材料连接原理与工艺复习

1 1 焊焊接接的的定定义义 焊焊接接与与机机械械连连接接的的区区别别 答 被焊工件的材质 同种或异种 通过加热或加压或二者并用 并且用或者不用填充 材料 使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接 2 2 焊接热源的共同特点 焊接热源的共同特点 答 能量密度高度集中 快速实现焊接过程 并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的焊接 热影响区 3 3 描述焊接热源的指标 描述焊接热源的指标 最小加热面积 最大功率密度 正常焊接工艺参数条件下的热源温度 4 4 焊接热循环的特点 第 焊接热循环的特点 第1010页 页 答 加热速度快 峰值温度高 冷却速度大 相变温度以上停留时间不宜控制 5 5 焊焊接接热热过过程程的的特特点点 第第 7474页 页 1 加热温度高 一般热处理时加热温度最高在 Ac3以上100 200 而焊接时加热温度 远超过 Ac3 在熔合线附近可达1350 1400 2 加热速度快 焊接时由于采用的热源强烈集中 故加热速度比热处理时快得多 往 往超过几十倍甚至几百倍 3 高温停留时间短 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任意控制保温时间 4 自然条件下连续冷却 在热处理时可以根据需要来控制冷却速度或在冷却过程中不 同阶段进行保温 然而在焊接时 一般都是在自然条件下连续冷却 个别情况下 才进行焊后保温或焊后热处理 5 焊接局部加热 将产生不均匀相变及应变 6 组织转变在应力状态下进行 6 6 试试简简述述不不锈锈钢钢焊焊条条药药皮皮发发红红的的原原因因 有有什什么么解解决决措措施施 原因 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 7 H H 对焊接质量的影响 第对焊接质量的影响 第3636页 页 控制 控制 H H 的措施 第的措施 第3737页 页 影响 影响 1 氢脆 由氢引起钢的塑性严重下降的现象称为氢脆 2 白点 碳钢和低合金钢焊缝金属含有许多氢时 可在其抗拉试件的端口上发现呈圆 形 或椭圆形并在中心有一凹点的银白色斑点 这个斑点称为白点 3 冷裂纹 焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹称为冷裂纹 4 气孔 当熔池中溶入大量氢时 在熔池冷却到熔点时 由于氢的溶解度急剧下降使 氢 呈现过饱和状态 因此氢大量析出并以气泡的形式向外逸出 如果逸出速度小于熔池 的结晶速度便形成气孔 5 组织变化 氢时奥氏体稳定化元素 在奥氏体中的溶解度较大 当焊缝中含氢量较大 时 含氢奥氏体的稳定性增加 不易形成铁素体和珠光体 而容易转变为马氏体 从而造 成氢的局部富集产生氢脆 并在内应力的作用下产生显微裂纹 措施 措施 1 限制氢的来源 一 限制焊接材料中的含氢量 焊前要对焊条和焊剂进行严格的烘 干 烘干后立即使用 在贮存中要注意防止吸潮 二 气体保护焊所用的气体 焊丝和工 件表面的油污和水分都是氢的重要来源 要在焊前注意检查和采取相应措施来减低焊接材 料的含氢量 2 进行冶金处理 在焊条药皮中加入 CaF2 MgF2 BaF2等氟化物 通过适当的冶金反 应 可以在高温下形成稳定且不溶于金属的氢化物 OH HF 降低气相中的氢分压 从而 降低氢在液态金属中的溶解度 3 控制焊接材料的氧化还原势 CO2 H CO OH 如氩弧焊时在氩气中加入少量的氧气 或 CO2可以控制接头的氢气孔 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 焊后把工件加热到一定温度 促使氢扩散外逸的工艺叫脱氢处理 8 N 对焊接质量的影响 第对焊接质量的影响 第38页 页 控制 控制 N 的措施 第的措施 第39页 页 有益影响 氮是沉淀强化元素 在合金钢中加入适量氮 与其他合金元素配合 可以起到 沉淀强化和细化晶粒的作用 有害影响 1 造成气孔 2 引起是小脆化 3 降低焊缝的塑性 韧性而使强度提高 措施 措施 1 加强对焊接区机械保护 2 控制焊接工艺参数 3 利用合金元素控制焊缝金属的含氢量 9 9 O O 对焊接质量的影响 第对焊接质量的影响 第4141页 页 控制 控制 O O 的措施 第的措施 第4242页 页 影响 影响 1 随着焊缝含氧量的增加 焊缝的强度 硬度 塑性和韧性明显下降 尤其是焊缝的 低 温冲击韧性 2 还会引起焊缝金属的红脆 冷脆和时效硬化倾向增加 导电性 导磁性及抗蚀性等 物 理化学性能恶化 3 溶解在熔池中的氧可以与碳反应生成 CO 如果 CO 在熔池中来不及逸出 将在焊缝 中 形成 CO 气孔 与此同时 高温下熔滴中产生的 CO 受热膨胀还将引起较多的金属飞溅 破 坏焊接过程的稳定性 4 焊接过程中合金元素的氧化损失将恶化焊缝的性能 措施 措施 1 控制焊接材料的含氧量 在焊接活性金属及某些合金钢时 应尽量采用不含氧的焊 接 材料 选用高纯度的惰性气体作为保护气体 在焊接前认真清理焊丝和工件表面 2 控制焊接工艺参数 3 采用合理的冶金方法进行脱氧 10 酸性焊条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 酸性焊条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 焊条低 答 碱性焊条熔渣中含 SiO2 TiO2等酸性氧化物较少 FeO 的活度大 易向焊缝金属扩 散 是焊缝增氧 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 碱性焊条焊缝含氧量比酸性焊条低 是因为碱性焊条的药皮氧化势小的缘故 酸型焊条熔 敷金属为何氧含量较高 1 酸型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 使焊缝含氧较高 3 酸型焊条为了控氢的目的 导致焊缝含氧 11 熔渣的分子理论 第 熔渣的分子理论 第26页 页 答 焊接熔渣主要由分子氧化物组成 有时还有氟化物 各化合物呈自由状态 也可呈复 合状态 氧化物与其复合物处于平衡状态 只有自由氧化物才能参与和金属的反应 12 熔渣的离子理论 第 熔渣的离子理论 第27页 页 答 液态熔渣是由阴阳离子组成的电中性溶液 离子间的相互聚集 作用及离子的分布取 决于离子的综合矩 离子的综合矩页答 其静电场越强 对其他离子的作用力越强 熔渣 与金属的作用是熔渣中的离子与金属原子交换电荷的过程 13 扩散氧化中分配系数的分析及影响因素 第 扩散氧化中分配系数的分析及影响因素 第42页 页 答 在焊接过程中 FeO 既能溶于铁中又能溶于熔渣中 应服从分配定律 即在一定温度 下 一种物质在互不相溶的相中的平衡分配应为一常数 对于 FeO 的分配常数 L 为 L w FeO w FeO 在温度不变的条件下 当增加熔渣中 FeO 的质量分数时 它将向熔池中 扩散 时焊缝中含氧量增加 分配常数与温度和熔渣的性质有关 1 随温度升高 L 值减小 高温时 FeO 向液态钢中分配 2 熔渣的性质对 FeO 的分 配由很大影响 在同样温度下 碱性渣中 FeO 更易向金属分配 即在熔渣含 FeO 量相同的 条件下 碱性渣时焊缝含氧量比酸性渣多 因为碱性渣中含 SiO2 TiO2等酸性氧化物较少 FeO 的活度大 故易向金属中扩散 使焊缝增氧 3 熔渣的碱度对 FeO 的分配页由影响 在 FeO 含量相同的条件下 碱度为1 7时 FeO 的活度最大 碱度增大或减低 FeO 的活度 均会减少 碱性焊条熔渣的碱度在2左右 最易时 FeO 的活度增大并向金属中分配 而酸 性焊条或高碱性焊剂 由于渣中 FeO 活度较小 反而对铁锈不敏感 14 脱氧剂的选择原则 第 脱氧剂的选择原则 第45页 页 原则 1 在焊接温度下脱氧剂对氧的亲和力必须比被焊金属大 焊接时常用 Mn Sn Ti Al 等元 素的铁合金或金属粉做脱氧剂 2 脱氧产物应熔点低 不溶于液态金属而且其密度也应小于液态金属的密度 3 考虑脱氧剂对焊缝成分 性能及工艺参数的影响 15 影响脱氧的因素 影响脱氧的因素 1 先期脱氧 在焊条药皮加热阶段 固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧 药皮受热 时 其中的高价氧化物或碳酸盐受热分解出氧 二氧化碳和药皮中的脱氧剂发生反 应 2 沉淀脱氧 3 扩散脱氧 16 脱硫方法 脱硫方法 1 可以选择对硫亲和力比铁大的元素进行脱硫 锰和硫的亲和力比铁大 是焊接化学冶金 中常用的脱硫剂 2 在焊接化学冶金中 还常常用熔渣中的碱性氧化物 如 MnO CaO MgO 等进行脱硫 17 脱磷过程 反应式 影响因素 脱磷过程 反应式 影响因素 冶金方法脱磷需要通过两个过程才能实现 首先 FeO 将磷氧化成 P2O5 反应式为 2 5 FeO P2O5 11 Fe 由于 P2O5 在高温时很不稳定 容易分解 必须使其变成稳定的 复合物进入熔渣 才能促进上式的进行 因而必须有第二个过程 利用渣中的碱性氧化物 与酸性的 P2O5 复合成稳定的磷酸盐 渣中的 CaO 可起此作用 其反应式为 P2O5 3 CaO CaO 3 P2O5 和 P2O5 4 CaO CaO 4 P2O5 将上 述反应式综合得 2 Fe3P 5 FeO 3 CaO CaO 3 P2O5 11 Fe 和 2 Fe3P 5 FeO 4 CaO CaO 4 P2O5 11 Fe 从而达到脱磷的目的 影响 因素 1增加渣中 CaO FeO 的含量有力于脱磷 2增加渣的碱度 可以提高脱磷效果 3降低渣的 粘度 有利于脱磷的反应 18 熔渣碱度对脱氧的影响 熔渣碱度对脱氧的影响 19 合金元素的过渡 合金元素的过渡 1 合金元素过度 把所需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属 或对含金属 中取 得过程 2 合金元素的过度目的 1 补偿焊接过程中由于蒸发 氧化等原因造成的合金元素的损失 2 消除焊接缺陷 改善焊接金属的组织和性能 3 获得具有特殊性能的堆焊金属 3 合金元素过渡方式 1 应用合金焊丝或带极 优点 可靠 焊缝成分稳定 稳定 合金损失少 缺点 工艺复 杂 成本高 2 应用药芯焊丝或药芯焊条 优点 药芯合金成分配比可任意调整 可得到任意成分堆焊 金属 缺点 不以制造 成本高 3 应用合金药皮或粘结焊剂 优点 简单方便 制造容易 成本低 缺点 氧化损失大 合金元素利用率低 合金成分不稳定不均匀 影响因素 1 合金元素的物化性质 2 合金元素的含量 3 合金剂的粒度 4 药皮 或焊剂 的成分 5 药皮的重量系数 20 药皮的作用 药皮的作用 第第 22 页页 1 保护作用 在焊接过程中药皮产生气体 隔离空气 保护熔滴 熔池和焊接区 防止 有害气体侵入焊缝 2 冶金作用 焊接时药皮的组成参与冶金反应 去除有害物质 保护和添加有益的合金 元素 改善焊缝的力学性能 3 改善焊接工艺性 焊条药皮可以时电弧易燃 焊接飞溅小 焊缝易脱渣和成形美观 21 焊条工艺性能 焊条工艺性能 答 焊接电弧的稳定性 焊缝成型 各种位置焊接的适应性 飞溅 脱渣性 焊条熔化速 度 焊条药皮发红 焊接烟尘 22 药芯焊丝的特性 药芯焊丝的特性 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面 4 综合成本低 23 烧结焊剂的特性 烧结焊剂的特性 烧结焊剂优点是可以灵活地调整焊剂的合金成分 其特点如下 1 可以连续生产 劳动条件较好 成本低 一般为熔炼焊剂的 1 3 1 2 2 焊剂碱度可在较大范国内调节 熔炼焊剂的碱度最高为 2 5 左右 烧钻焊剂当其碱 度 最高达 3 5 时 仍具有良好的稳弧性及脱渣性 并可交直流两用 烟尘量也很小 目前各 国研究与开发的窄间隙埋弧焊接都是采用高碱度烧结焊剂 3 由于烧结焊剂碱度高 冶金效果好 所以能获得较好的强度 塑性和韧性的配合 4 焊剂中可加入脱氧剂及其它合金成分 具有比熔炼焊剂更好的抗锈能力 5 焊剂的松装密度较小 一般为 0 9 1 2g cm3 焊接时焊剂的消耗缎较少 可以采用 大 的焊接电流值 可达 2000A 焊接速度可高达 150m h 适用于多丝大电流高速自动埋焊 工艺 6 烧结焊剂颗粒圆滑 在管道中输送和回收焊剂时阻力较小 7 缺点是吸潮性较大 焊 缝成纷易随焊接工艺参数变化而波动 24 CO2 焊接低合金钢一般选用何种焊丝 试分析其原因焊接低合金钢一般选用何种焊丝 试分析其原因 答 应选用 Si Mn 等脱氧元素含量较高的焊丝 常用的如 H08Mn2SiA 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 FeO 含量升高 2 如焊丝中不含脱氧元素或含量较低 导致脱氧不足 熔池结晶后极易产生 CO 气孔 3 按一定比例同时加入 Mn Si 联合脱氧 效果较好 25 焊缝金属宏观缺陷的分类 产生原因 焊缝金属宏观缺陷的分类 产生原因 1 从宏观上看 可分为裂纹 未熔合 未焊透 夹渣 气孔 及形状缺陷 又称焊缝 金属表面缺陷或叫接头的几何尺寸缺陷 2 产生机理 气孔 焊接时 熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴 气孔可 分为条虫状气孔 针孔 柱孔 按分布可分为密集气孔 链孔等 气孔的生成有工艺因素 也有冶金因素 工艺因素主要是焊接规范 电流种类 电弧长短 和操作技巧 冶金因素 是由于在凝固界面上排出的氮 氢 氧 一氧化碳和水蒸汽等所 造成的 夹渣 焊后残留在焊缝中的溶渣 有点状和条状之分 产生原因是熔池中熔化金属的凝 固速度大于熔渣的流动速度 当熔化金属凝固时 熔渣未能及时浮出熔池而形成 它主要 存于焊道之间和焊道与母材之间 未熔合 熔焊时 焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分 点焊时母 材与母材之间未完全熔化结合的部分 称之 未熔合可分为坡口未熔合 焊道之间未熔合 包括层间未熔合 焊缝根部未熔合 按其间 成分不同 可分为白色未熔合 纯气隙 不含夹渣 黑色未熔合 含夹渣的 产生机理 a 电流太小或焊速过快 线能量不够 b 电流太大 使焊条大半根发红而熔化 太快 母材还未到熔化温度便覆盖上去 C 坡口有油污 锈蚀 d 焊件散热速度太快 或 起焊处温度低 e 操作不当或磁偏吹 焊条偏弧等 未焊透 焊接时接头根部未完全熔透的现象 也就是焊件的间隙或钝边未被熔化而留下 的间隙 或是母材金属之间没有熔化 焊缝熔敷金属没有进入接头的根部造成的缺陷 产生原因 焊接电流太小 速度过快 坡口角度太小 根部钝边尺寸太大 间隙太小 焊 接时焊条摆动角度不当 电弧太长或偏吹 偏弧 裂纹 焊接裂纹 在焊接应力及其它致脆因素共同作用下 焊接接头中局部地区的金 属原子结合力遭到破坏而形成的新界面而产生缝隙 称为焊接裂纹 它具有尖锐的缺口和 大的长宽比特征 按其方向可分为纵向裂纹 横向裂纹 辐射状 星状 裂纹 按发生的 部位可分为根部裂纹 弧坑裂纹 熔合区裂纹 焊趾裂纹及热响裂纹 按产生的温度可分 为热裂纹 如结晶裂纹 液化裂纹等 冷裂纹 如氢致裂纹 层状撕裂等 以及再热裂纹 产生机理 一是冶金因素 另一是力学因素 冶金因素是由于焊缝产生不同程度的物理与 化学状态的不均匀 如低熔共晶组成元素 S P Si 等发生偏析 富集导致的热裂纹 此外 在热影响区金属中 快速加热和冷却使金属中的空位浓度增加 同时由于材料的淬硬倾向 降低材料的抗裂性能 在一定的力学因素下 这些都是生成裂纹的冶金因素 力学因素是 由于快热快冷产生了不均匀的组织区域 由于热应变不均匀而导至不同区域产生不同的应 力联系 造成焊接接头金属处于复杂的应力 应变状态 内在的热应力 组织应力和外加 的拘束应力 以及应力集中相叠加构成了导致接头金属开裂的力学条件 形状缺陷 焊缝的形状缺陷是指焊缝表面形状可以反映出来的不良状态 如咬边 焊瘤 烧穿 凹坑 内凹 未焊满 塌漏等 产生原因 主要是焊接参数选择不当 操作工艺不正确 焊接技能差造成 26 焊缝金属微观缺陷的分类 产生原因 焊缝金属微观缺陷的分类 产生原因 27 Mn Si Ti B 对焊缝性能的影响对焊缝性能的影响 Mn Si 是一般低碳钢和低合金钢焊缝中不可缺少的元素 他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 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 锰硅含量过高 焊缝组织中出现魏氏组织 甚至出现无碳贝氏体 上贝氏体 亦使韧性降低 只有锰硅含量适中 焊缝组织为细针状 铁素体 才能提高韧性 单纯使用锰硅提高韧性是有限的 必须向焊缝中加入其他细化晶 粒的合金元素才能进一步改善组织提高韧性 低合金钢中有 Ti B 存在可以大幅度地提高韧性 但是它们对焊缝金属组织的细化是很 复杂的 它与氧氮有密切关系 一是钛与氧的结合力很大 使焊缝中的 Ti 以微小颗粒氧化 物的形式 TiO 弥散分布于焊缝中 促使焊缝金属细化 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 但是它们的最佳含量与氧氮有关 28 如何提高焊缝金属的性能 以低碳钢为例 冶金方面 工艺方面 焊后措施 如何提高焊缝金属的性能 以低碳钢为例 冶金方面 工艺方面 焊后措施 29 易淬火钢 不易淬火钢粗晶区组织特点 性能特点 易淬火钢 不易淬火钢粗晶区组织特点 性能特点 不易淬火钢 组织特点 晶粒粗大 易出现魏氏组织 性 能 塑性 韧性低 易产生脆化和裂 纹 易淬火钢 组织特点 粗大的马氏体 性 能 该区脆硬 易产生延迟裂纹 30 粗晶区淬硬倾向影响因素 评定指标 粗晶