材料成型技术基础思考与练习.docx
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材料成型技术基础思考与练习
思考与练习
1.何谓焊接热循环,焊接热循环的主要特征参数有哪些?
它们对焊接接头的组织和性能有何影响?
在焊接热源的作用下,焊件上某一点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。
焊接热循环的主要参数是加热速度vH,峰值温度Tmax,高温停留时间tH,冷却速度vc。
热循环的意义:
焊接是一个不均匀的加热和冷却过程,是一个特殊的热处理过程,加热速度快,相变温度点以上停留时间非常短促,只有几秒到十几秒,冷却速度也相当快,是造成焊接接头组织不均匀和性能不均匀的重要原因。
2.试分析焊接化学冶金的特点。
焊接时金属熔池表面有熔渣保护、气体保护;
焊接时化学冶金反应分区进行,熔化金属、熔渣和电弧气氛三个相相互作用,焊接冶金过程是分区域(阶段)连续进行的。
不同的焊接方法有不同的反应区。
焊条电弧焊时有三个反应区:
药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。
(1)药皮反应区
当焊条药皮被加热时,各种组成物之间会发生物理化学反应,主要是水分的蒸发,某些物质的分解和铁合金的氧化。
(2)熔滴反应区熔滴反应区包括熔滴形成、长大及熔滴过渡。
1)温度高,平均温度达1800-2400℃。
2)熔滴金属与气体、熔渣的接触面积大。
3)各相之间的反应时间短。
4)熔滴金属和熔渣之间发生强烈的混合。
(3)熔池反应区,熔池最突出的特点之一是温度分布极不均匀,因此,同一个过程在熔池的两个部分可能向相反的方向进行。
如在熔池的前部发生金属的熔化和气体的吸收过程,而在后部发生金属的凝固和气体的析出过程。
3.试分析氮、氢、氧对焊缝金属性能的影响。
氮对焊接质量的影响:
在焊接碳钢时,氮是有害的杂质,它是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。
氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素,特别是低温韧性急剧下降。
氢对焊接质量的影响:
对于多数金属来说,氢是有害的杂质,在钢中,形成氢脆、白点,形成气孔和冷裂纹。
氧对焊接质量的影响:
氧在焊缝中不论以何种形存在,对焊缝的质量都有很大的的影响。
随着焊缝含氧量的增加,其强度、塑性、韧性均明显下降,尤其是低温冲击韧性急剧下降。
此外,氧还会引起热脆、冷脆和时效硬化。
4.焊接时脱氧的方式有哪些?
焊接时的脱氧反应是分阶段和区域进行的,按其进行的方式和特点分为先期脱氧、沉淀脱氧和扩散脱氧。
在药皮加热阶段,固态药皮中进行的脱氧反应叫先期脱氧,其特点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。
含有脱氧剂(如Mn、Si、Al、Ti等)的药皮被加热时,会与高价氧化物或碳酸盐分解出的氧和CO2发生反应,结果使气相的氧化性减弱。
Al及Ti等元素与氧亲和力较大,在先期脱氧过程中大部分被烧损。
沉淀脱氧是在熔滴和熔池阶段进行的。
溶解在液态金属中的脱氧剂与Fe0直接反应,把铁还原沉淀,脱氧产物浮出液态金属。
这是减少焊缝含氧量的具有决定意义的一环。
锰和硅是理想的沉淀脱氧元素。
扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的,是通过液态金属中的[Fe0]向熔渣中扩散,从而降低焊缝金属中的含氧量。
温度降低时,利于扩散脱氧反应的进行,这就意味着扩散脱氧是在熔池尾部的低温区进行。
5.为什么要对焊缝金属进行脱硫和脱磷处理?
具体方法有哪些?
硫和磷是金属中的有害杂质,会引起钢的热脆和冷脆,所以焊接时要设法降低焊缝金属中的硫、磷含量。
具体方法:
1-13机自04,14-27机自05,28-40机自06
1.稳弧剂的原理?
电弧是怎么分区的?
各区的温度?
2.碳当量?
线能量?
热影响区?
3.焊条电弧焊的原理及特点是什么?
4.碱性焊条中CaO的作用?
CaF的作用?
5.焊条牌号中字母与数字的含义是什么?
6.埋弧焊的优、缺点是什么?
适用场合是什么?
7.钨极氢弧焊有哪些优点?
适用于什么场合?
8.焊丝熔滴过渡类型有哪些?
9.珠光体耐热钢的焊接性要点是什么?
10.什么是焊接的冷裂纹,产生原理?
如何防止?
11.提高焊接接头疲劳强度的措施有哪些?
12.什么是晶间腐蚀?
应力腐蚀?
如何防止?
13.CO2气体保护焊有哪些特点?
适用于什么场合?
机自05班完成:
14.阴极破碎的原理?
答:
当阴极斑点处受到弧柱中来的正离子流的强烈撞击时,温度很高,其氧化膜很快被汽化破碎,显露出纯净的金属表面,电子发射条件也由此变差,阴极斑点转移到邻近有氧化膜存在的地方,如此下去,就会自动地把工件表面上的氧化膜清除掉,这种现象称为阴极破碎或阴极雾化现象。
所谓阴极破碎是指通过离子对阴极的撞击特性,使氧化膜产生分解而被清理。
清理作用的强弱与阴极区的能量密度和正离子质量有关,能量密度越高,离子质量越大清理效果越好。
熔化极氩弧焊采用直流反接,利用“阴极破碎”焊铝,焊接质量优良,焊缝成型美观,可全位置自动焊接。
15.熔敷金属的稀释率(熔合比)?
答:
熔敷金属的稀释率:
填充金属熔化后所形成的焊缝中被熔化的母材金属部分在焊道金属中所占的比例。
16.焊条型号中字母与数字的含义是什么?
答:
焊条牌号通常以一个汉语拼音字母与三个数字表示。
结构焊条钢(包括碳钢、低合金钢和耐大气、海水钢焊条)的牌号前加“J”(或“结”字),表示结构钢焊条;紧随其后的两位数字表示焊缝金属抗拉强度等级;第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类,药皮中含有多量铁粉,焊条效率在105%以上时,在牌号末尾加注“Fe”字;焊条效率在125%以上时,在“Fe”字后面再加两位数字。
17.酸性焊条对氧不敏感的原理?
答:
因药皮中含有较多硅酸盐,氧化铁和氧化钛等,氧化性较强,所以对氧不敏感。
熔池中的氧化铁与药皮中的硅酸盐和氧化铁形成了复合物,成为熔渣,覆盖在熔池表面,阻止了氧化铁进一步向熔池中的溶解,同样,熔池中的其它氧化物也会和硅酸盐、氧化钛通过造渣作用,形成熔渣,覆盖在熔池表面,对熔池起到减少氧化物含量的作用。
18.药芯焊丝气体保护焊有什么特点?
主要优点:
1)采用气、渣联合保护,焊缝成形美观,电弧稳定性好,飞溅少且颗粒细小。
2)焊丝熔敷速度快,熔敷效率和生产率都较高。
3)可焊金属材料广。
4)抗气孔能力比实芯焊丝CO2焊更强。
不足之处:
除药芯焊丝制造过程复杂和送丝比实芯焊丝困难外,药芯焊丝外表皮容易锈蚀,外皮所包的粉剂容易吸潮。
19.CO2焊接飞溅的原因?
答:
二氧化碳气体保护焊在实际使用中会产生很大的飞溅,并且其中的短路过度飞溅最大,其原因归结为以下五点:
1)金属内碳的影响:
在焊接过程中,金属内部的碳高温下氧化生成一氧化碳,并剧烈膨胀,从而引发爆炸,产生大的飞溅。
2)熔滴非轴向过度:
当熔滴在过渡时时,熔滴非轴向过渡会拉出缩颈,则在这一小段电流密度最大,产热最高,使此处金属气化膨胀,引发小桥爆裂,从而产生飞溅。
3)短路再引燃:
在非稳定的短路过渡焊及其他熔滴短路过程中,再引燃过程会产生对熔池过大的冲击力,而使熔池中融化金属受冲击外溅。
4)油污:
加工表面上存在油污时,其高温下气化冲击熔滴及熔池中金属熔化液,造成飞溅。
5)电流选择:
当电流选择过大时,由于过度产热使金属气化也可使熔滴爆裂产生飞溅。
20.电阻焊主要包括哪几种方法?
适用场合是什么?
电阻焊是利用电流通过工件及焊接接触面间所产生的电阻热,将焊件焊接面加热至塑性或局部熔化状态,再施加压力形成焊接接头的焊接方法。
电阻焊分为点焊、缝焊和对焊3种形式。
(1)点焊:
将焊件压紧在两个柱状电极之间,通电加热,使焊件在接触处熔化形成熔核,然后断电,并在压力下凝固结晶,形成组织致密的焊点。
点焊适用于焊接4mm以下的薄板(搭接)和钢筋,广泛用于汽车、飞机、电子、仪表和日常生活用品的生产。
(2)缝焊:
缝焊与点焊相似,所不同的是用旋转的盘状电极代替柱状电极。
叠合的工件在圆盘间受压通电,并随圆盘的转动而送进,形成连续焊缝。
缝焊适宜于焊接厚度在3mm以下的薄板搭接,主要应用于生产密封性容器和管道等。
(3)对焊:
根据焊接工艺过程不同,对焊可分为电阻对焊和闪光对焊。
1)电阻对焊焊接过程是先施加顶锻压力(10~15MPa),使工件接头紧密接触,通电加热至塑性状态,然后施加顶锻压力(30~50MPa),同时断电,使焊件接触处在压力下产生塑性变形而焊合。
电阻对焊操作简便,接头外形光滑,但对焊件端面加工和清理要求较高,否则会造成接触面加热不均匀,产生氧化物夹杂、焊不透等缺陷,影响焊接质量。
因此,电阻对焊一般只用于焊接直径小于20mm、截面简单和受力不大的工件。
2)闪光对焊焊接过程是先通电,再使两焊件轻微接触,由于焊件表面不平,使接触点通过的电流密度很大,接触点金属迅速熔化、气化、爆破,飞溅出火花,造成闪光现象。
继续移动焊件,产生新的接触点,闪光现象不断发生,待两焊件端面全部熔化时,迅速加压,随即断电并继续加压,使焊件焊合。
闪光对焊的接头质量好,对接头表面的焊前清理要求不高。
常用于焊接受力较大的重要工件。
闪光对焊不仅能焊接同种金属,也能焊接铝钢、铝铜等异种金属,可以焊接0.01mm的金属丝,也可以焊接直径500mm的管子及截面为20000mm2的板材。
21.摩擦焊分为几类?
应用范围是什么?
书上P249。
答:
摩擦焊分类:
根据焊件相对摩擦运动轨迹可分为旋转摩擦焊和轨道摩擦焊两种。
根据机械供给方式可分为连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊两种。
摩擦焊主要应用范围:
(1)代替锻造、铸造和部分机械加工。
凡是接头部分具有紧凑回转断面的,几乎都可以采用摩擦焊方法。
(2)可以焊接大多数同种或异种金属。
高温时,塑性良好的同种金属以及能够互相固溶和扩散的一种金属,都具有良好的焊接性。
高温强度高、塑性低、导热性好的材料不容易焊接,如不锈钢-铜、硬质合金-钢等。
活性金属(如钛、锆等)、淬硬性好的钢材,表面氧化膜不易破碎或有镀膜、渗层及摩擦因数太小(如铸铁、黄铜等)的金属很难焊接。
22.试述钎焊的原理及特点。
钎焊:
常以搭接形式装配,焊件之间保持很小的间隙,采用比母材熔点低的金属材料作为钎料,用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙并使其与母材相互扩散的焊接方法。
特点:
钎焊与熔焊或压焊相比,主要不同在于:
钎焊时只有钎材料熔化而母材保持固态,钎材熔点低于母材熔点,其成分也与母材有很大区别,钎化材料依靠润湿与毛细作用吸入并保持在母材待焊处间隙中,依靠液态钎料与固态母材之间的相互扩散形成冶金结合。
与熔焊相比,钎焊的优点:
(1)加热温度低,对母材组织和性能影响小,且容易保证焊件尺寸精度。
(2)可实现异种金属或合金,金属与非金属的连接。
(3)某些钎焊方法可以一次焊接完成几十条或成百条焊缝,生产率高。
但钎焊接头的强度较低,耐热性差,装配精度要求高。
23.什么是焊接热裂纹,产生的原理?
如何防止?
答:
定义:
焊接过程中,焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。
产生原理:
(铝的线膨胀系数比铁大一倍,凝固收缩率比铁大两倍,因此焊接某些铝合金时)往往由于过大的内应力而在脆性温度区间产生热裂纹。
防止:
选择合适的焊丝;控制焊缝的成分和配以合理的焊接参数。
(P262、263)
热裂纹产生原理:
(1)焊缝冷却凝固过程中,焊缝中的杂质,如硫化物、氧化物等低熔点杂质逐渐向最后凝固区偏析,形成低熔点杂质的聚集,成为热裂纹源,在应力作用下开裂。
(2)焊缝冷却过程中,焊缝金属受到焊缝附近的拘束作用,发生不均匀收缩,形成巨大的应力。
(3)焊缝冷却过程中,焊缝发生相变,形成相变应力。
24.试述热轧钢、正火钢的焊接性要点。
热轧钢、正火钢的焊接性要点:
(P257)
(1)抗热裂性比较好。
Mn含量高,钢材脱氧、脱硫性能好,不易发生热裂。
(2)有一定的冷裂倾向,且随强度级别的升高而增大。
冷裂的本质是低温时,金属中氢的聚集,强度级别越高,金属变形能力越差,冷裂脆断的可能性就越大;强度级别越高,合金含量越高,合金碳化物沉淀析出的可能性就越到,形成沉淀强化,金属变形能力越差,冷裂脆断的可能性越大。
3、沉淀强化的钢种,有产生再热裂纹的倾向。
焊接热或者焊后的再热,600℃停留时间较长,合金与碳形成的碳化物,就会析出,形成沉淀强化,金属变形能力急剧降低,应力作用下,发生开裂。
4、热轧钢在制造厚大件时,有层状撕裂的危险。
热轧钢的组织呈层状,性能各向异性,轧制方向强度较高,而层与层间强度较低,焊接中热应力较大,易造成层间开裂。
5、不存在热影响区软化问题,但有过热区脆化问题,热轧钢含碳量越高脆化程度越严重,正火钢随焊接热输入的增大或含钛量的增加,脆化程度严重。
25.中碳高强度调制刚焊接后容易出现淬火脆性,为什么?
如何防止?
答:
①中碳高强度调质钢中碳及合金元素含量高,焊缝凝固结晶时,结晶温度区间大,偏析倾向也较大,焊后淬火区极易出现淬硬的高碳粗大马氏体,因而会容易出现淬火脆性。
②中碳高强度调质钢最好在退火(或正火)状态下焊接,焊后再整体调质处理。
如果必须在调质状态下焊接,而且焊后不能调质处理,焊接时注意:
预热、层间温度、中间热处理和焊后热处理的温度都要控制在比母材淬火后回火的温度低50℃;焊接的热量要集中,热输入越小越好;选择奥氏体焊条。
26.奥氏体不锈钢焊接的主要问题是什么?
主要防止措施有哪些?
答:
焊接奥氏体不锈钢的主要问题是热裂纹、脆化、晶间腐蚀和应力腐蚀。
此外,因导热性差,线膨胀系数大,焊接变形也大。
防止措施:
热裂纹:
严格限制S、P的含量,适当提高Mn和Mo,减少C和Cu的含量。
采用小的热输入、短弧焊、窄焊道技术,选用低氢焊条或无氧焊剂。
接头脆化:
严格控制焊缝中铁素体含量(体积分数)2%~7%,铁素体中合金元素的固溶度较高,温度降低时,发生脆性相变,脆性增加。
晶间腐蚀:
①尽量降低母材及焊缝中含碳量,避免晶界上大量的Cr23C6析出;②采用热量集中的焊接方法,小的焊接热输入,多道焊,焊缝背面加铜衬垫等措施使接头快速冷却,使焊缝和热影响区在450~850℃的停留时间尽量缩短,避免晶界上Cr23C6的析出,避免局部Cr的浓度降低;③在钢中添加稳定化元素Ti、Nb等,与碳形成碳化物,避免Cr23C6的大量生成;④在钢及焊缝金属中加铁素体形成元素,从而获得奥氏体加少量铁素体的双相组织,铁素体能够提供Cr,避免了晶界上Cr的浓度降低;⑤焊后进行固溶处理(加热至1050~1150℃,保温后淬火)或稳定化处理(加热至850℃,保温2h后空冷),使Cr扩散,避免晶界上Cr浓度降低。
应力腐蚀:
奥氏体钢焊接接头及过热区,在低温时呈拉应力,在腐蚀介质的共同作用下,具有开裂敏感性。
消除应力腐蚀的措施:
①焊后消除或减少焊接残余应力;②选用奥氏体-铁素体双相组织的母材或焊接材料,在高温消除应力时,不会出现晶间腐蚀;③采用高Ni(ωNi达40%)的铬镍不锈钢焊条,在高温消除应力时,不会出现晶间腐蚀。
27.防止焊接结构产生应力腐蚀的措施有哪些?
答:
防止焊接结构产生应力腐蚀的措施有:
(1)正确选材,即针对特定的腐蚀环境而选择对腐蚀介质不敏感的材料。
(2)合理的设计结构,包括:
1)尽量避免和减少局部应力集中,尽可能的使截面过渡平缓,应力分布均匀。
2)对槽及容器等,施焊部位宜用连续焊而忌用断续焊。
3)设计槽及容器时,应考虑易于清洗和将液体排放干净。
4)避免不同金属接触以防止电偶腐蚀。
可能时全部体系采用同类材料,或将不同材料之间绝缘。
(3)消除和调节残余应力,包括:
1)采用合理的装焊工艺降低残余应力。
2)采用热处理的方法减少或消除残余应力。
3)采用喷丸等机械方法调节残余应力场。
(4)采用电化学保护——阴极保护。
将结构接直流电源负极,使其处于阴极极化状态而受到保护,但是对于高强度钢和对氢脆敏感的材料,有时反而会促进破坏。
(5)用镀层和涂层隔离环境,使金属表面和环境隔离开来从而避免产生应力腐蚀。
(6)控制和改善环境,减少或消除助长应力腐蚀开裂的有害化学离子。
28.什么是直流正接?
铝合金焊接采用哪种电流方式?
29.碱性焊条去氢的基本原理?
30.埋弧焊用熔炼焊剂和烧结焊剂中的数字字母的含义是什么?
31.铝及铝合金熔焊时主要问题是什么?
预防措施是什么?
32.铜及铜合金焊接时主要问题是什么?
预防措施是什么?
33.试简要说明焊接应力和变形是如何形成的。
34.减小及消除焊接残余应力的措施有哪些?
35.预防和矫正焊接变形的措施有哪些?
36.斜Y型焊接裂纹实验、插销实验分别是检验焊缝的什么性能?
37.什么是再热裂纹敏感性?
如何防止?
38.和低碳高强度钢比较,中碳高强度钢具有热裂纹倾向,为什么?
39.分别试述低碳、中碳调质钢的焊接性要点。
40.防止焊接结构发生脆断的途径是什么?
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