材料连接原理（邹家生主编）

材料连接原理课后习题答案及期末复习资料

简答：

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？

答：能量密度高度集中、快速实现实现焊接过程、得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。 主要指标：最小的加热面积、最大功率密度和正常焊接规范条件下的温度。 ５.试简述不锈钢焊条药皮发红的原因？有何解决措施？

答：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。

７.从传热学角度说明临界板厚δcr的概念？某16Mn钢焊件，采用手工电弧焊，能量E=15KJ/cm求δcr？

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δcr。

?cr?E（1+1）?1.95cm2c?500-T0800-T0

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,?取0.9.求t8/5?附λ=0.29J/(cms℃) CP=6.7 J/(cms℃)

?E11?cr?(?)?0.69cm2c?500?T0800?T0?/?cr?0.75,故采用厚板公式:11?Et8/5?2(?)?0.88s??500?T0800?T0

９.直流正接为何比直流反接时焊缝金属溶氢量高？

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表面积大，其溶氢量大于熔池处于阴极时的溶氢量。 １０简述氢对焊缝质量的影响？

＋

答：影响：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２）进行冶金处理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）焊后脱氢处理。 总之，对氢的控制首先应限制氢的来源，其次就防止氢溶入金属，最后应对溶入金属中的氢进行脱氢处理。

１０.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、塑性下降；尤其是焊缝的低温冲击韧性的急剧下降，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缝性能。

１１.试以硅的沉淀脱氧为例，叙述提高脱氧效果的途径？

↑[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)↓

答：（1）硅的百分含量升高，氧化亚铁的百分含量降低

（2）减少渣中的二氧化硅，二氧化硅的百分含量降低，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W[Mn]/W[Si]的比值？

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MnO·SiO2和MnO·TiO2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]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)

生成的SiO2熔点高，粘度大，易夹杂，不利于冶金反应的进行。而硅、锰联合脱氧中SiO2与MnO生成复合物MnO·SiO2，使MnO活度系数降低。而MnO·SiO2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。

ω[Mn]/ω[Si]比值在3~6之间，过大或过小都会生成固态脱氧产物，导致焊缝夹杂的增加。 １３.酸性焊条熔敷金属为何氧含量较高？

答：（１）酸性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，使焊缝含氧量较高。 （３）酸型焊条为了达到控氢的目的，导致焊缝含氧。

１４.简述低氢焊条熔敷金属含氢量低的原因？ 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：碱性焊条溶渣中含SiO2、TiO2等性氧化物较少，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。

1.试简述用冶金方法脱硫的措施（考试） 答：（1）用合金元素锰脱硫 （2）用渣中碱性氧化物脱硫 （3）增加熔渣的碱度 （4）渣中氟化钙也有利于脱硫

１８.试分析说明钛化钙型（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？ 工艺性能 电弧的稳定性 飞溅 焊缝成形 脱渣性 气孔敏感性 焊接烟尘 机械性能 【Ｈ】 【Ｏ】 Ｓ、Ｐ、Ｎ Ｊ４２２ 好 小 好 好 小 少 对其控制较差，冷脆、冷裂纹倾向大 氧化物夹杂多，接头性能差 含量高，冷裂纹倾向大

１９.简述药芯焊丝的特点？

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便；

含量低，塑性，韧性及抗裂性大大提高，但其工艺性能较差，对油污、水份、氧化膜更敏感。 含量低，氧化物夹杂少 Ｊ４２７ 差 大 差 差 大 多 含量低，裂纹倾向小

（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？

答：就选用Si、Mn等脱氧元素含量较高的焊丝，常用的如：H08Mn2SiA。

原因：（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，另一方面使熔池中含[FeO]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，导致脱氧不足，熔池结晶反极易产生CO气孔。

（３）按一定比例同时加入Mn、Si联合脱氧，效果较好。

２２.简述接头偏析的种类和产生原因？

答：显微偏析：由于结晶有先后所产生的微观区域化学成分的不均匀性。

区域偏析：由于结晶有先后所产生的宏观区域化学成分的不均匀性，一般在焊接熔池的最后凝

固部位由于杂质浓度升高产生区域偏析。

层状偏析：由于结晶过程周期性变化而引起的化学成分分布不均匀所造成。

熔合线偏析：焊接过程中由于焊接热作用使熔合线附近产生碳和合金元素浓度明显变化的现

象，形成熔合线偏析。

３１.简述CO气体的产生原因？

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,由于：

(1) 由于铁碳合金溶质浓度在固液界面的偏析,造成在结晶前沿和枝晶间氧化铁和碳浓度的局部增

高,有利于反应(2)的进行。

(2) 因为液体金属正处于凝固结晶后期,熔池金属的粘度迅速增大,导致ve(气泡上浮速度)↓； (3) 反应(2)为吸热反应,亦加快了凝固过程,使R（熔池金属的凝固速度）↑。

故生成的CO气泡很难浮出,成为残留在焊缝中的CO气孔。

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？

（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，直流正接较反接时气孔倾向大。

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裂纹货币更为合理？（P98-99）

答：从拉伸应力与脆性温度区间内被焊金属塑性变化之间的关系来说明凝固裂纹形成的条件。如右图所示。是否产生凝固裂纹，取决于在脆性温度区间TB中合金所具有的最低塑性

?min与内应变?或应变增长率

??的对比关?T系。当合金在脆性温度区间内的应变以直线1

的斜率增长时，则其达到的内应变量???min，必定要产生裂纹；如按直线2增长，则在TS时

???min，这正好是产生凝固裂纹的临界条件。此时的应变增长率称为临界应变增长率，以CST表

示，即CST?tan?,tan?与材料特性有关，它综合地反映了材料凝固裂纹的敏感性。

不同的材料，不仅脆性温度区间TB的大小不同，最低塑性?min的变化明显不同，因而产生裂纹的临界应变增长率CST也各不相同。一般而言，TB越大，裂纹敏感性越大；但也并非如此，有时TB虽然很大，但塑性?min却不是很低，或焊缝结晶过程中所受的拘束很小。

所以在考察裂纹敏感性时，必须综合考虑脆性温度区间（TB）、最低塑性（?min）及应变增长率（

??）?T的影响。根据以上分析可知，用CST作为判据更为合适，因为TB或?min都不能单独用来反映材料

??与临界应变增长率（CST）的?T??大小来作出判断。为了防止产生裂纹，必须满足如下条件，即?CST

?T的裂纹敏感性。这时，是否产生裂纹，可以对比实际应变增长率

３８.试简述在什么条件下，氢致裂纹也会在焊缝中产生？

焊接超高超强合金钢时，由于焊缝合金成分复杂，使热影响区的转变先于焊缝，因而氢就相反地从HAZ向焊缝扩散，如果焊缝出现淬硬组织，此时，氢致裂纹就会在焊缝中产生。

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？

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A—>M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，采用多元微合金化的钢材；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 合理地选择焊缝匹配 合理的焊缝分布和施焊次序

４０.焊接接头中出现冷裂纹（延迟裂纹）主要与哪些因素有关？通常将工件预热到一定温度可以防止产生冷裂纹，试分析预热的作用？后热的作用？后热和焊后热处理有何不同？

延迟裂纹的影响因素：钢种的淬硬组织、焊接接头的含氢量、接头所受的拘束应力状态。 预热的作用：预热可以降低冷却速度，从而避免出现淬硬组织，降低残余应力，有利于扩散氢的逸出。 后热的作用： （1） 减少残余应力； （2） 改善组织，降低淬透性；

（3） 消除扩散氢，但对奥氏体焊缝效果不大；

（4） 适当降低预热温度或代替某些结构所需的中间热处理。

后热和焊后热处理不同：延迟裂纹有延迟期（潜伏期），在延迟期内即进行加热，可以避免出现延迟裂纹。故焊后后热有“抢时间”的问题，而焊后热处理都是为了改善接头使用性能，不存在“抢时间”的问题。

2.结晶（凝固）裂纹的形成机理及防治措施？

答：形成机理：在焊缝金属凝固结晶后期，低熔点共晶被推向柱状晶交遇的中心部位，形成一种所谓的液态薄膜，此时由于收缩而受到拉应力，在拉应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成凝固裂纹。所以结晶裂纹是焊缝中的液态薄膜和拉伸应用共同作用的结果。 防治措施： （一)冶金因素：

（1）控制焊缝中S、P等杂质的含量。减少低熔点共晶物的形成，减少偏析，一般尽可能限制母材

和焊材的S、P、C的含量，重要的结构件应选用碱性焊条和焊剂；

（2）改善焊缝凝固组织，细化晶粒。一般采用向焊缝中加入细化晶粒的元素。 （二）工艺因素方面：

（1）控制焊接工艺及工艺参数：

减小熔合比，避免由母材向焊缝转移有害杂质； 焊缝成型系数：过大或过小都不利于防止裂纹；

冷却速度：冷却速度越大，变形速率越大，越易产生热裂纹。 （2）减少拘束度：

合理布置焊缝：避免焊缝交叉，尽可能减小焊缝截面积

接头形式：表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗裂性较高，熔深较大的对接各种角接抗裂性较差。 焊接次序：尽量使大多数焊缝在较小的刚度条件下焊接。

锰和硅对焊缝性能的影响？

答：Mn、Si是一般低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的合金元素，它们一方面可使焊缝金属充分脱氧；另一方面可提高焊缝的抗拉强度（属于固溶强化），但对韧性的影响比较复杂。Mn、Si含量过低，焊缝组织中出现粗大的先析铁素体，使韧性降低；Mn、Si含量过高，焊缝组织中出现魏氏组织，甚至出现无碳贝氏体、上贝氏体，变使韧性降低；只有Mn、Si含量适中，焊缝组织为细针为细针状铁素体，才能提高韧性。

钛、硼对焊缝专属的影响？

低合金钢焊缝中有Ti、B可以大幅度地提高韧性。但是Ti、B对焊缝金属组织细化的作用是很复杂的，它与氧、氮密切的关系。微量Ti、B改善焊接金属韧性的机理主要有两方面的因素：一是Ti与氧的亲和力很大，使焊缝中的Ti以微小颗粒氧化物的形式弥散分布于焊缝中，促进了焊缝金属晶粒细化。这些小颗粒状的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。另一方面，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。这些聚集在?晶界的B原子，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，改善了焊缝组织的韧性。

钼对焊缝韧性的影响？

答：低合金钢焊缝中加入少量的Mo不仅提高强度，同时也能改善韧性。研究表明，焊缝中的Mo含量少（<0.2%）时???固态相变温度上升，形成粗大的先析铁素体，当Mo含量太高(>0.5%)时，转变温度随即降低，易形成无碳贝氏体、上贝氏体板等组织，使韧性显著下降。只有Mo的质量分数在0.20%~0.35%时，才有利于形成均一的细针状铁素体。如向焊缝中再加入微量Ti，更能发挥Mo的有益作用，使焊缝金属的组织更加均一化，韧性显著提高。

简述易淬火钢完全淬火区及不完全淬火区的组织特点？

答：完全淬火区：焊接时热影响区处于Ac3以上的区域，与不易淬火钢的过热区和正火区相对应，铁素体和珠光体全部转变成奥氏体。由于这类钢的淬硬倾向较大，焊后冷却时很易得到淬火组织，故称淬火区。在紧靠焊缝相当于低碳钢过热区的部位，由于晶粒严重粗化，故得到粗大的马氏体。而相当于正火区的部位则得到细小的马氏体。

不完全淬火区：母材被加热到Ac1~Ac3温度之间的热影响区，在快速加热条件下，奥氏体化不完全。铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变成奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转变成马氏体。原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体+铁素体的混合组织，故称不完全淬火区。

液化裂纹的形成机理 ？

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点共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界开裂而形成液化裂纹。

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