焊接冶金原理作业讲评(二))

作业讲评（二）

1、焊接接头的形成要经历加热、熔化、冶金反应、熔池凝固、固态相变五个阶段。

2、结晶的驱动力与过冷度成正比，过冷度越大，结晶的驱动力就越大。

3、液态薄膜是结晶裂纹形成的内因，拉伸应力是裂纹形成的必要条件。

4、手工电弧焊时有三个反应区：药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。

5、焊接溶池凝固与一般铸锭凝固相比，具有以下特点：（1）体积小；（2）过热度高；（3）熔化和凝固同时进行。

6、测得熔渣的化学成分为：SiO2 25.1%, TiO2 30.2%, CaO 8.8%, MgO 5.2%, MnO 13.7%, FeO 9.5%, Al2O3 3.5%，计算得B2为-1.16，则该熔渣为酸性渣。

7、同种钢材焊接时，焊条选用要求焊缝金属与母材强度相等，熔敷金属的抗拉强度应等于或稍高于母材，合金成分与母材相同或接近。

8、改善焊缝金属性能的途径有很多，主要是焊缝就是固溶强化、变质处理（向焊缝中添加合金元素）、调整焊接工艺。

9、焊缝中气孔的形成过程是由形核、长大和上浮三个相互联系而又彼此不同的阶段构成。

10、硫在熔池凝固时容易发生偏析，以低熔点共晶的形式呈片状或链状分布于晶界。因此增加了焊接金属产生结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧性和抗腐蚀性。控制硫的主要措施：(1)限制焊接材料中的含硫量；(2)用冶金方法脱硫。

1．焊接区内气体的主要来源是什么？它们是怎样产生的？

答：（1）焊接材料：焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中造气剂。直接输送进入焊接区。（2）热源周围的气体介质：不可避免，侵入焊接区（真空除外）

（3）焊丝和母材表面上铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等（直接输送）

（4）焊接过程中所进行物化反应产生气体。

2.试述熔池在结晶过程中，晶粒成长方向与晶粒主轴成长的平均线速度和焊接速度的关系。

答：熔池结晶过程中，晶粒成长方向与最快散热方向一致，垂直于结晶等温面；因结晶等温面是曲面，晶粒成长方向的主轴必然弯曲，并指向焊缝中心。晶粒成长的平均线速度R和焊接速度V的关系为：R=Vcosθ，θ为R和V的夹角。

3.低合金钢焊缝组织CCT曲线如图，写出在No.2、No.7和No.9室温下的焊缝组织和硬度值。

答：No.2的焊缝组织为：AF+B+M，硬度值为HV278；

No.7的焊缝组织为：PF+FSP+P，硬度值为HV140；

No.9的焊缝组织为：PF+FSP+P，硬度值为HV123。

4.如何防止焊缝中夹杂物的产生？

答：①防止焊缝中产生夹杂物最重要的措施就是正确选用焊条和焊剂，使其更好地脱氧、脱硫等。②采用适当的焊接工艺操作，如选用适宜焊接工艺参数，以利于熔渣的浮出；

③多层焊时，应注意清除前层焊缝的熔渣；④适当摆动焊条，注意保护熔池以免空气侵入。

5.焊接热循环不同于热处理过程的特点是什么？

答：焊接热循环和热处理都是金属材料先升温再降温的过程，但两者不同之处在于焊接热循环具有以下特点：①加热温度高，一般超过Ac

以上100～200℃；②加热速度快：

3

以上保热源强烈集中，加热速度比热处理快几十至几百倍。③高温停留时间短，在Ac

3

温的时间很短（一般手工焊约为4～20s，埋弧焊时30～100s），而热处理的可以根据需要任意控制保温时间。④焊后一般在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。而热处理可以根据需要控制冷却速度，或是在冷却过程中的不同阶段进行保温。⑤局部加热：焊接组织转变是在应力作用下进行的，并且转变的过程是不均匀的。

6、液化裂纹和多边化裂纹在本质上的有何区别？

答：液化裂纹是被焊金属中低熔点共晶被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂引起的。液化裂纹主要发生在含S、P、C较多的镍铬高强钢、奥氏体钢以及某些镍基合金的热影响区或多层焊层间部位。而多边化裂纹则是在高温和应力作用下，晶格缺陷发生移动和聚集，形成二次边界，即所谓“多边化边界”。因边界上堆积了大量的晶格缺陷，故在高温下处于低塑性状态，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界开裂，产生所谓“多边化裂纹”。多边化裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或热影响区。这种裂纹是由于晶格缺陷移动聚集，而与低熔点共晶无关，这是它与液化裂纹本质的不同。

7.认读 6Mn钢焊接热循环峰值温度为1300℃时的CCT曲线图。（对比图3-55）

8、简述CO 气孔的形成原因、特征及如何防止。

答：① CO 气孔主要是在焊接碳钢时，由于冶金反应产生了大量的 CO ，CO 不溶于金属；②在结晶过程中，熔池金属的粘度不断增大，CO 不易逸出，很容易被围困在晶粒之间，特别是在树枝状晶体凹陷最低处产生的 CO 更不易逸出。③ CO 产生这种反应是吸热过程，会促使凝固加快，因而由 CO 形成的气泡来不及逸出时便产生了气孔。④由于CO 形成的气泡是在结晶过程中产生的，因此，气孔沿结晶方向分布，有些像条虫状卧在焊缝内部。防止措施：一般可以采用气体保护、纯化焊接材料、降低熔渣氧化性和控制焊接工艺参数，加快冷却速度。

9、综合分析碱性焊条药皮中CaF2的作用及对焊缝的性能的影响。

答：（1）造渣。在碱性渣中加入CaF2能促进CaO熔化，降低非均匀相碱性渣和酸性渣的粘度。因为CaF2在渣中产生F-，而F-能破坏Si-O键，减小其尺寸。

（2）脱硫。CaF2能降低熔渣的液面张力和粘度，有利于S2-的扩散，同时易形成挥发的SF6因而有利于脱S；

（3）脱磷。在碱性熔渣中加入CaF2有利于脱P，这是因为CaF2在渣中形成的Ca2+，与渣中P2O5反应生成(CaO)3?P2O5进入熔渣，有利于脱P。

（4）脱氢。渣中CaF2与可以与熔渣中的OH离子反应，生成HF气体，使H2O在渣中的溶解度下降，以降低H气孔生成的倾向。

对焊缝性能的影响：提高韧性和塑性，消除氢气孔，并抑制冷裂纹的产生，提高焊缝金属的机械性能。

10、试述焊接冷裂纹的特征以及其影响因素。

答：冷裂纹是焊接生产中较为普遍的一种裂纹，它是在焊后冷却过程中，在Ms点附近或更低的温度区间逐渐产生的，也有的要推迟很久才产生。冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区，发生位置一般均在HAZ中的熔合区或物理化学性能不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹的断裂，有时沿晶断裂，有时穿晶断裂，而且常常可见到沿晶和穿晶的混合断裂，且断口是具有金属光泽的脆性断口。根据被焊钢种和结构的不同，冷裂纹可分为以下三类：氢致裂纹（延迟裂纹）、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。

产生冷裂纹主要影响因素：①钢种的淬硬倾向、②熔敷金属中的扩散氢含量、③焊接接头的应力状态。当焊缝和热影响区中有对氢敏感的高碳马氏体组织形成，又有一定数量的扩散氢时，在焊接拘束应力的作用下，就可能产生氢致裂纹。

11、分析结晶裂纹成因及其防止措施。

答：结晶裂纹是焊缝结晶过程中，由于先结晶的金属较纯，后结晶的金属杂质较多且富集在晶界。一般来讲，这些杂质所形成的共晶都具有较低的熔点，例如，当碳钢或低合金钢的焊缝含硫量偏高时，能形成 FeS，FeS与Fe能形成低熔点共晶，熔点只有988℃。这些低熔点共晶在焊缝凝固过程中被排挤在晶界形成一种所谓“液态薄膜”。此时，焊缝凝固过程中由于收缩使焊缝受到了拉伸应力，焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带。根据金属断裂理论，在高温阶段当金属晶间延性或塑性变形能力δmin不足以承受当时发生的应变ε时，即发生高温沿晶断裂。

影响热裂纹的因素从本质上可分冶金因素和力学因素两方面，因此，其防止措施可以分为以下两个方面：（1）冶金措施，金属的化学成分对结晶裂纹的产生具有决定性的影响。用冶金方法提高抗热裂性能就是通过调整焊缝的化学成分来控制液态薄膜或改善焊缝金属的组织状态，以便提高金属在脆性温度区的塑性。A 限制焊缝中有害杂质含量。焊接低碳钢、低合金及不锈钢时，碳、硫、磷是最有害的元素，它们使结晶温度区间大大增加，而增大T B，且在钢中都具有易偏析的特性，故

结晶裂纹倾向显著增大。因此，低碳钢和低合金钢中的硫、磷含量一般限制在0.03～0.04％以下，焊丝含碳量一般不得超过0.12%。高合金钢中的硫、磷含量必须限制在0.03%以下，焊丝中的含碳量限制更严格，有时甚至采用超低碳焊丝（C＜0.03％）。除了严格限制母材中硫、磷含量外，重要的焊接结构应采用脱硫、磷能力强的碱性焊条或焊剂，以减少结晶裂纹的倾向。

B 改善焊缝结晶形态焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对抗裂性都有很大的影响。晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产生热裂纹的倾向就越大。为此，常在焊缝及母材中加入一些细化晶粒元素，如Mo、V、Ti、Nb、Zr、Al、RE等，一方面使晶粒细化，增加晶界面积，减少了杂质的集中程度，另一方面又打乱了柱状晶的结晶方向，破坏了液态薄膜的连续性，从而提高抗裂性能。同时，调整焊缝的一次组织及改变相的组成也能提高抗热裂性能。例如焊接单相铬镍奥氏体钢时，加入少量铁素体化元素，形成γ＋δ双相组织（δ相数量一般控制在5％左右），能够打乱枝晶方向，隔断液态薄膜，增强晶界的联系，防止结晶裂纹的产生。

(2) 工艺措施方面：焊接时影响热裂纹倾向的因素很多，如焊接工艺及规范、接头型式、焊接顺序、温度等。A 焊接工艺及规范焊接时控制线能量可改善热循环及降低冷却速度，从而减小焊接应力。具体措施是焊前预热或采用大的焊接线能量。B 接头型式接头型式影响散热条件和结晶特点。堆焊和熔深较浅的对接接头因焊缝形状系数较大，低熔共晶物的分布与焊接收缩方向一致，热裂倾向很小。熔深较大的对接接头和各种角焊缝由于焊缝形状系数的调节受限且散热不均匀，热裂倾向较大。C 采用合理的焊接顺序对于同样的焊接材料和焊接规范，若焊接次序不同，热裂倾向也不同。合理的焊接次序应尽量保证多数焊缝不在拘束条件下焊接，以最大限度地减少焊接应力。

12、试述熔池的结晶形态，并分析结晶速度、温度梯度和浓度对结晶形态的影响。

答：从宏观看，焊缝的晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶。如果在显微镜下看，还可以发现，每个柱状晶内还有不同的结晶形态，如平面晶、胞晶、树枝晶等，而等轴晶内一般都是树枝晶。这些柱状晶或等轴晶内部的微观形状称为亚晶。结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度C0，结晶速度R和液相中的温度梯度G。它们对结晶形态的影响。具体见图。由图可知，

对熔池结晶而言，在熔合区，结晶速度R小，温度梯度G大，故G/R大，且先结晶的金属纯度高，溶质浓度低，故熔合区的结晶形态主要是平面晶。

随着结晶过程向焊缝中心推移，结晶速度R逐渐增加，温度梯度G逐渐减小，溶质浓度逐渐升高，结晶形态由胞状晶、胞状树枝晶向树枝晶转变，最后在焊缝中心，随

着R增大，G减小，进入等轴晶区。

13、试述低合金钢焊缝固态相变的特点，根据组织特征如何获得有益组织和避免有害组织?

答：焊缝是处于非平衡状态下的凝固与相变，是铸态组织，焊缝气体含量和氧含量均比母材高。与低碳钢焊缝金属组织比较，低合金钢焊缝组织要复杂得多，随匹配材料的比例、与母材混合后化学成分和冷却条件不同，可出现不同组织。具体为：

(1)合金元素多除碳、锰、硅固溶强化外，还采取其他合金元素；这些元素通过固溶强化、细晶强化、沉淀硬化等方式，出现在不同的组织中，如铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体。

(2)低合金钢焊缝中某些相变在一定条件下将被抑制，如珠光体。珠光体属于典型的中温扩散型相变，在焊接条件下，除非很缓慢冷却，一般很难得到珠光体。在有B、Ti 等其他细化晶粒元素时，珠光体转变全部受到抑制。同时，珠光体转变受到抑制将扩大铁素体和贝氏体转变区域；

(3)对于低合金钢焊缝中的F、P，与低碳钢的虽然组织结构相同，但形态上有很大的差别，因此性能不同。

根据钢焊缝成分和冷却速度不同，焊缝组织一般有四种组织形态：

一、铁素体：主要有先共析铁素体（PF）和侧板条铁素体（FSP），针状铁素体（AF），细晶铁素体（FGF）。其中，PF和FSP组织粗大，降低金属韧性，应减少组织中含量而提高AF和FGF含量；

二、贝氏体：一般分为上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体和条状贝氏体四种，其中，上贝氏体具有铁素体晶粒和碳化物粗大，方向性明显等特点，容易产生组织脆断，应减少其含量；而下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，位错密度高，还有弥散碳化物析出，因此，具有强度高、韧性好的特点，具有良好的综合力学性能；粒状贝氏体中无论残留A、马氏体还是奥氏体的分解产物，都可以起到第二相强化作用；

三、珠光体：珠光体为F和碳化物层间片层相间的机械混合物，可以分为层状、粒状和细珠状珠光体。其力学性能主要取决于片间距离，片间距离越小，塑性变形能力越大。与片状珠光体相比，粒状珠光体强度和韧性均高，具有良好的综合性能。

四、马氏体：马氏体可以分为板条马氏体（低碳马氏体）、片状马氏体（高碳马氏体、孪晶马氏体）和M-A组元；其中，马氏体相变属于典型无扩散相变，无论板条马氏体还是片状马氏体，均具有高强高硬度特点，但韧性主要取决于它的亚结构，相同条件下，低碳马氏体比高碳马氏体韧性好得多，因此，板条马氏体具有很高的强度和良好的韧性；而孪晶马氏体特点是硬而脆，应尽量避免。