（机械工程专业论文）热水器内胆腐蚀分析与研究.pdf

中文摘要 金属材料的腐蚀与防护是科研机构研究的一个重要的课题。近几年，随着科学技 术的不断进步和发展，不同领域，不同行业在这一方面也有了很大的突破。热水器内 胆( 材料不锈钢或碳钢) ，在水质、较高温度( 约7 4 一8 4 ) ，较高压力( 额定压力 为0 7 m p a ) 的工作环境下，如何解决材料腐蚀，也一直是国内外科研机构及生产厂 家致力研究的一个课题。 现在，国、内外生产厂家一般采取利用不锈钢的耐蚀性、s p c d 内胆搪瓷、加镁 棒牺牲阳极保护阴极等措施来防范腐蚀，并能达到一定的效果。但在实际应用过程中， 内胆内部由于焊接或搪瓷缺陷或结构设计上的原因，仍存在局部腐蚀问题，尤其搪瓷 内胆，封头与筒身搭接焊接后，内部形成一个v 型槽及封头环焊缝与筒身纵焊缝交叉 处，都可能存在被水腐蚀的隐患。 在生产过程中，此处一是焊后存在残余应力，二是由于结构设计上的不合理，不 能满足搪瓷技术的要求而出现漏铁所造成的腐蚀。 针对以上问题，本课题通过建立内胆三维有限元模型来分析内胆的应力分布状 况，从电化学腐蚀、搪瓷机理及要求，焊接结构设计上，分析当前热水器内胆发生腐 蚀的主要原因，通过改进结构设计，应力腐蚀的消除及如何更有效地使搪瓷合理化、 阴极保护上( 加镁棒的选择) 提出解决内胆腐蚀的建议和防范措施。 关键词：腐蚀焊接搪瓷应力 a b s t r a e t t h ec o r r o s i o na n dp r o t e c t i o no fm e t a lm a t e r i a l si sa ni m p o r t a n ts u b j e c ts t u d i e db y s c i e n c ei n s t i t u t i o n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to fs c i e n c e t e c h n i q u e s ，g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nd i f f e r e n tf i e l d sa n dp r o f e s s i o n s t h ew a t e r h e a t e r ss t e e lv e s s e lw o r k si nt h ew a t e r ，u n d e rh i g h e rt e m p e r a t u r e ( a b o u t8 4 。c ) a n d h i g h e rp r e s s u r e ( n o m i n a lp r e s s u r e0 7m p a ) t h ec o r r o s i o n - r e s i s t a n c eo ft h es t e e lv e s s e l m a d eo fs t a i n l e s so rc a r b o ns t e e li s a l o n gs t u d i e db yr e s e a r c h i n s t i t u t i o na n d m a n u f a c t u r ea tt h eh o m ea n da b o a r d n o w , t h em e t h o d so fu s i n gs t a i n l e s ss t e e l sc o r r o s i o nr e s i s t a n t ，e n a m e l i n gi ns p c d s t e e lv e s s e la n da b l a t i n gp o s i t i v ee l e c t r o d et op r o t e c tn e g a t i v ee l e c t r o d ew i t hm gp o l e a d d i n g ，e t c a r eu s e dt op r e v e n tt h ev e s s e lb e i n gc o r r o d e d ，a n dt h u sh a sm a d eag o o d r e s u l t b u td u r i n gs e r v i n g ，b e c a u s eo ft h ed e f e c to fw e l d i n g ，e n a m e l i n go rs t r u c t u r e d e s i g n ，t h ei n t e r i o ro ft h es t e e lv e s s e li ss t i l lc o r r o d e di np a r t e s p e c i a l l y , a f t e rt h el a p w e l d i n go ft h eh e a da n d t h et a n kb o d yo ft h es t e e lv e s s e l ，avt r o u g hi sf o r m e d ，w h e r e a n di n t e r s e c to ft h eg i r t hw e l do ft h eh e a da n dt h el o n g i t u d i n a lw e l do ft h et a n kb o d y c a nb et e r r i b l yc o r r o d e db yw a t e r i ti sn o tc o m p l e t ei np r o t e c t i n gc o r r o s i o nf r o mt h em e c h a n i s mo ft h ec o r r o s i o n p r o t e c t i o no fs t a i n l e s ss t e e l t ot h es t e e lv e s s e le n a m e l i n go ft h ec a r b o ns t e e l e s p e c i a l l y t h es t e e lv e s s e le n a m e l i n g ，a f t e rt h eh e a da n dt h et a n kb o d yb e i n gj o i n e di na n dw e l d e d ， t h evt r o u g ha n dt h ei n t e r s e c tp e r h a p sh i d d e nt r o u b l ec o r r o d e db yw a t e r o n eo ft h er e a s o n so ft h ec o r r o s i o ni st h a tt h er e s i d u a ls t r e s s e se x i s ti nt h el a pj o i n t w e l d i n g ，t h eo t h e ri st h a tt h ei r r a t i o n a l l yd e s i g n e ds t r u c t u r ec a n n o tf i tt h ed e m a n do f t h e e n a m e l i n gp r o c e d u r e ，s oi r o nl e a k i n gh a p p e n e d i na c c o r d a n c ew i t ht h ea b o v ep r o b l e m s ，i nt h i sp a p e r , 3 d ( t h r e ed i m e n s i o n a l ) l i m i t e l e m e n tm o d e lo ft h es t e e lv e s s e li sf o u n d e dt oa n a l y z et h es t r e s s e s d i s t r i b u t i n gi nt h e v e s s e l f r o mt h ee l e c t r i cc h e m i s t r yc o r r o s i o n ，e n a m e l i n gm e c h a n i s ma n di t sd e m a n d ， a n dt h ew e l d e ds t r u c t u r ed e s i g n ，t h em a i nc a u s eo ft h ec o r r o s i o no ft h ew a t e rh e a t e r s s t e e lv e s s e li sa n a l y z e d b yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r ed e s i g n ，e l i m i n a t i n gt h es t r e s s c o r r o s i o n ，l e t t i n gt h ee n a m e l i n gr a t i o n a l i z e de f f e c t i v e l y , a n dp r o t e c t i n gt h en e g a t i v e p o l e ( h o wt os e l e c tt h em gp o l e ) ，t h ep r o p o s a l sa n dm e a s u r e so fp r e v e n t i n gt h es t e e l v e s s e lb e i n gc o r r o d e da r eb r o u g h tu pi nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c o r r o s i o nw e l d i n ge n a m e l i n g s t r e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包禽为获得墨叠盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志列本研究所做的任何贞献均已在论文1 1 作了明确的说明并表示j 7 洲意。 学位论文作者签名：砖憾：文一 签字同期： 2 即砂年月三7 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗叁堂有关保留、饺用学位论文的规定。 特授权苤叠盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，艿采用影印、编印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文确：锯霉 ：；适用奉授权说明) 学位硷又作者签名：砖吣逸址 导明，誉= ；：王叫 掺j ： 期：2 口哆寸，j 二可 誉。j 叫i j l j j = 2 p 。l i f 一；j 玉节 第一章绪论 第一章绪论 随着人们经济收入的提高和住房条件的改善，我国热水器市场的消费环境 与拥有现状、消费需求潜力，以及未来的发展趋势成为企业关注的焦点。但在 热水器各项性能指标中，安全性是城市居民家庭选择热水器优先考虑的因素。 现在热水器生产企业对产品安全性研制开发方面着重以下几个方面：防漏电实 行水电分离，多层绝缘保护；超高温自动断电，防于烧保护装置；超压保护、 内胆压力过高时自动泄压，而普遍忽略了对电热水器内胆实施正确合理的阴极 保护，因为热水器的标准配置首先就是一个结实耐用，不易漏水的内胆。内胆 除具有保温、耐压性能外，还必须有防锈、防腐蚀、不透水等性能，内胆一旦 被腐蚀击穿就会漏水，使安全系数大为降低，热水器也就报废了。 热水器的使用寿命取决于内胆的使用寿命，而内胆的寿命主要取决于材质、制 作工艺、阴极保护效果等。 从材质上讲，热水器内胆有以下几种： 不锈钢内胆：材质好，不易生锈，但焊缝隐患短期内难以发现，经过多次热胀 冷缩后，不锈钢中的铬离子会被来自水中的氯离子腐蚀，时间长后可能会在焊 接处漏水。 热镀锌内胆：内胆成形后热镀锌，锌合金表面再覆防锈树脂，这种内胆一般用 普通碳素钢，壁厚较薄，耐压能力不强。 搪瓷内胆：内胆表面的搪瓷为非金属材料，不生锈耐压能力较高，但是搪瓷内 胆不可避免地存在一些搪瓷缺陷，一类是金属基体的缺陷，例如孔洞，裂口、 裂缝、剥落等，另一类是皮下缺陷，即在搪瓷内部充满铁氧化物的缺陷，在光 学显微镜下呈暗淡红棕色到黑色，不论何种缺陷随着时间的延长，都有可能因 孔蚀或缝隙腐蚀造成内胆渗漏。 贮水式内胆现在常用的是不锈钢板或低碳钢板模压焊接制成，胆内装有金属壳 加热器，防腐镁棒，为防低碳钢板被水腐蚀，众多厂家从国外引进搪瓷涂装的 生产线，以达到既能防腐蚀又比不锈钢板造价低的目的。 但是，搪瓷内胆在这近几年的使用过程中，其防腐蚀的不可靠性也暴露出 来，从市场调研来看，每年都有大量的搪瓷内胆电热水器，由于内胆漏水的原 因而遭到退货，这给生产厂家造成很大的损失。 实际上，搪瓷内胆也并不是一个具有完全防腐蚀的内胆，从防水腐蚀的角 度来看，理论上是优质的搪瓷内胆理应很好，因为它在钢板表面密着住致密的 厚膜结构，表面又经过烧釉处理，不仅常温水难以渗透到瓷膜与钢板的结合面， 就是在煮沸的状态下也可保持这种状态。但实际情况却是由于内胆封头与简身 焊接结构上的不合理，筒身自身纵焊缝焊接后存在的结构缺陷、焊接缺陷等原 第一章绪论 因而使搪瓷效果不好所产生的漏铁现象，发生的腐蚀。另外钢板和瓷层的线膨 胀系数差异也很大，会其在烧制和应用中常暴露出因其无机材料固有的硬脆特 性，而使其难于承受些微甚至人们无法排除的突发撞击而受损，就连冷热交替 的冲击也会招来微裂纹的增加和扩大，最后导致瓷层裂纹足以深入直抵钢板面， 水分子就会诱发钢板的氧化还原反应即电化学腐蚀而破坏其结构。现在人们也 在尝试用其它防腐蚀材料来代替搪瓷方式，但由于种种原因也并没有大面积地 应用于内胆防腐蚀上。 低碳钢内胆搪瓷是属于抗腐蚀热喷涂范畴，而抗腐蚀热喷涂主要存在三个 缺点： 第一个缺点是涂层在喷涂时产生的氧化物含量，氧化物在涂层中会造成低钝化。 第二个缺点是开启孔隙和层间焊缝，腐蚀环境中的介质会由此渗透到基体，层 间缝隙也会造成缝隙腐蚀。 第三个缺点是喷涂时涂层材料的降级，某些元素被部分氧化，由于这些现象出 现，涂层材料的化学成分起了变化。 1 1 不锈钢内胆腐蚀机理 不锈钢是铬或铬镍含量较高的合金钢，不锈钢的耐腐蚀性是由于钢中有足够 量的铬，使钢容易钝化，生成一层很薄的致密的附着力好的钝化膜。当不锈钢 的钝态受到破坏时，不锈钢就会发生均匀腐蚀或局部腐蚀。 晶间腐蚀 不锈钢内胆在焊接过程中，由于经过焊接高温的作用，使焊缝附近的内部 组织结构发生变化，导致结晶微粒组织不均匀，加上焊条与不锈钢材质本身化 学成分不可能完全一样，所以焊缝附近的铬离子不可能均匀，形成晶间腐蚀( 也 叫晶界腐蚀) 。发生晶间腐蚀后，其外貌可能没有明显的变化，但其原有的物 理机械性能几乎完全丧失，这样腐蚀的原因是晶界处铬离子比晶粒中铬离子 少，使晶界的电位低于晶粒的电位，造成了晶问的腐蚀敏感性。 焊缝腐蚀 不锈钢的晶间腐蚀常常与焊接结构有关，即在焊接件的母材上稍离焊缝一 段距离的一条带上发生晶间腐蚀，称为焊缝腐蚀，这是因为在焊接过程中，这 一条带上所处的温度范围，恰好有利于它的晶间贫铬。铬的含量降低，其耐蚀 性大大下降。 氯离子腐蚀 很多厂家为了降低成本，使用比较薄的不锈钢内胆，使用中耐压能力下降， 特别是经过无数次热胀冷缩后，其中的铬离子被自来水中的氯离子腐蚀，使热 水器更容易漏水，直接影响热水器的寿命。 第一章绪论 孔蚀、应力腐蚀 氯离子对不锈钢内胆的不利作用还表现在使不锈镪产生严重的孔蚀和应力 腐蚀，虽然流动的水中这种腐蚀会减轻，但在加热过程中水是静止的，所以氯 离子的破坏作用会加强，溴离子和碘离子等氧化离子存在的淡水环境中，这 种腐蚀会进一步加强，溴蚀孔的直径可大可小，深度可深可浅，有的可密布于 金属表面，使金属表面变得粗糙，粗糙的金属表面更易产生腐蚀。 1 ，2 低碳钢内胆搪瓷防腐蚀 由于本课题主要是研究和分析低碳钢内胆的腐蚀和防范，所以在此重点介 绍一下其防蚀的重要环节一低碳锎内胆搪瓷祝理及与搪瓷相关的一些资料。 1 2 1 静电干粉喷搪 静电干粉喷搪作用机理是：瓷釉粉末通过硫化床成为流体、通过压缩空气 进入喷粉枪。喷枪内高压发生器产生i o o k v 负高压，产生电晕放电现象，使周 围空气电离形成密集电荷，喷出的粉末就成为带负电的粉雾，内胆接地带正电， 在静电场的作用下粉末就吸附到内胆上而成为均匀的粉层。当内胆上附有一层 粉末时，其吸附力就下降，悬浮的粉末就向无粉末的内胆表面吸附，粉末向着 吸附力的方向移动。这样，在热水器整个内胆上，就均匀地附着一层无机粉末， 形成均匀的瓷粉层，经烧成后，可得到瓷面细腻、光泽良好的制品。避免了湿 法搪瓷的厚度不均，流淌等现象。由于它可采用先喷底粉后喷面粉最后共同烧 成的工艺，从而缩短了工艺流程，能大幅度地提高劳动效率和节约能源。 1 2 1 1 工艺操作原理 技术的物理基础 连接6 0 - 9 0 千伏的连续负电压的电晕电极所产生的电子进入周围的气体空 间并且使空气成分离子化。当由此引起的正氮离子被吸引到负电极而立即失去 电荷时，一些带负电荷氧离子就依附到分散进来或被气流驱散的搪瓷颗粒上。 第一章绪论 图1 1 如图卜1 所示，这些颗粒因而朝着金属加工件的方向加速前进，金属加工 件是接地的，因此是阳性，颗粒于是就淀积其上。 由于自由氧离子也被吸引到加工件来，因此使已淀积的搪瓷颗粒或已成形 的粉末涂层的负电荷增强。粉末是通过气流机械地输送到电晕电极。机械力和 电动力为搪瓷颗粒提供由电极至接地金属的飞行航线 。 涂层的形成 图l - 2 从图卜2 可以看出涂层是如何形成的。 在涂渍操作一开始时( p ，) 搪瓷颗粒粘附着带负电荷氧离子，会直接紧密 地附着于加工件表面上。这些颗粒粘附于加工件表面上是因为负电荷很缓慢地 转移到金属上，而且经过特殊处理的粉末电阻率很高。此外，在涂渍操作进行 时，自由氧离子不断补充通过金属流逝的电荷。初期淀积形成后，接着抵达的 颗粒( p ：) 就受到不同电子的影响。此时，由于到金属表面的距离较远，吸引 力e ：减弱( 根据库仑定律) 。推斥力进一步减低吸引力，因为加工件表面与p ： 之间的负电荷引起反作用力ep 。颗粒p 。，其与金属的距离等于涂层的最大 厚度，要承受来自金属同等强大的吸引力e 。以及来自带负电荷搪瓷颗粒的推斥 力ep 。此颗粒不再淀积，表明涂层已限制其本身厚度。然而，通过改变电压， 4 匕 ) 巳 ， ) p r 一 第一章绪论 质量以及充电电流，可以将厚度加以调节。 1 2 1 2 静电搪瓷粉末的主要技术性能 电阻率：电阻率是当电流流过或对其表面进行充电时，瓷粉电阻的大小。由于 粉末的表面积大，颗粒表面的电阻率在粉末静电操作中极其重要。粉末电阻取 决于瓷釉的组成、添加物的特性及粉末自身的情况。釉料的导电性随着碱含量、 金属含量及其它成分含量而发生变化。对粉末颗粒进行的表面处理因添加剂数 量、化学特性、与粉末颗粒进行的表面反应程度不同而导致其电阻率不同。粉 末暴露于不同的加工和环境条件下，也将对其电阻率产生影响，尤其是潮湿环 境影响最大。在有湿气的情况下，粉末之间的摩擦会降低其电阻，潮湿往往会 导致电阻率降低好几个数量级。 1 0 “ 俨 1 0 2 0 1 0 8 5 0 1 0 02 0 03 d 04 0 0 ( 。c ) 未处理的粉状搪瓷电阻率对温度的依从关系 图卜3 已处理的粉状搪瓷电阻率对温度的依从关系 图卜4 图卜4 显示，未处理的粉状搪瓷的电阻率小于1 0 ”q c m ，实际值取决于搪 瓷类型及在测定似的气候条件。如将未处理的粉状搪瓷加热，开始时电阻由于 一 、f ，l 第一章绪论 水分予的游动性递增而下降。当水已完全从粉末样品除去时，电阻就开始随着 温度上升。随后，在2 0 0 c 以上，电阻与温度的关系曲线的走向有点象玻璃的特 征，递增的离子游动性导致电阻率继续下降。图卜4 表明已处理的粉末电阻率 在2 0 4 0 c 的技术温度范围内比未处理的粉末电阻率高出几十个的倍率。所以在 粉末研磨操作期间，搪瓷粉末的处理物质应能分散出现于颗粒表面的水膜并能 防止从空气中再吸附水分。工业上生产的粉末电阻率的损耗取决于与粉末接触 得空气湿度以及取决于对粉末的机械作用。例如又长又窄输送软管、大量空气 以及高粉末速度，由于这一无可避免的现象，粉末的起始电阻率必须愈高愈好。 粒度分布：指一定细度的粉末，按颗粒直径大小的排列分布情况。粒度分布对 粉末附着力、喷涂速度及能达到的涂层厚度有很大的影响，因此也必然影响搪 瓷质量。 1 2 1 3 粉末的操作性能、缺陷及其消除 机械冲击： 当把零件从一个传送带输往另一个传送带时，必须避免重机械冲击；由于 静电操作粉末涂层的附着力不象湿法搪瓷工艺操作的涂层那么好，因此需要借 助进入孔道或焊接于回线上或珠状边缘下的吊钩将零件输送。 空气湿度和温度的影响 正如前所诉，在有湿气的情况下，粉末颗粒之间的摩擦会降低其电阻。 电缺陷 此指仪表显示的电流强度和电压与实际运转所用的电流强度和电压不同。 此一缺陷可以通过更换已磨损的或缺掉的电极接触端的方法来补救。 对于很深部分，由于表面离电极最远，电场可能太弱，如果是这样的话，粉末 对这些表面的粘附力就不理想。因此就须提高电压以便加强电场强度或改变喷 枪的运作方式以缩短喷枪与粉末未能充分粘附的表面之间的距离。 电离现象 当粉末涂层正形成时，金属接收越来越多的负电荷，由于金属是接地的，因 此对粉末涂层来说是阳性 粉末电阻率很高可防止快速均衡电荷，因此金属粉末涂层系统起电容器作 用，其中涂层的电荷总是较高，故粉末涂层取得强电场，而且这是由喷枪与金 属零件之间的外电场补充的。 象任何其它技术介质一样，金属粉末涂层系统有偌区( 金属中的不均匀性； 粉末涂层中的气孔) ，其中倘超过一定的电场强度就会产生击穿放电，在击穿放 电附近的粉末颗粒就失去了负电荷此时，阳性化的粉末颗粒被金属排斥，或被 电晕电极所吸引，并被喷离金属。在放电地点，逆辐射或电离伴随有离子风现 第一章绪论 象以及机械压力波现象( 噪声) 。 在喷涂操作最后剩余部分，新鲜颗粒不沉淀于再电离缩孔中，因此，缩孔保 持孔壮，一直穿过粉末涂层至金属表面。这些孔允许游离氧离子的负电荷转移 至金属上，于是缩孔扩大，形成类似星型图案。 接着烧成时，缩孔填满，星型图形大体上消失，但留下小突起，类似会损伤 湿式操作法产生的涂层外表的喷涂波纹。 1 2 2 影响搪瓷质量的因素 搪瓷包括一系列的工艺过程，每一个环节都可能影响其质量，如；钢板材 料的选择；坯件形状的设计：焊接的结构：瓷釉的性能；合适的搪瓷预处理； 涂搪工艺参数设置；烧成制度的制订等等。 钢板的选择： 搪瓷用钢材是指低碳钢钢板，它的化学组成、金相结构、表面状况及力学 性能对搪瓷的质量起着重要的作用。我国搪瓷工业中常用的钢材一般有两种规 格：厚度在3 m m 以下的钢板用冷轧钢板，3 m m 以上的中厚板用热轧钢板，冷轧板用 于日用和卫生洁具生产，热轧板则用于搪玻璃工业生产。 化学组成 钢板的化学组成是影响加工性能和可搪性能的主要因素，主要有五个因素： 碳、硅、锰、磷、硫。合金元素有镍、铬、钛、钒、硼、铌、锆等，它们在搪 瓷机械加工和搪烧工艺中起着不同而又互相联系的作用。 碳：碳是最重要的因素，它的含量多少决定可搪性和机械加工性，一般含量 o 1 9 日用和卫生洁具用的钢板中碳含量 o 1 ，最好为含量 o 0 1 的超低碳 钢，搪玻璃中一般碳含量为0 1 2 。0 1 9 ，钢中较低的碳含量可以增加薄钢板的 塑性与韧性，可提高钢板的冷冲压、焊接等成型性能，同时还提高了它的可搪 性，所谓可搪性是只完成的搪瓷制品达到设计的目的和要求，表面光滑平整， 美观细腻，没有爆瓷鼓泡等缺陷。碳含量高，成型性一般较差。此外在搪烧过 程中，铁坯要经过室温到9 0 0 c 左右多次反复，钢中的碳要和炉窑气氛中的氧气、 水气及瓷釉中的水分等起剧烈的化学和物理反应。主要有： 渗碳体( f e 。c ) 或珠光体分解析出游离碳。 c + o ：- - c 0 2 f 或c 0 f c + 2 h 。0 一c o 。f + 2 h 。f 这些气体在瓷釉层中多了，会使瓷层密着失效，瓷层表面起针孔有的会起大 于0 1 m m 的泡孔，个别的还引起鱼鳞状剥落。 硅：硅会增加钢的强度和调节膨胀系数，但降低钢的韧性和延展性，过高的含 硅量会会降低瓷釉与钢材的密着性。应控制在一定的范围内，一般冷轧薄板为 第一章绪论 0 0 1 - 0 0 4 ，热轧中厚板为0 3 一0 8 。 锰：一定量的锰存在于钢中，会提高钢的韧性，使钢板具有良好的冲压性能， 它还能与硫结合成在搪烧温度下稳定的硫化锰，消除部分有害的s o 。气体。 硫和磷：硫和磷均是有害元素，它们会增加钢的脆性，使加工性能变坏，同时 还会形成对瓷层不利的s 0 2 气体。硫、磷含量过大极易形成偏析、夹杂增多， 使钢的表面质量下降，一般应控制在小于0 0 4 。 常用于搪瓷工业中钢板的化学组成见下表： 表卜1 钢种 cs im nps 其 它 0 8 fo 0 5 一o 1 1o 0 3o 2 5 一o 5 00 0 4 0 0 4 0 0 80 0 5 - 0 1 20 0 1 7 - 0 0 3 70 3 5 一o 6 50 0 3 5 0 0 4 0 0 8 a 10 0 8痕迹0 3 0 0 4 50 0 2 0 0 0 2 0 零碳钢0 0 0 20 0 0 40 3 30 0 0 80 0 2 6 脱碳钢0 0 0 3 o 2 00 0 0 50 0 2 5 钛钢0 0 5o 1 0o 3 00 0 1 00 0 3 0 s p c c 0 1 2 o 5 0 0 0 4 o 0 4 5 s p c d o 1 0 o 4 5 o 0 3 5 o 0 3 5 0 6 t i0 0 4 8 0 1 20 4 8 o 0 5 0 0 2 2 0 6 y t ( r t ：)0 0 4 0 o l0 2 5o 0 1 50 0 0 2 b c t l0 0 30 0 0 40 1 80 0 1o 0 l t c 一1 0 0 4o 1 1o 2 40 0 0 50 0 0 5 0 8 h t0 0 7o 2 50 6 3 1 02 0 0 0 1 4o 3 7o 6 50 0 3 5o 4 5 焊 0 1) 4 3 0 1 8 0 8 0 条 o 1 2o 4 5o 0 50 0 3 搪瓷底胎要求 搪瓷的质量，首先决定铁胎。没有高质量的铁胎，就不可能制造高质量的搪瓷 制品。铁胎主要满足以下要求： 内表面不得有显著的伤痕、凹坑、夹层等机械缺陷。 铁胎上的焊道要平直、规整、焊缝宽度不得超过钢板厚度的1 5 倍，焊缝接头 要圆滑过渡，不允许有夹渣、气孔、咬边、未焊透等缺陷。 焊缝面在喷砂前要进行磨平处理。 对接焊缝错边量要小于厚度的1 0 。 法兰不平度要小于直径的0 1 5 。 对接的压紧面要保证设计压力下的密封。 搪瓷是非金属( 瓷釉) 与家属( 钢基体) 的复合体，由于两者性质存在差 异，而金属的性质会直接影响到搪瓷质量的好坏，因此合理选择钢板材料是搪 瓷工艺的重要环节。国内对于搪瓷用钢板的要求一般集中在钢板的化学性质和 机械性能，对焊接、热膨胀系数、金相组织以及厚度也有一定的要求。从以上 涂搪机理及钢板的选择介绍可知，静电粉末涂搪比其它涂搪法对于钢板要求更 高一些，如：含碳量，借鉴国内搪瓷行业的一般经验及国外的有关资料和上述 关于碳钢方面的介绍，现在热水器含碳量大都在0 0 8 以下，材料是s p c d 。为 保证优良的耐压性能，防止因工件膨胀变形而导致瓷层脱落，选择的钢板厚度 在1 6 1 8 m m 之间，且要求钢板无油。 坯件形状的设计 工件要具有合适的形状( 主要是避免半径过小及减少块边) 合理的搪瓷工艺 工艺流程如下： ( 除油) 喷砂一涂搪一搪烧( 一检验) 预处理 金属坯件表面的预处理，对顺利进行搪烧有着很大的意义。瓷层出现的绝 大多数缺陷往往与坯件表面预处理不当有关。钢板制品在成型过程中，坯件表 面终沾有油层、锈斑、尘砂和各种污垢以及氧化皮，在涂搪之前必须除去这些 9 第一章绪论 油污或铁锈，才能获得质量可靠的产品。预处理的方法时多种多样的，我公司 采用的时喷砂。如果工件有油，会影响到喷砂的质量。内胆筒身钢板购进时仅 涂了一层挥发性油，在存放和生产过程中会逐渐挥发掉：上下封头冲压完后经 过了特别的脱脂处理，将液压油完全除去。这样，在焊接完后，内胆时无油的。 对工件内表面进行喷砂，利用压缩空气带动钢砂高速喷射到被加工表面上，去 除氧化皮和粘附物，以造成一定的表面形态和特性。由于热水器内胆具有特殊 的圆筒形状，喷砂机有六把不同的喷枪，分别对工件的各个部分进行处理。 每个工件要经过两种形式的处理：喷砂和清理。 前四把枪分别对下封头、上封头、筒身进行喷砂，所有部位都可获得均匀的 喷射，氧化皮、锈以及可能存在的脏物都可以去除。第五、六把枪接压缩空气， 靠七个大气压的压力将所遗留的砂全部吹除干净。整个过程结束后，铁坯内表 面成为一层洁净、均匀的粗糙表面，这使得它与瓷釉的密着更加良好。此外， 经过喷砂的作用，又去除了冲压时造成的内部压力。 涂搪 涂搪方法一般是湿法和干法，此处采用的是干法中的静电粉末涂搪，是本工 艺中最为关键的部分。 静电粉末喷涂是利用静电效应的原理使粉末附着在钢板表面：将工件接地， 喷枪接负高压，当由压缩空气带动的搪瓷粉末经喷枪喷出时即带了一2 k v 的电 压，由于工件和粉末间存在电压差，在静电力的作用下，粉末就紧紧吸附在工 件上。由于电压差是一定的，随着粉末厚度的增加，静电力会减小，到一定程 度后，粉末不再吸附上去，从而避免瓷层过厚而降低附着力。 搪烧 搪烧时将涂敷了瓷釉的制品加热至瓷釉熔融，而获得完整的玻璃壮覆盖层 的过程。搪瓷的质量与烧成的规程( 温度和时间) 有很大的关系。 检验 在搪烧结束后，对内胆成品进行逐检，不合格品进行返修。 1 3 电热水器内胆防蚀新技术 随着科技的大步进展，特别是分子材料科学的长足快速开发，一些新概念 和随之研制出的新材料、新工艺层出不穷。 新近有关机构研制出了名为c l t 型系列胶粘性涂料，这里不妨先谈一下，c l 实 用技术是一种复合材料和工艺的集合。 材料选择的要求： 贮水式电热水器内胆钢板的防蚀，实质上，是要阻隔住水体对钢板壁的直 第一章绪论 接接触，也就是说，如果将可能和水接触的钢板面全部用一种不透水的膜层包 裹住就可以了。当然，首先这层膜应和钢板结合的密实即防渗透性能好；其次， 当钢板被大面积的撞击变形时膜层应能随其形变而不会出现脱落或开裂，即膜 强度、韧性要高，甚至当膜被锐器刺破或局部烧毁时，其周围部分应能保持原 态，而已毁局部应能修补；第三，在低温一4 5 。c 至i + 1 5 0 。c 温度变化时膜的物化性 能稳定，膜的弹性应能保证和钢板同步形变；第四，膜的材质耐蚀耐热水浸泡、 无毒、符合环保安全卫生要求，膜料适用期可满足施涂工期而贮存期足够长， 膜层可多次施涂也即膜厚不受限制：最后，膜有效寿命长、综合造价低。 依据上述各项，一些同类产品，特别是先进的氟类，比如p t e e ( 聚四氟乙 烯) 涂料，它的化学稳定性、耐磨性、耐温性、自润滑性等均好，但须要用近 4 0 0 高温烧结，只能一次喷涂，涂层薄且致密性较差，孔隙率高，难于形成厚 膜，某些介质特别是水分子很容易穿过其大面积的孔隙渗入钢板面引发腐蚀。 近年某些发达国家已生产出多种改进型氟类聚合物涂料如f e p 、p f a 、e c t f e 等 等。它们的多项物化指标均有很大提高。但施涂仍要求3 0 0 以上高温烧结，且 造价高昂，特别是进口这类涂料。因此，应用于售价低的电热水器内胆防蚀涂 装上，实际造价太高，恐一般企业难于接受。 国内在这方面主要试用过国产耐蚀、耐热等技术经济指标均较好的环氧类、 改性聚氨脂类等涂料。而最具有实用且价格低的产品是c l t 系列。 c t l 0 1 型底胶液，使用该超细质底胶涂膜厚，一面渗透入钢板上的微裂纹、缺 陷的凹痕等缝隙中并与洁净钢板面上的铁离子形成分子级的密着结合膜，另一 方面则和防蚀主料c l t 一0 2 型胶粘料液形成致密的类似搪瓷的厚膜。 从以前所用的涂膜来看，大多数膜层都存在着和其涂料分子结构有关的结 构孔隙和由于涂料中的溶剂挥发所形成的鼓泡式孔隙，这些孔隙直径多在 1 0 t 1 0 7 c m 范围，显然它比前述的水分子直径要大得多，因而仅靠这些涂料层式 难以阻止水分予渗透的，就是那些在大气环境中耐蚀能力很强的常用涂料膜液 无能为力，并且涂层应能在7 0 8 0 的热水中耐受住长期浸泡。 c l t 一0 2 胶粘料液，既具有耐一4 5 一+ 2 0 0 的温度，经受住冷水煮沸即耐冷热反复 交变的能力；又具有高强韧抗弯耐撞击即具有高延伸率和抗渗透能力：胶料适 用期从0 5 - 8 h ，施涂工艺简便可以多次施涂，直到所需厚度为止，成膜无需高 温烧结，仅需1 8 0 1 3 烘干固化即成，料液有效期贮存半年。 施涂前钢板处理要求： 首先，由于电热水器内胆都系模压成型，故必须进行除油、污、氧化皮等 处理，实践表明，简便可靠的方法是先用金刚砂、石英砂或钢砂等抛丸处理， 以消除钢板的内应力和表层油污杂质、锈蚀氧化碎片及焊渣等，对突出的焊瘤 第一章绪论 应用砂轮打平，这样，还能使钢板面的粗糙度达3 0 一8 0ui l l 和表面积增大，当然， 丸粒应先除油污水，最好能经8 0 烘干透再用。随后再用丙酮冲洗以彻底消除 油、水、粉尘等。特别注意，表面处理最后工序应以6 0 干净空气认真烘干钢 板表面，以彻底消除可能再次吸附的水分和尘埃。第二步，在除污合格后，不 失时机地施涂c l t - o i 底胶料一遍，可用喷、滚、浸涂工艺，但绝不准漏涂。c l t 0 1 底层是优质防蚀膜的基础，实施完毕，必须在空气洁净、相对湿度6 5 的环境 中凉置干透，阴雨天必须经4 0 一6 0 烘干，凉置时间长短据实测确定。经查合格 后在c l t 一0 l 膜面上以喷、刷、滚涂c l t 一0 2 胶粘膜料，每涂3 0 一i 0 0pm 一遍， 就应凉置干透，一般厚达0 5 m m ，检验合格后即可，否则可加厚，达标为准，通 常最后一层涂施后，再干透即可放入固化室固化，其温升曲线为：室温加热3 0 m i n 达1 8 0 ，恒温1 0 m i n 后温降3 0 m i n 达4 0 后，即可移出固化室。 对于焊缝防蚀处理问题： 现在有用以合成树脂为主要原料的结构胶粘剂作胶接材将两件钢板粘接起 来，这样，不仅从根本上排除了焊接带来的难题，而且内胆的钢板厚度又可减 薄，内胆的整体结构方式更趋合理，胆内表面防蚀处理，变得更易使用c l t 型 系列胶粘料的操作。 实例如下： 把原本两节圆柱形焊接一体的结构，变成将两节中的任一节端头长度 3 0 5 0 m m 一段的直径扩大出两个板厚的承插口，以便将另一节的端头可以插入其 中，在承插操作中只要将c l j _ 0 5 结构胶粘剂涂布在承插段的内、外两节划定的 接口上，待凉置干透后，小心的配合承插到位，再在接口处涂满特制密封胶粘 剂，置入固化室内，于1 8 0 c 下恒温3 0 m i n 自然冷却后，其承插头的剪切强度即 达：- 4 0 时为3 0 m p a ，室温时为2 删p a ，1 5 0 时为1 3 m p a 。 第二章热水器内胆应力分析 第二章热水器内胆应力分析 2 1 焊接应力与变形 2 1 1 内应力及其产生原因 内应力是在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。 内应力按其分布范围可分为三类：第一类内应力，它在较大的范围内平衡，这个范围 大小可以与物体尺寸来比量，故称之为宏观内应力。第二类内应力，它的平衡范围大 小可以与晶粒尺寸来比量。第三类内应力，它的平衡范围更小，其大小可与晶格尺寸 来比量。 内应力按其产生原因可分为湿度应力和残余应力等几种： 温度应力( 热应力) 温度应力是由于构件受热不均匀引起的。 图2 一l 如图2 - 1 是一个金属框架，如果只让框架的中心杆件受热，而两侧杆件的温度保 持不变，则前者由于温度上升而伸长，但是这种伸长的趋势受到两侧杆件的阻碍，不 能自由第进行，因此中心杆件就受到压缩，产生压应力。而两侧杆件在阻碍中心杆件 膨胀伸长的同时受到中心杆件的反作用而产生拉应力。这种应力是在没有外力作用下 出现的，且拉应力与压应力在框架中互相平衡，就构成了内应力。因为这是由于不均 匀温度造成的，所以称之为温度应力或热应力。如果应力不高( 低于材料的屈服极限) ， 在框架里不产生塑性变形，那么，当框架的温度均匀化以后，热应力亦随之消失。 残余应力 如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变 形。当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生新的内应力。这种内应力使温度均匀后 残存在物体中的，故称之为残余应力。仍以上图为例，如果中心杆件加热产生的压应 力达到材料的屈服极限，杆件中将出现压缩塑性变形。当杆件温度恢复到原始状态时， 若任其自由收缩，那么它的长度必然要比原来的短。这个差值就时中心杆件的压缩塑 第二章热水器内胆应力分析 性变形量。实际上框架两侧杆件阻碍着中心杆件自由收缩，使它受到拉应力。而两侧 杆件本身，则由于中心杆件的反作用而产生压应力。这样，就在框架中形成了一个毅 的内应力体系，即残余应力 我们知道金属在相变时其比容也有所变化，也就时说其尺寸有所变化。如果温度 升高，使局部金属发生相变，伴随这种相变所出现的体积变化将产生新的内应力。当 温度恢复到原始状态后，如果相变的产物还保留下来，那么这个金属框架里就产生相 变应力。它是残余应力的一种。 2 1 2 焊接引起的内应力及变形 焊接应力和变形与上述不均匀温度场引起的应力和变形的基本规律是一致的，但 是前者更为复杂。其复杂性首先表现在焊接时的温度变化范围比前面分析的情况要大 得多，在焊缝上最高温度可高达材料的沸腾点，而离开热源急剧下降直至室温。 焊接残余变形室焊接后残存于结构中的变形。大致可分为下列七种： 纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩。 横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩。 挠曲变形：构件焊后发生挠曲，挠曲可由焊缝的纵向收缩引起和由焊缝横向收缩引起。 角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移。 波浪变形：焊后构件呈波浪形，这种变形在薄板焊接时最容易发生。 错边变形：在焊接过程中，两焊件的热膨胀不一致，可能引起长度方向上的错边和厚 度方向上的错边。 螺旋形变形：焊后在结构上出现的扭曲。上述几种类型的变形，在焊接结构生产中往 往并不是单独出现的，而是同时出现，互相影响的。 焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题。工件上出现了变形，就需要花许多 工时去矫正。比较复杂的变形，矫正的工作量可能比焊接工作量还要大。有时变形太 大，甚至无法矫正，造成废品。在生产中有时还发生这样的情况，为了保证焊接后需 要进行机械加工的工件尺寸，片面地多放余量，加大毛坯的尺寸。这样做增加了材料 消耗和机械加工工时。 焊接变形不但影响结构的尺寸的准确和外观美观，而且有可能降低结构的承载能力。 第二章热水器内胆应力分析 图2 2 是热水器内胆焊接结构图 圈2 2 热水器内胆焊接主要包括以下： 筒身的焊接、法兰盘焊接、水管焊按、封头与筒身焊接、内支撑焊接 封头与筒身间环焊缝对接边错边： 错边对于焊接接头的强度有较大的影响，是一种应该重视的几何不完善性。错边 可能由装配不善所造成。但是焊接过程本身也可能产生错边，使已装配合格的构件产 生超差错边。焊接过程的热不平衡使造成焊接错边的主要原因之一。现在的热水器封 头厚度是1 8 m m ，而筒身厚度是1 5 m m ，因此，封头一侧和筒身一侧位移不一致，随着 焊接向一个方向进行，错边不断增加。如图2 - 3 所示： 图2 3 封头与筒身间环焊缝对接边错边的产生过程 鎏 第二章热水器内胆应力分析 错边的产生必然会对焊接质量产生很大的影响，封头与筒身焊接内表面就会有较 大的缝隙，虽然在焊接前，封头与筒身是经过压合而成，但焊接后所产生的错边，就 会影响搪瓷质量，这在下一章会详细介绍。 2 1 3 应力集中 由于焊缝的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应力的分布是不均匀的。其最 大应力值( om a x ) 比平均应力值( om ) 高，这种情况称之为应力应力集中，应力 集中的大小，常以应力集中系数k r 表示： k r = 0m a x 0m 焊接接头产生应力集中的原因： ( 1 ) 焊缝中的工艺缺陷，如气孔、央渣、裂缝和未焊透等，其中裂纹和未焊透引起 的应力集中严重。 ( 2 ) 不合理的焊缝外形，如对接焊缝加厚高过大，可形成较大的应力集中。 ( 3 ) 设计不合理的焊接接头，如接头截面的突变，加盖板的对接接头等，会造成严 重的应力集中。焊缝布置不合理也可能引起应力集中。 2 2 热水器内胆工作状况分析 热水器内胆属于薄壁容器，其壁厚比其直径小很多，应力在壁板厚度上可视为均 匀分布，按薄膜应力计算： 由于热水器内胆属于圆筒形容器，简体的环向应力是轴向应力的两倍，可用下式计算： oo = p d 26ol = p d 45 式中。日环向应力n c m 2 o1 轴向应力n c m 2 卜容器内部压力n c m 2 d 一圆筒直