焊接冶金學復習資料

1、一、填空題1. 在某型號鋁合金活塞激光-TIG復合焊接工藝中，已知：激光功率P1=3kW；熱效率1=0.9；TIG焊接的電壓U=15.4V，電流I=138A；熱效率2=0.78；則復合焊接過程中的功率比為：_0.6139_(1分)。(TIG在前，保留四位有效數(shù)字)2. 再熱裂紋： SR處理或高溫下長期工作( 500700 )產生的裂紋(1分)。3. 熱裂紋形成的機理是：由于 成分偏析 而形成的 低熔點共晶 的 液態(tài)薄膜 （Fe-FeS、Fe-Fe3P、Ni-Ni3P、Ni-Ni3S2）在 拉應力 作用下（凝固收縮受拉）開裂。理論分析中，熱裂紋通常以 Mn/S+C (1分) 作為判據(jù)。4. HA

2、Z過熱粗晶區(qū)包括兩種脆化：、 晶粒長大引起的脆化(1分) ；、 淬硬組織引起的脆化(1分) 。5. 預防合金結構鋼冷裂紋的工藝要點： 預熱 + 合適的焊接線能量 + 低氫焊材 ；其中，合適的線能量是指： 在保證HAZ韌性的前提下，線能量盡量大(1分) 。6. 焊接工藝中預熱的作用是： 促使焊接區(qū)氫充分逸出 ； 降低冷卻速度 ； 后熱的作用： 消氫 ； 降低冷速 ； 韌化HAZ、焊縫組織 。7. 鑄鐵中C的存在形式包括 石墨 和 Fe3C 兩種，根據(jù)石墨形態(tài)不同，鑄鐵可以分為： 灰口鑄鐵 、 球墨鑄鐵 、 蠕墨鑄鐵 、 白口鑄鐵 。牌號QT400-18表明：抗拉強度為： 400 ；延伸率： 18

3、% 。8. 不銹鋼焊縫晶間腐蝕的防止措施包括： 固溶處理 、 穩(wěn)定化退火 、 超低碳法 、 合金化法 ；(本題4分)9. 合金鋼強化機理包括：固溶強化 、沉淀強化 、熱處理強化 、形變強化等類型。10. 熱裂紋形成的機理是：由于 成分偏析 而形成的 低熔點共晶 的 液態(tài)薄膜 （Fe-FeS、Fe-Fe3P、Ni-Ni3P、Ni-Ni3S2）在 拉應力 作用下（凝固收縮受拉）開裂。理論分析中，熱裂紋通常以 Mn/S+C (1分) 作為判據(jù)。11. 預防合金結構鋼冷裂紋的工藝要點： 預熱 + 合適的焊接線能量 + 低氫焊材 ；其中，合適的線能量是指： 在保證HAZ韌性的前提下，線能量盡量大 。12

4、. 固溶強化是指：合金元素溶于基體金屬中形成固溶體而使金屬強化 (1分) 。13. 復合材料根據(jù)基體不同可以分為： 金屬基復合材料 和 非金屬基復合材料 ；14. 陶瓷的相組成包括： 晶相 、 玻璃相 、 氣相 ；15. 不銹鋼焊縫晶間腐蝕的防止措施包括： 固溶處理 、 穩(wěn)定化退火 、 超低碳法 、 合金化法 (本題4分)。16. 鋁合金焊接過程中的水分來源包括：弧柱氣氛 、焊絲和母材表面氧化膜吸附的水 、 焊絲和母材本身含有的氫 等；17. 稀土元素對熱裂紋形成作用： 細化晶粒 、 固溶強化 、 RE過高會降低強度 ；18. 塑料的主要焊接方法包括 超聲波焊接、熱氣焊接、高頻焊接、電阻焊接、

5、激光焊接等 ；電子材料的焊接方法包括 回流焊接、波峰焊、釬焊等 ( 舉2個例子即可)。19. 焊接工藝中預熱的作用是： 促使焊接區(qū)氫充分逸出； 降低冷卻速度；后熱的作用： 消氫； 降低冷速； 韌化HAZ、焊縫組織。20. 在某型號鋁合金活塞激光-TIG復合焊接工藝中，已知：激光功率P1=3kW；熱效率1=0.9；TIG焊接的電壓U=15.4V，電流I=138A；熱效率2=0.78；則復合焊接過程中的功率比為： 0.6139 。(TIG在前，保留四位有效數(shù)字，本題2分)21. 焊接熱效率（welding heat efficiency）：用于被焊材料焊接的熱量和熱源產生的熱量之比。激光焊接用于焊

6、接的能量（已知激光功率P0；）P=P0。22. 已知：激光焊接過程的有效功率P，最小加熱面積為S，則在激光焊接過程中的最大功率密度為： P/S 。23. 給出如下材料焊接屬于的中文對照：multipass welding： 多道焊 ；multilayer welding： 多層焊 ；TIG/GTAW： 鎢極氬弧焊接 ；MIG/GMAW： 熔化極氣體保護焊接 ；24. 一般地，焊縫的預熱溫度取決 屈服強度 和 板厚 。對于多層焊層間溫度一般不低于預熱溫度，通常?。?20250 ；預熱溫度范圍是情況而定，根據(jù)國家標準，測溫位置一般在坡口上部 23 mm處25. 冷裂紋的三要素：擴散氫的含量；拘束度

7、造成的應力與應力集中；對冷裂敏感的淬硬組織26. 再熱裂紋產生機理：晶界雜質析集弱化作用；晶內沉淀強化作用；蠕變斷裂應力集中、空位聚集；27. 從組織的角度講，促進熱影響區(qū)脆化的影響因素包括：魏氏組織、難熔質點的熔解、混合組織、淬硬組織、熱應變脆化等。28. 孕育鑄鐵所采用的孕育劑為： 硅鐵 ； 硅鈣 。29. 鑄鐵焊接需要考慮的三個重要因素：促進石墨化；焊縫合金化(異質焊縫)；焊前預熱、焊后后熱、焊后熱處理。二、簡答題1合金結構鋼母材或焊縫強化機理有幾種，分別簡述強化內容。答：（1）固溶強化，solution strengthening，合金元素溶于基體金屬中形成固溶體而使金屬強化。（2）沉

8、淀強化：正火鋼，指金屬在過飽和固溶體中溶質原子偏聚區(qū)和（或）由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而導致硬化的一種熱處理工藝。如奧氏體沉淀不銹鋼在固溶處理后或經冷加工后，在 400500 或 700800 進行沉淀硬化處理，可獲得很高的強度。（3）熱處理強化：調質鋼，調質處理。整體熱處理(退火、正火、淬火和回火)、表面熱處理和化學熱處理（4）形變強化2鋁合金焊接性的主要問題包括那幾個方面，簡述鋁合金焊接過程中，氫氣孔的形成原因，氫的來源及影響因素。答：鋁合金焊接有幾大難點： 鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數(shù)低，這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙； 鋁合金表面易產生難熔的氧化膜（Al2O3 其熔點為2060

9、 ） ，這就需要采用大功率密度的焊接工藝； 鋁合金焊接容易產生氣孔； 鋁合金焊接易產生熱裂紋； 線膨脹系數(shù)大，易產生焊接變形； 鋁合金熱導率大（約為鋼的4 倍） ，相同焊接速度下，熱輸入要比焊接鋼材大24 倍。氫氣孔的形成原因，氫的來源及影響因素為：1）類型：析出型（氫氣孔）2）原因： 液態(tài)金屬吸氫能力提高，凝固H H2氣泡 鋁的導熱冷卻速度 H2氣泡上浮數(shù)量 鋁的比重 H2氣泡上浮速度3）來源： 弧柱氣氛中的水 焊絲和母材表面氧化膜吸附的水 焊絲和母材本身含有的氫 保護氣體中的氫和水分4）影響因素 弧柱氣氛中的水的影響 Al+3H2O=Al2O3+6H或Al+3H2O=Al（OH）3+3H

10、不同合金系焊縫對氫的敏感度不同：純鋁最敏感 不同焊接方法對氫敏感度不同：MIGTIG 氧化膜中水分的影響（焊絲、工件）： 焊絲氧化膜：MIGTIG 母材氧化膜：MIGTIG 焊接工藝的影響TIG E：I，V焊接tH減少氫的溶入， I根部熔合 MIG E：I，V焊接 tH 氣泡上浮 極性：TIG AC；MIG DCRP 改變弧柱氣氛：加入氧化性氣體（CO2、O2） 例如Ar+0.3O2 MIG TIG×（W極燒損）3利用貧化理論分析，不銹鋼晶間腐蝕機理，并選擇如下一種腐蝕行為，分析其符合哪一種貧化理論以及析出物是什末？(i) 鋁銅合金晶間腐蝕：(ii) 鎳鉬合金晶間腐蝕：答：晶界存在著

11、顯著的化學、物理不均勻性。在腐蝕介質中金屬和合金的晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的。在某些環(huán)境中，晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度時，會產生沿晶界進行的選擇性局部腐蝕，稱為晶間腐蝕 。由于晶粒表面和內部間化學成分的差異以及晶界雜質或內應力的存在。沿著金屬或合金的晶粒邊界或它的鄰近區(qū)域發(fā)展，晶粒本身腐蝕很輕微，晶間腐蝕(介質和應力作用)是應力腐蝕的先導。 不銹鋼晶間腐蝕：貧鉻理論；析出Cr23C6 鋁銅合金晶間腐蝕：貧銅理論-析出CuAl2 鎳鉬合金晶間腐蝕：貧鉬理論-析出Mo2C4簡述鑄鐵白口和脆硬組織具體主要指那些？它們對鑄鐵焊縫有什末影響？答：白口組織是由于在鑄鐵補焊時，碳

12、、硅等促進石墨化元素大量燒損，且補焊區(qū)冷速快，在焊縫區(qū)石墨化過程來不及進行而產生的。5根據(jù)右圖簡述Cr元素對于相區(qū)形成的作用，并分析其中包含的脆化現(xiàn)象。答：Cr: 縮小相區(qū), wCr>12%, 不發(fā)生相關轉變；強鐵素體形成元素。<wCr<100,都可以形成鐵素體。820,脆化 ()鐵素體>475,475脆化()鐵素體>低鉻的鐵素體和高鉻的鐵素體1 簡述鑄鐵凝固特點、石墨化過程及影響因素。答：石墨化第一階段：1)共晶鐵液中直接析出初生石墨（一次石墨）；L-C2)共晶過程形成共晶石墨； P-C3)奧氏體冷卻析出二次石墨； A-C4)滲碳體分解析出的石墨（包括一次滲碳體

13、、共晶滲碳體和二次滲碳體）；石墨化比較充分； Fe3C-C石墨化第二階段：1)共析轉變形成的共析石墨2)共析滲碳體分解析出的石墨；影響主要因素：鑄鐵的化學成分、結晶及冷卻過程中的冷卻速度。2 鋁合金焊接性的主要問題有哪些？答： 鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數(shù)低，這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙； 鋁合金表面易產生難熔的氧化膜（Al2O3 其熔點為2060 ） ，這就需要采用大功率密度的焊接工藝； 鋁合金焊接容易產生氣孔； 鋁合金焊接易產生熱裂紋； 線膨脹系數(shù)大，易產生焊接變形； 鋁合金熱導率大（約為鋼的4 倍） ，相同焊接速度下，熱輸入要比焊接鋼材大24 倍。3利用貧化理論分析不銹鋼晶間腐蝕機

14、理，并指出如下現(xiàn)象符合那種貧化理論、析出物是什末？(iii) 鋁銅合金晶間腐蝕：(iv) 鎳鉬合金晶間腐蝕：答：晶界存在著顯著的化學、物理不均勻性。在腐蝕介質中金屬和合金的晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的。在某些環(huán)境中，晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度時，會產生沿晶界進行的選擇性局部腐蝕，稱為晶間腐蝕 。由于晶粒表面和內部間化學成分的差異以及晶界雜質或內應力的存在。沿著金屬或合金的晶粒邊界或它的鄰近區(qū)域發(fā)展，晶粒本身腐蝕很輕微，晶間腐蝕(介質和應力作用)是應力腐蝕的先導。 不銹鋼晶間腐蝕：貧鉻理論；析出Cr23C6 鋁銅合金晶間腐蝕：貧銅理論-析出CuAl2 鎳鉬合金晶間腐蝕：

15、貧鉬理論-析出Mo2C4簡述鑄鐵白口和脆硬組織具體主要指那些？它們對鑄鐵焊縫有什末影響？答：白口組織是由于在鑄鐵補焊時，碳、硅等促進石墨化元素大量燒損，且補焊區(qū)冷速快，在焊縫區(qū)石墨化過程來不及進行而產生的。5合金結構鋼冷裂紋三要素；答：(1) 擴散氫的含量(2) 拘束度造成的應力與應力集中。(3) 對冷裂敏感的淬硬組織。6正火狀態(tài)下，合金元素的作用？答：(1) 正火使一些氮化物，碳化物質點更交均地彌散分布于基體中。(2) 同時，V、Nb在正火下能進一步細化晶粒。有利塑性、韌性的提高。1 冷裂紋的預防可以采用哪些手段。答：（1）降低接頭擴散氫含量。低氫焊材；保證焊材的烘干溫度；去除母材、焊材的油

16、銹。（2）減小接頭淬硬傾向?？刂祁A熱或層間溫度；用大一些的焊接線能量。（3）對于厚度較大的焊接結構，焊后應盡量快地進行SR處理，同時也就進行了消氫處理，但需緩慢冷卻。即，預熱+合適的焊接線能量+低氫焊材。合適的焊接線能量為在保證HAZ韌性的前提下，線能量盡量大。2焊材的選擇原則？答：（1）從母材的力學性能出發(fā)，選擇相應強度級別的焊材等強：焊縫的力性=母材的力性相應：焊材的強度小于母材強度。b焊材=0.85b母材。（2）要考慮熔合比的影響熔焊時，被熔化的母材部分在焊道金屬中所占的比例。薄板、厚板坡口型式是不一樣的。（3）要考慮冷卻速度的影響接頭型式不同，冷卻速度不同。對接和角焊縫：角接冷速大于對

17、接冷速。（4）要考慮PWHT的影響焊后熱處理包括：SR 處理：焊后高溫回火 （TAC1） 焊后正火處理。對性能影響不大，可用等強原則正常選焊材。對性能影響大，強度降低，塑性、韌性提高。所以，選擇焊接材料時，可用稍高強度的焊材。3試述灰鑄鐵非鑄鐵型異質焊縫電弧冷焊的焊接工藝。工藝特點如下：1）在保證電弧穩(wěn)定燃燒的前提下，采用盡可能小的焊接電流，焊接第一、二層焊縫時，宜選用小直徑焊條，焊接電流可按焊條直徑的2934倍進行選用。2）在保證焊縫正常成形及母材熔合良好的前提下，采用盡可能快的焊接速度，并盡量壓低電弧，采用短弧焊。3）采用短段焊、斷續(xù)焊、分散焊及焊后立即錘擊焊縫工藝，以降低焊接應力，防止產

18、生裂紋 。一般每次焊縫長度為1040mm。4）采用合理的焊接方向及順序，以減少應力。厚板多層焊時的焊接順序，應先焊坡口面焊道 ，再焊中間層焊道，4簡述石墨化（鑄鐵組織中石墨的形成過程）兩個階段及石墨化主要影響因素。石墨化第一階段：1)共晶鐵液中直接析出初生石墨（一次石墨）；L-C2)共晶過程形成共晶石墨； P-C3)奧氏體冷卻析出二次石墨； A-C4)滲碳體分解析出的石墨（包括一次滲碳體、共晶滲碳體和二次滲碳體）；石墨化比較充分； Fe3C-C2.石墨化第二階段：1)共析轉變形成的共析石墨2)共析滲碳體分解析出的石墨；影響主要因素：鑄鐵的化學成分、結晶及冷卻過程中的冷卻速度。5簡述鑄鐵焊接接頭

19、各區(qū)域的組織變化答：焊縫區(qū)：焊縫組織：共晶滲碳體、二次滲碳體、珠光體 -具有萊氏體組織的白口鑄鐵（脆硬組織，500-800HBW）半熔化區(qū)：共晶滲碳體+二次滲碳體+P（+ M）奧氏體區(qū)： -P or -M部分重結晶區(qū)： M+F混合組織三、分析題（本題共2小題，每小題5分，共10分）1依據(jù)鋁合金焊接性特點，分析鋁合金的焊接性。在此基礎上，分析激光焊接技術、激光-TIG復合焊接技術、激光-MIG焊接技術以及攪拌摩擦焊接技術在鋁合金焊接方面的優(yōu)缺點。答：鋁合金焊接性特點： 鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數(shù)低，這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙； 鋁合金表面易產生難熔的氧化膜（Al2O3 其熔點為2060

20、 ） ，這就需要采用大功率密度的焊接工藝； 鋁合金焊接容易產生氣孔； 鋁合金焊接易產生熱裂紋； 線膨脹系數(shù)大，易產生焊接變形； 鋁合金熱導率大（約為鋼的4 倍） ，相同焊接速度下，熱輸入要比焊接鋼材大24 倍。激光技術及復合焊接技術的特點：鋁合金激光焊接最為引人關注的特點是其高效率，而要充分發(fā)揮這種高效率就要把它運用到大厚度深熔焊接中。因此，研究和使用大功率激光器進行大厚度深熔焊接將是未來發(fā)展的必然趨勢。大厚度深熔焊更加突出了小孔現(xiàn)象及其對焊縫氣孔的影響，因此小孔形成機理及其控制變得更加重要，它必將成為未來學術界及工業(yè)界共同關心和研究的熱點問題。 改善激光焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫成形、提高焊接質

21、量是人們追求的目標。因此，激光-電弧復合工藝、填絲激光焊接、預置粉末激光焊接、雙焦點技術以及光束整形等新技術將會得到進一步的完善和發(fā)展。  所以，采用輔助電流，通過其形成的電磁力控制熔池流動狀態(tài)，從而改善焊接過程的穩(wěn)定性，提高焊縫質量，復合焊接技術由于其固有特點具有很強的發(fā)展前途。主要解決鋁合金激光焊接過程中的反射問題。攪拌摩擦焊主要從固態(tài)焊接、半固態(tài)焊接角度進行分析。2試以鑄鐵為例，建立冷裂紋數(shù)學模型。應給出模型、假定條件、求解公式等內容。2利用貧化理論分析，不銹鋼晶間腐蝕機理，并選擇如下一種腐蝕行為，分析其符合哪一種貧化理論以及析出物是什末？(v) 鋁銅合金晶間腐蝕：(vi) 鎳

22、鉬合金晶間腐蝕：答：晶界存在著顯著的化學、物理不均勻性。在腐蝕介質中金屬和合金的晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的。在某些環(huán)境中，晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度時，會產生沿晶界進行的選擇性局部腐蝕，稱為晶間腐蝕 。由于晶粒表面和內部間化學成分的差異以及晶界雜質或內應力的存在。沿著金屬或合金的晶粒邊界或它的鄰近區(qū)域發(fā)展，晶粒本身腐蝕很輕微，晶間腐蝕(介質和應力作用)是應力腐蝕的先導。 不銹鋼晶間腐蝕：貧鉻理論；析出Cr23C6 鋁銅合金晶間腐蝕：貧銅理論-析出CuAl2 鎳鉬合金晶間腐蝕：貧鉬理論-析出Mo2C四、讀圖題（本題共2題，共20分）1. 如圖虛線所示：已知鑄鐵的凝固曲

23、線，分析鑄鐵凝固特點、石墨化過程及影響因素石墨化第一階段：1)共晶鐵液中直接析出初生石墨（一次石墨）；L-C2)共晶過程形成共晶石墨； P-C3)奧氏體冷卻析出二次石墨； A-C4)滲碳體分解析出的石墨（包括一次滲碳體、共晶滲碳體和二次滲碳體）；石墨化比較充分； Fe3C-C石墨化第二階段：1)共析轉變形成的共析石墨2)共析滲碳體分解析出的石墨；影響主要因素：鑄鐵的化學成分、結晶及冷卻過程中的冷卻速度。2. 如圖所示：鑄鐵分層堆焊和大型件逐段堆焊，在圖中標明堆焊順序，用，標明。并內燃機缸體的材料多為灰口鑄鐵，因其結構形狀復雜，工作時受熱、受力情況嚴重會出裂紋。在北方的冬季，如冷卻水放不盡，夜間

24、也容易凍裂。鑄鐵材料焊接性能不好，施焊時容易產生新的裂紋或焊口開裂，因此，對鑄鐵零件焊修至關重要，以此為例，設計鑄鐵件失效的裂紋檢查、焊前準備、經典焊接方法選擇、工藝選擇、焊接材料選擇。簡要說明另一種焊補方法電弧冷焊的應用背景。 答：經機械加工而不允許變形和破壞的工件；體積較大而難于預熱的工件。通常對邊角部位缺陷、剛度較大部位的小缺陷、非加工面的缺陷宜用電弧冷焊。常見問題：a 白口及淬硬；b 冷裂紋。解決方案：a 調整化學成分：C+Si含量提高（石墨化）。b 降低冷卻速度 ：促進石墨化c 選擇合適的焊接材料。1根據(jù)右圖簡述Cr元素對于相區(qū)形成的作用，并分析其中包含的脆化現(xiàn)象。答：Cr: 縮小相

25、區(qū), wCr>12%, 不發(fā)生相關轉變；強鐵素體形成元素。<wCr<100,都可以形成鐵素體。820,脆化 ()鐵素體>475,475脆化()鐵素體>低鉻的鐵素體和高鉻的鐵素體五、設計題（10分）冷裂紋受到材料冶金、工裝夾具和焊接工藝的影響，但對于不同的材料，冷裂紋表現(xiàn)為不同的形態(tài)，且對材料焊接接頭組織性能有著不同的影響，而影響因素也不同。請嘗試利用對比分析方法，以合金結構鋼和鑄鐵為例，分析這兩種材料的焊接性，對比分析應包括如下內容：ü 冷裂紋的機理ü 冷裂紋的影響要素ü 冷裂紋的預防ü 設計一套“小鐵研試驗”，提供材料開裂的判據(jù)。可選擇一種方法對比分析，如針對同一種材料分析其冷裂紋特點或針對冷裂紋分析不同材料表現(xiàn)的特征，應從材料冶金、焊接方法和工藝、焊接結構設計等方面詳盡分析。答：冷裂紋機理，冷裂紋常