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焊接冶金学复习资料

一、填空题

1.在某型号铝合金活塞激光-TIG复合焊接工艺中，已知：

激光功率P1=3kW；热效率η1=0.9；TIG焊接的电压U=15.4V，电流I=138A；热效率η2=0.78；则复合焊接过程中的功率比为：

_0.6139__（1分）。

（TIG在前，保留四位有效数字）

2.再热裂纹：

SR处理或高温下长期工作（500~700℃）产生的裂纹（1分）。

3.热裂纹形成的机理是：

由于成分偏析而形成的低熔点共晶的液态薄膜（Fe-FeS、Fe-Fe3P、Ni-Ni3P、Ni-Ni3S2）在拉应力作用下（凝固收缩受拉）开裂。

理论分析中，热裂纹通常以Mn/S+C（1分）作为判据。

4.HAZ过热粗晶区包括两种脆化：

①、晶粒长大引起的脆化（1分）；②、淬硬组织引起的脆化（1分）。

5.预防合金结构钢冷裂纹的工艺要点：

预热+合适的焊接线能量+低氢焊材；其中，合适的线能量是指：

在保证HAZ韧性的前提下，线能量尽量大（1分）。

6.焊接工艺中预热的作用是：

①促使焊接区氢充分逸出；②降低冷却速度；后热的作用：

①消氢；②降低冷速；③韧化HAZ、焊缝组织。

7.铸铁中C的存在形式包括石墨和Fe3C两种，根据石墨形态不同，铸铁可以分为：

灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、白口铸铁。

牌号QT400-18表明：

抗拉强度为：

≥400；延伸率：

18%。

8.不锈钢焊缝晶间腐蚀的防止措施包括：

固溶处理、稳定化退火、超低碳法、合金化法；（本题4分）

9.合金钢强化机理包括：

固溶强化、沉淀强化、热处理强化、形变强化等类型。

10.热裂纹形成的机理是：

由于成分偏析而形成的低熔点共晶的液态薄膜（Fe-FeS、Fe-Fe3P、Ni-Ni3P、Ni-Ni3S2）在拉应力作用下（凝固收缩受拉）开裂。

理论分析中，热裂纹通常以Mn/S+C（1分）作为判据。

11.预防合金结构钢冷裂纹的工艺要点：

预热+合适的焊接线能量+低氢焊材；其中，合适的线能量是指：

在保证HAZ韧性的前提下，线能量尽量大。

12.固溶强化是指：

合金元素溶于基体金属中形成固溶体而使金属强化（1分）。

13.复合材料根据基体不同可以分为：

金属基复合材料和非金属基复合材料；

14.陶瓷的相组成包括：

晶相、玻璃相、气相；

15.不锈钢焊缝晶间腐蚀的防止措施包括：

固溶处理、稳定化退火、超低碳法、合金化法（本题4分）。

16.铝合金焊接过程中的水分来源包括：

弧柱气氛、焊丝和母材表面氧化膜吸附的水、焊丝和母材本身含有的氢等；

17.稀土元素对热裂纹形成作用：

细化晶粒、固溶强化、RE过高会降低强度；

18.塑料的主要焊接方法包括超声波焊接、热气焊接、高频焊接、电阻焊接、激光焊接等；电子材料的焊接方法包括回流焊接、波峰焊、钎焊等（举2个例子即可）。

19.焊接工艺中预热的作用是：

①促使焊接区氢充分逸出；②降低冷却速度；后热的作用：

①消氢；②降低冷速；③韧化HAZ、焊缝组织。

20.在某型号铝合金活塞激光-TIG复合焊接工艺中，已知：

激光功率P1=3kW；热效率η1=0.9；TIG焊接的电压U=15.4V，电流I=138A；热效率η2=0.78；则复合焊接过程中的功率比为：

0.6139。

（TIG在前，保留四位有效数字，本题2分）

21.焊接热效率（weldingheatefficiency）：

用于被焊材料焊接的热量和热源产生的热量之比。

激光焊接用于焊接的能量（已知激光功率P0；η）P=η•P0。

22.已知：

激光焊接过程的有效功率P，最小加热面积为S，则在激光焊接过程中的最大功率密度为：

P/S。

23.给出如下材料焊接属于的中文对照：

multipasswelding：

多道焊；multilayerwelding：

多层焊；TIG/GTAW：

钨极氩弧焊接；MIG/GMAW：

熔化极气体保护焊接；

24.一般地，焊缝的预热温度取决屈服强度和板厚。

对于多层焊层间温度一般不低于预热温度，通常取：

220~250℃；预热温度范围是情况而定，根据国家标准，测温位置一般在坡口上部2~3mm处

25.冷裂纹的三要素：

扩散氢的含量；拘束度造成的应力与应力集中；对冷裂敏感的淬硬组织

26.再热裂纹产生机理：

晶界杂质析集弱化作用；晶内沉淀强化作用；蠕变断裂—应力集中、空位聚集；

27.从组织的角度讲，促进热影响区脆化的影响因素包括：

魏氏组织、难熔质点的熔解、混合组织、淬硬组织、热应变脆化等。

28.孕育铸铁所采用的孕育剂为：

硅铁；硅钙。

29.铸铁焊接需要考虑的三个重要因素：

促进石墨化；焊缝合金化（异质焊缝）；焊前预热、焊后后热、焊后热处理。

二、简答题

1．合金结构钢母材或焊缝强化机理有几种，分别简述强化内容。

答：

（1）固溶强化，solutionstrengthening，合金元素溶于基体金属中形成固溶体而使金属强化。

（2）沉淀强化：

正火钢，指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。

如奥氏体沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后，在400～500℃或700～800℃进行沉淀硬化处理，可获得很高的强度。

（3）热处理强化：

调质钢，调质处理。

整体热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理和化学热处理

（4）形变强化

2．铝合金焊接性的主要问题包括那几个方面，简述铝合金焊接过程中，氢气孔的形成原因，氢的来源及影响因素。

答：

铝合金焊接有几大难点：

①铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；②铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3其熔点为2060℃），这就需要采用大功率密度的焊接工艺；③铝合金焊接容易产生气孔；④铝合金焊接易产生热裂纹；⑤线膨胀系数大，易产生焊接变形；⑥铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4倍。

氢气孔的形成原因，氢的来源及影响因素为：

1）类型：

析出型（氢气孔）

2）原因：

①液态金属吸氢能力提高，凝固［H］↓

→H2气泡↑

②铝的导热↑→冷却速度↑

→H2气泡上浮数量↓

③铝的比重↓→H2气泡上浮速度↓

3）来源：

①弧柱气氛中的水

②焊丝和母材表面氧化膜吸附的水

③焊丝和母材本身含有的氢

④保护气体中的氢和水分

4）影响因素

①弧柱气氛中的水的影响

Al+3H2O=Al2O3+6H或Al+3H2O=Al（OH）3+3H

不同合金系焊缝对氢的敏感度不同：

纯铝最敏感

不同焊接方法对氢敏感度不同：

MIG＞TIG

②氧化膜中水分的影响（焊丝、工件）：

焊丝氧化膜：

MIG＞TIG

母材氧化膜：

MIG＜TIG

③焊接工艺的影响

TIGE↓：

I↑，V焊接↑↑→tH↓→减少氢的溶入，

I↑→根部熔合↑

MIGE↑：

I↑，V焊接↓→tH↑→气泡上浮↑

极性：

TIGAC；MIGDCRP

改变弧柱气氛：

加入氧化性气体（CO2、O2）

例如Ar+0.3％O2MIG√TIG×（W极烧损）

3．利用贫化理论分析，不锈钢晶间腐蚀机理，并选择如下一种腐蚀行为，分析其符合哪一种贫化理论以及析出物是什末？

（i）铝铜合金晶间腐蚀：

（ii）镍钼合金晶间腐蚀：

答：

晶界存在着显著的化学、物理不均匀性。

在腐蚀介质中金属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。

在某些环境中，晶界的溶解速度远大于晶粒本身的溶解速度时，会产生沿晶界进行的选择性局部腐蚀，称为晶间腐蚀。

由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。

沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域发展，晶粒本身腐蚀很轻微，晶间腐蚀（介质和应力作用）是应力腐蚀的先导。

•不锈钢晶间腐蚀：

贫铬理论；析出Cr23C6

•铝铜合金晶间腐蚀：

贫铜理论-析出CuAl2

•镍钼合金晶间腐蚀：

贫钼理论-析出Mo2C

4．简述铸铁白口和脆硬组织具体主要指那些？

它们对铸铁焊缝有什末影响？

答：

白口组织是由于在铸铁补焊时，碳、硅等促进石墨化元素大量烧损，且补焊区冷速快，在焊缝区石墨化过程来不及进行而产生的。

5．根据右图简述Cr元素对于γ相区形成的作用，并分析其中包含的脆化现象。

答：

Cr:

缩小γ相区,wCr>12%,不发生γ相关转变；强铁素体形成元素。

０

820℃,σ脆化α（δ）铁素体－>σ

475℃,475脆化

α（δ）铁素体－>低铬的α铁素体和高铬的α′铁素体

1．简述铸铁凝固特点、石墨化过程及影响因素。

答：

石墨化第一阶段：

1）共晶铁液中直接析出初生石墨（一次石墨）；L-C’

2）共晶过程形成共晶石墨；

P-C

3）奥氏体冷却析出二次石墨；

A-C’

4）渗碳体分解析出的石墨（包括一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体）；石墨化比较充分；Fe3C-C

石墨化第二阶段：

1）共析转变形成的共析石墨

2）共析渗碳体分解析出的石墨；

影响主要因素：

铸铁的化学成分、结晶及冷却过程中的冷却速度。

2．铝合金焊接性的主要问题有哪些？

答：

1铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；

2铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3其熔点为2060℃），这就需要采用大功率密度的焊接工艺；

3铝合金焊接容易产生气孔；

4铝合金焊接易产生热裂纹；

5线膨胀系数大，易产生焊接变形；

6铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4倍。

3．利用贫化理论分析不锈钢晶间腐蚀机理，并指出如下现象符合那种贫化理论、析出物是什末？

（iii）铝铜合金晶间腐蚀：

（iv）镍钼合金晶间腐蚀：

答：

晶界存在着显著的化学、物理不均匀性。

在腐蚀介质中金属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。

在某些环境中，晶界的溶解速度远大于晶粒本身的溶解速度时，会产生沿晶界进行的选择性局部腐蚀，称为晶间腐蚀。

由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。

沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域发展，晶粒本身腐蚀很轻微，晶间腐蚀（介质和应力作用）是应力腐蚀的先导。

•不锈钢晶间腐蚀：

贫铬理论；析出Cr23C6

•铝铜合金晶间腐蚀：

贫铜理论-析出CuAl2

•镍钼合金晶间腐蚀：

贫钼理论-析出Mo2C

4．简述铸铁白口和脆硬组织具体主要指那些？

它们对铸铁焊缝有什末影响？

答：

白口组织是由于在铸铁补焊时，碳、硅等促进石墨化元素大量烧损，且补焊区冷速快，在焊缝区石墨化过程来不及进行而产生的。

5．合金结构钢冷裂纹三要素；

答：

（1）扩散氢的含量

（2）拘束度造成的应力与应力集中。

（3）对冷裂敏感的淬硬组织。

6．正火状态下，合金元素的作用？

答：

（1）正火使一些氮化物，碳化物质点更交均地弥散分布于基体中。

（2）同时，V、Nb在正火下能进一步细化晶粒。

有利塑性、韧性的提高。

1．冷裂纹的预防可以采用哪些手段。

答：

（1）降低接头扩散氢含量。

低氢焊材；保证焊材的烘干温度；去除母材、焊材的油锈。

（2）减小接头淬硬倾向。

控制预热或层间温度；用大一些的焊接线能量。

（3）对于厚度较大的焊接结构，焊后应尽量快地进行SR处理，同时也就进行了消氢处理，但需缓慢冷却。

即，预热+合适的焊接线能量+低氢焊材。

合适的焊接线能量为在保证HAZ韧性的前提下，线能量尽量大。

2．焊材的选择原则？

答：

（1）从母材的力学性能出发，选择相应强度级别的焊材

等强：

焊缝的力性=母材的力性

相应：

焊材的强度小于母材强度。

σb焊材=0.85σb母材。

（2）要考虑熔合比的影响

熔焊时，被熔化的母材部分在焊道金属中所占的比例。

薄板、厚板坡口型式是不一样的。

（3）要考虑冷却速度的影响

接头型式不同，冷却速度不同。

对接和角焊缝：

角接冷速大于对接冷速。

（4）要考虑PWHT的影响

焊后热处理包括：

①SR处理：

焊后高温回火（T＜AC1）

②焊后正火处理。

①对性能影响不大，可用等强原则正常选焊材。

②对性能影响大，强度降低，塑性、韧性提高。

所以，选择焊接材料时，可用稍高强度的焊材。

3．试述灰铸铁非铸铁型异质焊缝电弧冷焊的焊接工艺。

工艺特点如下：

1）在保证电弧稳定燃烧的前提下，采用尽可能小的焊接电流，焊接第一、二层焊缝时，宜选用小直径焊条，焊接电流可按焊条直径的29～34倍进行选用。

2）在保证焊缝正常成形及母材熔合良好的前提下，采用尽可能快的焊接速度，并尽量压低电弧，采用短弧焊。

3）采用短段焊、断续焊、分散焊及焊后立即锤击焊缝工艺，以降低焊接应力，防止产生裂纹。

一般每次焊缝长度为10～40mm。

4）采用合理的焊接方向及顺序，以减少应力。

厚板多层焊时的焊接顺序，应先焊坡口面焊道，再焊中间层焊道，

4．简述石墨化（铸铁组织中石墨的形成过程）两个阶段及石墨化主要影响因素。

石墨化第一阶段：

1）共晶铁液中直接析出初生石墨（一次石墨）；L-C’

2）共晶过程形成共晶石墨；P-C

3）奥氏体冷却析出二次石墨；A-C’

4）渗碳体分解析出的石墨（包括一次渗碳体、共晶渗碳体

和二次渗碳体）；石墨化比较充分；Fe3C-C

2.石墨化第二阶段：

1）共析转变形成的共析石墨

2）共析渗碳体分解析出的石墨；

影响主要因素：

铸铁的化学成分、结晶及冷却过程中的冷却速度。

5．简述铸铁焊接接头各区域的组织变化

答：

焊缝区：

焊缝组织：

共晶渗碳体、二次渗碳体、珠光体----具有莱氏体组织的白口铸铁（脆硬组织，500-800HBW）

半熔化区：

共晶渗碳体+二次渗碳体+P（γ′+M）

奥氏体区：

γ-Porγ-M

部分重结晶区：

M+F混合组织

三、分析题（本题共2小题，每小题5分，共10分）

1．依据铝合金焊接性特点，分析铝合金的焊接性。

在此基础上，分析激光焊接技术、激光-TIG复合焊接技术、激光-MIG焊接技术以及搅拌摩擦焊接技术在铝合金焊接方面的优缺点。

答：

铝合金焊接性特点：

7铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；

8铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3其熔点为2060℃），这就需要采用大功率密度的焊接工艺；

9铝合金焊接容易产生气孔；

10铝合金焊接易产生热裂纹；

11线膨胀系数大，易产生焊接变形；

12铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4倍。

激光技术及复合焊接技术的特点：

铝合金激光焊接最为引人关注的特点是其高效率，而要充分发挥这种高效率就要把它运用到大厚度深熔焊接中。

因此，研究和使用大功率激光器进行大厚度深熔焊接将是未来发展的必然趋势。

大厚度深熔焊更加突出了小孔现象及其对焊缝气孔的影响，因此小孔形成机理及其控制变得更加重要，它必将成为未来学术界及工业界共同关心和研究的热点问题。

改善激光焊接过程的稳定性和焊缝成形、提高焊接质量是人们追求的目标。

因此，激光-电弧复合工艺、填丝激光焊接、预置粉末激光焊接、双焦点技术以及光束整形等新技术将会得到进一步的完善和发展。

所以，采用辅助电流，通过其形成的电磁力控制熔池流动状态，从而改善焊接过程的稳定性，提高焊缝质量，复合焊接技术由于其固有特点具有很强的发展前途。

主要解决铝合金激光焊接过程中的反射问题。

搅拌摩擦焊主要从固态焊接、半固态焊接角度进行分析。

2．试以铸铁为例，建立冷裂纹数学模型。

应给出模型、假定条件、求解公式等内容。

2．利用贫化理论分析，不锈钢晶间腐蚀机理，并选择如下一种腐蚀行为，分析其符合哪一种贫化理论以及析出物是什末？

（v）铝铜合金晶间腐蚀：

（vi）镍钼合金晶间腐蚀：

答：

晶界存在着显著的化学、物理不均匀性。

在腐蚀介质中金属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。

在某些环境中，晶界的溶解速度远大于晶粒本身的溶解速度时，会产生沿晶界进行的选择性局部腐蚀，称为晶间腐蚀。

由于晶粒表面和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在。

沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域发展，晶粒本身腐蚀很轻微，晶间腐蚀（介质和应力作用）是应力腐蚀的先导。

•不锈钢晶间腐蚀：

贫铬理论；析出Cr23C6

•铝铜合金晶间腐蚀：

贫铜理论-析出CuAl2

•镍钼合金晶间腐蚀：

贫钼理论-析出Mo2C

四、读图题（本题共2题，共20分）

1.如图虚线所示：

已知铸铁的凝固曲线，分析铸铁凝固特点、石墨化过程及影响因素

石墨化第一阶段：

1）共晶铁液中直接析出初生石墨（一次石墨）；L-C’

2）共晶过程形成共晶石墨；

P-C

3）奥氏体冷却析出二次石墨；

A-C’

4）渗碳体分解析出的石墨（包括一次渗碳体、共晶渗碳体和二次渗碳体）；石墨化比较充分；Fe3C-C

石墨化第二阶段：

1）共析转变形成的共析石墨

2）共析渗碳体分解析出的石墨；

影响主要因素：

铸铁的化学成分、结晶及冷却过程中的冷却速度。

2.如图所示：

铸铁分层堆焊和大型件逐段堆焊，在图中标明堆焊顺序，用①，②，③…标明。

并内燃机缸体的材料多为灰口铸铁，因其结构形状复杂，工作时受热、受力情况严重会出裂纹。

在北方的冬季，如冷却水放不尽，夜间也容易冻裂。

铸铁材料焊接性能不好，施焊时容易产生新的裂纹或焊口开裂，因此，对铸铁零件焊修至关重要，以此为例，设计铸铁件失效的裂纹检查、焊前准备、经典焊接方法选择、工艺选择、焊接材料选择。

简要说明另一种焊补方法电弧冷焊的应用背景。

答：

经机械加工而不允许变形和破坏的工件；体积较大而难于预热的工件。

通常对边角部位缺陷、刚度较大部位的小缺陷、非加工面的缺陷宜用电弧冷焊。

常见问题：

a白口及淬硬；b冷裂纹。

解决方案：

a调整化学成分：

C+Si含量提高（石墨化）。

b降低冷却速度：

促进石墨化

c选择合适的焊接材料。

1．根据右图简述Cr元素对于γ相区形成的作用，并分析其中包含的脆化现象。

答：

Cr:

缩小γ相区,wCr>12%,不发生γ相关转变；强铁素体形成元素。

０

820℃,σ脆化α（δ）铁素体－>σ

475℃,475脆化

α（δ）铁素体－>低铬的α铁素体和高铬的α′铁素体

五、设计题（10分）

冷裂纹受到材料冶金、工装夹具和焊接工艺的影响，但对于不同的材料，冷裂纹表现为不同的形态，且对材料焊接接头组织性能有着不同的影响，而影响因素也不同。

请尝试利用对比分析方法，以合金结构钢和铸铁为例，分析这两种材料的焊接性，对比分析应包括如下内容：

✓冷裂纹的机理

✓冷裂纹的影响要素

✓冷裂纹的预防

✓设计一套“小铁研试验”，提供材料开裂的判据。

可选择一种方法对比分析，如针对同一种材料分析其冷裂纹特点或针对冷裂纹分析不同材料表现的特征，应从材料冶金、焊接方法和工艺、焊接结构设计等方面详尽分析。

答：

冷裂纹机理，冷裂纹常发生在热影响区中，有时也在焊缝中。

一般引起此类裂纹归为三大因素。

扩散氢的含量、拘束度造成的应力与应力集中、对冷裂敏感的淬硬组织。

冷裂纹的预防：

（1）降低接头扩散氢含量。

低氢焊材；保证焊材的烘干温度；去除母材、焊材的油锈。

（2）减小接头淬硬倾向。

控制预热或层间温度；用大一些的焊接线能量。

（3）对于厚度较大的焊接结构，焊后应尽量快地进行SR处理，同时也就进行了消氢处理，但需缓慢冷却。

一句话，预防冷裂纹工艺要点：

预热+合适的焊接线能量+低氢焊材。

合适的焊接线能量：

在保证HAZ韧性的前提下，线能量尽量大。

设计的小铁研试验如下，

试板中间（80mm处）焊试验焊缝（单道焊），焊接规范为标准规范，焊条直径φ4mm，焊接电流170A，电弧电压24V，焊速150mm/min。

试验焊缝两端都不得与拘束焊缝相连，应各相距2—3mm，试验焊缝焊后至少放置24小时，然后进行裂纹检查。

首先用放大镜目测检查焊缝金属表面裂纹，然后沿焊缝长度方向均匀截成六段，从同一侧面检查每一试片的断面裂纹，计算出裂纹率。

由于两端固定，对试验焊缝有拘束作用，其拘束程度往往比实际结构的长焊缝还要大，所以一般认为只要表面裂纹率不超过20%，在实际生产中就不致发生裂纹。

六、论述题：

根据所学材料焊接的理论知识，结合材料发展现状和趋势、焊接技术发展现状和趋势，材料焊接工程或技术国内外研究和应用现状，选择如下论题之一，探讨焊接过程或制造过程中可能存在的问题、潜在的焊接技术和最优的解决方案（不局限于现有技术）。

要求：

自由论述，论点鲜明，论据充分，论证有力。

字数不限，不够可附页。

论题：

（1）传统领域或新兴领域的特殊领域钢结构焊接制造技术；

（2）有机材料的粘结技术；

（3）结构功能一体化材料及其焊接性；

（4）水下合金结构钢的焊接性分析；

（5）超硬材料与钢的焊接性；

（6）高导热系数合金的焊接性；

（7）失重状态下钛合金的焊接性；

（8）其他。

包括自己感兴趣的领域或方向。

评分标准：

根据实际情况，应给出理论-技术-应用等方面。