焊接冶金学（基本原理）部分习题及答案绪论1、 什么是焊接，其物理本质是什么？1、定义：焊接通过加热或加压；或两者并用，使焊件达到原子结合，从而形成永久性连接工艺。2、物理本质：焊接的物理本质是使两个独立的工件实现了原子间结合，对于金属而言，既实现了金属键结合。2、 怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？1、对被焊接的材质施加压力：目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。2、对被焊材料加热(局部或整体)：对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原于的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。3、 试述熔焊、钎焊在本质上有何区别？钎焊母材不溶化，熔焊母材溶化。1. 温度场定义，分类及其影响因素。1、定义：焊接接头上某一瞬间各点的温度分布状态。2、分类：1) 稳定温度场温度场各点温度不随时间而变动；2) 非稳定温度场温度场各点随时间而变动；3) 准稳定温度场温度随时间暂时不变动，热饱和状态；或随热源一起移动。3、影响因素：1) 热源的性质2) 焊接线能量3) 被焊金属的热物理性质a. 热导率b. 比热容c. 容积比热容d. 热扩散率e. 热焓f. 表面散热系数4) 焊件厚板及形状矮化砧嫁接的苹果树树冠体积小于乔化砧嫁接的苹果树树冠体积，矮化砧苹果树单株产量低于乔化砧苹果树，所以，栽植矮化苹果树必须根据不同的矮化砧木和不同类型的短枝型品种适当加大栽培密度第一章二、焊接化学冶金分为哪几个反应区，各区有何特点？1、药皮反应区：指焊条受热后，直到焊条药皮熔点前发生的一些反应。(100-1200)1) 水分蒸发：100 吸附水的蒸发，200400 结晶水的去除，化合水在更高温度下析出2) 某些物质分解:形成Co，CO2，H2O，O2等气体3) 铁合金氧化 ：先期氧化，降低气相的氧化性2、熔滴反应区：指熔滴形成、长大、脱离焊条、过渡到整个熔池 1) 温度高：180024002) 与气体、熔渣的接触面积大 ：100010000 cm2/kg3) 时间短速度快：0.01-0.1s；0.0001-0.001s4) 熔渣和熔滴金属进行强烈的搅拌,混合. 3、熔池反应区1) 反应速度低熔池T 16001900低于熔滴T ；比表面积，接触面积小3001300cm2/kg；时间长，手工焊38秒埋弧焊625s2) 熔池温度不均匀的突出特点熔池前斗部分发生金属熔化和气体的吸收,利于吸热反应熔池后斗部分发生金属凝固和气体的析出,利于放热反应3) 具有一定的搅拌作用促进焊缝成分的均匀化，有助于加快反应速度，有益于气体和夹渣物的排除。然而，没有熔滴阶段激烈。三、焊接区内有那些气体？它们是怎样产生的？1、种类： 金属及熔渣蒸气2、来源：1) 焊接材料2) 气体介质3) 焊丝和母材表面上的油锈等杂质4) 金属和熔渣的蒸发产生的气体3、供给途径：一部分是直接输入或侵入的原始气体；另一部分是通过物化反应所生成的气体。1) 有机物的分解和燃烧:纤维素的氧化分解2) 碳酸盐和高价氧化物的分解4、 为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它的正常溶解度？电弧中受激的氮分子，特别是氮原子的溶解速度比没受激的氮分子要快得多；电弧中的氮离子N+在氧化性电弧气氛中形成NO，遇到温度较低的液态金属它分解为N和O，N迅速溶于金属。5、 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？1、影响：1) 促进焊缝中气孔的形成，金属凝固时氮气来不及逸出；2) 改变焊缝的力学性能，氮能提高焊缝的强度和硬度，但会使焊缝的塑性和韧性降低；3) 时效脆化，针状氮化物Fe4N，造成塑性和韧性下降。加入Ti，Al可形成稳定的化合物，可抑制这种脆化现象。2、主要措施：1) 机械保护：气一渣保护、渣保护、气体保护、抽真空。对于适渣型焊条：保护效果取决于药皮的数量及成分。2) 焊接工艺规范影响：U , I, 直流反接3) 焊丝成分的影响：增加焊丝或药皮中的Ti的含量可生成稳定的氮化物；增加含碳量可降低氮在金属中的溶解度。6、 手弧焊时，氢通过哪些途径向液态铁中溶解？写出溶解反应及规律？1、氢以原子或质子形式溶入（气保焊）2、以 溶入（电渣焊）氢通过熔渣向金属中溶解时，氢先溶于熔渣，然后再以 向金属中过渡7、 氢对焊接质量有那些影响?如何加以控制？1、 影响：暂态现象：脆化、白点、经时效、热处理可消除 永久现象：气孔、改变组织、显微斑点、冷裂纹、不可消除 1) 氢脆：氢在室温附近， 氢溶解在金属晶格中，引起钢的塑性严重下降现象2) 白点 ：肉眼可见，直径0.53mm中心处有气孔或小的夹渣，外围有塑性裂断的痕迹，象鱼眼似的也称“鱼眼”.3) 气孔 4) 组织变化和显微斑点：焊缝金属AM时，由于氢在A有较大的溶解度，当含氢量高的焊缝自A化，温度冷却时，引起局部A过冷残余A增加，残余AM时，富氢的组织内产生大的内应力，造成显微裂纹 5) 产生冷裂纹2、控制氢的措施 1) 限制焊接材料的含氢量，药皮成分 2) 严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分 10、 CO2保护焊焊接低合金钢时，应采用什么焊丝？为什么？用普通焊丝（H08A）进行保护焊时，由于碳的氧化在焊缝中产生气体，同时合金元素烧损，焊缝含氧量增大。所以必须采用含硅、锰高的焊丝（H08Mn2Si）或药芯焊丝，以利于脱氧，获得优质焊缝。11、 分子理论和离子理论的主要观点是什么？1、分子理论：1) 液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子组成自由氧化物: SiO2 , CaO , Al2O3氧化物复合物：SiO2CaO2) .自由氧化物与其复合氧化物处于化合与分解的平衡状态当Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性Tk自由氧化物浓度复合物浓度熔渣活性3) 只有自由氧化物才能与金属作用2、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，更接近熔渣的实际情况。 1) 熔滴是由简单和复杂的离子组成的电中性溶液负电性大的元素以阴离子形式存在负电性小的元素以阳离子形式存在 碱性渣中 少，氧以自由氧离子形式存在酸性渣中 多，形式复杂的离子. 之间形成离子团，极性键结合.2) 离子的分布，聚集和相互作用取决于它的综合矩 综合矩=Z/r r=其子Z离子电荷（静电单位） r离子半径离子综合矩越大，静电场愈强，与其它离子作用力愈大3) 液态熔渣与金属之间相互作用的过程是原子与离子交换电荷的过程离子理论由于离子交换电荷、运动、形成电流.3、分子离子共存理论：12、 什么是长渣和短渣？其适用性有何不同？13、 论述焊接熔渣对金属的氧化途径及影响因素。1、氧化途径1) 置换氧化：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2) 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金属增氧2、 影响因素1) 置换氧化：活性熔渣对金属的氧化能力与其活性系数AF有关。对于熔炼焊剂而言，活度AF与焊剂组成物的质量分数w和焊剂的碱度B1有关。2) 扩散氧化：在一定的温度下，增加熔渣中FeO的含量，FeO将向钢液中扩散，从而使焊缝中含氧量增加。14、 焊缝金属脱氧的途径有哪些？脱氧效果如何？1、先期脱氧：药皮反应区， 碳酸盐分解为O2和CO2温度低，先期脱氧的效果不充分2、沉淀脱氧：是指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的脱氧方式。主要在熔滴和熔池中进行。常用的脱氧剂为Mn、Si。1) Mn的脱氧2) Si的脱氧. 3) Si/Mn联合脱氧3、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方式。脱氧的程度由分配定律决定。1) 扩散脱氧的效果主要与温度和熔渣的性质有关L=(FeO)/FeO T L ，FeO易向熔渣过渡在相同温度下，酸性渣比碱性渣易使Fe向熔渣中分配2) 扩散脱氧是不充分在熔池的尾部进行的，导致扩散脱氧。第二章1、 焊条药皮的作用及组成?1、药皮的作用：1) 机械保护作用（造渣、造气）2) 冶金处理作用（脱氧、合金化）3) 工艺性能改善作用（稳弧、脱渣、成形） 2、药皮的组成：1) 焊条药皮是由具有不同物理性质和化学性质的多种材料混合而成的涂层。2) 这些材料包括氧化物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、金属和铁合金等。3) 按药皮功能可分为稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、粘接剂和成形剂。2、 指出焊条型号所代表的含义，并以E4303和E5015为例加以说明。焊条的型号是按国家有关标准与国际标准确定的。以结构钢为例，型号编制法为字母“E”表示焊条，第一、二位表示熔敷金属最小抗拉强度，第三位数字表示焊条的焊接位置，第三、四位数字表示焊接电流种类及药皮类型。表示焊条药皮为钛钙型，并可采用交流或直流正、反接焊接E 4 3 0 3表示焊条适用于全位置焊接表示熔敷金属抗拉强度的最小值表示焊条3、 焊条的工艺性能包括哪些方面?1、 焊接电弧的稳定性2、 焊缝成形3、 各种位置焊接的适应性4、 飞溅5、 脱渣性6、 焊条熔化速度7、 焊条药皮发红8、 焊接烟尘4、 试对比分析酸性焊条及碱性焊条的工艺性能、冶金性能。1、酸性焊条：1) 氧化性强，对金属有较强的氧化作用，机械性能特别是冲击韧性比碱性低；2) 酸性渣脱硫、磷困难，抗裂性差；3) 焊接工艺性能良好，成形美观，对锈、油、水份的敏感性不大，抗气孔能力强；4) 电源交直流两用，直流正接。2、碱性焊条：1) 熔敷金属含氢量低，抗裂性好，冲击韧性高；2) 对锈、油、水份敏感，操作不当易产生气孔；3) 电弧稳定性差，只能采用直流，深坡口脱渣性不好，焊接时烟尘较大，要注意通风和防护。5、 试分析低氢型碱性焊条降低发尘量及毒性的主要途径。低氢型碳钢焊条的焊接烟尘量高于钛钙型焊条，烟尘中危害最大的是KF，NaF，而钠钾主要存在于水玻璃中，故可用树脂来降低水玻璃的粘性作用。6、 低氢型焊条为什么对于铁锈、油污、水份很敏感？低氢焊条的熔渣不具有氧化性，一旦有氢侵入熔池，将很难脱出，所以低氢焊条对于铁锈、油污，水分很敏感，必须严格控制氢的来源才可以保证焊接质量。 第三章2、 试述熔池的结晶线速度与焊接速度的关系。晶粒生长的平均线速度是变化的：晶粒成长方向和线速度是变化的，在熔合处最小，在焊道中心处最大（等于焊接速度）。在焊接热源功率一定时，焊接速度越大，晶粒的成长速度也越大。3、 简述熔池的结晶形态,并分析结晶速度、温度梯度和浓度对结晶形态的影响。晶体形态主要有平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶、树枝状结晶、等轴结晶。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