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第5章 有色金属的焊接一、 名词解释1. 变形铝合金：强度较高、比强度大且适宜于塑性成形的铝合金。2. 未熔合：指焊缝金属与母材金属，或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。3. 凝固裂纹：金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象4. 液化裂纹：沿奥氏体晶界开裂的微裂纹。5. 冷作硬化：钢材在常温或再结晶温度以下的加工，能显著提高强度和硬度降低塑性和韧性。6. 接头强度系数：即接头强度与母材强度之比的百分数。二、 填空题1、 非热处理、热处理 2、热处理、变形 3、气孔、热裂纹、等强性、耐蚀性 4、气孔 5、氢 6、 热能集中 、 小、 小 7、“过时效” 8、热影响区(HAZ)9、对接接头 10、Cu-Zn 11、焊缝成形能力差、焊缝及热影响区热裂倾向大、气孔倾向严重、接头性能下降 12、气焊、钨极氩弧焊 13、变形、铸造 14、高 、慢 15、退火、时效 16、3mm、15025017、反、正 18、左、右 19、拖罩 20、 左、右 21、快、慢慢三 不定项选择1、 AB 2、ABD 3、ABCD 4、A 5、D 6、A 7、 A 8、ABCD 9、ABC 10、 C 11 、D 13、C 14 A、A 15、D 16、B 17、B 18、C19、B 20、A 21A 22、C 23、C 24、 C 25、A 、A 26、A四 判断题1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 21、 22、 23、 24、 25 、 26、 27、 28、 29、 30、 31、 32、 33、 34 、 35、 36、 37、 38、 39、 40、 五 问答题1、化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜、导热性强焊接时易造成不熔合；（2分）氧化膜密度与铝密度接近易成为焊缝金属的夹杂物；（1分）氧化膜可吸收较多水分成为焊缝气孔；（1分）线膨胀系数大焊接时容易翘曲变形。（1分）2、答：氢是铝合金及铝焊接时产生气孔的主要原因；氢在铝及合金中的溶解度在凝固点时可从0.69ml/100g突降至0.036mol/100g相差约20倍，这是促使焊缝产生气孔的重要原因之一；铝的导热性很强，熔合区的冷速很大，不利于气泡的浮出，更易促使形成气孔。（3分）针对性措施：减少氢的来源；控制工艺措施。（2分）3、答：铝合金焊接接头的耐蚀性一般低于母材。接头组织越不均匀，越易降低耐蚀性。焊缝金属的纯度和致密性也是影响接头耐蚀性的因素。杂质较多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蚀性会明显下降，不仅产生局部表面腐蚀，而且会出现晶问腐蚀。焊接应力更是影响铝合金耐蚀性的敏感因素。（2分）针对性措施： (1)改善接头组织成分的不均匀性 主要是通过焊接材料使焊缝合金化，细化晶粒并防止缺陷；同时通过限制焊接热输入以减小热影响区，并防止过热（1分） (2)消除焊接应力 表面拉应力可采用局部锤击办法来消除；（1分） (3)采取保护措施 例如，采取阳极氧化处理或涂层等。（1分）4、答：原因：铜易与杂质O、Pb、Bi、S形成易熔共晶；纯铜焊接时，焊缝易生长成粗大单相组织；收缩率及线膨胀系数较大焊接应力较大（2分）措施：严格限制铜中杂质含量。（1分） 焊缝wo 0.02、wPb0.03、wBi0.005出现热烈纹。 增强对焊缝的脱氧能力，通过焊丝加入Si、Mn、C、P等合金元素；C与0生成气体逸出，其余脱氧产物进人熔渣浮出。（1分）选用能获得双相组织的焊丝，使焊缝晶粒细化，使易熔共晶物分散、不连续。（1分）5、 (1)严格限制原材料中氢、氧、氮等杂质气体的含量 ；（2分）(2)保护气要用高纯度的氩气进行焊接 ；（2分）(3)正确选择焊接方法和焊接参数. （1分）六 论述题1、答：主要问题是：焊缝中气孔，焊接热裂纹，焊接接头与母材的等强性和接头的耐蚀性。（1）气孔：最常见的缺陷。氢是铝及其合金产生气孔的主要原因，氢的来源有弧柱气氛中的水分，焊接材料及母材中的水分，氧化膜中的水分。针对性措施：减少氢的来源；控制工艺措施。（3分）（2）热裂纹：易熔共晶存在是重要原因之一，铝及其合金的线膨胀系数大，在拘束条件下焊接易产生较大的焊接应力。针对性措施：合金系统的影响；焊丝成分影响；焊接工艺的影响。（2分）（3）接头与母材的等强性：焊缝、熔合区或热影响区都可能出现软化。针对性措施：非时效强化铝合金控制加热峰值温度，时效强化铝合金应采用小的焊接热输入。（2分）（4）接头耐蚀性针对性措施： 1）改善接头组织成分的不均匀性 主要是通过焊接材料使焊缝合金化，细化晶粒并防止缺陷；同时通过限制焊接热输入以减小热影响区，并防止过热 2)消除焊接应力 表面拉应力可采用局部锤击办法来消除；3)采取保护措施 例如，采取阳极氧化处理或涂层等。（3分）2、1）焊接工艺的一般特点：从物理性能上看，铝及其合金的导热性强而热容量大，线膨胀系数大，熔点低和强度小，给焊接带来一定的困难。（2分）首先，焊接线能量必须集中，以保证熔合良好 ，其次必须采用垫板和夹具，以保证装配质量的防止焊接变形。（2分）2）铝及其合金从固态转变为液态时并无颜色的变化，因此也不易确定焊缝的坡口是否熔化，给焊接操作带来困难。同时，铝合金中的 元素易于蒸发，不仅影响焊缝性能，也影响焊接操作。（3分）3）从化学性质上看，铝与氧的亲合力很大，铝及其合金极易形成难熔的氧化膜 ，不仅妨碍焊接并易形成夹杂物，而且还因吸附大量水分而促使焊缝气孔的产生。因此焊前的清理十分重要。（3分）3、答：焊接参数影响凝固过程的不平衡性和凝固后的组织状态，也影响凝固过程中的应力变化，因而影响裂纹的产生。（2分）热能集中的焊接方法，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性。（2分）采用小焊接电流，可减少熔池过热，也有利于改善抗裂性。（2分）焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应力，增大热裂的倾向。因此，增大焊接速度和焊接电流，都促使增大裂纹倾向。（2分）大部分铝合金的裂纹倾向都比较大，所以，即使是采用合理的焊丝，在熔合比大时，裂纹倾向也必然增大。因此，增大焊接电流是不利的，而且应避免断续焊接。（2分）4、答：（1）塑性显著降低焊缝及热影响区晶粒粗大；加入的脱氧元素一定程度上降低了焊缝的塑性。（2分）（2）导电性下降杂质和合金元素的溶入不同程度降低导电性。（2分）（3）耐蚀性下降Zn、Sn、Mn、Ni、Al等合金元素的蒸发和氧化烧损。焊接应力的存在增加了应力腐蚀。（2分）改善接头性能的措施：（1）控制杂质的含量，减少合金烧损，通过合金化对焊缝进行变质处理；（2分）（2）尽量减少热作用，焊后进行消除应力处理。（2分）5、答：原因：(1)铜的热导率(20)比低碳钢高达7倍以上，焊缝冷却快，氢的析出和H2O气泡上浮困难。（2分）(2)焊接时液态铜中溶解较多的氢，凝固时溶解度大大降低，且焊缝冷却较快，过剩的氢来不及逸出。（2分）(3)焊接高温下铜与氧生成的Cu2O，发生下列反应（2分）Cu2O十2H2Cu十H2OCu2O十CO2Cu十CO2 措施：消除扩散气孔：焊接时控制氢的来源，并降低熔池冷却速度(如预热等)使气体易于析出。（2分）防止反应气孔：减少氧、氢来源，对熔池进行适当脱氧。（1分）防止氮气孔：采用含适量脱氮元素(Ti、Al)的焊丝。 （1分）6、答：（1）难熔合及易变形热导率、线膨胀系数和收缩率大易变形。导热性强母材散热快难熔化难熔合。措施：大功率热源、加合金元素。（2分）熔化时表面张力小流动性大熔化金属流失表面成形差。措施：加垫板等成形装置。（2分）（2）热裂纹原因：铜易与杂质O、Pb、Bi、S形成易熔共晶；纯铜焊接时，焊缝易生长成粗大单相组织；收缩率及线膨胀系数较大焊接应力较大（3分）措施：铜中杂质含量。（1分）2）增强对焊缝的脱氧能力，通过焊丝加入Si、Mn、C、P等合金元素；C与O生成气体逸出，其余脱氧产物进人熔渣浮出。（1分）3）选用能获得双相组织的焊丝，使焊缝晶粒细化，使易熔共晶物分散、不连续。（1分）七 应用题1、原因：1）氢是铝合金及铝焊接时产生气孔的主要原因；氢在铝及合金中的溶解度在凝固点时可从0.69ml/100g突降至0.036mol/100g相差约20倍，这是促使焊缝产生气孔的重要原因之一；铝的导热性很强，熔合区的冷速很大，不利于气泡的浮出，更易促使形成气孔。（3分）2）纯铝对气氛中水分最为敏感，而Al-Mg合金不太敏感，因此纯铝产生气孔的倾向要大；（2分）氧化膜不致密，吸水强的铝合金Al-Mg比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向，因此纯铝的气孔分数小，而Al-Mg合金出现集中大气孔；（2分）Al-Mg合金比纯铝更易形成疏松而吸水强的厚氧化膜，而氧化膜中水分因受热而分解出氢，并在氧化膜上萌出气泡，由于气泡是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，所以常造成集中大的气孔。因此Al-Mg合金更易形成集中的大气孔。（3分）2 答：氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因，氢的来源是弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分。（2分）弧柱空间或多或少存在一定量的水分，尤其在潮湿季节或湿度大的地区进行焊接时，由弧柱气氛中水分分解而来的氢，溶入过热的熔融金属中，凝固时来不及析出成为焊缝气孔。（2分）不同的焊接方法对弧柱气氛中水分的敏感性不同。MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式通过弧柱落人熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴金属易于吸收氢，同时，MIG焊的熔深比较大，也不利于气泡的浮出，从而气孔倾向较大。（3分）由于粗直径焊丝及熔滴比表面积比细直径焊丝及熔滴的比表面积降低了，所以气孔倾向减小。（3分）3 、答：氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因，焊接参数的影响可归结为对熔池高温存在时间的影响，也就是对氢溶入时间和氢析出时间的影响。（2分）熔池高温存在时间增长，有利于氢的逸出，但也有利于氢的溶人；反之，熔池高温存在时间减少，可减少氢的溶人，但也不利于氢的逸出。（2分）对于TIG焊参数的选择，一方面应采用小热输入以减少熔池存在时间，从而减少气氛中氢的溶入，因而须适当提高焊接速度；同时又要保证根部熔合，以利根部氧化膜中的气泡浮出，又须适当增大焊接电流。从图1可见，采用大焊接电流配合较高的焊接速度较为有利。（3分）在MIG焊条件下，焊丝氧化膜的影响更明显，减少熔池存在时间，难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入。因此希望增大熔池时间以利气泡逸出。从图2可见，降低焊接速度和提高热输入，有利于减少焊缝中的气孔。（3分）4 答：调整焊缝合金系的着眼点，从抗裂角度考虑，在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。由于铝合金为共晶型合金，少量易熔共晶会增大凝固裂纹倾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超过裂纹倾向最大时的合金组元xm，以便能产生“愈合”作用。（3分）从图a可见，不同的防锈铝在TIG焊时，填送不同的焊丝以获得不同Mg含量的焊缝，可具有不同的抗裂性能。A1-Mg合金焊接时，以采用Mg的质量分数超过3.5或超过5的焊丝为好。（2分）而3A21(A1-Mn)合金采用标准的A1-Mg合金焊丝并不理想，Mg含量不足。从图a可见，当焊丝Mg的质量分数超过8以后，才能改善3A21焊缝的抗裂性。（2分） 对于裂纹倾向大的硬铝之类高强铝合金，在原合金系中进行成分调整以改善抗裂性，往往成效不大。生产中不得不采用含wsi5的A1-Si合金焊丝(4A01)来解决抗裂问题。因为可以形成较多的易熔共晶，流动性好，具有很好的“愈合”作用，有很高的抗裂性能，但强度和塑性不理想，不能达到母材的水平。（3分）5、答：1）氢是铝合金及铝焊接时产生气孔的主要原因。（2分）2）氢的来源非常广泛，弧柱气氛中的水分，焊接材料以及母材所吸附的水分，焊丝及母材表面氧化膜的吸附水，保护气体的氢和水分等都是氢的来源。（2分）3）氢在铝及合金中的溶解度在凝固点时可从0.69ml/100g突降至0.036mol/100g相差约20倍，这是促使焊缝产生气孔的重要原因之一。（2分）4)铝的导热性很强，熔合区的冷速很大，不利于气泡的浮出，更易促使形成气孔（2分）防止措施：1）减少氢的来源，焊前处理十分重要，焊丝及母材表面的氧化膜应彻底清除。2）控制焊接参数，采用小热输入减少熔池存在时间，控制氢溶入和析出时间3）改变弧柱气氛中的性质（2分）八 综合能力应用题1、答：氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因，氢的来源是弧柱气氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分。其中焊丝及母材表面氧化膜的吸附水分对焊缝气孔的产生有重要的影响。（2分）不同的焊接方法对弧柱气氛中水分的敏感性也不同。TIG焊或MIG焊时氢的吸收速率和吸氢量有明显差别。MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式通过弧柱落人熔池，由于弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴金属易于吸收氢；（2分）TIG焊时，熔池金属表面与气体氢反应，因比表面积小和熔池温度低于弧柱温度，吸收氢的条件不如MIG焊时容易。同时，MIG焊的熔深一般大于TIG焊的熔深，也不利于气泡的浮出。所以，在同样的气氛条件下，MIG焊时，焊缝气孔倾向比TIG焊时大。（2分）在正常的焊接条件下，对于气氛中的水分已严格限制，这时，焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。MIG焊由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜对焊缝气孔的影响就小得多。（2分）TIG焊时，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除净的氧化膜所吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因。这种氧化膜不仅提供了氢的来源，而且能使气泡聚集附着，造成集中的大气孔。这种气孔在焊缝根部未熔合时就更严重。（2分）第6章 铸铁焊接2、 名词解释（130个每个2分）1. 热应力裂纹：为了反映铸铁焊接冷裂纹主要因热应力引起的特点，这种裂纹也称为。2. 相变塑性：在相变过程中金属塑性增加的现象。3. 电弧热焊：将焊件预热到600-700，然后在塑性状态下进行焊接的工艺称为电弧热焊。4. 电弧半热焊：将焊件预热到300-400下进行焊接的工艺称为电弧热焊。5. 白口铸铁：碳以渗碳体形式存在的铸铁，断口呈银白色。6. 铸铁的石墨化:就是铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程。一般认为石墨既可以由液体铁水中析出，也可以自奥氏体析出，还可以由渗碳体分解7. HT250：HT表示灰铸铁；250表示抗拉强度最小值为250MPa8. QT400-18：QT表示球墨铸铁；400表示抗拉强度最小值为400MPa；18表示延伸率为18%9. 球墨铸铁：通过球化和孕育处理碳以球状石墨形式存在的铸铁。10. 可锻铸铁：白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。3、 填空题（430个空没空1分）1. 铸造缺陷的焊补、零部件 2、渗碳体、石墨 3、铁素体、珠光体、铁素体和珠光体的混合物 4、化学成分、冷却速度 5、白口铸铁纯铁素体基体的灰口铸铁6、 铁基合金、镍基合金、铜基合金 7、 片状石墨的尖端位置 8、球墨铸铁蠕墨铸铁灰铸铁 9、热应力 10、热应力裂纹 11、电弧热焊、电弧半热焊 12、气焊 13、 主变形、冷却收缩 14、拘束度较大 15合金化、热处理 16、冷 17、400、 脆性 18、渗碳体、马氏体 19、型砂、黄泥 20、 Z208、Z248 21、 钢、铜、镍 22、小、打底 23、应力、变形 24、灰铸铁、球墨铸铁。4、 不定项选择（280个每个2分）1. ABC 2、A、B 3、A 4、A 5 、C 6、C 7、B 8、AC 9、 A 10、 B、C 11、A 12、D 13、C 14、A 15、A5、 判断题（280个，每个1分）1. 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、12. 13、 14、 15、 16、 17、 18、 196、 问答题（85个，每个5分）1、答：铸铁的化学成分特点是碳、硅含量高，硫、磷杂质含量高。灰铸铁力学性能特点是强度低，塑性差。由于焊接加工具有冷却速度快，焊件受热不均匀造成较大焊接应力等特殊性，导致铸铁的焊接性较差，表现在焊接接头容易出现白口及淬硬组织，容易产生裂纹（3分）。具体如下：焊接接头白口及淬硬组织，焊接冷裂纹，焊接热裂纹。（2分）2、答：球墨铸铁与灰铸铁的差别在于液态铸铁在出炉浇注前是否加入球化剂，加入适量的镁和稀土钵进行球化处理使石墨呈球状，可得到力学性能良好的球墨铸铁。球墨铸铁焊接性特点表现在两个方面。1)球墨铸铁中的球化剂有增大铁液结晶过冷度、阻碍石墨化和促进奥氏体转变为马氏体的作用。2)由于球墨铸铁的力学性能远比灰铸铁好，特别是以铁素体为基体的球墨铸铁，塑性和韧性很好，对焊接接头的力学性能要求相应提高。3、异质焊缝电弧冷焊工艺要点可以归纳为四句话：“短段断续分散焊，较小电流熔深浅，每段锤击消应力，迟火焊道前段软”。在保证焊缝金属成形及与母材熔合良好的前提下，尽量用小规格焊条和小规范施焊，并采用短弧焊、短段焊、断续焊、分散焊及焊后立即锤击焊缝等工艺措施，适当提高焊接速度，不作横向摆动，并注意选择合理的焊接方向及顺序。（3分）其目的是降低焊接应力，减小半熔化区和热影响区宽度，改善接头的加工性及防止裂纹产生。（2分）4、由于焊补量大，为了降低成本采用钢基焊缝时，焊缝金属强度高，收缩率大，容易产生剥离性裂纹，使焊补失败。即使焊接后不开裂，使用过程中也可能因承载能力不足而失效。此时可采用栽丝焊补法。通过碳素钢螺栓将焊缝金属与铸铁母材连接起来，既防止焊接裂纹，又提高了焊补区域的承载能力。（2分）其工艺过程如图所示，焊前在坡口内钻孔，攻螺纹，螺栓直径根据壁厚在816mm之间选择，拧人深度约等于直径尺寸，螺栓高出坡口表面4-6mm两排均匀分布。一般而言，螺栓的总截面积可取为坡口表面积的2535。施焊时，先围绕每个螺栓按冷焊工艺要求焊接，最后将坡口焊满。（3分）5、1）生产中主要是采取减小焊接应力（2分）2）改变焊缝合金系统（2分）3）限制母材中杂质熔入焊缝。（1分） 6、答：将铸铁焊件整体或有缺陷的局部位置预热到600700 （暗红色），然后进行补焊，并且焊后进行缓冷的铸铁补焊工艺，人们称之为“电弧热焊”，简称“热焊”。 （3分）若预热温度范围为300400，则该铸铁补焊工艺称为“电弧半热焊”，简称“半热焊”（2分）7、答：加热减应区法是气焊铸铁的常用方法，这种方法又叫“对称加热焊”，焊接前在铸件上选定加热后可使接头应力减小的部位，该部位称为“减应区”，减应区一般是阻碍焊接区膨胀和收缩的部位。（3分）在焊接时，先将减应区加热到一定的温度（通常为600700，最低也应在450以上）然后再进行焊补。（2分）7、 论述题（28个，每个10分）1、答：异质焊缝的冷裂纹情况和同质焊缝实质相同，都主要受焊接应力即热应力的影响，是热应力超过其塑性变形能力时发生的突然断裂行为，只要热应力不超过焊缝及热影响区金属的塑性变形能力就不会开裂，氢的影响不大。（3分）措施：（1）铸铁型同质焊缝出现冷裂纹最有效的措施是对焊补工件进行整体高温预热(600700)，使焊缝金属处于塑性状态，并促进焊缝金属石墨化，改善组织，充分降低焊接应力，并要求焊后在相同温度下消除应力；调节铸铁焊缝的成分，使得石墨以蠕虫状或球状析出，提高焊缝金属的力学性能，避免片状石墨造成的应力集中和脆化；在铸铁型焊缝中提高碳含量，并加入一定量的合金元素，如Mn、Mo、Cu等，使焊缝金属在快冷条件下高温时能析出石墨，较低温度下基体金属依次发生贝氏体相变和马氏体相变，利用二次连续相变产生的应力松弛效应，可以有效地防止焊缝出现冷裂纹；（3分）（2）钢焊缝冷裂纹主要受母材高含碳量的影响。可采取如下冶金措施。首先，在低碳钢焊条药皮中可以加人大量赤铁矿和大理石等矿物质，提高电弧和熔渣的氧化性，尽量降低第一层焊缝的含碳量，但效果不能令人满意。其次，采用EZV型高钒铸铁焊条，可以得到在纯铁素体基体上弥散分布细小碳化钒的钢焊缝，使焊缝金属具有优异的抗冷裂纹性能。（2分）用镍基或铜基铸铁焊接材料时，对冷裂纹不敏感。但要及时消除热应力，常采用“短段焊”、 “断续焊”等工艺措施。另一个工艺措施是采用小规范焊接。（2分）2、焊补工艺上要注意做到：1)焊补时应采用细焊条、小电流、快速焊，以减少铸铁母材在焊缝中的熔合比，降低焊缝中碳、硫的质量分数。同时减小了焊接热输入，减小焊接应力，防止裂纹。（3分）2)采用短段焊、断续焊、分散焊、分段倒退焊等，并在每焊1015mm左右长度后，立即用小锤迅速锤击焊缝，待焊缝冷却到不烫手（大约5060）时，再焊下一道，以减小焊接应力，防止裂纹。（3分）3)坡口较大时，应采用多层焊，后层焊缝对前层焊缝和热影响区有热处理作用，可使接头平均硬度降低。但多层焊时焊缝收缩力较大易产生剥离性裂纹，因此应注意