材料连接原理课后答案全

1.焊接热源有哪些共同要求？描述焊接热源主要用什么指标？(简05.07.09）答：能量密度高、快速实现焊接过程、得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。主要指标：最小加热面积、最大功率密度和正常焊接规范条件下的温度。2. 试述焊接接头的形成过程及对焊接质量的影响。答：（1）预压阶段；（2）通电加热阶段；（3）冷却结晶阶段。 对焊接质量的影响：3. 溶滴比表面积的概念及对焊接化学冶金过程的影响？答：熔滴的表面积Ag与其质量 之比称为熔滴的比表面积S。熔滴的比表面积越大，熔滴与周围介质的平均相互作用时间越长，熔滴温度越高，越有利于加强冶金反应。4. 焊条熔化系数、熔敷系数的物理意义及表达式？真正反映焊接生产率的指标是什么？答：焊条金属的平均融化速度 ：在单位时间内熔化的焊芯质量或长度；损失系数 ：在焊接过程中由于飞溅、氧化和蒸发而损失的金属质量与熔化的焊芯质量之比；平均熔敷系数 （真正反映焊接生产率的指标），由于损失系数不等于零，单位时间内真正进入焊接熔池的金属质量称为平均熔敷速度。5.试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有什么解决措施？（简05.08.10）答：药皮发红的原因：不锈钢焊芯电阻大，焊条融化系数小造成焊条融化时间长，且产生的电阻热量大，使焊条温度升高而导致药皮发红。解决措施：调整焊条药皮配方，使焊条金属由短路过渡转化为细颗粒过渡，提高焊条的融化系数，减少电阻热以降低焊条的表面升温。6. 熔合比的表达式和影响因素？多层焊时，如果各层间的熔合比是恒定的，试推导第n层焊缝金属的成分？答：表达式：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、母材热物理性能等。7.从传热学角度说明临界板厚cr的概念？某16Mn钢焊件，采用手工电弧焊，能量E=15KJ/cm求cr？答：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。8. 手工电弧焊接厚12mm的MnMoNbB钢，焊接线能量E=2kj/cm,预热温度为50度，求t8/5?附=0.29J/(cms) CP=6.7 J/(cms)9.直流正接为何比直流反接时焊缝金属熔氢量高？答：（1）直流正接：工件接正极。直流反接：工件接负极。 （2）带电质点H+ 在电场作用下只溶于阴极 （3）处于阴极的熔滴不仅温度高而且比比表面积大，其溶氢量大于熔池处于阴极时的溶氢量。10.一：试简述氮对低碳合金钢焊缝金属性能的影响？（简05.07.08.09.10）答：（1）N引起焊缝金属时效脆化，使焊缝金属强度提高，塑性韧性降低，尤其是低温韧性； （2）促使焊缝产生氮气孔； （3）N有时是有益的，但必须有弥散强化元素存在并在正火条件下使用。控制含氮量的措施： （1）焊接区中的氮主要来自空气，必须加强对焊接区机械保护 （2）合理选择焊接工艺参数 （3）利用合金元素控制焊缝含氮量。碳的氧化引起熔池沸腾，有利于氮逸出，同时炭氧化生成CO、CO2，加强焊接区保护降低氮的分压，因此碳可降低氮在金属中的溶解度；选含有能够生成氮化物元素的焊丝进行焊接，这些元素与氮的亲和力大易形成稳定的氮化物，并通过熔渣排出氮化物，因此有效的控制焊缝中的含氮量。 综上所述，加强保护是控制焊缝含氮量的最有效措施。二：试简述氢对结构钢焊接质量的影响？答：氢脆；白点；气孔；冷裂纹；组织变化。控制含氢量措施： （1）限制氢的来源：限制焊接材料中的含氢量，焊前要对焊条和焊剂进行严格的烘干；气体保护焊所用的气体，焊丝和工件表面的油污、铁锈和水分都是氢的重要来源。 （2）进行冶金处理：通过适当的化学冶金反应，降低气相中的氢分压，从而降低氢在液态金属中的溶解度 （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或稀散元素 （5）控制焊接工艺参数 （6）焊后脱氧处理：焊后把工件加热到一定温度，促使氢扩散外逸总之，对氢的控制首先应限制氢的来源；其次应防止氢溶入金属；最后应对溶入金属的氢进行脱氧处理。三：试简述氧对焊接质量的影响？答：（1）随着焊缝含氧量增加，焊缝强度、塑性、韧性下降；尤其是焊缝的低温冲击韧性急剧下降，引起焊缝红脆、冷脆，时效硬化倾向增加； （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）造成金属飞溅，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； 综上，氧对焊接过程及焊缝是有害的，但在特殊情况下具有氧化性是有利的。11.试以硅的沉淀脱氧为例，叙述提高脱氧效果的途径？（简08）答：（1）硅的百分含量升高，氧化亚铁的百分含量降低（2）B增加和减少渣中的二氧化硅，二氧化硅百分含量降低，氧化亚铁的百分含量降低（3）温度降低，反应向右进行，氧化亚铁的百分含量降低12.为何酸性焊条宜用锰铁脱氧？而碱性焊条宜用硅锰联合脱氧？为什么要控制WMn/WSi的比值？（问06.09.11）答：增加锰在金属中的含量，或减少MnO的活度，都可以提高脱氧效果。 酸性焊条宜用锰铁脱氧：Mn+FeO=Fe+(MnO)，在酸性渣中含SiO2和TiO2较多，脱氧产物转化为MnOSiO2和MnOTiO2复合物,减少了MnO的活度系数，提高了脱氧效果。 碱性焊条宜用硅锰联合脱氧：在碱性渣中MnO活度系数较大，不利于Mn的脱氧，而且碱度越大，脱氧效果越差。故碱性焊条不宜用锰铁脱氧。Si+2FeO=2Fe+(SiO2),SiO2与MnO生成复合物MnOSiO2，使MnO活度系数降低。而MnOSiO2密度小、熔点低，易易于上浮到渣中，故碱性焊条宜用硅锰联合脱氧。 WMn/WSi过大，出现固态MnO；WMn/WSi过小，出现固态SiO2；均会导致焊缝中夹杂物过多，只有WMn/WSi合理时，才会生成低熔点的不饱和液态硅酸盐，使焊缝中的含氧量降低。13.酸型焊条熔敷金属为何氧含量较高？（简09）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14.试简述低氢焊条熔敷金属含氢量低的原因？（简05.10）答：（1）药皮中不含有机物，清除了一个主要氢源； （2）药皮中加入了大量的造气剂CaCO3、降低了PH2； （3）CaF2的去氢作用； （4）焊条的烘干温度高。15.为什么碱性焊条对铁锈和氧化皮的敏感性大？而碱性焊条焊缝含氢量比酸性焊条低？答：碱性焊条熔渣中含SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，FeO的活度大，易向焊缝金属扩散，使焊缝增氧。因此在碱性焊条药皮中一般不加入含FeO的物质，并要求清除焊件表面的铁锈和氧化皮，否则不仅会增加焊缝中的氧，还可能产生气孔等缺陷，所以碱性焊条对铁锈和氧化皮的敏感性大。碱性焊条焊缝含氧量比酸性焊条低，是因为碱性焊条的药皮氧化势小的缘故。16. J422焊条药皮中含W（TiO2）=28%，W(SiO2)=26.5%，W(CaO)=10.6%，W(锰铁)=12%，焊芯含WSi=0.02%，WO=0.01%，而熔敷金属中却含WSi=0.15%，WO=0.05%，试分析其原因。答：该焊条酸性焊条，焊后视像为Si和O含量增多，熔渣与液态铁发生渗硅反应，酸性焊条有利于渗碳（SiO2）+2Fe=Si+2FeO。反应结果使焊缝中增加Si.FeO大部分进入熔渣，一小部分进入液态钢中使焊缝增氧。4（TiO2）=2Ti2O3+O2释放出O2，该气氛中的氧化性气体使铁氧化存在置换氧化，其中熔渣中（SiO2）.（TiO2）的置换氧化是主要增氧的途径。熔渣中含有的大量SiO2及Mn-Fe增加了渗硅反应的可能性，渗硅反应较激烈使Si大大增加。17. 综合分析熔渣的碱度对金属的氧化、脱氧、脱硫、脱磷、合金过渡的影响。答：氧化：碱性渣使FeO更易向金属分配；脱氧：碱性渣使FeO活度大，扩散脱氧能力比酸性渣差；脱硫：碱性渣中MnO、CaO及MgO含量多利于脱硫；脱磷：增加熔渣的碱性可减少焊缝中的含磷量，酸性渣脱磷效果较差；合金过渡：当合金元素的氧化物与熔渣酸碱的性质一致时，有利于合金元素的过渡，使过渡系数提高。18. 试分析说明钛钙型（J422）焊条与碱性低氢型（J427）焊条，在使用工艺性和焊缝力学性能方面有哪些差别？答：其他工艺性能如全位置焊接性，融化系数等差别不大。机械性能对比：钛钙型（J422）： S、P、N控制较差，冷脆性、热裂纹倾向大；【O】高，氧化夹杂多，韧性低；【H】高，抗冷裂能力差碱性低氢型（J4277）： 杂质S、P、N低；【O】低，氧化夹杂少；【H】低故低氢型焊条的塑性，韧性及抗裂性较酸性的钛钙型大大提高，但其焊接工艺性能较差，对于铁锈，油污，水份等很敏感。19.试简述药芯焊丝的特性？（简05.10）答：（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面； （4）综合成本低。20.CO2焊接低合金钢一般选用何种焊丝？试分析其原因？（问05.08.10）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。21. 焊接熔池的结晶和铸锭的结晶过程有何区别？答：焊接熔池的熔池温度高，存在时间短，冶金过程进行不充分，氧化严重，热影响区大，冷却速度快，洁净易生成粗大的柱状晶。22.试简述接头偏析的种类和产生原因？（简08）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引起的。 （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：收弧处熔池未能填满，凝固时大量杂质无法排出及成分扩散不均匀而导致偏析。23. 微量Ti、B改善焊缝金属韧性的机理？（简09）答：一Ti和氧的亲和力很大，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，促进焊缝金属晶粒细化。这些小颗粒的TiO还可以作为针状铁素体的形核质点，在 转变阶段促进形成针状铁素体。二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，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，改善焊缝组织的韧性。但是Ti和B的最佳含量和氧、氮的含量有关。24. 如16Mn母材中含有较高的S、P，应如何保证焊缝金属韧性？答：1.为减少焊缝含硫量，选择对刘亲和力比铁大的元素脱硫；2.在焊接化学冶金中常利用熔渣中的碱性氧化物，如MnO、CaO、MgO进行脱硫3.同时增加渣中CaO和FeB的含量，有利于脱磷4.增加熔渣的碱度，可以提高脱硫脱磷的能力。25.以低碳钢焊接为例，综述提高焊缝金属韧性的冶金手段、焊接工艺手段及焊后措施？（问05.08.10）答：（1）冶金：只有Mn、Si含量适中，焊缝组织为细针状铁素体，才能提高韧性；适量加入Nb和V可提高焊缝金属冲击韧性；低合金钢焊缝中Ti、B存在可大幅提高韧性；低合金钢焊缝中有少量Mo不急提高强度，同时也能改善韧性；稀土元素能改善焊缝金属韧性。（2）工艺：焊接线能量、焊接材料、接头形式、多层焊接、振动结晶、锤击焊道表面、跟踪回火。（3）焊后应进行热处理。26.焊接热循环与热处理相比有何特点？试用这些特点分别比较45钢和40Cr在热处理条件下近缝区的淬透性大小？（问05.10） 答：焊接热循环特点：加热温度高加热速度快高温停留时间短自然冷却局部加热： 淬透性比较：45钢-焊接条件下近缝区的淬透性大于热处理的淬透性，40Cr-相反45钢由于不含碳化物形成元素，焊接条件下近缝区峰值温度高，使奥氏体晶粒粗化，增大奥氏体稳定性，故淬透性和热处理相比反而大。40Cr在焊接快速加热条件下，高温停留时间短，碳化物形成元素不能充分溶解到奥氏体中，奥氏体的稳定化程度不如热处理条件，故淬透性小。27.简要说明不易淬火钢和易淬火钢粗晶区的组织特点和对性能的影响？（简05.08.10）答：不易淬火钢 ：组织特点：晶粒粗大，易出现魏氏组织；性能：塑性，韧性低，易产生脆化和裂纹 易淬火钢：组织特点：粗大的马氏体；性能：该区脆硬，易产生延迟裂纹28.试分析钢种淬硬倾向的影响因素？用什么指标衡量高强钢的淬硬倾向比较合理？（简11）答：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。29. 试分析焊接热影响区的脆化类型及防治措施？答：（1）脆化类型：粗晶脆化、析出脆化、组织转变脆化、热应变时效脆化；（2）防治措施：控制组织：通过控制焊接热循环控制最佳t8/5，既要防治过热导致的晶粒粗化又要防治极冷而致硬化。影响焊接热循环的主要参数是线能量、是憨温度、预热以及接头尺寸形状。在接头形式一定的条件下，主要是调节线能量、预热、后热温度以寻求最佳焊接热循环。焊后热处理：对于一些重要的结构，常采用憨厚热处理来改善接头性能。30.试分析如何控制低合金高强度刚焊接HAZ的韧性？（问08）答：（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）采用焊后热处理来改善接头的韧性。（4）研制新的钢种，进一步细化晶粒，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。31.试简述H2、CO气孔的产生原因、特征及防止措施？（简08.09.11 问06.09）答：H2（析出型气孔）：由于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突然下将，气体处于过饱和来不及逸出而引起的气孔。特征：通常出现在焊缝表面，气孔的断面形状如同螺钉装，从表面看呈喇叭口形，内壁光滑。CO气孔（反应型气孔）：钢焊接时，钢中的氧或氧化物与碳反应后能生成大量CO； C+O=CO (1) FeO+C=CO+Fe (2)如果这些反应发生在高温液态金属中,则由于CO完全不能溶于钢液,将以气泡的形式从熔池金属中高速上浮逸出,不易形成气孔,但当熔池冷却凝固时，熔池金属粘度迅速增大，故生成的CO气泡很难浮出，尤其在树枝晶凹陷处产生的更难逸出称为残留在焊缝中沿结晶方向分布的条虫状内气孔。防治措施：应该限制熔池中气体的溶入或产生以及排除熔池中已溶入的气体。（1） 消除气体来源：工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈、油污和水分均可在焊接过程中向熔池中提供氧和氢；焊条与焊剂受潮或烘干不足而残留的水分；空气入侵熔池是气孔来源之一。（2） 正确选用焊接材料：控制熔渣的氧化性和还原性的平衡（3） 优化焊接工艺：焊接工艺参数主要有焊接电流、电压和焊接速度等。一般交流焊时比直流焊时气孔倾向大，而直流反接比正接时气孔倾向小。32.有一种碱性焊条（J507），在出厂检验时，焊缝中没有气孔，但在产品施工焊接时，发现焊缝中有大量气孔，分析可能那些原因导致气孔？（问07）答：（1）焊件清理不充分，存在铁锈，氧化铁皮，油污和水分等杂质。（2）焊条受潮或烘干不足，烘干后放置时间过长等。（3）焊接规范不当，如电压过高，焊速过快，电弧不稳等。（4）电流极性不合理，直流正接较反接是气孔倾向大。33.用H08A焊丝和HJ431焊剂埋弧自动焊接沸腾钢时，虽经仔细除锈但还常出现气孔，试分析其原因，应采取何种措施防止气孔？答：低碳钢焊丝中没有Mn和Si不能脱氧，被焊材料含氧量高除氧不完全，与C结合生成CO溢出形成气孔措施：应选用Si、Mn等脱氧元素含量较高的焊丝，常用的如：H08Mn2SiA。消除气体来源：工件及焊丝表面的氧化膜、铁锈、油污和水分均可在焊接过程中向熔池中提供氧和氢；焊条与焊剂受潮或烘干不足而残留的水分；空气入侵熔池是气孔来源之一。正确选用焊接材料：控制熔渣的氧化性和还原性的平衡优化焊接工艺：焊接工艺参数主要有焊接电流、电压和焊接速度等。一般交流焊时比直流焊时气孔倾向大，而直流反接比正接时气孔倾向小。34.焊接结晶裂纹的形成机理及防治措施?（问06.09.11）答：结晶裂纹形成机理：在焊缝金属凝固结晶的后期，低熔点共晶被推向柱状晶交遇中心部位，形成液态薄膜；在焊接拉伸应力作用下，就可能在这个薄弱地带即液态薄膜处开裂形成结晶裂纹。液态薄膜根本原因；拉伸应力必要条件。防止结晶裂纹的措施：（1） 冶金因素：主要是合金状态图的类型、化学成分和结晶组织形态结晶裂纹倾向的大小随合金状态图结晶温度区间的增大而增加，但合金元素进一步增加裂纹倾向会随之降低初生相的结构能影响杂质的偏析和晶间层的性质，从而影响凝固裂纹的倾向。初生相的晶粒大小、形态和方向也会影响其倾向。向焊缝中加入细化晶粒元素以改善焊缝凝固结晶、细化晶粒可以提高抗裂性。合金元素是影响裂纹最本质的因素。（2） 工艺因素：工艺因素主要是合理选择焊接材料和控制焊接参数，从而减少有害杂质偏析及降低应变增长率。对于一些易于向焊缝专一某些有害杂质的母材，焊接时应尽量减小熔合比，或开大坡口，减小熔深，甚至堆焊隔离层。合理调节焊接参数（焊接电流、电压和焊接速度）控制成形系数 。减小焊接电流或线能量以减小过热，有利于改善抗裂性，但也须避免冷却速度偏大，以致变形速率增大，反而不利于防止热裂纹。为防止接头产生热裂纹，尽可能减少应变量及应变增长率；施焊顺序不合理时，最后几条焊缝处于被拘束状态，不能自已收缩，易促使裂纹产生。35. 为什么采用CST（临界应变增长率）为判据来比较金属材料的热烈倾向更为合理？用脆性温度区间来作判据如何？（问07）答：因为不同的材料，不仅脆性温区区间 的大小不同，最低塑形 的变化也不同，产生裂纹的临界应变增长率CST也各不相同，所以在考察裂纹敏感性时必须综合考虑脆性温度区间（ ）、最低塑形（ ）及应变增长率（ ）的影响。根据以上分析可知，用CST作为判据更合适，因为 或 都不能单独用来反映材料的裂纹敏感性。为防止产生裂纹必须满足条件，即36.试简述液化裂纹的形成机理？（简08 问07）答：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。37.一般低合金钢，冷裂纹为什么具有延迟现象？延迟裂纹为何易在近缝区产生？试分析防止延迟裂纹的措施？（问05.06.08.10.11）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H很快由焊缝越过熔合线附近富H，当滞后相变的HAZ中AM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38.试简述在什么条件下，氢致裂纹也会在焊缝中产生？（简06.09）答：焊缝合金成分复杂的超高强度钢和异种钢焊接