焊接冶金学 各章重点、难点及作业

0 绪论
思考题
1.了解焊接温度场。

焊接温度场－焊接时焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布称为“温度场”。

等温线及等温面。

从各种焊接方法的能量集中程度可以了解不同方法的温度场差异，从而知道采用不同方法的温度场分布情况和最高峰值温度，从而知道方法由于这个不同造成组织和性能也不同。

2. 影响温度场的主要物理因素。

主要是热导率、表面散热系数（比热容及体积比热容）
热导率大，金属通过传导传热的能力强，那热量会更快地传导给熔池附近金属，因此温度场范围更大、但峰值温度更低。

对薄板而言，由于传导传热散失的热量少、且由于熔池附近金属的质量小而包容的热量也小，因此薄板散热不如厚板，此时通过金属表面与介质热交换的作用就更明显或起主要作用。

因此对于薄板，表面散热系数大，散热快，温度场范围小且峰值温度也小。

影响温度场除这几个物理参数外，还有焊件结构（坡口焊还是表面堆焊、对接还是角接）、母材壁厚等有较大影响
3.为什么实际焊接中多采用多层多道焊？
在多层多道焊时，可能保证第一道的冷却速度一开始就不降至马氏体生成温度以下（一般均是在第一道焊缝前采用预热手段保证冷却速度不至于太大造成生成马氏体等淬硬组织），再随多道焊接的完成相对缓慢下降，这有利于产生贝氏体组织代替马氏体。

且后层（道）焊缝对前层（道）焊缝具有热处理的作用，相当于对前层（道）焊缝进行了一次正火处理，因而改善了二次组织。

而在焊接最后一道焊缝时，由于预热的结果，有利于其冷却速率的降低。

对第一道及最后一道焊缝（同样也适用于中间各焊道），其奥氏体化时间相对均很小，避免了不良的晶粒粗化。

所焊后焊缝塑性高、且不易产生裂纹等缺陷。

但这时需控制层间温度，层间温度过高，冷却速度太小而造成晶粒处于高温的时间太长而晶粒长大明显，相反冲击韧性下降。

4.工艺焊道及工艺焊道的作用。

工艺焊道是指在完成最后的焊接后在最后焊道上再加焊一道焊缝，起到对焊缝的最后一道焊缝退火的作用。

工艺焊道一般在焊接接头不进行热处理的情况下、而为避免在焊后出现裂纹而采用的一种工艺措施。

因为多层多道焊情况下，后一道焊缝对前道焊缝有退火的作用，而最后一道焊缝没有进行类似的处理，其可能会产生马氏体等淬硬组织带来裂纹的倾向增大，因此工艺焊道的目的就是起对最后一段焊缝退火的目的。

一般在焊后接头冷却到一定温度需将工艺焊缝去除（采用机械手段，不能采用热加工手段），焊缝表面需修磨光滑。

第一章焊接化学冶金
思考题：
1.碱性渣对工件表面的铁锈和氧化皮敏感的原因？
2. 硫、磷的危害和控制措施。

3.合金元素过渡的方式？影响合金元素的因素。

4. 焊接电流、电弧电压、焊接速度对熔池形状的影响，即对焊缝熔宽、熔深的影响，从而知道焊缝成形系数的概念、熔合比的概念。

5.氮、氧、氢对金属的作用，特别是氢的作用。

6.熔渣的碱度、粘度和表面张力。

（熔点不做太多的了解，因为我们一般不做焊条）
7.焊缝金属中脱氧方式。

主要知道一般采用硅锰两种元素是最常用的脱氧元素、Mn/Si的大概值、及其在这个值期间脱氧的效果。

8.硫、磷的危害和控制措施。

9. 合金元素的过渡方式和优缺点、知道合金元素过渡系数的概念、影响过渡系数的因素
作业题：
1．总结焊接材料质量管理 JB/T3223对焊接材料烘干、保存、库房温湿度要求等要点。

2．根据GB/T3965《熔敷金属中扩散氢测定方法》制定甘油法测量扩散氢的试验步骤。

这个问题同学可以相互讨论，可以是相同的回答。

3.焊条烘干的主要目的？焊条烘干温度为什么有碱性焊条350－400℃和酸性100－150℃的要求？4．实际焊接中减少焊缝金属中扩散氢含量的主要措施？
1.碱性渣对工件表面的铁锈和氧化皮敏感的原因？这个考简答题。

2. 硫、磷的危害和控制措施。

这个考简答题。

3.合金元素过渡的方式？影响合金元素的因素。

填空题
4. 焊接电流、电弧电压、焊接速度对熔池形状的影响，即对焊缝熔宽、熔深的影响，从而知道焊缝成形系数的概念、熔合比的概念。

前面做判断题、后面出一个图叫同学给出焊缝成形系数、熔合比的计算式。

5.氮、氧、氢对金属的作用，特别是氢的作用。

问答题或简单题。

6.熔渣的碱度、粘度和表面张力。

（熔点不做太多的了解，因为我们一般不做焊条）
不考，了解就行
7.焊缝金属中脱氧方式。

主要知道一般采用硅锰两种元素是最常用的脱氧元素、Mn/Si的大概值、及其在这个值期间脱氧的效果。

不考，了解
8.硫、磷的危害和控制措施。

问答题或简单题
9.合金元素过渡的方式？影响合金元素的因素。

不考，了解
小结：
整个第二章的内容主要讲的是焊接化学冶金反应，主要从热力学的角度讲解反应的方式、反应的动力学，对焊接材料开发具有很大的指导意义。

但做为一般焊接技术员，需要着重了解：
1、焊接过程中气体的来源？
焊接材料（药皮、焊剂、保护气体）、空气、焊丝及母材表面的杂质、高温蒸发产生的金属蒸汽。

2、焊接区内气体成份？
酸性焊条：主要是CO、H2、H2O，少量的CO2、O2、N2。

碱性焊条：主要是CO、CO2，含H2、H2O很少。

埋弧焊：主要是CO、H2，含O2、N2、H2O很少。

3、焊接电流、电弧电压、焊接速度对熔池形状的影响，即对焊缝熔宽、熔深的影响，从而
知道焊缝成形系数的概念、熔合比的概念。

I↑，H↑，B↓；U↑，H↓，B↑。

焊接速度没有影响。

焊缝成型系数是指焊缝宽度与熔深之比。

（对接焊缝和角焊缝都画了）
熔合比指母材金属在焊缝金属中所占比例。

机械工业出版社《焊接技术问答》徐初雄2003年第1版
熔焊时，在热源的作用下，母材金属发生了局部熔化，形成具有一定几何形状的液体金属部分，叫焊接熔池。

焊接熔池的形状由熔池长度L、最大熔池宽度Bmax、和最大熔池深度Hmax表示。

其尺寸数值决定于焊接热输入。

（见其表1－7）由表可知，焊接熔池的几何尺寸主要决定于焊接热输入和焊接速度。

焊接热输入增加时（IU），焊接熔池的各几何尺寸均相应增加；焊接速度增加时，焊接熔池的各几何尺寸相应减小。

表1－7 焊接熔池的几何尺寸
4、氮、氧、氢对金属的作用，特别是氢的作用。

(1)氧以原子氧或氧化亚铁的形式存在于液态金属中。

强度、硬度、塑性、韧性明显下降。

此外，氧还引起红脆、冷脆和时效硬化，降低焊焊
缝的导电性、导磁性、抗腐蚀性。

与C结形成CO气孔、烧损有益合金元素。

最好的办法是在熔滴和熔池金属中脱氧。

(2)氮主要来自于焊接区周围的空气。

提高焊缝强度，但降低塑性和韧性，并且是焊缝
中产生气孔的主要原因之一。

主要是加强对焊接区的保护，杜绝空气的进入。

(3)氢主要来自于焊条药皮、焊剂中的水份、药皮中的有机物、母材金属和焊比表面上
的污物（铁锈、油污）、空气中的水份等。

氢会引起焊缝金属的塑性严重下降，引起
气孔和延迟裂纹的主要因素和白点。

主要措施是焊烘干焊条和焊剂、消除焊件、焊丝表面的杂质、利用熔滴和熔池中的冶金
反应去氢、以及焊后对焊件进行脱氢处理。

5、常用保护方式？各种焊接方法的主要保护方式？
A：气保护B：渣保护C：气－渣联合保护。

焊条电弧焊、埋弧焊：气－渣联合保护
气体保护焊（TIG、MIG、MAG）、气焊、等离子、激光焊：气保护
电渣焊：渣保护
6、熔渣的碱度？
碱度－熔渣中碱性氧化物质量分数的总和与酸性氧化物质量分数的总和的比值，叫焊接熔渣
的碱度B。

但其修正值B1更常用也更准确。

见式1－36
7、什么是长渣和短渣？
焊接熔渣的粘度与温度有关。

焊接熔池在凝固过程中，粘度会逐渐增加。

根据冷却时熔渣粘
度的增加情况，焊接熔渣可分为长渣和短渣。

随温度的降低迅速凝固，即凝固的温度区间窄，这种熔渣叫短渣。

而凝固缓慢、凝固区间较宽的熔渣称为长渣。

短渣的凝固特点是高温时粘度小、流动性好、冶金效果较好，而在冷却条件相同，凝固时间
很短，适用于全位置焊。

长渣则相反，所以一般不适用于立焊和仰焊。

8、焊缝金属中脱氧方式。

主要知道一般采用硅锰两种元素是最常用的脱氧元素、Mn/Si的大概值、及其在这个值共间
脱氧的效果。

Mn/Si=3-7 ，脱氧产物可形成硅酸盐MnO.SiO2，它的密度小、熔点低，在钢中处于液态。

因此容易聚合为半径大的质点，浮到渣中去，减少焊缝中的夹杂物，从而降低焊缝中的含氧
量。

9、硫、磷的危害和控制措施。

A：硫硫是焊缝中常存在的危害元素之一。

硫能促使焊缝金属产生热裂纹、降低冲击韧性
和耐腐蚀性，并能产生偏析。

厚板焊接时，硫还会引起层状撕裂。

措施：限制焊接材料中硫含量；冶金方式脱硫。

主要是Mn及熔渣中的MnO CaO。

B：磷磷是焊缝中常存在的危害元素之一。

因此在熔池快速凝固时，磷容易发生偏析。

磷化
铁常分布于于晶界，减弱晶粒间的结合力，同时它本身既硬又脆，这就增加了焊缝的冷脆性，即冲击韧性降低，脆性转变温度升高。

焊接奥氏体不锈钢或低合金钢焊缝含碳量高时，磷也
促使形成结晶裂纹，因此有必要限制焊缝中的含磷量。

措施：限制焊接材料中磷含量；冶金方式脱硫。

主要是CaO。

10、元素的过渡方式和优缺点、知道合金元素过渡系数的概念、影响过渡系数的因素
A：应用合金焊丝或焊带
B：应用药芯焊丝或药芯焊条
C：应用合金药皮或粘结焊剂
D：应用合金粉未
合金元素过渡系数－熔敷金属中合金元素的含量与它的原始含量之比。

（1）合金元素的物化性质－合金元素的沸点及与氧的亲和力。

（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）药皮重量系数
第二章焊接材料
1.焊条典型标准GB/T5117-1995和GB/T5118-1995.
2.典型焊条订货技术条件JB/T4747
3.铁粉焊条。

药皮中含有一定量的铁粉，熔敷效率须105%以上的焊条，叫铁粉焊条。

其特点是焊接时，由于铁粉受热氧化而产生大量的热量，成为除电弧以外的补加热源，因此可以提高焊芯的熔化系数和焊缝金属的熔敷效率，从而提高焊接生产率。

铁粉焊条有两种：
一是：在一般焊条的药皮中加入适量的铁粉，并对药皮的成分作适当调整，使焊条的工艺性能改善，熔敷效率可提高100－200%。

如E4323、E4328、E5014、E5018。

二是：专用铁粉焊条，如重力焊条。

在药皮中加入多量的铁粉，焊条直径较粗，焊条较长（500－1000mm），焊条引弧端涂有引弧剂，以便自动引弧。

工艺性能良好，脱渣方便，适用于平焊及平角焊。

4、焊条型号的编制方法。

A：GB5117 碳钢焊条
后面附后加“R”表示耐吸潮焊条；“M”表示耐吸潮和力学性能有特殊规定的焊条；“-1”表示对冲击韧性有特殊规定的焊条。

B：GB5118 低合金钢焊条
E 55 1 5－B2－V
表示熔敷金属含有V元素
表示熔敷金属化学成份分类代号
表示焊条药皮为低氢钠型，可采用直流反接焊接
表示焊条适用于全位置焊接
表示熔敷金属的抗拉强度最小值为55Kgf/mm2(540MPa)
表示焊条
其基本编制方法与碳钢相同。

1)后缀字母为熔敷金属化学成份分类代号，并以短划线“－”与前面数字分开，如A1表示碳钼钢焊条；B1、B2、B3、B4、B5表示铬钼钢焊条；C1、C2、C3表示镍钢焊条；D1、D2、D3表示锰钼钢焊条；G、M、W表示所有其它合金钢焊条。

2)若还具有附加化学成份时，附加化学成份直接用元素表示，并以短划线“－”与前面后缀字母分开。

3）对于E50XX－X，E55XX－X，E60XX－X型低氢型焊条的熔敷金属化学成份分类后缀字母与附加化学成份后面加字母“R”时，表示耐吸潮焊条。

C：原机械部对结构钢焊条牌号的编制方法
1)J－结构钢焊条
2)第一第二位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为Kgf/mm2。

共分10个等级：42、50、55、60、70、75、80、85、90、10。

4)第三位数字后的符号，表示某种特殊用途。

如：Fe 表示铁粉焊条
X 表示立向下专用焊条
G 表示管道焊接专用焊条
GM 表示盖面专用焊条
D 表示底层焊专用焊条
Z 表示重力焊条
GR 表示高韧度焊条
LMA 表示耐潮焊条
H 表示超低氢型焊条
R 表示韧度焊打
DF 表示低氟焊条
RH 表示高韧度低氢焊条
5、酸性焊条和碱性焊条的区别
5、对焊条工艺性能的要求
A：施焊过程中焊条药皮能均匀熔化，无成块脱落现象，药皮前端形成的套筒不应妨碍焊芯均匀熔化。

B：施焊过程中不应有过多的烟雾或过大、过多的飞溅。

C：熔渣流动性良好，能均匀地覆盖住焊缝，焊缝表面成型正常，焊渣清除容易。

D：焊条在说明书规定的电流范围内施焊，药皮无严重发红、无生成气孔的现象。

E：焊缝金属不允许存在裂纹，密集或连续的气孔和夹渣。

6、焊条药皮强度的试验方法
焊条药皮应均匀、紧密地包覆在焊芯周围，整个焊条药皮上不得有影响焊接质量的裂纹、气泡、杂质及剥落等缺陷存在。

焊条药皮就具有足够的强度。

检验方法是：将水平放置的焊条自由落到厚度不小于14mm的水平旋转的光滑平整的钢板上。

当焊条直径小于4mm时，试验高度为1m；当焊条直径大于或等于4mm时，试验高度为0.5m.焊条落下后，观察受检焊条药皮破损情况。

如果破裂只在两端，且破裂总长不大于30mm，可判定为合格，每次测试5根。

7、焊条药皮耐潮性的检验方法
将焊条静置于常温（15－25℃）水中，4h后观察，药皮不应有胀开或脱落现象，每次测试5根。

8、焊条电弧稳定性、脱渣性、飞溅的试验方法见JB/T8243。

10 . 焊条熔渣流动性试验方法
通常采用上坡焊、下坡焊和宽波焊三种方法来进行试验。

A：上坡焊、下坡焊
将两块Q235A钢试板放置成与水平面倾斜10°的位置，然后，由同一名焊工用同一台焊机和尽量一致的焊接参数，分别对两块试板进行上坡焊和下坡焊。

上坡焊时，焊条由下向上作直线运动；下坡焊时，焊条由上向下作直线运动。

焊条与试板的倾斜角度为80°.施焊过程中，观察熔渣流动情况。

焊完清后，用肉眼或放大镜观察焊缝成形情况。

B：宽波焊
Q235A钢试板置于水平位置，使焊条与试板的夹角为70°，在试板上堆焊两层焊缝金属，第一层为20－25mm，待试板冷却至室温后再堆焊第二层，第二层宽度与第一层宽度接近，施焊过程中观察熔渣的流动性。

焊完清后，用肉眼或放大镜观察焊缝成形情况。

11 焊条、金属回收率和熔敷系数的试验方法
见GB3731－83《涂料焊条效率、金属回收率和熔敷系数的测定》
小结：
1、焊条的分类及常用标准号
按用途、熔渣的碱度、药皮的类型。

GB5117、GB5118、GB983、GB984、GB8110、GB14957、GB14958、GB4242、GB1300、GB10045、GB17493等
2、焊条牌号
E 55 1 5－B2－V
表示熔敷金属含有V元素
表示熔敷金属化学成份分类代号
表示焊条药皮为低氢钠型，可采用直流反接焊接
表示焊条适用于全位置焊接
表示熔敷金属的抗拉强度最小值为55Kgf/mm2(540MPa)
表示焊条
3、焊条药皮的组成？
稳弧剂、造气剂、造渣剂、粘结剂、增塑剂、合金化及脱氧剂。

4、焊条工艺性能主要有哪些？了解焊条工艺性能试验方法。

JB/T8243
5、焊剂的型号及牌号P100－103
A：焊剂的型号按GB5293
如：HJ401－H08A 或HJ403－H08A
B：焊剂的牌号
熔炼焊剂：如HJ431 高锰高硅低氟
烧结焊剂：SJ101 氟碱型
两者的含义容易混淆，一个是型号，一个是市场上常用的牌号。

如HJ431，在质量保证单、使用说明书及包装上应标注“符合GB5293－85 HJ401－H08A”。

按此可以知道该焊剂配H08A焊丝，其屈服强度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性等机械性能要求。

6、焊丝的分类及常用标准号。

（要知道一般有哪些种类的焊丝）P107
7、焊丝牌号。

H08Mn2SiA H08MnA EF115032
第一次作业：
作业题：
1．总结JB/T3223-1996《焊接材料质量管理规程》对焊接材料烘干、保存、库房温湿度要求等要点。

答：JB/T3223-1996《焊接材料质量管理规程》适用于焊接生产中焊丝、焊条、焊剂、合金粉末及焊接气体等在采购、验收、库房保管等方面的质量管理。

该标准对焊接材料烘干、保存、库房温湿度要求主要有以下几点：
（1）保存、库房温湿度要求
A．库房温湿度：焊接材料库房应保持适宜的温度和湿度，室内温度在5℃以上、湿度在60%以下。

因此需配置相应的加热器及除湿器，如空调就起到恒温和除湿的效果。

B．存放和保管：焊接材料应按技术要求和安全规程妥善保管。

焊接材料应保证离墙、离地在300mm 以上；并按品种、型号及牌号、批号、规格、入库时间分类存放，并有明确的区分标记，以免混杂。

（2）哄干及保温
A．烘干及保温设备：其可靠使用温度范围应满足焊接材料烘干及保温温度的要求，并应有可靠的温度控制、时间控制和显示装置。

B．焊材烘干及保温：焊材烘干及保温温度及时间应按相应的技术要求执行或参照焊接材料说明书的要求确定。

焊接材料在烘干时应排放合理、有利于均匀受热及潮气排放（如规定φ5及以上规格焊条最多不能超过三层、以下不能超过四层等）。

烘干后的焊接材料可以100-150℃保温箱内保温，随用随取。

但最长保温时间不超过140h。

C．重复烘干要求：焊前要求必须烘干的焊接材料（如低氢型焊条和陶质焊剂）在烘干后在常温下搁置4h以上，在使用前应再次烘干；对烘干温度在350℃以上的焊条，累计的烘干次数一般不超过3次。

2．根据GB/T3965《熔敷金属中扩散氢测定方法》制定甘油法测量扩散氢的试验步骤。

答：首先我们假定我们试验的目的是测量某厂的J507焊条熔敷金属扩散氢含量。

因此制定相应的试验步骤如下
（1）焊接方法：手工电弧焊
（2）试板准备：。

规格为：
A．材质：引出弧、引弧板、试板试板材质我们选用Q235A或20g。

B．规格：试板12×25×100，引出弧、引弧板12×25×45。

C．试板消氢处理：引出弧、引弧板、试板预先消氢处理，加热温度为400～650℃/1h或250±10℃/6h。

（3）焊接材料准备
J507 φ4.0 ，焊条烘干350～400℃/1～1.5h。

（4）试样制备
A．焊接前引出板、引弧板及试板按长度方向排列，用铜夹具固定，图1进行焊接。

中间各试样应做标记和称重（精确到0.1g）
B．焊接：焊接时采有短弧、线状焊道，不允许中间断弧，否则试样判废。

在室温下进行焊接，直流反接，焊接规范I=150-160A,U=25-26V,焊接速度按熔化120-130mm熔敷100mm焊道的速度进行。

C．焊后2S内放入冰水中摆动冷却，冷却10S后立即取出，用机械方法去除引出板和引弧板，清除飞溅和熔渣，经丙酮清洗吹干。

（5）甘油法测量
A．温度设备：如图3.
B．测试程序：将试样放入已充满甘油的收集器内（从试件焊完到放入收集器内，应在90S内完成）；收集扩散氢过程中，甘油温度应保持在45±1℃；72小时后，将吸附在收集器的管壁和试样上的气泡收集上去，准确读取气体量。

（6）氢含量计算
H GL=Vo=ρVTo/ρo WT×100
V－收集的气体体积数（ml）
W－熔敷金属质量（g,精确到0.01g，等于焊后试样质量－焊前试样质量）
To－273K
T－273+t t-恒温收集箱的温度
ρo－101 Kpa
ρ－试验室气压 Kpa
3.焊条烘干的主要目的？焊条烘干温度为什么有碱性焊条350－400℃和酸性100－150℃的要求？答：焊条烘干的主要目的是：去除药皮中所含的水份，使药皮含水量降低从而降低焊条熔敷金属扩散气含量。

由1-12和1-13式可以计算出在空气条件下CaCO3开始分解的温度为545℃，而MgCO3为325℃。

应此，对含CaCO3的焊条的烘干温度不超过450℃，对含MgCO3的焊条不超过300℃。

碱性焊条中主要含：CaF2、CaCO3、MgCO3，其中CaCO3含量是最高的，因此为尽量降低药皮中的含水量和保证药皮成份不在高温下大量分解，一般碱性焊条的烘干温度为350－400℃。

酸性焊条中含有一定量的有机物,这些有机物在220-250℃开始分解,并随着放热反应在200-320℃范围内它的质量分数损失达50%.因此含有机物的焊条,烘干温度应控制在150℃.一般市场销售的酸性焊条烘干温度均为100-150℃.
4．实际焊接中减少焊缝金属中扩散氢含量的主要措施？
答：A ：P42－46控制氢的措施
B或者我所说的
实际生产中我接触到的常用的控制焊缝金属中扩散氢含量的措施：
1.选用低氢型焊接方法。

惰性气体保护焊，CO2气体保护焊等。

2.选择低氢型焊接材料。

采用碱性焊条代替酸性焊条，或采用高氟焊剂。

3.严格保管焊接材料、严格按工艺烘干焊接材料和焊接过程中使用保温筒。

4．焊前严格清理工件和焊丝表面杂质，如油、锈、油漆等。

5.焊前预热。

预热不仅对降低冷却速度，而且对扩散氢的逸出有好处。

工件温度升高，熔池会更大，液态金属中含氢量也会增加；但熔池处于高温或熔化状态的时间增加，即氢从液态金属中逸出的时间更长。

最后焊缝金属中扩散氢的含量是下降的。

6.焊后消氢处理。

300-400℃/3-4h
由于预热温度是受限制的（恶化工作条件、增加能量消耗、太高晶粒长大历害等），所以最佳的措施是低的或适中的预热温度加消氢处理。

7.焊后热处理。