1.铝及其合金是如何分类的,各以何种途径强化?铝合金焊接时存在什么问题?在焊接性方面有什么特点?
2.为什么Al-Mg合金及Al-Li合金焊接时易形成气孔?铝及其合金焊接时产生气孔的原因?如何防止气孔?为射门纯铝焊接时易出现分散小气孔,而Al-Mg合金焊接时易出现集中大气孔?
3.铜及铜合金的物理化学性能有何特点?焊接性如何?不同的焊接方法对铜及铜合金焊接接头质量有什么影响?
4.比较分析三种镍基铸铁焊条的特点
5.焊接接头形成所经历的过程,及其对焊接质量的影响
6.焊接条件下组织转变与热处理条件下组织转变有何不同?
7.影响焊接HAZ最大硬度Hmax的因素?怎样利用Hmax来判断HAZ的组织和性能?它有什么优缺点?
8.何谓组织遗传?受哪些因素影响?如何改善?
9.焊接热循环对被焊金属近缝区的组织性能有何影响?怎样利用热循环和其他工艺措施改善HAZ的组织性能?
10.焊接热循环主要参数?
11.说明用镍基铸铁焊条电弧冷焊铸铁时,焊缝易产生热裂纹的原因及防止措施
12.分析热轧钢和正火钢的强化方式及主强化元素有何不同?二者的焊接性有何差异?在制定焊接工艺时应注意什么问题?
13.简述采用铸铁同质焊条对焊接工艺有何要求?
14.热循环过程中材料性能变化
15.氢对焊接质量的影响
16.焊接区内空气的主要来源是什么?它们是怎么样产生的?
17.随焊调控焊接应力与变形的措施
18.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?
19.J422焊条药皮中含TiO228%,SiO226.5%,CaO10.6%,12%锰铁,焊芯含Si0.02%,O0.01%,而熔敷金属中却含Si0.15% O0.05%试分析其原因?
20.试对比分析酸性焊条及碱性焊条的工艺性能、冶金性能和焊缝金属的力学性能
答案:
1、分类:非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金强化途径:a非热处理强化铝合金只能形变强化,工业纯铝、铝锰合金、铝硅合金、铝镁合金b热处理强化铝合金可热处理强化(固溶、淬拉强度,但焊接性较差。焊接时产生焊接裂纹的倾向较大,焊接接头的力学性能下降,铝的氧化、焊缝中的气孔、热裂纹、焊接接头的等强性,接头耐蚀性,表火、时效)也可形变强化。铝铜合金、铝镁硅合金、铝锌镁合金
问题:a非热处理强化铝合金可通过加工硬化,固溶强化提高力学性能。特点:是强度中等,塑性及耐蚀性好,焊接性好 b热处理强化铝合金通过固溶、淬火、时效等各以提高力学性能,经热处理后可显著提高抗面易生成难溶的氧化膜,成为夹杂物,其线膨胀系数大,焊接时易产生翘曲变形,电弧不稳,不融合,易形成夹杂,气孔,易翘曲变形。
2、原因:氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因,而焊接材料以及母材吸附的水分,表面氧化膜所吸收的水分,弧柱气氛中的水分是氢的主要来源,因此易产生气孔
措施:减少氢的来源,减少氢与熔融金属作用的时间,控制焊接参数
因为合金比纯铝更易吸收水分,合金氧化膜时MgO,不致密,吸水性强,促使产生气孔,而纯铝的氧化膜只有Al2O3组成,相对来说吸水性小,纯铝在焊接凝固点时,溶解度突变,在结晶的枝晶前沿形成许多微小气孔,而合金的枝晶晶体的交互生长,使生长受限制而不利于浮出产生小气孔。Al-Mg合金焊接时气泡附着在残留氧化膜上,不易脱离浮出且因气泡是在熔化早期形成,有条件长大,成为大气孔。
3、特点:热导率大,线膨胀系数大
焊接性:a难熔合,易变形 Cu导热系数大→散热快→难熔合,收缩率大,线膨胀系数大→易变性b热裂纹,纯铜,单相α→晶粒粗大,线膨胀系数大,收缩率大→残余奥氏体量大
影响:埋弧焊-焊接接头抗拉强度与母材接近,但伸长率约为20%,与母材相差较大;TIG-应用广泛,焊接性较好,焊条电弧焊焊接接头抗拉强度与母材接近,但伸长率为10%到25%;惰性气体保护焊-在熔焊过程中合金元素损失会使接头耐蚀性降低,焊接应力使接头在腐蚀环境中过早的破坏。
4、1)纯镍铸铁焊条---优点:在电弧冷焊条件下焊接接头加工性优异,焊接工艺合适时半熔化区白口宽度仅为0.5mm左右,且呈断续分布,是所有铸铁异质焊接材料中最窄的,使得HAZ硬度较低,加工性好,焊缝为奥氏体加点状石墨,硬度低塑性较好,抗热裂纹性能较好,强度与母材相当。这种焊条在铸铁焊条中,价格最贵,主要用于对补焊后加工性能要求高的缺陷补焊,或用作其他焊条的打底层。
2)镍铁铸铁焊条---熔敷金属铁的质量分数高达40~55%,价格较低,由于铁的固溶强化作用,其熔敷金属力学性能较高,抗拉强度可达390~540MPa,伸长率一般大于10%。主要用于高强度灰铸铁和球墨铸铁的焊接,这种焊条的焊缝金属抗热裂纹性能优于其他镍基铸铁焊条。由于焊缝金属含镍量较低,半熔化区白口层比纯镍焊条宽。小电流焊接时半熔化区白口宽度为0.10~0.15mm,HAZ最高硬度小于300HBW,使焊接接头加工性较差。由于焊缝强度较高,用这种焊条焊接刚度较大部位的缺陷或焊补量较大时,有时在焊接接头的熔合区出现剥离性裂纹。另外,镍铁合金有红尾现象,如果继续焊接则因焊条熔化速度加快而影响焊接质量。
3)镍铜铸铁焊条---由于含镍量处于纯镍铸铁焊条和镍铁铸铁焊条之间,使焊接接头的半熔化区白口宽度和接头的加工性能也介于二者之间。但镍铜合金的收缩率较大,容易引起较大的焊接应力,产生焊接裂纹,该焊条的灰铸铁焊接接头抗拉强度较大,仅适用于强度要求不高的加工和缺陷补焊。
5.过程---加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变、直至形成焊接接头;焊接热过程影响---与冶金反应、凝固结晶和固态相变焊接温度场和应力变形均有密切关系,影响焊接质量和生产率;化学冶金过程影响---氧化、脱s、p,掺合金等,直接影响焊缝的成分、组织和性能。金属凝固结晶和相变过程的影响---可能产生偏析、夹杂、气孔、冷、热裂纹、脆化等缺陷,故而控制和调整凝固和相变过程成为保证焊接质量的关键。
6.(1)加热温度高,热处理不超过Ac3以上100~200℃,焊接中,近缝区接近于金属的熔点(2)加热速度快,焊接采用热源强烈集中,故加热速度比热处理快几倍或几十倍(3)高温时间停留短,焊接时由于热循环的特点,在Ac3以上保温的时间很短,而在热处理时可以根据需要来任意控制保温时间(4)自然条件下连续冷却,热处理可控制,焊接一般是空冷(5)局部加热,热处理炉中整体加热,焊接局部集中加热
7.影响因素:化学成分(碳当量增加,硬度也随之增加,即淬硬倾向增加);冷却时间t8/5判断:采用HAZ最大硬度Hmax作为一个因子来评价金属的焊接性,冷裂纹的敏感性,Hmax越高,钢种的强度级别越高优点:不仅仅反映了化学成分的作用,同时也反映了不同组织形态的作用比碳当量要为准确缺点:计算麻烦
8.厚板结构多层焊时,若第一焊道的HAZ粗晶区委员第二焊道的正火区(相变重结晶区),按一般的规律,粗晶区的组织将得到细化,从而改善了第一焊道粗晶区的性能。但对某些钢种实际上并未得到改善,仍保留粗晶组织和结晶学的位向关系,这种现象称为“组织遗传”
影响因素:原始组织,加热温度等主要发生在淬硬倾向的调制钢栽快速加热和快速冷却的非平衡组织中
9.溶合区过热区重结晶区不完全重结晶区(1)加热速度的影响:焊接条件下的加热速度比热处理条件下要快的多,并随加热速度的提高则相变温度也随之提高,同时奥氏体的均质化和碳化物的溶解也越不充分,因此必然影响到HAZ的组织性能(2)加热的最高温度影响:低碳钢和低合金钢焊接时在融合线附近的过热区,由于温度高(1300~1350℃),晶粒发生严重长大从而使韧性严重下降3.相变温度以上停留的时间的影响:在相变温度TH以上停留的时间越长越有利于奥氏体的均质化过程,但温度太高时,即使停留时间不长,也会严重的晶粒长大4.冷却速度和冷却时间的影响:冷却速度是决定焊接HAZ组织性能的主要参数,熔合区和过热区对焊接接头组织性能的不利影响最为显著,因此在焊接过程中尽可能减少热影响区的范围利用热循环:针对不同的区域,适用合适的加热温度和冷却速度其他措施:改善HAZ组织性能:适当的焊接方法,焊接规范,接头形式,焊后冷却速度;减小HAZ:在保证焊接质量的前提下,增加焊接速度,减小焊接电流
10.(1)加热速度.要比热处理时的加热速度快得多快速加热使体系处于非平衡状态因而在其冷却过程中影响热影响区的组织和性能(2)加热最高温度.金属材料的组织变化除与化学成分有关外主要是受加热温度和冷却温度的影响(3)在相变温度以上停留时间停留时间越长就会有利于奥氏体的均匀化过程温度升高很高即使时间不长对某些金属也会造成严重的晶粒长大(4)冷却速度.是决定热影响区组织性能的重要参数之一
11、产生原因:由于铸铁母材中含有较多的S、P等杂质,溶入镍基奥氏体焊缝金属后,容易形成Ni-Ni3S2和Ni-Ni3P低熔点共晶。且镍基焊缝凝固后为较粗大的单相奥氏体柱状晶,凝固过程中容易使低熔点共晶在奥氏体晶间连续分布,促进热裂纹形成。
防止措施:向焊缝金属中加入适量的C、Si、Co、稀土等合金元素。这些元素具有较强的脱硫、脱磷作用,使奥氏体晶间的低熔点共晶物减少,同时还能使晶粒细化,促进石墨化,改善焊缝金属的力学性能,使焊缝具有较高的抗热裂纹性能。
12、(1)热轧钢---通过Mn、Si等合金元素的固溶强化作用来保证钢的强度,也可再加入V、Nb以达到细化晶粒和沉淀强化的作用;正火钢---在固溶强化的基础上,加入一些C、N化合物形成元素(V、Nb、Ti、Mo),通过沉淀强化和细化晶粒进一步提高钢材的强度和保证韧性
(2)焊接性的差异:①冷裂纹---热轧钢含有少量的合金元素,碳当量比较低,一般情况下冷裂纹倾向不大;正火钢由于合金元素含量较多,淬硬倾向有所增加。②热裂纹---热轧钢和正火钢一般碳含量较低,而Mn含量较高,因此这类钢的WMn/Ws能达到要求,具有较好的抗热裂纹性能,焊接过程中的热裂纹倾向较小,正常情况下焊缝中不会出现热裂纹③HAZ脆化---热轧钢对热不敏感,脆化倾向小,在低温下运行则要注意粗晶区脆化上升;正火钢焊C、N,采用过大的焊接热输入时粗晶区的V(C、N)析出基本固溶,V(C、N)化物异质奥氏体晶粒长大及组织细化作用被削弱,粗晶区易出现粗大晶粒及上贝氏体,M-A组元素,导致粗晶区韧性降低和时效敏感增大。
(3)注意问题:a和母材强度级别相当,焊缝强度等于或略高于母材下限值b板的厚度(决定冷却速度),接头形式(决定熔合比)c焊后是否热处理,焊后消应力处理d焊缝是否有特殊要求
13、焊接时,从缺陷中心引弧,逐渐向外扩展,连续焊接将缺陷焊满,缺陷较大时,逐层焊接直至填满,焊接过程中,注意电弧适当拉长,保证药皮中的石墨充分熔化,电弧在缺陷边缘处停留时间不要太长,防止母材熔化过多或咬边,铁液表面熔渣过多时,应及时除渣,还要注意焊补过程中,保持预热温度,焊后必须采取保温缓冷措施,可以用石棉等保温材料覆盖铸件,对于重要铸件,焊补后最好马上入炉进行消除应力热处理,保温一段时间后随炉冷却。
14.在整个热循环过程中金属的性能发生很大变化当温度接近固相线S时晶粒间的低熔点物质开始溶化导致金属的延性陡然下降当温度接近液相线L时液相所占的比例很大金属的变形能力迅速上升.在焊接过程中金属的温度下降但脆性温度区间△Tb范围内时由于温度下降导致金属拉伸应变增加可能引发开裂.在接近200—300度范围内会消耗金属的一部分延性对金属在室温和低温下延性有较大影响如果近缝区存在几何不连续性焊接塑性应变量在这些部位成倍增加加剧延性耗竭
15.氢脆-氢在室温附近使钢的塑性严重下降现象;白点-碳钢或低合金钢焊缝,如含氢量高,则常常在其拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点;形成气孔-如果熔池吸收了大量的氢,那么在它凝固时由于溶解度的突然下降,使氢处于饱和状态,这促使产生2[H]=H2的反应,,生成的分子氢不溶于金属,于是在液态金属中形成气泡,当气泡外逸速度小于凝固速度时,就在焊缝中形成气孔;产生冷裂纹-冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度产生的一种裂纹,其危害很大,氢是促使产生冷裂纹的主要原因之一。
16.(1)焊接区气体主要来源于焊接材料焊条药皮.焊剂和药芯中的造气剂.高价氧化物和水分焊丝表面上和母材坡口附近的铁皮.铁锈.油污.油漆和吸附水等(2)有机物的分解和燃烧 制造焊条时常用淀粉.纤维素.糊精.藻酸盐等有机物做造气剂和涂料增塑剂(3)碳酸盐和高价氧化物的分解,焊接冶金中常用的碳酸盐有CaCO3.MgCO3.BaCO3和白云石(4)材料的蒸发:在焊接过程中,除焊接材料中的水分发生蒸发外金属元素和熔渣的各种成分也在电弧高温的作用下发生蒸发形式相当多的蒸发
措施:加强保护防止空气与金属作用
17.(1)刚性固定:利用机械加工校正变形并调节内应力分布(2)减少焊缝的热输入.类似减少焊接线能量的作用达到减少变形的目的(3)合理安排装配焊接的顺序可以调控焊接变形(4)预拉伸.施加一个与焊接方向平行的拉伸载荷,在载荷情况下进行焊接(5)焊时温差拉伸法:在焊缝附近加一马鞍型温度场,降低应力与变形(6)随焊激冷发:采用介质使焊缝产生负温差产生变形与焊接变形抵消(7)随焊碾压法:减少变形降低应力(8)随后锤击:产生塑性延展变形抵消焊接变形达到目标(9)随焊冲击碾压法:锤击和碾压的结合
18.通过两种途径(1)氢是通过气相与液态金属的界面以原子或质子的形式融入金属的a对于含自由氧原子的酸性或碱性渣H2O气+(O2—)←→2(OH—)b对于不含自由氧离子的渣H2O气 +(SimOq--n)←→2(OH—)+(SimO(q-2)--n-1 )c若渣中含有氧化物(OH—)+(F—)←→(O2—)+HF (2)氢是通过渣层溶入金属的a氢从熔渣中向金属中过渡(Fe2+)+2(OH—)←→[Fe]+2[O]+2[H] [Fe]+ 2(OH—)←→(Fe2+)+2(O2—)+2[H] 2(OH—)←→(O2—)+2[H]+[O] b在焊接熔渣中还有少量的质子以扩散或搅拌作用到达熔渣与金属的界面上直溶入金属c在阳极处还有可能发生溶解氢的电化学反应(OH—)←→[H] +[O]+e
19.由题中所示数据可知药皮和焊芯中的Si和O只有一小部分过渡到金属中药皮或焊剂的氧化势越大则合金过渡系数越小当合金又与及氧化物在药皮中共存时,由质量定律可知,能够提高该元素的过度系数若其他条件相同时则合金元素的氧化物与熔渣的酸碱性相同,有利于提高过度系数 SiO2是酸性的所以随着焊渣碱性的增加硅的过渡系数减小
20.酸性焊条(交直流):含有大量的酸性氧化物,氧化性强,具有去氢作用,焊接工艺性好,对铁锈不敏感,但脱氢不完全,焊缝冲击韧度较低,塑性、抗裂性都较差,广泛应用于一般低碳钢及不重要的结构焊接。碱性焊条(直流反接)加入稳弧剂后可交直流两用:药皮含有较多的铁合金和碱性氧化物,脱氧能力强,又具有一定的脱硫能力,所以焊接接头塑性、韧性和抗裂性较好;碱性焊条工艺性较差,用于重要结构及刚度较大、裂纹敏感性较大的焊件焊接。