焊接冶金学题

一.名词解释

1.焊接：被焊工件的材质(同质或异质)，通过加热或加压

或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性的连接的工艺过程。

2.熔合比：在焊缝金属中局部融化的母材所占的比例称为熔

合比。

3.交互结晶：熔合区附近加热到半融化状态基本金属的晶粒

表面，非自发形核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心生长，形成所谓交互结晶。

4.焊缝扩散氢：由于氢原子和离子的半径很小，这一部分氢

可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称扩散氢。

5.拘束度：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性

位移所需的力。

6.熔敷系数：真正反映焊接生产率的指标。g/(A*H)在熔焊

过程中，单位电流，单位时间内，焊芯熔敷在焊件上的金属量。

7.熔敷比表面积：熔滴的表面积Ag与其质量pVg之比。

8.应力腐蚀：金属材料在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下

产生的一种延迟破坏现象，称为应力腐蚀。

9.层状撕裂：大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的厚度

方向出现较大的拉伸应力，如果钢中有较多的杂质，那么沿钢板轧制方向出现一种台阶状的裂纹，称为层状撕裂。

10.再热裂纹：焊后再加热，为了消除应力退火或在高温工作

时500-700摄氏度产生的裂纹。

11.热影响区：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组

织和性能变化的区域。

12.热循环曲线：焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点

温度由低而高，达到峰值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。

13.焊接线能量：热源功率q与焊接速度v之比。

14.热裂纹:是在焊接高温时晶沿界断裂产生的。冷裂纹：是

焊后冷至较低温度产生的。

二.简答

1.氢对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氢量的主要措施

是什么？

a.氢脆，氢在室温附近使钢的塑性严重下降。

b.白点，碳钢

和低合金钢焊缝，如含氢量高常常在拉伸或弯曲断面上出现银白色局部脆断点。c.形成气孔，熔池吸收大量的氢，凝固时由于溶解度突然下降，使氢处于饱和状态，会产生氢气且不溶于液态金属，形成气泡产生气孔。d.氢促使产生冷裂纹。措施：a.限制焊接材料中的氢含量，制造低氢和超低氢型焊接材料和焊剂时，应尽量选用不含或含氢量少的材料。b.清除焊件和焊丝表面上的铁锈，油污，吸附水等杂质。c.冶金处理：在药皮中加入氟化物，控制焊接

材料的氧化还原势，在药皮或焊芯中加入微量的稀土和稀散元素，控制焊接工艺参数，焊后除氢处理。

2.氮对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施

是什么？

a在碳钢焊缝中氮是有害的杂质，是促使焊缝产生气孔的主要原因。b氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度，降低塑性和韧性的元素。c氮是促使焊缝金属时效脆化的元素。措施：a焊接区保护的影响，液态金属脱氮比较困难，所以控制氮的主要措施是加强保护，防止空气和金属作用。b焊接参数影响，增加电弧电压。导致保护变坏，氮与熔滴的作用时间增长，故使含氮量增加，在熔渣保护不良情况下，电弧长度对焊缝含氮量影响显著，为减少含氮量应采用短弧焊，增加电流，熔滴过度频率增加，氮与熔滴作用时间缩短含氮量下降，增加焊丝直径可是含氮量下降。c合金元素的影响，增加焊丝或药皮中的含碳量可降低含氮量。

3.CO2保护焊焊接低合金时，应采用什么焊丝？为什么？

H08AMn2Si,。用普通焊丝时，焊丝中Mn，Si含量不足，起脱氧作用会很差，由于碳的氧化在焊缝中产生气孔，同时合金元素烧损，焊缝含氧量增大，所以CO2保护焊焊接应用H08AMn2Si型焊丝，以利于脱氧获得优质焊缝。

4.为什么酸性焊条用锰铁作为脱氧剂，而碱性焊条用硅铁，

锰铁和钛铁作为脱氧剂？

在酸性渣中含有较多的SiO2和TiO2，他们与脱氧产物MnO 生成复合物MnO. SiO2和MnO.TiO2,从而使γMnO减小，因此脱氧效果较好。相反，在碱性渣中γMnO较大，不利于锰脱氧，且碱度越大，锰脱氧越差，由于这个原因一般酸性焊条用锰铁做脱氧，而碱性焊条不单独用锰铁脱氧。

5.综合分析熔渣中的CaF2对焊接化学冶金中所起的作用？：造渣。药皮中的CaF2高温可分解出氟，或者与水玻璃等化合物形成NaF、KF，再与含氢物质形成不溶于金属的HF。这样就使焊缝中的含氢量极低。所获得焊缝金属的塑性、韧性好，具有良好的抗裂性，使用于焊接重要的焊接结构和大多数的合金钢。

6.综合分析碱性焊条药皮中CaF2所起的作用及对焊缝性能

的影响？

可发生反应：CaF2+2H= Ca+2HF，CaF2 +H2O= CaO+2HF，反映获得的产物HF是比较稳定的气体，高温时不易发生分解，也不溶于液体金属中，由于HF生成后与焊接烟尘一起挥发了,所以降低了熔池金属中的含氢量。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。

7.是对比分析酸性焊条及碱性焊条的工艺性能，冶金性能和

焊缝金属的力学性能?

1酸性焊条它是药皮中含有多量酸性氧化物的焊条。这类焊条的工艺性能好，其焊缝外表成形美观、波纹细密。由于药皮中含有较多的Feo、Ti02、SiO2：等成分，所以熔渣的氧化性强。酸性焊条一般均可采用交、直流电源施焊。典型的酸性焊条为E4303(J422)。

2．碱性焊条焊接时稳弧性不好只好采用直流反接进行焊接，它的脱渣性较差。它是药皮中含有多量碱性氧化物的焊条。由于焊条药皮中含有较多的大理石、萤石等成分，它们在焊接冶金反应中生成C02和HF，因此降低了焊缝中的含氢量。所以碱性焊条又称为低氢焊条。碱性焊条的焊缝具有较高的塑性和冲击韧度值，一般承受动裁的焊件或刚性较大的重要结构均采用碱性焊条施工。典型的碱性焊条为E5015(J507)。

8.低氢型焊条为什么对于铁锈，油污，水分很敏感？

由于这类焊条的熔渣不具备氧化性，所以一旦有氢侵入熔池将很难脱出。所以，低氢型焊条对于铁锈油污水分很敏感。

9.简述熔池的结晶形态，分析结晶速度，温度梯度和溶质形

态影响？

晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶，每个柱状晶有不同的结晶形态（平面晶，胞晶，树枝状晶）等轴晶一般呈树枝晶。

在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，故成分过冷接近于0，所以平面结晶得到发展，随着远离熔化边界向焊缝中心过渡时，温度梯度G变小，而结晶速度增大，所以结晶形态将由平面晶和胞状晶树枝胞状晶一直到等轴晶发展。

10.分析焊缝和融合区的化学不均匀性，为什么会形成这

种不均匀性？

在熔池结晶的过程中，由于冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的，出现偏析现象。与此同时，再熔合区还出现更为明显的成分不均匀。1，显微偏析：先结晶的固相含溶质的浓度较低，后结晶的溶质浓度较高，并有较多的杂质，固相内成分来不及扩散，保持着结晶有先后所产生的化学成分不稳定性。2.区域偏析：由于柱状晶体继续长大和推移，此时会把溶质或杂质推向熔池中心，熔池中心的杂质浓度逐渐升高，致使最后凝固的部位产生比较严重的区域偏析。3.层状偏析：由于结晶过程放出潜热和熔滴热能输入周期性变化，致使凝固界面的液体金属成分也发生周期性的变化。

11.某厂焊接带锈低碳钢板，采用“J423”焊条时一般不

出现气孔，但采用E4315焊条时总出现气孔？

这里出现的是CO气孔，因为J423为酸性焊条，它里面含有较多的SiO2 ，SiO2和FeO反应生成稳定的SiO2·FeO，从

而降低FeO活度，所以CO气孔的倾向很小；而E4315焊条熔渣的氧化性比J423的大，随熔渣的氧化性升高，产生CO 气孔的倾向也增高，H2气孔的倾向下降，但是钢板生锈，含有较多的Fe2O3和结晶水，而E4315属于碱性焊条。众所周知，碱性焊条对铁锈敏感，焊接时会出现大量的气孔。而酸性焊条对铁锈不敏感，出现气孔的几率比较小。要想用E4315焊接，必须要将焊缝周围20MM打磨干净才行。

12.某厂用E5015焊条焊接时，在引弧和弧坑处产生气孔，

分析其原因，并提出解决办法？

E5015是碱性焊条，在碱性药皮中，除含有CaF2外还有一定量的碳酸盐，加热分解出CO2，它具有氧化性的气氛，在高温时可与氢形成OH,H2O，同时具有防止氢气孔的作用，但CO2的氧化性较强，如还原不足时，会产生CO气孔。再引弧和收弧处电流的变化程度较大，此时焊芯的电阻热较大会使药皮提前分解而增加气孔，另外在这时失去了对熔池的搅拌作用，气体不能快速从熔池中逸出。可以使用到引弧板，选择比较好的焊接参数，采用短弧焊，填满弧坑。

13.焊接热循环对被焊金属近缝区的组织，性能有何影

响？怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能？

（1）在热循环作用下，近缝区的组织分布是不均匀的，融合区和过热区出现了严重的晶粒粗化，是整个接头的薄

弱地带，而行能也是不均匀的，主要是淬硬、韧化和脆化，及综合力学性能，抗腐蚀性能，抗疲劳性能等。（2）焊接热循环对组织的影响主要考虑四个因素：加热速度、加热的最高温度，在相等温度以上的停留时间，冷却速度和冷却时间，研究它是研究焊接质量的主要途径，而在工艺措施上，常可采用长段的多层焊合短道多层焊，尤其是短道多层焊对热影响区的组织有以定的改善作用，适于焊接晶粒易长而易淬硬的钢种。

14.焊接HAZ的脆化有几种？如何防止？

有多种类型，如粗晶脆化，组织脆化，析出脆化，热应变时效脆化，氢脆化及石墨脆化。

粗晶脆化

①粗晶脆化：晶粒长大受多种因素影响其中钢的化学成分，

组织状态和加热温度及时间影响最大，若钢中含有碳氮化物的合金元素就会阻碍晶界迁移而有效的阻止晶粒长大，热影响区的粗晶脆化是在化学成分、组织状态不均匀的非平衡条件下形成的，而防止条件也就更加复杂，需要综合部同钢种等多方面考虑

②组织脆化：它是由于HAZ出现脆硬组织造成的，根据被

焊钢种的不同和韩姐冷却条件不同在HAZ可能出现不同的脆性组织。如M-A组元脆化，析出脆化和遗传脆化。对于一般低碳钢来说，，由于焊接HAZ出现低碳马氏体和下

贝氏体反而能够提高抗脆性能力，而高碳钢则易出现栾晶马氏体，因此焊接含碳较高的钢时，应采用较高的预热温度、焊后热处理等；

实践证明低温回火（<250℃）可以有助于M-A组元分解改善韧性，中温回火（450-500℃）的改善效果更显著；在焊接时保证化学、物理性质的均匀性能有效的防止脆化。当时效时间进一步增长时，新的析出物减少，原有的析出物进一步聚集，使析出物之间的距离增大使位错运动恢复从而脆化减弱

③时效脆化：可分为静应变时效脆化和动应变时效脆化，热应变时效脆化多发生在低碳钢和碳锰低合金钢的Ar1以下的热影响区，当钢中含有Cr、V、Mo、AL等碳氮化合物的元素可以降低脆化倾向焊接时适当提高溶合区的转变温度也可以有效的减轻脆化倾向。

④氢脆：是在室温下使钢的塑性严重下降的现象焊缝经去氢处理可使塑性恢复。

15.分析液态薄膜的成因及其对产生裂纹的影响？

在焊接金属凝固结晶的后期，低熔点共晶排挤在柱状晶体交遇的中心部位，形成一种所谓“液态薄膜”，此时由于收缩而受到的拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜就形成了薄弱地带。在拉伸应力作用下就有可能在这里开裂而形成结晶裂纹。产生结晶裂纹的原因就是在薄膜何在凝固过程中受到拉

伸应力共同作用的结果，因此液态薄膜就是产生结晶裂纹的内因。

16.什么是脆性温度区间？在脆性温度区间内为什么金属

的塑性很低？

熔池结晶进入固溶阶段，由于液态金属少（主要是那些低熔点共晶），在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填充，只要稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能，故把这个阶段叫做“脆性温度区”。

在脆性温度区间内，焊缝金属抵抗结晶裂纹的能力较弱，所以在此阶段焊缝金属稍有变形就易产生裂纹，所以金属的塑性很低。

17.一般低合金钢，冷裂纹为什么具有延迟现象？为什么

容易在焊接HAZ产生？

延迟裂纹主要发生在低合金高强钢中，主要与焊缝含扩散氢、接头所承受的拉应力以及由材料淬硬倾向决定的金属塑性储备有关，是三个因素中的某一因素与相互作用的结果。对于确定成分的母材和焊缝金属，塑性储备一定，产生延迟裂纹的孕育期长短，取决于焊缝金属中的扩散氢及接头所处的应力状态。同理相应于某一应力状态，焊缝含氢量高，裂纹孕育期短，裂纹倾向大。当应力状态恶劣，即使含氢量低，在很短孕育期内会产生裂纹。但是决定延迟裂纹产生与否，存在一个临界含氢量与临界应力值。若氢低于临界含氢量，

拉应力低于强度极限，则孕育期将无限长，实际上不产生延迟裂纹。现代的延迟裂纹理论认为，焊缝金属中的含氢量、接头承受的应力水平以及接头金属的塑性储备，三者对延迟裂纹产生的作用是相互联系的。焊缝高含氢量在低应力下就会诱发出裂纹，而低含氢量需要高应力下才达到诱发裂纹状态。含氢量及应力都低时，在长时间才能达到裂纹产生条件。材料的塑性储备起到调节作用，当材料的变形能力高，缺口敏感性低时，只有在更高应力更多含氢量下才能产生延迟裂纹。在焊接接头中，由于焊缝一般含碳量低，缺口敏感性小，而近缝区由于晶粒粗大，过饱和空位浓度高，应力集中程度高等不利条件，使近缝区易于产生延迟裂纹。热影响区中的过热区晶粒严重长大，使金属的塑形、韧性急剧下降，是焊接接头中最薄弱的地带

18.简述在热裂纹的主要特征和产生冷裂纹的机理？

答：主要特征：

1）再热裂纹都是发生在焊接热影响区的粗晶部位并呈晶间开裂；

2）进行消除应力处理之前焊接区存在较大的残余应力并有不同程度的应力集中，残余应力与应力集中必须通知存在，否则不会产生再热裂纹。应力集中系数K越大，产生再热裂纹所需的临界应力σcr越小；

3）产生再热裂纹存在一个最敏感的温度区间，这个区间与

再热温度及再热时间有关，随材料的不同而变化；

4）一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。

产生机理：

焊后在热处理时，残余应力松弛过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形能力，就会产生再热裂纹。理论上产生再热裂纹的条件可用下式表达：e>ec，e——粗晶区局部晶界的实际塑性变形量；ec——粗晶区局部晶界的塑性变形能力，即再热裂纹的临界塑性变形量。

19.试述产生层状撕裂的原因，如何判断钢材产生层状撕

裂的敏感度？

答：产生层状撕裂的原因：造成层状撕裂的根本原因在于钢材中存在较多的夹杂物，而在轧制过程中，扎成平行于扎向的带状夹杂物，这就造成了钢材力学性能的各向异性。

层状撕裂的判据：

1）Z向拉伸断面收缩率ψz为判据；

2）插销Z向应力为判据，层状撕裂敏感性评定公式：PL=Pcm+[H]/60 +6S

PL——层状撕裂敏感指数（%）

Pcm——化学成分裂纹敏感系数（%）

[H]——扩散氢含量（GB3965-83)(mL/100g）

S——钢中的含硫量（%）

20.试述产生应力腐蚀裂纹的机理，并说明APC和HEC的

形成过程？

产生应力裂纹的机理尚没有满意的解决目前比较公认的看法有（1）电化学应力腐蚀开裂机理（2）机械破裂腐蚀开裂机理。在电化学应力腐蚀开裂机理中有阳极溶解腐蚀开裂（APC）和阴极氢脆开裂(HEC)。APC:在应力作用下，阳极发生M+的溶解，即金属以离子状态溶入介质：M M++e这便是发生APC型的SCC过程。HEC:在APC过程中电子e在金属内部直接从阳极流向阴极，如果金属表面与含有H+的介质接触时，那么电子e与H+便结合成氢原子H，即H++e=这H种氢原子将向金属扩散造成脆化，即所谓的HEC型的SCC。