铁素 体的转变，抑制焊缝中先共析铁素体的产生，激发形成细小的针状铁素体；Nb和
9、V还可与焊缝中的氮形 成氮化物，从而固定焊缝中的可溶性氮，使焊缝金属韧性的提高。3） Ti和B可大幅度提高低合金钢焊缝的韧性。Ti以微小颗粒氧化物（TiO）的形式弥散分布于焊缝 中，可促进焊缝金属晶粒细化。Ti在焊缝中可保护B不被氧化。B可作为原子偏聚于晶界，使界面能降低, 抑制了先共析铁素体的形核与长大，促使形成针状铁素体，改善焊缝组织的韧性。4）稀土 与钢中的有害杂质发生作用，可减轻和消除这类微量杂质的有害影响；与钢中的合金元素 发生作用，可改善组织和提高韧性。轻稀土有利于针状铁素体形成。焊接冶金（2）答案要点一、术语解释（20分，每题2分）1 ,焊接温度场焊接过程中焊件上某瞬时的温度分布
10、，可用等温线或等温面表示。2 .短路过渡 焊条（或焊丝）端部的熔滴与熔池短路接触，由于强烈过热和磁收缩的作用使其爆断, 直接向熔池过渡的形式。3 .酸性焊条 药皮中含有多量酸性氧化物的焊条。工艺性能好，焊缝成形美观，交、直流电源施焊。4 .扩散氢 焊缝区中能自由扩散运动的那一局部氢。对焊接质量影响较大。5 .熔渣碱度 分子理论将其定义为熔渣中碱性氧化物的摩尔分数与酸性氧化物的摩尔分数之比；离 子理论将其定义为液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）。（答对一个即得分）.焊接热循环 在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程。6 .区域偏析 焊缝结晶时，因柱状晶的长大和推移而使最后凝
11、固部位出现较严重的成分偏析现象。7 .拘束度 有拉伸和弯曲两类。拉伸拘束度是焊接接头根部间隙产生单位长度弹性位移时，焊缝每 单位长度上受力的大小；弯曲拘束度是焊接接头产生单位弹性弯曲角变形时，焊缝每单位长度上 所受弯矩的大小。（答对一个即得分）8 .氢致裂纹 即延迟裂纹，在氢、钢材淬硬组织和拘束应力共同作用下产生的冷裂纹。9 .外延生长形核通过液相原子在母材晶粒上的排列产生，且晶核初始生长方向与基底晶粒的位向 相同。这种生长初始过程称为外延生长。二、简答题（35分，每题7分）.氮对焊接质量的影响及控制氮的主要措施。影响：产生气孔，使焊缝强度和硬度提高、塑性和韧性降低，促使焊缝金属时效脆化。措施
12、：加强焊接区的保护，防止空气与金属作用；控制焊接工艺参数，如降低电弧电压、增大焊接电 流、尽量采用直流反接；冶金处理，如适当增加焊丝或药皮中的含碳量、在焊丝、药皮或药芯 中添加Ti、Al、Zr、Re等对氮亲和力较大的元素。1 .16Mn钢焊接热影响区各局部的组织和性能。（1）熔合区：半熔化区，其范围虽然很窄，但化学成分和组织性能上存在较大不均匀性，常是产生 裂纹、脆性破坏的发源地。（2）过热区：晶粒粗大，存在少量粒状贝氏体，韧性很低，常产生裂纹和脆化，是焊接接头的薄弱 环节。（3）相变重结晶区（正火区）：发生重结晶，晶粒细小，塑性韧性较好。（4）不完全重结晶区：局部组织发生重结晶，晶粒大小不一
13、、组织不均匀，力学性能亦不均匀。3 .析出脆化产生的部位及形成原因。部位：焊接热影响区熔合部位（包括过热区）原因：某些金属的焊接区组织处于非平衡态，在化学和物理上均存在明显的不均匀性。在时效或回火 过程中，从非稳态固溶体中沿晶界析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其他亚稳定中间相； 新相析出后会阻碍位错运动，并且常存在偏析和聚集，从而使金属的强度、硬度和脆性提高。4 .焊缝金属脱氧反响的类型和特点。 先期脱氧 在药皮加热阶段固态药皮中进行，脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系，脱氧 不完全，对氧亲和力很大的元素大局部被烧损。 沉淀脱氧 在熔滴和熔池内进行，溶解在液态金属中的脱氧剂和FeO直接反
14、响把铁还原。减少焊 缝氧含量的重要环节，常用的有镒脱氧、硅脱氧和硅镒联合脱氧，硅脱氧一般不单独采用。 扩散脱氧 在液态金属与熔渣的界面上进行，发生于熔池后部的低温区，其优点是不会因脱氧而 造成夹杂，但在焊接条件下扩散脱氧不充分。5 .低碳钢埋弧焊时焊丝与焊剂的匹配原那么。焊接低碳钢时，可采用高硅熔炼焊剂和酸性烧结焊剂，配合适当焊丝。采用高硅熔炼焊剂时，焊丝中 不必再特意加硅。焊剂与焊丝的配合方式为： 高硅无镐或低锦熔炼焊剂配合高钵焊丝（Mn=L5%1.9%）,如H10Mn2； 高硅中锦熔炼焊剂配合含锦焊丝（Mn=0.8%1.1%）,如H08MnA； 高硅高镒熔炼焊剂配合低碳钢焊丝或含镒焊丝，如
15、H08A； SJ401、SJ501或SJ502等酸性烧结焊剂配合低碳钢焊丝H08A。三、论述题（45分，每题15分）1 .试比照分析碱性焊条和酸性焊条的冶金性能及焊缝的力学性能。碱性焊条冶金性能比酸性焊条好，焊缝含氢量极低，力学性能优良，抗裂性能良好。酸性焊条焊缝氧 含量较高，力学性能指标降低，但抗气孔能力较强。 脱氧：酸性焊条（如钛钙型焊条）常采用Mn脱氧而不宜用Si、Ti脱氧；由于药皮中含有足够的 脱氧剂锦铁，故其抗气孔能力较强。碱性焊条常采用Si、Mn和Ti联合脱氧，不宜单独用Mn脱氧。 脱氢：碱性焊条药皮中含有适量的萤石，由于萤石的脱氢作用，故熔敷金属的含氢量极低。 脱硫、脱磷：碱性焊
16、条药皮中含有较多的大理石，故其脱硫、脱磷效果优于酸性焊条。 焊接烟尘：碱性焊条的焊接烟尘量比酸性焊条大，且烟尘中含有KF、NaF等致毒物质。2 .试述焊接冷裂纹的主要特征、影响冷裂纹的主要因素及防止冷裂纹的措施。（1）主要特征1） 一般在焊后冷却到较低温度时产生；有时焊后立即出现，有时经过一段时间后出现。2）多起源于 具有缺口效应的热影响区或物理化学不均匀的氢聚集的局部地带。3）有时沿晶扩展，有时穿晶前进，常 具有沿晶和穿晶的混合形态。4）主要发生在高、中碳钢，低、中合金高强钢的焊接热影响区。（2）影响因素1）钢的淬硬倾向 淬硬倾向越大，那么晶格缺陷（空位和位错）越多，亦即先天性裂纹源越多；同
17、时 越容易形成脆硬的马氏体组织，使裂纹扩展阻力减小。故越容易产生裂纹。2）氢 焊接接头氢含量越高，冷裂的敏感性越大。当局部地区的氢含量到达某一临界值时，便开始 出现裂纹。3）拘束应力 拘束度越大，那么拘束应力越大，冷裂倾向越大。4）焊接工艺 焊接工艺如焊接材料、焊接线能量、焊前预热、后热、多层焊以及焊接顺序等对冷裂 纹均有不同程度的影响。（3）防止措施1）选用低氢焊接材料和低氢焊接方法。2）严格控制氢的来源。3）采用韧性高塑性好或低匹配的焊 缝。4）采用奥氏体焊条焊接淬硬倾向较大的钢种。5）焊前预热和焊后热处理。6）合理选择焊接线能量 或焊接参数。7）合理布置焊缝和施焊顺序。3 .试分析微量元
18、素（Mo、Nb、Ti、B、稀土等）对焊缝组织和性能的影响，并阐述其作用机制。1） Mo加入适量M。（0.20%0.35%）,有利于形成均一的细晶铁素体，提高焊缝强度、改善韧性。2） Nb和V 加入适量的Nb和V可提高焊缝的冲击韧性。Nb和V可推迟冷却过程中奥氏体向铁素 体的转变，抑制焊缝中先共析铁素体的产生，激发形成细小的针状铁素体；Nb和V还可与焊缝中的氮形 成氮化物，从而固定焊缝中的可溶性氮，使焊缝金属韧性的提高。3） Ti和B可大幅度提高低合金钢焊缝的韧性。Ti以微小颗粒氧化物（TiO）的形式弥散分布于焊缝 中，可促进焊缝金属晶粒细化。Ti在焊缝中可保护B不被氧化。B可作为原子偏聚于晶界
19、，使界面能降低, 抑制了先共析铁素体的形核与长大，促使形成针状铁素体，改善焊缝组织的韧性。4）稀土 与钢中的有害杂质发生作用，可减轻和消除这类微量杂质的有害影响；与钢中的合金元素 发生作用，可改善组织和提高韧性。轻稀土有利于针状铁素体形成。焊接冶金（C）一、术语解释.焊接热输入指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能。1 .熔敷系数单位电流，单位时间内，焊芯（或焊丝）熔敷在焊件上的金属量（g/A.h）,它标志着焊 接过程的生产效率2 .熔合比熔焊时，被熔化的母材局部在焊道金属中所占的比例称为熔合比3 .外延生长从熔池边界未熔母材晶粒外表非自发形核，以柱状晶的形态向焊缝中心生长。4 .药皮
20、重量系数焊条药皮与焊芯（不包括夹持端）的重量比5 .焊接温度场焊接接头处各个点上温度的集合称为温度场。它是时间和空间坐标的函数。6 .针状铁素体其原始意义根据二维形态观察得出，意为针状的铁素体。一般情况下针状铁素体在 非金夹杂物处非均匀形核，然后从这个形核地点向许多不同的方向辐射生长。由于 其组织为连锁结构，能很好地阻止裂纹的扩展，故具有很好的力学性能，特别是韧 性。二、简答题.焊接线能量、预热温度和板厚对焊接热循环参数的影响。冷却速度是焊接热循环中极其重要的参数，线能量q = IUA）,线能量越大，焊接速度越小。1 .低碳钢埋弧焊时焊丝与焊剂的匹配原那么匹配时主要看一下两点:1）、被焊材料的
21、类别及对焊接接头性能的要求低碳钢应选与母材相匹配的焊接材料，可选高猛高硅焊剂（如HJ431, HJ433、HJ430）与低碳钢焊丝（如H08A）或含镒的焊丝（如H08MnA）相配合，或用中镒、低镒或无镒的焊剂与含镒量较高的焊丝相匹配。稀释率高 热输入量高2）、埋弧焊的工艺特点焊缝成分大多取决于母材成分应选合金成分略高于母材的焊丝并配中性焊剂焊接速度快应选适宜快速焊的焊剂.焊接速度对晶粒生长方向、生长速度、结晶形态和晶粒尺寸的影响。如果焊接速度过快，熔池温度不够，易造成未焊透、未熔合、焊缝成型不良等缺陷。 如果焊接速度过慢，使高温停留时间增长，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变 粗，机械性能降低
22、，同时使变形量增大。提高焊接速度可减小熔合区和热影响区焊接速度越大，熔池中心的温度梯度下降很多，使熔池中心的成分过冷很大，中心 往往出现等轴晶，焊接速度越小，熔合线附近出现胞状树枝晶。2 .碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大的原因。酸性焊条药皮里电弧里的氧电离后形成负离子与氢离子有很大的亲和力，生成氢氧根离 子(OH),从而可以防止氢离子溶入熔化的金属里，所以酸性焊条对铁锈不敏感，焊缝 很少产生由氢引起的气孔；而碱性焊条药皮里各种氧化物较少，氧化性较差，不能有效 防止氢离子溶入熔化的金属里，所以碱性焊条对铁锈和氧化皮敏感性大三、论述题1 .试分析钛钙型焊条E4303在焊接过程中发生的冶金反响。主要
23、冶金反响：金属蒸发，气体的分解和溶解，氧化-还原；渗合金氧直接使铁氧化FcJ+O (FcO)FeJoWeO2co2使铁氧化Fe+Ca=Fef7水蒸气使铁氧化1七+也。1-民可+ 工渍中SiQ氧化物使Fe氧化由S/Q还原引起 (SiO2) + 2Fe f Si + 2FeO+ Fe f Mn + FeO2)、脱氧钱脱氧焊前药皮中含钵1 0.6%,不含两。,但焊后熔渣中含1 3.7%的胸。淇原因为母在药皮加热阶段进行先期脱氧Mn + MnO 7 - 一熔池.熔滴阶段进行沉淀脱氧MnFe(J f Fe + (Mn(7)使熔渣中增加了 MnO含量.硅脱氧焊前焊芯含硅量为0.0 2 %,煌后熔敷金屈中含
24、硅量为0.1%Si + 2FeO o 2Fe + (SiO2)徒在熔池后期脱氧生成R)来不及转移到沿中，而夹杂到焊缝中，使含硅量有所增加.碳的氧化与脱氧碳为0.0 7 7减少到0.0 7 2 %,说明焊芯中的碳没有完全过渡到焊缝中去，有一小部 分被辄化.C +- CO2 ,还原反响2A + (S0)f S4 + 2(A/i。，使焊缝增硅3,脱破S从00 1 7 %增到0.0 1 9%FeS + Mn MnS + FeFeS + MnO t FeO + N fnS1 .脱P 从00 1 9%增到0.0 3 5%由于渣中CaO、MnO量少，TiOS含量较高滩以进行脱P. S反响,严格限制原材料含S
25、.P量.2.试述结晶裂纹的主要特征以及冶金因素和力学因素对结晶裂纹的影响。结晶裂纹的主要特征：宏观看，裂纹沿焊缝的轴向成纵向分布，裂口均有较明显的氧化 色彩，外表无光泽，微观看，沿晶粒边界分布，属于沿晶断裂性质。冶金因素和力学因素对结晶裂纹的影响：脆性温度区间大小Th大，拉应力作用时间长,产生裂纹可能性大,决定于焊缝化学成分，杂质性质 与分布，晶粒大小。脆性温度区（TQ内金属的阳性，Tr内金属的朋性越小，越易产生结晶裂纹。Tb内前温度降低变形的增长率,（拉伸应力的增长率）Tb内Tf e t f易产生裂纹变形增长率越大.越易产生裂纹变形增长率的大小决定于金属的热胀系数，焊接接头刚度，焊缝位置，焊接规范的大