材料连接原理答案.doc

1、焊接：冶金连接成型是通过加热或加压（或俩者并用）使俩个分离的表面达到晶格距离，并形成金属健而获得不可拆的接头的工艺过程主要用于金属材料的连接，通常称为焊接。 与机械连接的区别：机械连接是通过机械力来实现的，随机械力的消除，接头可以松动或拆除，而焊缝不可拆除是通过金属健实现的。从理论上说明怎样才能实现焊接过程？采用什么样的工艺才能实现焊接？答 1. 理论上讲，就是当 2 个被连接的固体材料表面接近到相距 rA时就可以在接触表面进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成键合，达到冶金连接的目的2.对被连接件施加压力：目的是破坏接触表面的氧化膜使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触对被连接件材料

2、加热（整体或局部）。对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力 。焊接方法分类和发展？分类：熔化焊 典型的液相连接钎焊 液固相连接压焊 固相连接发展：新的扩散连接方法不断涌现，如瞬间液相扩散连接，超塑性成型焊接热源的共同要求及指标？要求：能量密度高度集中，快速实现焊接过程，并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的焊接热影响区。指标：最小加热面积 最大功率密度 正常规范条件下的温度熔池和一般铸锭结晶过程相比有何特点；焊接热过程特点？答：1. 熔池体积小，加热温度高，冷却速度快；热源移动结晶过程连续进行并随熔池前进；液态金属中不同部位其温度不均匀性巨大，中心过

3、热；原始成分不均匀，因熔池存在时间短而来不及均匀化2. 加热温度高加热速度快高温停留时间短自然条件下连续冷却局部加热熔合比的表达式和影响因素？在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比 。 = Fp / (Fp +Fd) Fp焊缝中母材所占的面积 Fd 焊缝截面中填充金属所占的面积影响因素：焊接方法、焊接工艺参数、接头尺寸形状、坡口形状、焊道数目及母材的热物理性质、焊接材料种类、焊条（焊丝）的倾角等。焊接区的气体来源？焊接材料 热源周围气体介质焊丝和母材的表面上的杂质试简述 H,O,N 对结构钢焊接质量的影响？控制措施？H: 氢脆；白点；气孔；冷裂纹；组织变化。O:（1）影响焊缝机械性能：

4、塑性、韧性下降；引起热能、冷脆，时效硬化；（2）影响焊缝金属的物理、化学性能。如降低导电性、导磁性、耐蚀性等；（3）形成 CO 气孔；（4）造成飞溅，影响焊接过程的稳定性；（5）焊接过程中导致合金元素的氧化损失将恶化焊接性能；（6）氧在特殊情况下是有益的，如为了改善电弧特性。降低焊缝金属中的含氢量等。N: 害 造成气孔，引起时效脆化，降低焊缝的塑性和韧性 益 :可以起到沉淀强化和细晶强化的作用提高强度控制措施：氢：（1）限制氢的来源；（2）进行冶金处理；（3）控制焊接材料的氧化还原势；（4）在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀土元素；（5）控制焊接工艺参数（6）焊后脱氢处理；氮：（1）加强对焊接区机

5、械保护（2）控制焊接工艺参数（3）利用合金元素控制焊缝金属的含氮量。氧：（1）控制焊接材料的含氧量，在焊接活性金属及某些合金钢时，应尽量采用不含氧的焊接材料，选用高纯度的惰性气体作为保护气体，在焊接前认真清理焊丝和工件表面。（2）控制焊接工艺参数（3）采用合理的冶金方法进行脱氧。酸型焊条熔敷金属为何氧含量较高？答：（1）酸型焊条采用锰脱氧不如碱性焊条锰硅联合脱氧效果好（2）酸型焊条碱度 B 小，有利于渗硅反应的进行，使焊缝含氧较高（3）酸型焊条为了控氢的目的，导致焊缝含氧试简述低氢焊条（碱性焊条）熔敷金属含氢量较低的原因？药皮不含有机物 药品中加入大量造气剂CaF2 的去氢作用 焊条的烘干温度

6、高焊接熔渣的分子理论和离子理论熔渣的分子理论（第 26 页）答：焊接熔渣主要由分子氧化物组成，有时还有氟化物；各化合物呈自由状态，也可呈复合状态，氧化物与其复合物处于平衡状态；只有自由氧化物才能参与和金属的反应。熔渣的离子理论（第 27 页）答：液态熔渣是由阴阳离子组成的电中性溶液。离子间的相互聚集、作用及离子的分布取决于离子的综合矩，离子的综合矩越大，其静电场越强，对其他离子的作用力越强。熔渣与金属的作用是熔渣中的离子与金属原子交换电荷的过程。脱氧反应有那几种？脱氧剂选择的原则？1. 先期脱氧：在焊条药皮加热阶段，固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧，药皮受热时，其中的高价氧化物或碳酸盐受热分

7、解出氧、二氧化碳和药皮中的脱氧剂发生反应 沉淀脱氧 扩散脱氧原则：（1）在焊接温度下脱氧剂对氧的亲和力必须比被焊金属大。焊接时常用 Mn,Sn,Ti,Al 等元素的铁合金或金属粉做脱氧剂。（2）脱氧产物应熔点低、不溶于液态金属而且其密度也应小于液态金属的密度。（3）考虑脱氧剂对焊缝成分、性能及工艺参数的影响。扩散氧化的影响因素？答：对于 FeO 的分配常数 L 为：L=w(FeO)/wFeO分配常数与温度和熔渣的性质有关：（1）随温度升高，L 值减小。高温时 FeO 向液态钢中分配。（2）熔渣的性质对 FeO的分配由很大影响。在同样温度下，碱性渣中 FeO 更易向金属分配，即在熔渣含 FeO量

8、相同的条件下，碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣多。因为碱性渣中含 SiO2,TiO2 等酸性氧化物较少，FeO 的活度大，故易向金属中扩散，使焊缝增氧。（3）熔渣的碱度对FeO 的分配也有影响，在 FeO 含量相同的条件下，碱度为 1.7 时 FeO 的活度最大，碱度增大或减低，FeO 的活度均会减少。碱性焊条熔渣的碱度在 2 左右，最易使 FeO 的活度增大并向金属中分配。而酸性焊条或高碱性焊剂，由于渣中 FeO 活度较小，反而对铁锈不敏感。S ，P 的危害？冶金方法脱 S,P 措施？答：1.危害磷在钢中以磷化铁的形式存在，一般用P表示 1)能恶化钢的焊接性能；2)降低钢的塑性和韧性，使钢产生冷脆

9、性，即在低温条件下钢的冲击韧性明显降低；硫在钢中多以硫化物形式存在，如 FeS、MnS 等，硫对钢性能产生以下影响：1)使钢产生热脆现象。所谓热脆现象是指钢坯或钢锭在高温条件下(如 1100)进行轧制时，会产生断裂的现象。2)对钢的力学性能产生不利影响。3)使钢的焊接性能降低。2. 冶金方法脱 S 措施 （1）用合金元素锰脱硫 ：选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫。锰对硫的亲和力比铁大 （2）用渣中碱性氧化物脱硫：常用熔渣中的碱性氧化物，如 MnO、CaO、MgO 等进行脱硫。（3）增加熔渣的碱度 （4）氟化钙（降低熔渣粘度）也有利于脱硫3. 冶金方法脱 P 措施1 增加渣中 CaO、FeO

10、的含量有力于脱磷2 增加渣的碱度，可以提高脱磷效果。3 降低渣的粘度，有利于脱磷的反应。合金元素过度系数的影响因素？1.合金元素的物理化学性质2.合金元素的含量3.合金元素的粒度4.药皮或焊接的成分5.药皮或焊接的相对数量及焊接规范焊条药皮的作用?（1）保护作用，在焊接过程中药皮产生气体，隔离空气，保护熔滴、熔池和焊接区，防止有害气体侵入焊缝。（2）冶金作用，焊接时药皮的组成参与冶金反应，去除有害物质，保护和添加有益的合金元素，改善焊缝的力学性能。（3）改善焊接工艺性，焊条药皮可以时电弧易燃，焊接飞溅小，焊缝易脱渣和成形美观。焊条的工艺性能 ：指焊条在焊接操作时的性能主要包括：焊接电弧的稳定性

11、，焊缝成型，全位置焊接性，飞溅，拖渣性，焊条的熔化，药皮发红的程度及焊条发尘量。药芯焊丝的特点？ 烧结焊丝的特点及和熔炼焊接相比有何特点？(1) 熔敷速度快，因而生产效率高；(2) 飞溅小； (3) 调整熔敷金属成分方便； (4) 综合成本低。特点：1.灵活性强 2.可以有效降低焊接过程中的氧化烧损情况3.烧结焊剂具有良好的焊条焊接工艺性能 4 烧结焊接比重小对比熔炼焊接特点：(1)可以连续生产，劳动条件较好。成本低。(2)焊剂碱度可在较大范国内调节。(3)由于烧结焊剂碱度高，冶金效果好，所以能获得较好的强度、塑性和韧性的配合(4)焊剂中可加入脱氧剂及其它合金成分，具有比熔炼焊剂更好的抗锈能力

12、(5)焊剂的松装密度较小(6)烧结焊剂颗粒圆滑，在管道中输送和回收焊剂时阻力较小。(7)缺点是吸潮性较大。焊缝成纷易随焊接工艺参数变化而波动。CO2 一般用何种焊丝？为何 H08Mn2Si答：应选用 Si、Mn 等脱氧元素含量较高的焊丝，常用的如：H08Mn2SiA。（1）CO2 具有较强的氧化性，一方面使焊丝中有益的合金元素烧损，另一方面使熔池中【FeO】含量升高。（2）如焊丝中不含脱氧元素或含量较低，导致脱氧不足，熔池结晶后极易产生 CO 气孔。（3）按一定比例同时加入 Mn、Si 联合脱氧，效果较好。简述接头偏析的种类和产生原因？答： 宏观偏析：由于柱状晶倾向性方向使杂质偏聚于晶间及部分

13、地区溶质浓度升高。（1 层状偏析：周期性分布，产生于焊缝的层状偏析是结晶速度周期性变化产生的；（2 焊道中心偏析：结晶由未熔化母材处向焊缝中心结晶，使杂质推往最后凝固的熔池中心而形成；（3 焊道偏析：多道多层焊时在层间道间形成的成分偏析； (4 弧坑偏析：收弧处熔池水未能填满，凝固时大量杂质无法排除及成分扩散不均匀而导致偏析；微观偏析：由于焊接快速冷却，结晶后的成分来不及趋于一致，而在相当大的程度上保持着结晶有先后的规律，从而使晶界、晶内的亚晶和树枝晶之间都存在着不同程度的显微偏析。（1 胞晶偏析：胞状晶中心与胞晶之间溶质浓度不同引起的偏析。(2 树枝状晶偏析：树枝状晶树干与侧枝及晶间成分不一

14、致引起的偏析金属材料常见的强化方式，焊缝一般用什么强化1.固溶强化 2.细晶强化 3.冷作强化 4.沉淀强化 5.相变强化焊缝金属一般用固溶强化 ，细晶强化。金属元素对焊缝力学性能的影响微量 Ti,B 改善焊缝金属韧性的机理?答：一是钛与氧的结合力很大，使焊缝中的 Ti 以微小颗粒氧化物的形式（TiO）弥散分布于焊缝中，促使焊缝金属细化。另一方面 Ti 在焊缝中保护 B 不被氧化，故 B 可以作为原子态偏聚于晶界。这些聚集在 晶界的 B 原子，降低了晶界能，抑制了先共析铁素体的形核与生长，从而促使生成针状铁素体，改善了焊缝组织的韧性。但是它们的最佳含量与氧氮有关焊接工艺条件及焊接工艺手段和焊后

15、措施对焊缝性能的影响？从传热学角度说明临界板厚 cr 的概念？由传热学理论知道：在线能量一定的情况下，板厚增加冷却速度 Wc 增大，冷却时间 t8/5变短，当板厚增加到一定程度时，则 Wc 和 t8/5 不再变化，此时板厚即为临界板厚 cr。试分析不易淬火钢热影响区中不完全重结晶区的组织特点？焊接时处于 AC1AC3 之间范围内的热影响区属于不完全重结晶区。因为处于 AC1AC3 范围内只有一部分组织发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的铁素体和珠光体，而另一部分是始终未能溶入奥氏体的剩余铁素体，由于未经重结晶仍保留粗大晶粒。所以，此区特点是晶粒大小不一，组织不均匀。焊接热影响区试分析钢种淬硬倾

16、向的影响因素？用什么指标来衡量高强钢的淬硬倾向比较合理？化学成分：碳当量升高，淬硬倾向升高冷却条件：t8/5 降低，淬硬倾向升高用 HAZ 的最高硬度 Hmax 来评定钢的淬硬倾向比较合理，因为它综合反映了化学成分和冷却条件的影响低合金高强钢 HAZ 最常见缺陷之一为脆化，试问：脆化种类？M-A 脆化特点？热应变时效脆化一般易在焊接接头的哪些部位产生？1.脆化种类：粗晶脆化，析出脆化，组织脆化（M-A 脆化） ，热应变时效脆化，2.M-A 脆化特点：1）M-A 脆化与钢种合金化程度有关2）M-A 脆化只有在中等冷速下产生。冷速越快，残余 A 全部转变为片状 M；冷却过慢，残余 A 分解为 F+

17、Fe3C.3)M-A 组元中的孪晶 M 脆性大，显微裂纹易在 M-A 组元边界扩展。热应变时效脆化（远离焊接热影响区位置）？在制造过程中要对焊接结构进行加工，加工所引起的局部应变，塑性变形对焊接接头的性能，特别是断裂韧性，都会产生很大影响，这种现象为热应变时效脆化单道焊缝：在 Ar1 以下的亚热影响区多道焊时易在熔合区出现试简述焊接 HAZ 区韧化的途径有哪些？（1） 控制组织：在组织上能获得低碳马氏体、下贝氏体和针状铁素体等韧性较好的组织。（2） 合理制定焊接工艺，正确地选择焊接线能量和预热，后热温度，既不致过热脆化，又不致淬硬脆化。（3） 采用焊接后热处理来接头的韧性。（4） 研制发展新的

18、钢种，进一步细化品粒，降低钢中的杂质 S、P、O、N 等的含量，使钢材的韧性大为提高，也提高了焊接 HAZ 的韧性。焊接热模拟试验的基本原理？答：采用灵敏而又精确的控制系统和可靠的机械系统，在此试验装置上使具有一定尺寸的小型试样，再现与实际焊接 HAZ 某一点完全一致的热，应力，应变循环，并用该试样的组织性能代表实际焊接 HAZ 某点组织性能常见的焊接冶金缺欠有哪些？工艺缺欠：咬边，未焊透，错边，角变形；冶金缺欠：气孔，焊缝中夹杂，焊后热裂纹，焊接冷裂纹；在低碳低合金钢中的析出型气孔有哪几种？产生的原因是什么？控制措施？低碳低合金钢焊缝中存在的析出型气孔主要有氢气孔和氮气孔两种。析出型气孔的原

19、因：主要是高温时熔池金属中溶解了较多的气体，凝固时由于气体的溶解度下降，气体处于饱和来不及逸出，而引起的气孔。控制措施：1.消除气体来源 2.正确选用焊接材料 3.优化焊接工艺一般低合金钢，冷裂纹为什么具有延迟现象？为什么容易在焊接 HAZ 中产生？试分析防止延迟裂纹的工艺措施？答：形成冷裂纹的三大要素：被焊钢材的淬硬组织、接头中的含氢量以及接头所处的拘束应 力状态。而氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间。 一般低合金钢焊缝 C 低于母材，热影响区相变滞后于焊缝。当焊缝由 A 转达变 F、P 时，H 的溶解度突然下降，且 H 在 F、P 中的扩散速度较快，导致

20、H 很快由焊缝越过熔合线 附近富 H，当滞后相变的 HAZ 中 AgtM 时，H 使以过饱和状态残留在 M 中，促使该处进 一步脆化，从而导致冷裂纹的产生。 防治措施： 冶金方面： （1）选择抗裂性好的钢材 从冶炼技术上提高母材的性能：多元微合金画；尽可能降低钢中有害杂质（S、P、O、 H、N 等） （2）焊接材料的选用 选用低氢或超低氢焊条：应强调焊条的烘干和防潮问题 选用低强焊条：对低碳合金钢，适当降低焊缝强度可以降低拘束应力而减轻熔合区的 负担，对防止冷裂纹有用。 选用奥氏体焊条：既可避免预热又能防止冷裂纹的产生。 特殊微量元素的应用：Te、Se、Re，Te 的降氢效果最好。 （3）选用

21、低氢的焊接方法：CO2 气体保护焊。 焊接工艺方面： 合理选择焊接线能量 正确选择预热和后热温度 多层焊层间温度和时间间隔的控制 采用低匹配焊缝 合理的焊缝分布和施焊次序在什么条件下 H 致裂纹也会在焊缝中产生？预热的作用，后热作用 ？后热能否完全取代预热？后热和焊后热处理的区别？预热：预热可以降低冷却速度，从而避免出现淬硬组织，降低残余应力，有利于扩散氧的溢出后热：（1） 减少残余应力；（2） 改善组织，降低淬透性；（3） 消除扩散氢，但对奥氏体焊缝效果不大；（4） 适当降低预热温度或代替某些结构所需的中间热处理。能否完全取代预热提高后热温度可以适当降低预热温度，对某些钢种，其甚至可以完全代

22、替预热。但对潜伏期非常短或根本无潜伏期的钢种，可能来不及进行后热就产生了冷裂纹，故对这类钢种，后热不能完全替代预热后热和焊后热处理不同：延迟裂纹有延迟期（潜伏期） ，在延迟期内即进行加热，可以避免出现延迟裂纹。故焊后后热有“抢时间”的问题，而焊后热处理都是为了改善接头使用性能，不存在“抢时间”的问题。临界冷却时间：每道焊缝冷却到 100的时间内刚好不出现冷裂纹的时间焊接热裂纹哪几种？热裂纹包括凝固裂纹，近缝区液化裂纹，多边化裂纹，高温失塑裂纹。结晶（凝固）裂纹产生要素，产生条件或形成机理？防止措施？要素：脆性温度区间 TB；塑性变形能力；应变增长率条件：焊缝在脆性区内所承受的拉伸应变大于焊缝所

23、具有的塑性或焊缝金属在脆性温度区内的塑性储备量小于零时就会产生结晶裂纹。机理：在焊缝金属凝固的后期，低熔点共晶被推向柱状晶交遇中心部位，形成液态薄膜，在焊接拉伸作用力下就可能在这个薄弱地带，即液态薄膜处开裂形成结晶裂纹防止措施：(一) 冶金因素方面1.控制焊缝中硫、磷、碳等有害杂质的含量 她们不仅能形成低熔点共晶，而且还能促使偏析，增加结晶裂纹的敏感性。应尽量控制母材和焊接材料中它们的含量，重要结构件采用碱性焊条或焊剂，可以有效控制有害杂质，防止结晶裂纹产生或降低倾向。2.改善焊缝凝固结晶、细化晶粒是提高抗裂性的重要途径 广泛采用的是办法是向焊缝中加入细化晶粒元素，如 Mo、V、Ti、Al、稀

24、土等。（二）工艺因素方面1. 焊接工艺及工艺参数 适当增加焊接线能量 E 和提高预热温度 To，即可减小焊缝金属的应变率，从而降低结晶裂纹的倾向。2. 接头形式接头形式不同将影响接头的受力状态、结晶条件和热得分布等，因而结晶裂纹的倾向也不同。3. 焊接次序 总的原则是尽量使大多数焊缝能在较小刚度的条件在焊接，使焊缝的受力较小。合金元素对结晶裂纹的影响？S.P 几乎在各类钢中都会增大凝固裂纹的倾向；C 在钢中是影响结晶裂纹的主要因素你，并加剧其他元素的有害作用；Mn 具有脱硫作用，能置换 FeS 为 MnS，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状FeS 改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性；S

25、i 是&相形成元素，应有利于消除结晶裂纹，但当 Si 含量超过 0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，降低焊缝力学性能，并增加裂纹倾向；Ni 在低合金钢中易于与 S、P 形成多种低熔点共晶，使结晶裂纹倾向增大；O 对焊缝产生结晶裂纹的影响无定论，但实验表明焊缝中有一定的含氧量能降低低硫的有害作用。临界应变倾向力 CST ？为何用 CST 来判断较合理？冷裂纹分类: 延迟裂纹（H 致裂纹） 淬硬脆化裂纹 低塑性脆化裂纹三要素: 接头中的含 H 量 淬硬组织 接头所处的拘束应力状态基本特征:产生条件:焊接接头拘束应力的分类？何为拘束度？临界拘束度？答：内拘束应力：热应力（第一类内应力） ；相变应力（第二

26、类内应力）外拘束应力:由结构自身拘束条件造成的应力。拘束度是使接头根部间隙发生单位长度的弹性位移时，单位长度焊缝所承受的力。线弹性拘 R=Eo/L(N/mm 2)可表示为 当 R 值大到一定程度时就会产生延迟裂纹，这时的 R 值称为临界约束度 Rcr层状撕裂：厚板结构焊接时，特别 T 型和角接接头，强制拘束下，焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变，当应变超过母材塑性变形能力时，夹杂物和金属基体之间就会发生分离而产生微裂，在应力继续作用下，裂纹尖端沿着夹杂物所在平面进行扩展，就形成了所谓的“平台” ，在相邻两个“平台”之间，由于不在一个平面二产生剪切应力，造成了剪切断裂，形成所谓“

27、剪切壁” 。连接这些平台和剪切壁，就构成了层状撕裂所特有的阶梯形态。由以上看来，层状撕裂产生的根本原因是在于钢材中存在较多夹杂物，而在轧制过程中，轧成平行于轧向的带状夹杂物，造成了钢材力学性能的各向异性。产生条件：1.钢中存在非金属夹杂物 2.Z 向拘束应力、焊后残余应力及负载液化裂纹：焊接热影响区的近缝区或多层焊层间，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属 含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界开裂而形成液化裂 纹。液化裂纹的液膜并非产生于凝固过程，而是由于加热过程中近缝区晶界局部熔化形成 的液膜。再热裂纹：焊后焊件在一定温度范围内再次加热而产生的裂纹。消除应力处理裂纹和应变时效裂纹的统称。