焊接冶金学期末复习

1.焊接接头及形成过程

⑴焊接接头是指被焊材料经焊接之后发生组织和性能变化的区域。它由焊缝、熔合区和热影响区组成。

⑵焊接接头的形成过程就是焊缝、熔合区和热影响区的形成过程。

焊接接头的形成过程主要涉及焊接热过程，固-液状态演变过程，焊接化学冶金过程和固态相变过程。①焊接热过程：无论焊缝、熔合区还是热影响区，都是在焊接热源作用下形成的，焊接热过程是焊接中所涉及的其他过程产

生和发展的前提。按母材受热进程来看，焊接热过程包括加热过程和冷却过程。②固-液状态演变过程：主要发生

在焊缝部位。在焊热源的作用下，焊缝部位的固态母材发生熔化，形成液态熔池；而后，随着焊接热源的原理，

液态熔池凝固结晶，形成固态焊缝。③焊接化学冶金过程：主要发生在与焊缝相对应的焊接区中，是金属，熔渣

和气相在较高温度下发生的冶金反应过程。④固态相变过程：相变过程既可发生在热影响区，也可出现在焊缝。

2.焊接热循环及主要参数

⑴焊接热循环：在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由低而高，达到最大值后又由高而低

的变化的过程。

⑵焊接热循环主要参数

①加热速度v H：是描述工件温度上升快慢程度的参量。②峰值温度T m也称最高温度，是循环曲线上最高点对应的温度。③高温停留时间t H指在某一肩高参考温度以上的停留时间。④冷却速度v c或冷却时间t8/5、t8/3、t1 00描述工件温度降低快慢程度的参量，在焊接过程中，冷却速度就是热循环曲线下降段的斜率。

3.焊条的组成及作用，熔合区的概念

⑴焊条由药皮和焊芯两部分组成，①焊芯的作用：主要起两方面的作用，一时传导电流，维持电弧燃烧；二是本

身熔化，形成焊缝填充金属。②药皮的作用:无论何种焊条，药皮的主要作用都表现在三个方面，即机械保护作用，冶金处理作用和工艺性能改善作用。

⑵熔合区的概念：是介于焊缝和热影响区之间的相当狭窄的过渡区，从宏观来讲，熔合区是焊缝和热影响区的分

界线，因此又将其称为熔合线。但从微观来讲，熔合区是由部分熔化的母材和部分未熔化的母材所组成的区域，

因此有人将该区称为部分熔化区或半熔化区。

4.焊条的型号及焊条型号的含义

焊条型号是由国家标准规定的具有特定含义的符号，它是根据焊条的主要用途和性能特点命名的，也是焊条生产，检验和选用的依据。焊条型号由字母和数字组成，主要表示焊条的类别，熔敷金属的化学成分或抗拉强度，使用

的焊接位置，药皮的类型及适用的电源种类等。如：EXXXX E表示焊条，之后的前两位数字表示熔敷金属的最低抗拉强度值，之后的一位数表示焊条使用的焊接位置（0或1表示全位置焊接，2表示平焊和平角焊，4表示立向

下焊），再后面一位数与第三位数的组合表示药皮类型和焊接电源的种类。

5.焊条的工艺性能主要包括哪几方面

⑴焊条电弧的稳定性电弧的稳定性是指电弧维持稳定燃烧的程度，如是否产生断弧，漂移及偏吹等。

⑵焊接位置的适应性是指焊条对不同用空间位置焊接难易程度的适应能力。

⑶焊缝形成是描述焊缝表面光滑程度，表面是否存在缺陷以及几何形状和尺寸是否正确的宏观指标。

⑷焊接飞溅与熔敷效率①焊接飞溅是指焊接过程中从容滴或熔池中飞溅出来的金属颗粒。②熔敷效率是反映

焊接生产率高低的指标，并用熔敷系数ɑH来表示。

⑸脱渣性是指焊后从焊缝表面清除焊接渣壳的难易程度。

⑹焊接烟尘是指在电弧高温作用下而产生的高温金属和非金属蒸汽，在电弧周围空间中被氧化和冷凝而形成的

细小的固态颗粒。

⑺焊条药皮的发红是指焊条在使用到后半段时由于温升过高而使药皮发红，开裂甚至脱落的现象。

6.焊接化学冶金的三个反应区，特点

⑴药皮反应区是指焊条端部药皮开始反映的温度至药皮熔点之间的区域。药皮反应区主要发生的反应包括水

分的蒸发，某些物质的分解和铁合金的氧化（即先期脱氧）。特点：温度较低，这一反应阶段可视为熔滴反应和

熔池反应的准备阶段，其生成物即为熔滴反应阶段和熔池反应阶段的反应物。

⑵熔滴反应区是指从焊条端部熔滴形成，长大到过渡至熔池的整个区域。熔滴反应区进行的反应主要包括气

体的分解和溶解，金属的蒸发，金属及其合金成分的氧化和还原，以及焊缝金属的合金化等。特点：反应时间短，但反应温度高，相的接触面积大，并有强烈的混合作用，同时反应物含量偏离平衡甚远，故冶金反应最激烈，不

但反应速度快，而且反应最完全，对焊缝成分和性能影响最大。

⑶熔池反应区是指有熔滴和熔渣同熔化的母材相混合所形成的反应区。在熔滴和熔渣落入熔池后，各项之间

进一步发生物理化学反应，直至金属凝固形成焊缝。特点：熔池阶段的反应速度比熔滴阶段的反应速度低，对整

个冶金反映的贡献没有熔滴反映阶段高。但在熔池前部和后部的不同反应以及熔池中发生的搅动作用，对焊缝成

分的均匀化起到了有力的作用。

7.熔渣的微观结构（分子理论和离子理论）

⑴分子理论熔渣的分子理论是在凝固熔渣的相分析和成分分析结果的基础上提出的，能定性的解释熔渣与金

属之间的冶金反应，但对熔渣的某些性质还无法给出合理的解释。其主要观点如下:①液态熔渣是由化合物分子组

成的理想溶液。②自由氧化物与其复合氧化物处于化合与分解的平衡状态。③只有自由氧化物才能参与冶金反应。

⑵离子理论熔渣的离子理论是在研究熔渣电化学性质的基础上提出的。与分子理论相比，更接近于熔渣的真

实情况，能够解释分子理论无法解释的某些现象。完全粒子理论的主要观点如下：①液态熔渣是由阴阳离子组成的电中性溶液。②离子的分布和相互作用由离子的综合矩所决定。离子的综合矩可用离子所带的电荷和离子半径来描述，即综合矩=离子的电荷/离子的半径。离子的综合矩越大，其静电场越强，与异号离子的结合力越大。③熔渣与金属的作用过长是离子与原子交换电荷的过程。

8.焊接熔渣对金属的氧化作用的两种基本形式：置换和扩散氧化

⑴置换氧化是指被焊金属与其他金属或非金属的氧化物发生置换反应而导致的氧化。对于钢铁材料的焊接来讲，当熔渣中含有较多的易分解的氧化物时，这些氧化物就可能与液态铁发生置换反应，使铁被氧化，而氧化物中的合金元素被还原。

⑵扩散氧化是指熔渣中的氧化物通过扩散进入被焊金属而使焊缝增氧。对钢铁材料来讲，铁的氧化物FeO既能溶于渣中，又能溶于液态铁中。

9.焊缝金属的脱氧：先期脱氧，沉淀脱氧，扩散脱氧

⑴先期脱氧是指在焊条电弧焊中，药皮反应区内的脱氧剂与高价氧化物和碳酸盐分解出的O2和CO2起反应，从而降低电弧气氛氧化性的脱氧方式。

⑵沉淀脱氧主要是指利用溶解在液态金属中的脱氧剂将被焊金属及其合金从其氧化物中还原出来，并使脱氧产物浮到熔渣中去的脱氧方式。这种脱氧方式是在熔滴和熔池内进行的，是减少焊缝金属含氧量最主要的方法。

⑶扩散脱氧是指被焊金属的氧化物通过扩散从液态金属进入熔渣，从而降低焊缝含氧量的一种脱氧方式。从本质上讲，扩散脱氧是扩散氧化的逆过程，发生在液态金属与熔渣的界面上，脱氧的程度有分配定律所决定。

10.焊缝金属的合金化中关于合金过度系数的概念，融合比的概念

⑴合金过度系数的概念所谓过度系数是指某合金元素在熔敷金属中的实际质量分数与其在焊接材料中的原始质量分数之比，即η=ω（M d）/ω（M e）η----合金化元素的过度系数；ω（M d）----合金化元素在熔敷金属中的实际质量分数；ω（M e）----合金化元素在在焊接材料中的原始质量分数。

⑵融合比的概念所谓融合比是指焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例，即?=m b/(m b+m d) ?----焊缝的融合比；m b ----焊缝中熔化母材所占的质量；m d----焊缝中熔敷金属所占的质量。

11.焊接熔池结晶的特点

⑴非平衡的动态结晶①熔池体积小，冷却速度大②熔池过热，温度梯度大③熔池在动态下结晶

⑵联生结晶：焊接熔池的结晶过程一般是由熔池边界开始的，非自发晶核就依附在半熔化的母材晶粒表面上。一般情况下，以晶状柱的形式由半熔化的母材晶粒向焊缝中心成长，而且成长的取向于母材晶粒相同，从而形成了联生结晶。⑶竞争生长：每一个结晶点阵都存在一个结晶速度最快的最优结晶取向。⑷成长速度动态变化：晶粒成长过程中其成长方向在不断发生变化，成长速度也在变化。

12.知道熔池结晶典型形态：平面结晶，胞状结晶，胞状树枝结晶，树枝状结晶，等轴结晶

⑴平面结晶液相中的温度梯度很大时，液相温度曲线不与结晶曲线相交，液相中不存在成分过冷区。由于界面前方温度较高，一旦有向前凸出生成的晶芽，将被较热的液态熔化。结晶过程只能以平面形式向前推进，形成平滑的结晶界面。

⑵胞状结晶当固液界面前方液相中的温度梯度较大时，液相温度曲线与结晶温度曲线在短距离内相交，形成较小的成分过冷，在此条件下，平面结晶界面处于不稳定状态，其上长出许多平行束状芽胞，凸入过冷的液相，向前生长，于是在晶粒内部形成相互平行的胞状亚晶

⑶胞状树枝结晶随固液界面前方液相中温度梯度的减小，液相温度曲线与结晶温度曲线相交距离增大，形成的成分过冷区增大，晶体成长加快，胞状晶前沿更向液相中凸出，并在深入液相内部较长的距离，同时，凸出部分也向周围排除溶质，使其横向也产生成分过冷，在主干上的横向长出短小的二次分枝。由于主干间距较小，二次分枝较短从而形成特殊的胞状树枝晶。

⑷树枝状结晶当固液界面前方液相中温度梯度的进一步减小，液相温度曲线与结晶温度曲线相交距离进一步增大，从而形成的较大的成分过冷区，晶体成长速度更快，在一个晶粒内部除产生一根很长的主干外，还向四周长出很多的二次横枝，甚至二次横枝上还长出三次横枝，这些横枝不断长大，直至临近横枝接触为止。形成典型的树枝晶。

⑸等轴结晶当固液面前方液相中的温度梯度很小时，液相温度曲线与结晶曲线在很远处相交，从而液相中形成很大的成分过冷区。此时不但在结晶前沿出现树枝状结晶，而且在溶液内部也能产生新的晶核，由于晶核周围所处状态相同，可以自由生长，形成了几何形状几乎对称的等轴晶粒.

13.易淬火钢HAZ的组织分布特征

⑴完全淬火区：是指焊接热影响区中峰值温度达到Ac3以上的区域，它包括了相当于不易淬火钢的过热区和正火取两部分。

⑵不完全淬火区：是指焊接热影响区中峰值温度处于Ac1~ Ac3之间的区域，它相当于不易淬火钢的不完全重结晶区。

⑶回火区：焊前处于调制状态的母材，热影响区中除了具有以上两个特征区外，还明显存在一个回火区，其峰值温度低于Ac1但高于原来调制处理的回火温度。

14.知道焊接热影响区的脆化：粗晶脆化，组织脆化，M-A组元脆化，时效脆化

⑴粗晶脆化：是指焊接热影响区因晶粒粗大而发生的韧性降低的现象。一般来讲，晶粒尺寸越大，晶界结构越疏

松，抵抗冲击能力越差，因而脆性越大，韧性越低。

⑵组织脆化：是指焊接热影响区因形成脆硬组织而引起韧性降低的现象，具体包括片状马氏体脆化和M-A组元脆化。

⑶M-A组元脆化：M－A组元为高碳马氏体和残余奥氏体的混合物，在中等冷速下形成。M－A组元脆化原因: 高碳

奥氏体易于形成高碳马氏体；M－A组元存在时，成为了潜在的裂源，并起到吸氢和应力集中的作用。

⑷时效脆化：是指焊接热影响区在Ac1以下的一定温度范围内经一定时间的时效后，因出现碳，氮的化合物沉淀相

而发生的脆化现象，其具体包括热应变时效脆化和相析出时效脆化。

15.熔合区的特征

⑴几何尺寸：熔合区的几何尺寸与被焊材料的液、固相线温度范围、热物理性质及焊接热源的类型有关，并可用

公式计算：D=（T L-T S）/G D----熔合区的宽度； T L----母材的液相线温度；T S----母材的固相线；G----熔合区

的温度梯度。

⑵成分不均匀：熔合区的化学成分的不均匀与焊接熔池的结晶过程有关。

⑶空位密度高：焊接加热时，原子震动加强，键合力减弱，易于离开静态的结合位置而使空位密度增大，而且加

热的温度越高，控卫的密度越大。

⑷残余应力大：在焊接热循环的作用下，由于热变形而产生热应力时，在熔合区的两个边界上将产生应力集中，

再加上熔合区本身较窄，而且成分和组织的分布也不均匀，更加重了应力集中的程度，最终在熔合区内形成了较

大的残余应力，从而造成了接头性能的下降。

⑸晶界液化严重：对于共晶型合金或含有能与基本形成共晶的元素的合金而言，在熔合区的加热过程中，往往伴

随共晶液相的产生，这些也液相了少量之外，大多数都分布在晶界附近，而晶粒本体还处于固态，即晶界发生了

严重的液化。

16.焊接结晶裂纹的形成机理

焊缝金属的结晶不是瞬时完成的，而是一个在液态金属中不断形核和长大的过程。对非共晶成分的共晶合金来说，没有一个单一的结晶温度，而是存在一个结晶温度区间。当液态金属温度降低到和液相线相交时，结晶开始。随

着结晶过程的进行，液态金属逐渐向低熔点成分变化，直至达到共晶成分。焊缝金属在结晶过程中，随着温度的

不断降低，要经历液态、液-固态（液相占主要部分）、固-液态（固相占主要部分）、固态四个阶段。

17.冷裂纹中延迟裂纹形成机理中的三个方面：氢的行为及作用，淬硬倾向，接头应力状态

⑴氢的行为及作用：由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距离融合线较远的母材中去，因而

在熔合线附近就形成了富氢地带。当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态残留在马

氏体中，促使这一个地区进一步脆化，从而诱发延迟裂纹。

⑵淬硬倾向金属在热力不平衡的状态下会形成大量的晶格缺陷，主要是空位和位错。在热力和应力不平衡条件下，空位和位错会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断

发生扩展而形成宏观裂纹。

⑶接头应力状态：在焊接时，焊接区由于受热而发生膨胀，因而承受压应力，冷却时由于收缩又承受拉应力，一

直到焊后将会产生不同程度的残余应力。热应力大小与母材和填充金属的热物理性质有关，同时也与结构的刚度

有关。在拉应力作用下，会引起氢的聚集，诱发延迟裂变。

18.低合金高强钢焊接性分析（冷裂纹与热裂纹）重点：能够结合冷裂纹形成机理分析合金高强钢冷裂纹敏感性及

防止措施。

合金高强钢冷裂纹敏感性：

⑴热轧刚和正火钢的冷裂纹敏感性：在低合金高强钢中，热轧刚的冷裂倾向是最小的，但与低碳钢相比，热轧刚

由于含有少量的合金元素而增加了淬硬性，其冷冽倾向比低碳钢要大一些。

⑵低碳调质钢的冷裂纹敏感性：这类钢的淬硬倾向比较大，本应有较大的冷裂纹倾向。但低碳调质钢的冷裂纹倾

向与马氏体转变时的冷却速度有很大的关系。从淬透性角度来看，低碳调质钢的焊接冷裂纹倾向应该较大，但从

低碳马氏体的“自回火”作用来考虑，只要工艺合适，冷裂纹是可以避免的。

⑶中碳调质钢的冷裂纹敏感性：中碳调质钢由于含碳量比较高，加入的合金元素也较多，气淬硬性倾向十分明显，故冷裂纹倾向很大。中碳调质钢对冷裂纹敏感性要比低碳调质钢大，其原因不仅在于淬硬倾向大，而且由于Ms点

较低造成在低温下形成的马氏体不能实现“自回火”。此外，由于马氏体的含量较高，过饱和度大，晶格点阵畸

变严重，因而硬度和脆性加大，显著增加了冷裂纹的敏感性。

防止措施:

⑷采用低强度的熔敷金属：焊接低合金高强钢时，采用和焊缝金属强度比母材低的焊接材料，能大大提高整个接

头的抗冷烈性，母材得强度越高，其效果愈明显。

⑸建立低氢的焊接环境：氢是低合金高强钢焊接产生冷裂纹的主要因素之一，因此建立低氢的焊接环境对于防止

冷裂纹是至关重要的。

⑹选择低氢的焊接方法：采用CO2气体保护焊或富氩的混合气体保护焊可显著降低焊缝金属的含氢量。此外，焊条

电弧焊和埋弧焊目前仍然是低合金钢焊接中应用最广泛的两种焊接方法，通过对焊条药皮配方的改进和新型焊剂

的研制，也可使焊缝金属的氢含量达到低氢的等级。

⑺焊前预热：焊前预热是防止低合金高强钢接头产生冷裂纹的最有效措施之一，在低合金高强钢焊接中应用作为

普遍。

⑻焊后低温热处理：焊后低温热处理是指焊接结束后将焊接或整个焊缝立即加热到150~250o C温度范围，并保持一定的时间。

19.能够解释不锈钢焊接出现晶间腐蚀裂纹的主要原因

由于在奥氏体中超出溶解度的碳会向晶界扩散，而且C的速度扩散较快，沿奥氏体晶界就会沉淀出Cr23C6或（Fe, Cr）23C6(常写成M23C6)，使晶界Cr含量降低。此时晶界内的Cr原子向晶界扩散，但是由于扩散速度比较慢，不能

很及时补充Cr的短缺，以致使晶界层Cr的质量分数低于12%，即所谓的“贫格”。此时如果遇到化学腐蚀介质，将会沿晶界发生腐蚀，产生晶间腐蚀裂纹。

20.奥氏体不锈钢焊接工艺中，能够做到合理选择焊接材料。如对不锈钢施焊的话，其焊接工艺要点

⑴焊接方法：奥氏体对焊接方法没什么特殊的要求，一般的焊条电弧焊、TIG焊、MIG焊、埋弧焊等方法均可采用。

⑵焊接热输入：合理控制焊接参数，避免接头产生过热现象。一般而言，焊接所用的焊接电流和焊接热输入比焊

接碳钢要小20%左右。

⑶预热和后热：奥氏体焊接时，通常不需要焊前预热，也不需要焊后热处理，而且应该适当加快冷却，严格控制

较低的层间温度，还应避免交叉焊缝。

⑷保证熔合比稳定：焊缝的化学成分对焊缝组织影响很大，为保障理想的焊缝组织，必须保证焊缝的化学成分稳定。

⑸保护原焊件表面状态：焊前和焊后的清理工作常会影响耐腐蚀性。

21.铝合金焊接时产生气孔的原因。如何防止气孔的产生

气孔的产生原因：⑴焊接区内存在氢的来源：弧柱气氛中的水分、焊接材料和母材所吸附的水分在焊接中能分解

形成氢气，这是造成焊缝产生气孔的直接原因。⑵铝合金中氢的溶解度发生突变：氢在铝中的溶解度随温度的下

降而降低，正是由于氢在铝中的溶解度在固液两相中存在巨大的差异，使熔池结晶过程中会有大量的氢需要逸出，为气孔的形成提供了必要条件。⑶铝合金熔池凝固速度快：铝合金导热性很强，因而熔池凝固速度很快，在这样

的快冷条件下，熔池中析出的气体可能来不及逸出，从而在焊缝中形成气孔。

气孔的防止措施：⑴清除材料表面的氧化膜和污染物。⑵降低气氛中的水分。空气的湿度直接影响电弧气氛中水

蒸气的分解，水蒸气分解越多，越容易产生氢气孔。此外，气体保护焊接时，尽量采用纯度高的保护气体。⑶控

制焊接参数：焊接参数的影响主要归结于对熔池高温存在时间的影响，该时间越长，越有利于氢的逸出，但也有

利于氢的溶入。MIG焊时，增大熔池存在时间有利于气泡的逸出。Tig焊时，降低熔池的存在时间有利于防止气孔

的产生。