（材料学专业论文）还原罐封头埋弧焊焊接工艺及质量控制.pdf

t h ew e l d i n gp r o c e d u r eo fr e d u c t i o n ja r s s u b m e r g e da r cw e l d l n k l i ux i a o b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gx i - j i n g a p r i l2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：a l 弓乳 日期：加年6 月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期砂年6 月t 日 臼期：厶，年易月7 日 a 1 名名签签 者师作导 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引m 附表索引 第1 章绪论”1 1 1 研究背景i 1 1 1 皮江法炼镁原理与国内外研究现状1 1 1 2 还原罐的结构及所使用材质的发展过程2 1 1 3 还原罐封头与罐体的焊接问题4 1 2 埋弧焊概述与国内外发展研究现状5 1 3 埋弧焊在还原罐封头焊接中的应用及国内外现状7 1 4 本论文的研究目的、内容及意义”7 1 4 1 研究目的7 1 4 2 研究内容7 1 4 3 意义8 第2 章试验方法及设备9 2 1 焊材的选择9 2 1 1 还原罐母材材料性能分析9 2 1 2 焊丝与焊剂的选择一l o 2 2 试焊设备1 1 2 3 焊接工艺试验1 2 2 3 1 焊前准备”1 2 2 3 1 1 坡口的加工与装配1 2 2 3 1 2 焊材的除污与烘干一1 4 2 3 2 焊接工艺参数的选择1 4 2 3 2 1 手工电弧定位焊“1 4 2 3 2 2 埋弧焊小规范工艺参数一1 4 2 3 2 3 埋弧焊大规范j 艺参数一1 5 2 3 2 4 机头偏移最1 6 2 4 手工电弧焊的焊接1 7 2 5 焊接接头质量评定分析方法1 7 2 5 1 显微分析方法1 7 2 5 2 力学性能分析方法一17 2 5 3 抗高温腐蚀性能分析方法1 8 2 5 3 1 主要试验设备简介1 8 还原罐封头埋弧焊焊接工艺及质量控制 2 5 3 2 试样的制备一1 9 2 5 3 3 试验方法1 9 2 6 本章小结2 0 第3 章焊接接头力学性能及宏观、显微分析2 1 3 1 焊缝宏观形貌观察与对比2 l 3 1 1 不同工艺参数与焊材组合下的埋弧焊接头外观形貌2 l 3 1 2 埋弧焊接头与手工电弧焊接头宏观外貌观察与对比2 3 3 2 金相组织分析2 3 3 2 1 裂纹2 3 3 2 2 无宏观缺陷焊缝金相组织分析2 4 3 3 焊接接头机械性能试验2 5 3 3 1 焊接接头常温拉伸实验结果分析2 6 3 3 2 焊接接头常温拉伸断口扫描电镜分析2 7 3 3 3 焊接接头常温拉伸试验结论2 9 3 3 4 焊接接头高温拉伸试验结果分析2 9 3 3 5 焊接接头高温拉伸试验结论3 0 3 4 本章小结3 0 第4 章焊接接头抗高温腐蚀性能试验”3 2 4 1 试验条件3 2 4 1 1 试验温度的确定3 2 4 1 2 试验腐蚀气体的选择3 2 4 2 高温氧化腐蚀试验结果及分析3 3 4 3 高温硫化腐蚀试验结果及分析3 6 4 3 1s 0 2 + 0 2 混合气氛的确定3 6 4 3 2s 0 2 + 0 2 混合气氛高温腐蚀试验结果分析“3 6 4 4 初步结论3 8 4 5 小规范埋弧焊接头抗高温腐蚀性能优秀原因探究3 8 4 5 1 影响材料抗高温腐蚀性能的主要因素分析3 8 4 5 2 焊接接头成分化验分析一4 0 4 5 3 焊接接头与母材金相组织分析4 0 4 5 4 焊接接头电子探针分析41 4 6 焊接接头熔合区抗高温氧化腐蚀性能试验分析4 2 4 7 本章小结4 8 结论4 9 参考文献5 0 翌| 谢5 3 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 5 4 硕士学位论文 摘要 目前，我国各炼镁厂家主要用皮江法冶炼金属镁，在皮江法炼镁技术的工艺装备 中，还原罐是最重要的装备单元。在还原罐的生产制造中，受到厚壁且罐径小的限制， 其半球形封头与罐体的焊接长久以来都是手工进行，致使生产效率低下，劳动强度大， 焊后废品率高，且焊后接头质量达不到使用要求。 本文利用埋弧自动焊的生产效率高、劳动强度小、焊缝质量可靠等优点，以厚壁小 管径不锈钢环缝埋弧焊焊接为创新点，对z g 3 0 c r 2 4 n i 7 s i n 还原罐封头与罐体的连接进 行了埋弧焊焊接工艺试验，通过焊接接头化学成分分析、显微分析、力学性能与抗高温 腐蚀性能试验，并同手工电弧焊接头进行对比、分析，制定了最佳埋弧焊焊接工艺。 焊接接头力学性能试验结果表明：埋弧焊接头力学性能优于手工电弧焊接头： 埋弧焊采用小规范工艺参数接头力学性能优于埋弧焊大规范工艺参数接头；高温环境 下埋弧焊接头力学性能急剧下降。 焊接接头抗高温腐蚀性能试验结果表明：埋弧焊接头抗高温氧化( 硫化) 腐蚀 性能优于手工电弧焊接头；埋弧焊采用小规范工艺参数接头抗高温氧化( 硫化) 腐 蚀性能优于埋弧焊大规范工艺参数接头；焊接接头熔合区抗高温腐蚀性能较焊缝与母 材差，并对焊缝与母材抗高温腐蚀性能造成不利影响，加大焊缝与母材的腐蚀速率。 关键词：还原罐；埋弧焊工艺；焊接接头；组织；高温腐蚀 还原罐封头埋弧焊焊接工艺及质量控制 a b s t r a c t a tp r e s e n lt h em a j o rm a n u f a c t u r e r so ft h em a g n e s i u ms m e l tm a g n e s i u mt h r o u g ht h e m e t h o do fp i d g e o n , t h er e d u c t i o nj a rc a nb et h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n tu n i t si nt h e p i d g e o np r o c e s s d u r i n gt h em a n u f a c t u r e r i n go ft h er e d u c t i o nj a r , w h i c hh e m i s p h e r i c a lh e a d a n dt h et a n ka r em a d eb yh a n df o rt h er e s t r i c t i o no ft h et h i c kw a l la n dt h et i n yo u t e r d i a m e t e r ( o d ) ，w h i c hi n d u c e st h el o wp r o d u c t i o n 、h i g hl a b o ri n t e n s i t ya n dt h eh i l g hr a t eo f r e j e c t s ，w h a ti sw o r s ei st h a tt h ew e l dq u a l i t yc a n tf i tt h en e e d o fr e q u i r e m e n t s s u b m e r g e da r cw e l d i n gh a sh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , l a b o ri n t e n s i t y , w e l dq u a l i t ya n d r e l i a b l ec h a r a c t e r i s t i c t h i ss u b j e c t si n n o v a t i o nl i e si nt h i c kw a l la n ds m a l ld i a m e t e rs t a i n l e s s s t e e lr i n gw e l d sb ys u b m e r g e da r cw e l d i n g ，s u b m e r g e da r cw e l d i n gt e c h o n o l o g yt e s ti sm a k e d f o rz g 3 0 c r 2 4 n i 7 s i nr e d u c t i o nj a r st a n ka n dh e a d , t h r o u g ha n a l y s i so ft h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o n , m i c r o s t r u c t i o n , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dh i 啦t e m p e r a t u r ec o r r o s i o n p r o p e r t i e s ，a n dc o m p a r ew i t hm a n u a la r cw e l d i n g ，t h eb e s tp a r a m e t e r so fs u b m e r g e da r c w e l d i n gi sf o r m u l a t e d t e s tr e s u l t so fw e l d e dj o i n t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss h o w e dt h a t ： o ) t b ew e l d e dj o i n t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs u b m e r g e da r cw e l d i n gi ss u p e r i o rt o m a n u a la r cw e l d i n g s ；t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs a w sj o i n tw i t hs m a l ls p e c i f i c a t i o n p a r a m e t e r s i sb e t t e rt h a ns a w sw i t hl a r g ep a r a m e t e r s ；t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f w e l d i n gj o i n t sa r es h a r pd e c l i n e du n d e rh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t t e s tr e s u l t so fw e l d e dj o i n t s h i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o np r o p e r t i e ss h o w e dt h a t ： o ) t h ew e l d e dj o i n t s 晰ml l i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o na n dh i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o n p r o p e r t i e so fs a w i sb e t t e rt h a nm a n u a la l ew e l d i n g s ；1 1 1 eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o na n d 1 l i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o np r o p e r t i e so fs a w sj o i n tw i t hs m a l ls p e c i f i c a t i o np a r a m e t e r si s b e t t e rt h a ns a w sw i t hl a r g ep a r a m e t e r s ；t h eh i j g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o np r o p e r t i e so f w e l d e di o i n ti nf u s i o nz o n ei sl e s st h a nw e l da n db a s em e t a l ，w h i c hs p e e du pt h ec o r r o s i o n p r o p e r t i e so f t h ew e l da n db a s em e t a l k e yw o r d s ：r e d u c t i o nj a r ；s u b m e r g e da r cw e l d i n g ； w e l d e dj o i n t ； m i s c o s t r u c t u r e ； h i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o n i i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 皮江法炼镁示意酣5 】1 图1 2 皮江法炼镁工艺流程图 9 1 2 图1 3 典型还原罐结构图l 4 j 3 图1 4 未达到使用寿命便失效报废的还原罐4 图1 5 埋弧焊焊接过程示意图6 图2 1s c h a e f f i e r 相图9 图2 2 试焊用f d l1 - 2 0 0 t 埋弧焊机1 1 图2 3 试焊用辊轮架及工作台一1 1 图2 5 焊接接头夹渣缺陷1 2 图2 6 外径3 3 9 m m 封头与罐身坡口加工外形尺寸1 3 图2 7 外径3 7 0 m m 封头与罐身坡口加工外形尺寸1 3 图2 8 装配后坡口示意图一13 图2 9 埋弧焊小规范焊道顺序一15 图2 1 0 埋弧焊大规范焊道顺序1 5 图2 1 1 机头偏移量示意图1 6 图2 1 2 经试焊选定的机头偏移量1 7 图2 1 3 焊接接头常温拉伸试样图1 8 图2 1 5 高温腐蚀试样图1 9 图3 1 无缺陷焊缝一2 1 图3 2 焊缝中央贯穿性裂纹2 1 图3 5 焊缝中央处纵向裂纹”2 3 图3 6 熔合线附近裂纹2 4 图3 。8 试样断裂宏观形貌图2 6 图3 1o 断口观察图2 8 图3 1 l 小规范埋弧焊接头高温拉伸断裂宏观形貌图2 9 图3 1 2 高温拉伸应力应变曲线图3 0 图4 1 高温氧化腐蚀失蕈量随时间变化曲线图3 4 图4 2 高温氧化腐蚀后试样表面显微形貌图”3 5 图4 4 母材金相组织4 1 图4 7 熔合区试样与母材试样失重量对比图一4 4 图4 8 小规范埋弧焊接头熔合区( 焊缝区) ( 母材) 失重量对比图4 4 图4 9 大规范埋弧焊接头熔合区( 焊缝区) ( 母材) 失重量对比图4 5 图4 1 0 手工电弧焊接头熔合区( 焊缝区) ( 母材) 失重量对比图一4 5 图4 1 l 熔合区试样与母材c r 、n i 元素电子探针线扫描图一4 7 i i i 还原罐封头埋弧焊焊接工艺及质量控制 附表索引 表1 1四种主要用于还原罐生产的耐热钢材质( 训= ) 3 表1 2 还原罐封头焊接中应用较普遍的三种焊条化学成分( 训) 4 表2 1 炼镁还原罐材质成分分析( 训= ) 9 表2 2e r 31 0 不锈钢焊丝化学成分( 训) 1 0 表2 3h 1 c r 2 4 n i l 3 不锈钢焊丝化学成分( 训) 1 0 表2 4 马新江所提出炼镁还原罐专用焊材的化学成分( w e o ) 一1 0 表2 5 小规范埋弧焊工艺参数表1 5 表2 6 大规范埋弧焊工艺参数表1 6 表2 7 管式高温炉19 表2 8 调压变压器1 9 表2 9 光学读数天平l9 表2 10 试焊参照表2 0 表3 1 焊材选择对焊缝外观的影响( 小规范) 2 2 表3 2 焊材选择对焊缝外观的影响( 大规范) 2 2 表3 3 焊接参数对焊缝外观的影响2 2 表3 4 拉伸实验数据对比2 6 表4 1高温氧化腐蚀试样原始尺寸及重量表3 3 表4 2 失重量表3 4 表4 3高温氧化腐蚀失重量表3 4 表4 4 高温硫化腐蚀试样原始尺寸及重量表3 6 表4 5 重量变化表3 7 表4 6 高温硫化腐蚀重量变化表3 7 表4 7 焊接接头c r 、n i 、p 、s 、c 元素含量表“传) 4 0 表4 8 焊接接头熔合区试样原始尺寸及重量表4 3 表4 9 焊接接头熔合区试样失重量表4 3 表4 1 0 熔合区试样高温氧化腐蚀失蕈量表4 3 i v 硕上学位论文 1 i 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 皮江法炼镁原理与国内外研究现状 金属镁是最轻的金属结构材料，它以高的比强度、良好的疲劳强度和消震能力以及 易切削加工等优点，广泛地应用于军事工业以及民用工业部门，用量日益增大，产量从 数万吨增长到数十万吨。据专家预测，镁及其合金将成为继钢铁、铝及其合金之后的第 三大实用金属材料【lj 。 目前炼镁的主要方法有电解法和硅热还原法【2 】。世界上有4 0 左右的镁是用电解法 生产的。我国具有近5 0 年的氯化镁熔盐电解法的历史，积累了丰富的生产经验，也取 得了巨大的成就。由于电解法能耗高、氯气排放严重，相对缺乏市场竞争力。电解法炼 镁的新工艺一用水氯镁石二次脱水制备无水氯化镁作电解法炼镁原料，目前尚未产业化、 商品化。法国和意大利曾有用电加热内热硅还原法，由于没有降低电耗的新工艺，也全 部停产，因此皮江法炼镁仍然是目f i i 的主要炼镁工艺之一1 3 j 。 皮江法炼镁是由加拿大人皮江( p i d g e o n ) 于1 9 4 1 年研究成功的，所谓皮江法炼镁， 是一种典型的硅热还原法冶炼镁工艺，即是将煅烧白云石和硅铁等磨成细粉，按一定比 例混合压成团状，装入用耐热合金制成的还原罐内，在1 1 5 0 1 2 0 0 的高温及 l o p a - 2 0 p a 的压强下进行还原得出镁蒸汽，冷凝后成为结晶镁，再融化制成镁锭【9 j 。硅 热法炼镁中，多是采用加拿大的皮江设计的从外部加热的横罐真空还原炉，还原炉用耐 火砖砌筑，许多个还原罐排成一列，平放在还原炉的支座上，外部用燃料加热。皮江法 经过6 0 多年的发展，取得了巨大的进步，形成了基本成熟的理论，皮江法炼镁如图1 1 所示。 还原罐 图1 1 皮江法炼镁示意图【5 1 皮江法炼镁过程可分为白云石煅烧、原料制备、还原和精炼四个阶段，即其工艺实 质是将白云石( m g c 0 3 c a c 0 3 ) 在 日】转窑中煅烧( 煅烧温度l1 5 0 c 1 2 5 0 c ) ，反应式见式 还原罐封央埋弧焊焊接：i j 声及质晕控制 ( 1 1 ) 。然后经研磨与硅铁粉( 含硅量7 5 ) 和萤石粉( 氟化钙9 5 ) 混合制球( 制球压力 9 8 m p a - 2 9 4 m p a ) ，送入耐热钢还原罐内，在11 9 0 ( 2 1 2 1 0 ( 2 的温度及1 3 3 p a - l o p a 真空 条件下，还原制成粗镁，反应过程见式( 1 2 ) 。 m g c 0 3 。c a c 0 3 _ m g o c a 0 + 2 c 0 2 ( 1 1 ) 2 c a o ( 固) + 2 m g o ( 固) + s i ( 固) _ 2 m g ( 气) + c a s i 0 4 ( 固) ( 1 2 ) 经过熔剂精炼、铸锭、表面处理后，产出金属镁锭 1 0 - l l 】。皮江法炼镁工艺流程图如 图1 2 所示。 原材料 厂一i t 白云石矿 萤i 石硅矿焦炭废铁 ( m g c ( h + c a c o a )一i 一_ ”“”一一一 一l l 、l 回转窑一一一 粉碎器 l 电弧炉l 一 煅烧白云石一- 一l 二= _ 二二二_ j 玉器l破碎器 t 一 凛惬石- 一硅铁嚣矍 混合器芒二二二 砗堡捡查i ， ， 制球机l 一，球团( 煅自+ 硅铁+ 萤石) 还原炉一硅酸钙+ 铁 一 l 镁晶体 熔化坩埚， ， 一 一一 纯镁- 一帐面处理【一包装一一产品! 图1 2 皮江法炼镁工艺流程图1 9 1 我国是镁资源大国，储量居世界首位，也是世界上镁产量最多的国家。在青海盐湖 蕴藏着氧化镁3 2 亿吨，硫酸镁1 6 亿吨。在辽宁、山西、宁夏、内蒙、河南等省区菱镁 矿均有很大的储量，仅辽宁大石桥一带的储量就占世界菱镁矿的6 0 以上，矿石品位高 达4 0 。白云石资源储量达到4 0 亿吨，分布全国各地。因此，作为以白云石为原料炼 镁的皮江法技术卜分适合我国国情，是我国最t 要的炼镁方法【9 1 。 1 1 2 还原罐的结构及所使用材质的发展过程 在皮江法炼镁技术的工艺装备中，还原罐是最莺要的装备单元，材质为 z g 3 5 c r 2 4 n i 7 s i n 或z g 3 0 c r 2 4 n i 7 s i n 奥铁两相耐热不锈钢【5 1 。其典氆结构如图1 3 ，由 半球形封头、直筒罐体和冷却水套三部分组成。罐体外径：3 3 9 3 7 0 m m ，罐长： 2 4 0 0 m m 3l o o m m ，壁厚：3 5 m m 一5 0 m m ，半球形封头与直筒罐体焊接连接。 2 硕士学伊论文 一ll 广翎溜- ；j 一_ - - 一1 一 li 一 一 图1 3 典型还原罐结构图【4 】 由于昂贵的耐热合金钢金属镁还原罐在高温高真空下容易变形和破损，皮江法的生 产费用大部分消耗在还原罐上，加上破坏引起的生产效率降低，所以还原罐在实际皮江 法炼镁生产中有着重要的地位。从皮江本人开始，皮江法的一个主要研究方向就是选择 耐高温材料用于还原罐的制造。在中美双边冶金学术会议上，美国铝业公司n o e l ，t o r r e t t 指出，皮江法的改进方向集中于选择耐高温材料制造反应罐、缩短反应时间、提高s i 利用率、发展易于装卸而减少循环时间的装备【1 1 1 。而针对还原罐的破坏，人们曾从两个 方面来考虑提高罐的寿命： ( 1 ) 如果用舢作还原剂，则会降低反应温度，使还原罐工作在较低温度下，从而 延长使用寿命，或缩短反应时间，提高生产率，使还原罐寿命相对延长，实验表明，用 纯舢或含a 1 7 0 左右的铝硅合金可使反应温度从1 2 0 0 降至1 0 0 0 。但此法存在的一 个主要问题在于是否能够经济地回收到废铝屑及铝硅合金。所以目前大部分冶炼中仍采 用硅铁合金作为还原剂，因此解决的办法就需从改善罐体本身的性能着手。 ( 2 ) 合理的选用还原罐的材质。国内外都曾作过不少实验，先后使用过以下方法： 重型熟铁管，用碳化硅套筒保护；钢管，外表包一层薄的合金，称包覆罐； 钢管外绕焊一层耐高温金属材料；钢管外搪瓷或涂釉：钢管外套一个薄壁不锈钢管 或耐热钢管保护；在还原罐外焊一个加强环【l 卅。 经过生产实践验证后，生产金属镁还原罐的厂家最终还是采用了材质为耐热钢的罐 体。目前国内各厂家使用的耐热钢材有四种【8 】，其牌号和化学成分见表1 1 。 表1 1 四种主要用于还原罐生产的耐热钢材质( w e , o ) 牌号h k - 4 0h jc r 2 4 n i 7 s i nc r 2 4 n i 7 s i n r e 主要成分2 5 2 0 2 8 1 62 4 72 4 7 c0 3 5 0 4 5o 2 0 o 5 0o 2 7 0 3 7 0 2 7 o 3 7 c r2 4 2 82 6 3 02 3 2 62 3 2 6 n i1 8 2 21 4 1 8 7 8 57 8 5 s i 2 o 2 o1 3 2 0 1 3 2 0 m n2 o2 0 1 01 0 n 0 2 - 0 3 00 2 一o 3 0 m 0 0 5 0 5r e 0 2 f e余 余余余 3 还原罐封头埋弧焊焊接r 艺及质譬控制 对比几种材质，我国的z g 3 0 c r 2 4 n i 7 s i n 、z g 3 5 c r 2 4 n i 7 s i n 和z g 3 0 c r 2 4 n i 7 s i n r e 得到了较广泛应用。 1 1 3 还原罐封头与罐体的焊接问题 还原罐封头与罐体的焊接问题是制约皮江炼镁工艺发展的关键，焊接还原罐封头主 要采用的焊接方法只有手工电弧焊，在焊条的选用上，目前主要使用a 2 0 2 、a 3 0 2 、a 4 0 2 ， 也有使用a 3 1 2 、a 4 1 2 ，其中a 3 0 2 得到更普遍地应用1 7 1 ，几种焊条化学成分见表1 2 。 表1 2 还原罐封头焊接中应用较普遍的三种焊条化学成分( 训= ) 牌号 cs im n c rn i m 0 sp a 2 0 20 0 8 0 9 0 5 2 51 7 2 l1 1 1 42 2 5o 0 30 0 3 5 a 3 0 2o 1 50 9 o 5 2 52 2 2 51 2 1 4 o 0 30 0 3 5 a 4 0 20 2 00 7 51 o 2 52 5 2 82 0 2 2 ，50 0 30 0 3 虽然町供选择焊材较多，但由于只能采用手工电弧焊的方式，导致焊后接头质量往 往达不到使用要求，其不足主要表现为： ( 1 ) 产品质量得不到保证，焊接接头常出现热裂纹、气孔、未熔合、咬边等缺陷， 这些缺陷往往使得炼镁时罐内的真空度达不到使用要求；抗高温腐蚀性能差，使用寿命 达不到炼镁厂所要求的6 0 天，金川公司生产的还原罐一般使用一个月左右就要报废， 有的甚至使用一两炉后便出现了焊缝熔敷金属剥落的现象，在回收的废罐中，除了一部 分还原罐因为罐身塌瘪报废外，几乎所有还原罐的报废都是因为焊缝出现问题，致使整 只还原罐无法继续使用( 见图1 4 ) ，还原罐半球形封头与罐身的焊接接头质量问题严 重影响了镁的罐产量与炼镁效率。 图1 4 未达到使用寿命便失效报废的还原罐 ( 2 ) 生产效率低下，以金川公司为例：一个操作熟练，经验丰富的焊工手工焊接还 原罐封头，平均每焊1 0 根罐有4 根不合格，焊接不合格的还原罐只能回炉。莺铸，生产 4 硕十学位论文 效率低下并且造成极大的浪费，而其铸造车间平均每个工作日可铸出1 2 根罐，造成了 封头的焊接工作严重滞后于铸管工作的局面。 ( 3 ) 焊工操作环境恶劣，劳动强度大，手工电弧焊焊接时烟尘与飞溅过大，且弧光 强烈，易对操作人员造成较大身体损伤，每只还原罐重约7 0 0 8 0 0 公斤，焊工在焊接时 需手动转动托辊，半球形封头与罐身焊前装配更加困难，需一人抱住封头，另一人进行 调节对中，可想而知劳动强度之大。 ( 4 ) 浪费焊材，成本高，操作熟练的焊工使用手工电弧焊焊接一个还原罐，需不锈 钢焊条3 0 余根，对焊材造成了很大的浪费，而1 公斤不锈钢焊条现在的市场价格是5 0 元左右，致使焊接成本过高。 还原罐的价格高，更换数量大，由于是多罐工作，不能及时更换，若生产中还原罐 出现问题会严重影响生产效率，同时更换停产也会造成巨大的经济损失。金属镁还原罐 封头焊接中存在的问题，阻碍着我国镁产业的发展，是降低成本，提高效率，加强市场 竞争力的极大障碍。所以为了提高生产效率与产品质量，降低成本，减轻工人劳动强度， 必须在还原罐封头与罐体的焊接中寻求一种可以代替手工电弧焊的更好的焊接方法。 1 2 埋弧焊概述与国内外发展研究现状 1 9 3 5 年，出现了埋弧焊( s a w ) 生产过程上的第一项专利，其中包括了位于颗粒 化焊剂下的电弧。这项专利是由俄罗斯e0p a t o n 焊接协会研发的，其最著名的应用是 在第二次世界大战期间，用于t 3 4 坦克的制造1 2 8 】。埋弧焊已有7 0 多年的历史，至今仍 是现代焊接生产中效率最高、应用最广泛的熔焊方法之一。由于埋弧焊具有生产率高、 焊缝质量好、熔深大、机械化程度高等特点，是锅炉、压力容器、船舶、桥梁、起藿机 械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造的主要手段，特别是对于中厚板、长焊缝 的焊接具有明显的优越性。 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的熔焊方法，由于电弧掩埋在焊剂下燃烧， 弧光不外露，因此称为埋弧焊。按照机械化程度，埋弧焊可以分为自动焊和半自动焊两 种。两者的区别是：前者焊丝送进和电弧相对移动都是自动的，而后者仅焊丝送进是自 动的，电弧移动是手动的。 埋弧焊的焊接电源的两极分别接至导电嘴和焊件。焊接时，颗粒状焊剂由焊剂漏斗 经软管均匀的堆敷到焊件的待焊处，焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区，电 弧在焊剂下面的焊幺幺与母材之间燃烧。电弧热使焊丝、焊剂及母材局部熔化和部分蒸发。 金属蒸汽、焊剂蕉汽和冶金过程中析出的气体在电弧的周围形成一个空腔，熔化的焊剂 在空腔l 部形成一层熔渣膜。这层熔渣膜如同一个屏障，使电弧、液态金属与空气隔离， 而且能将弧光遮蔽在空腔中。在窄腔的f 部，母材局部熔化形成熔池；在宅腔的上部， 焊丝熔化形成熔滴，并以渣壁过渡的形式向熔池中过渡，只有少数熔滴采取自由过渡。 随着电弧的向f j 移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固形成焊缝，熔渣则凝 固形成渣壳，覆盖在焊缝表面，埋弧焊焊接过程示意图见图1 5 。 还原罐封头埋弧焊焊接t 艺及质嚣控制 斗螺丝竺堡查塑 图1 5 埋弧焊焊接过程示意图 埋弧焊时使用的焊接材料是焊丝和焊剂。在焊接的过程中，焊剂不仅起着保护焊接 金属的作用，而且起着冶金处理的作用，即通过冶金反应清除有害的杂质和过渡有益的 合金元素。焊接时，在电弧热的作用下，焊剂熔化后形成液态熔渣，焊丝熔化后形成熔 滴，母材局部熔化后形成熔池。此外，在电弧空间还有金属和焊剂的蒸汽以及在冶金过 程中析出的气体组成的气相。因此，埋弧焊时的化学冶金反应也是在液态金属、液态熔 渣和气相三者之间进行。在生产中被焊的母材的种类繁多，不同的母材焊接时选用的焊 丝和焊剂不同，因此在液态金属、液态熔渣和气相之间发生的化学冶金反应也不尽相同， 这里不再做详细说明。 埋弧焊的优点： ( 1 ) 生产效率高。埋弧焊所用的焊接电流可大到1 0 0 0 a 以上，比手工电弧焊高5 7 倍，因而电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都比较大。这也使得焊接速度大大提高。以板 厚8 1 0 m m 的钢板对接焊为例，手工电弧焊的焊接速度一般不超过6 - s m h ，而单丝埋弧 焊的速度可达3 0 5 0 m h ，如果用双丝或多丝埋弧焊，速度还可提高1 倍以上。 ( 2 ) 焊接质量好。一方面由于埋弧焊的焊接参数可通过电弧自动调节系统的调节能 够保持稳定，对焊工操作技术要求不高，因而焊缝成形好、成分稳定；另一方面也与采 用熔渣进行保护，隔离空气效果好有关。在手工电弧焊时，焊缝中氮的质量分数为o 0 2 。0 0 3 ，而用h j 4 3 l 焊剂进行埋弧焊时，焊缝中氮的质量分数仅为0 0 0 2 ，这可以 使焊缝的力学性能显著提高。 ( 3 ) 劳动条件好。埋弧焊时，无弧光，也不需要焊工手工操作。既能改善作业环境， 也能减轻劳动强度。 ( 4 ) 节约金属及电能。对于2 0 m m 一2 5 m m 厚以下的焊件可以不开坡口焊接，这既可 节省由于加工坡口而损失的金属，也可使焊缝中焊丝的填充量减少。同时，由于焊剂的 保护，金属的烧损和飞溅也大大减少。由于埋弧焊的电弧热量能得到充分的利用，单位 长度焊缝上所消耗的电能也相应降低。 埋弧焊的缺点： ( 1 ) 焊接适用的位置受到限制。由于采用颗粒状的焊剂进行焊接，因此，一般只适 6 硕上学位论文 用于平焊位置的焊接，如平焊位置的对接接头、角接接头以及堆焊等。对于其他位置， 则需要采用特殊的装置以保证焊剂对焊缝区有效的覆盖。 ( 2 ) 焊接厚度受到限制。这主要是由于当焊接电流小于1 0 0 a 时电弧的稳定性通常 变差，因此埋弧焊不适用于焊接厚度小于l m m 的薄板。 ( 3 ) 对焊件坡口的加工与装配要求较严。这是因为埋弧焊时不能直接观察电弧与坡 口的相对位置，故必须保证坡口的加工与装配精度，或者采用焊缝自动跟踪装置才能保 证不焊偏。 随着埋弧焊工艺的发展，为适应一些特定的焊接要求，直至今日，派生出了许多新 的埋弧焊工艺，如窄间隙埋弧焊、双丝和多丝埋弧焊、带极埋弧焊、添加粉末埋弧焊、 热丝埋弧焊、添加磁性焊剂埋弧焊等幽l 。 1 3 埋弧焊在还原罐封头焊接中的应用及国内外现状 通过查询资料和在炼镁还原罐生产厂家的调查中发现，关于还原罐封头的焊接，现 今国内还仅限于手工电弧焊，由于管径小且壁厚的限制，埋弧焊焊接还原罐难度较大， 没有相应可参照的工艺，虽然金川公司也曾尝试使用埋弧焊或其他自动焊方式，但均因 为焊接工艺、焊材、设备配合等各方面的诸多问题，一个工作日只可焊两、三根罐，且 使用埋弧焊焊后的还原罐的质量几乎都不符合要求，大大拖延了生产进度，不得不放弃 能够很大提高产品质量与生产效率的埋弧焊方式，继续走上了产品质量得不到保证、生 产效率低下的手工焊接的老路，炼镁厂亦是对还原罐大部分由于焊缝的破坏失效而提早 报废感到无可奈何。通过资料查询，未有发现国外有关还原罐焊接的相关材料和报告。 1 4 本论文的研究目的、内容及意义 1 4 1 研究目的 ( 1 ) 使用埋