（材料加工工程专业论文）不锈钢单面焊陶瓷衬垫研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：至盘五日期：丝l ! ! ：丛塑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：王忠耘 导师( 签名 强k d 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 单面焊是一种新型高效的焊接技术，与传统的焊接技术相比，它避免了背面 焊缝清根，能显著提高生产效率，广泛应用于运输、建筑、装饰、造船、医疗 器械、石油化工及压力容器制造等方面。目前，单面焊技术主要应用于焊接普 通低碳钢，对不锈钢单面焊研究很少。由于不锈钢的成分及组织与普通低碳钢 差别很大，因此不锈钢单面焊工艺及衬垫材料与普通低碳钢单面焊的工艺和衬 垫材料不同。本文针对不锈钢单面焊工艺及衬垫材料开发进行了一系列的试验 研究。 从单面焊基本理论出发，分析了强制成形和自由成形的区别，论述了不锈 钢的化学成分、物理性能、焊接特点、焊接温度场特性及焊缝熔池特性，研究 陶质衬垫的制造工艺，包括陶瓷原料配比，粉料处理，压制成形，坯体干燥和 烧成。本文重点论述了不锈钢单面焊陶质衬垫的配方设计，首先提出不锈钢单 面焊对衬垫的物理性能、化学冶金性能及装配性能的要求，计算衬垫的各种性 能参数，使用高温物性仪对衬垫的熔融温度范围进行测试，通过正交试验，筛 选试验，确定出最终配方。利用均与设计软件，结合所有试验中衬垫成分，对 衬垫始熔温度和终熔温度进行多元多次线性回归分析。对最终配方进行单面焊 焊接工艺实验，评定焊缝的质量，讨论焊缝缺陷原因。 不锈钢成分及物理性质与普通低碳钢有很大不同，熔池热传导和化学冶金 反应也就不同。从熔池化学冶金的角度分析了衬垫熔渣与熔池金属的冶金作用， 分析了衬垫熔渣中氧化物与不锈钢熔池金属中的f e 、m n 、c r 等元素的氧化还原 反应，并论述了衬垫熔化温度区间和焊接工艺参数对熔池冶金的影响。 背面焊缝成形性能优良，背面焊缝的形状与焊接电流、电弧电压、焊接速度、 坡口间隙等焊接规范参数有密切关系。采用本课题所研制出来的衬垫进行单面 焊，其工艺简单，衬垫安装方便，背面焊缝成形美观，焊接质量稳定。通过测 定，衬垫抗潮性能优，焊前无需烘干，达到了生产的要求。 关键词：不锈钢单面焊陶质衬垫配方工艺实验 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t o n e s i d e dw e l d i n gi so n ek i n do fh i g h l ye f f e c t i v ew e l d i n gt e c h n o l o g y , w h i c h h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h es h i p s ，p r e s s u r ev e s s e l ，b r i d g ea n de a c hk i n do fh e a v y s e c t i o ns t r u c t u r ea n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g c o m p a r e dw i t ht w o s i d e dw e l d i n g ，i t c a nr e m a r k a b l ye n h a n c et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , r e d u c ew o r k e r sl a b o ri n t e n s i t y , i m p r o v ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n de n h a n c ew e l d i n gq u a l i t y , e s p e c i a l l yh a se x t r e m e l y r e m a r k a b l ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n ds o c i a le f f i c i e n c y t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o fo n e - s i d e dw e l d i n gh a sd r a w na t t e n t i o nf r o mh o m ea n da b r o a d ，e s p e c i a l l yt h e f o r c i b l eo n e - s i d e dw e l d i n gt e c h n o l o g y , i nw h i c ht h ed e v e l o p m e n to fo n e - s i d e d b a c k i n gm a t e r i a l s i s v e r yi m p o r t a n t s ot h e r e s e a r c ha n da n a l y s i so fo n e - s i d e d b a c k i n gm a t e r i a l sa n dt h ew e l d i n gt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t i e si sq u i t em e a n i n g f u l al i s t o fr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nh i 2 曲t e m p e r a t u r es i n t e r e dc e r a m i cb a c k i n gu s e df o rt h e g r e a td e m a n do n e s i d e dw e l d i n go fc o n t e m p o r a r ym a r k e t p l a c ei nt h et h e s i sf r o m p r a c t i c a ld o m e s t i cc i r c u m s t a n c e s f r o mt h eb a s i c t h e o r ym o d e l o fo n e - s i d e dw e l d i n g , t e c h n i c a lp r o p e r t i e s c o m p a r i s o nb e t w e e nf o r c i b l es h a p i n ga n df r e es h a p i n gw a sp u tf o r w a r d r e s e a r c ho n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fc e r a m i cb a c k i n g sw a sd o n e , i n c l u d i n gr a wc e r a m i c m a t e r i a l s ，m i x i n g , p r e s sf o r m i n ga n ds i n t e r i n g e m p a t h i z e sw a sp u to nt h ed i s c u s s i o n o ff o r m u l ad e s i g no fc e r a m i cb a c k i n g su s e df o ro n e s i d e dw e l d i n g ，f i r s tt h ep r o p e r t y r e q u i r e m e n t so fc e r a m i cb a c k i n g su s e df o ro n e - s i d e dw e l d i n gw a sb r o u g h to u ta n d p r o p e r t yp a r a m e t e r so fc e r a m i cb a c k i n g sw a sc a l c u l a t e d c o m p u t e rp r o g r a m so nb a s i s o fv i s u a lb a s i cl a n g u a g ew a sd e s i g n e df o rf o r m u l ac a l c u l a t i o n o r t h o g o n a lt e s t s ， s c r e e n i n gt e s ta n df i n ea d j u s t m e n tt e s tw e r eu s e di nt h em a n u f a c t u r eo fb a c k i n g st o d e c i d et h eo p t i m u mf o r m u l a m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n do n e f a c t o ra n a l y s i sw a s c a r r i e so na l lo ft h et e s tr e s u l t st h r o u g hi n t e g r a t i o nw i mc o m p a r a t i v et e s t sa sw e l la s c e r a m i cp h a s eo fb a c k i n g s o n e - s i d e dw e l d i n gp r o c e d u r et e s th a sb e e nd o n ew i t h o p t i m u mf o r m u l at oe v a l u a t e w e l dq u a l i t y , a n dt h ei n f l u e n c er u l eo fw e l d i n g p a r a m e t e r sa n dt e c h n i c a lf a c t o r so nb a e kw e l d w e r ed i s c u s s e d 武汉理工大学硕士学位论文 t h em e t a l l u r g ya c t i o nb e t w e e ns l a go fc e r a m i cb a c k i n g sa n dt h em o l t e nm e t a l w a sa n a l y z e df o r mt h ep o i n to fw e l d i n gc h e m i c a lm e t a l l u r g y ) a n di n f l u e n c eo f a l k a l i n i t yo fs l a go nt h et r a n s i to fs ia n dm n i nt h ew e l dw a sd i s c u s s e d t h er e s u l t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t so fo n e s i d e dw e l d i n gw i t h b a c k i n g ss h o w e dt h a tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t sa r eo fg o o dq u a l i t ya n d i n t e r n a lw e l dw i mn o n d e f i c i e n c y ；c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i so ft h ew e l d i n d i c a t e dc h e m i c a lc o m p o n e n t so fw e l dm e t a ls a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s t h es h a p eo f b a c kw e l di sc l o s e l yr e l a t e dw i t hw e l d i n gc u r r e n t ，a r cv o l t a g e ，w e l d i n gv e l o c i t y , g r o o v eg a p ，e t e o n e - s i d e dw e l d i n gw i t hc e r a m i cb a c k i n g sd e v e l o p e db yt h et h e s i s w i l lp o s s e s ss i m p l ep r o c e d u r e ，g r e a tc o n v e n i e n c ef o ri n s t a l l a t i o n ，d e g a n ta p p e a r a n c e o fb a c kw e l da n ds t a b l ew e l d i n gq u a l i t y b ye v a l u a t i o n , m o i s t p r e v e n t i o np r o p e r t y o ft h eb a c k i n g si se x c e l l e n tw h i c hc a nm e e tt h ep r o d u e t i o nr e q u i r e m e n t sw i t h o u ta n y n e e dt ob ed r i e d k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e lo n e s i d e dw e l d i n g ，c e r a m i cb a c k i n g s ，f o r m u l a , p r o c e d u r e t e s t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 本课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究进展2 1 3 本课题研究的主要内容2 第2 章单面焊基本理论3 2 1 不锈钢单面焊特点3 2 1 1 单面焊基本原理【1 1 1 2 1 3 2 1 2 自由成形和强制成形性能对比5 2 1 3 不锈钢特点6 2 1 4 双相不锈钢焊接特剧1 引8 2 2 不锈钢焊接温度场8 2 2 1 温度场特征8 2 2 2 影响温度场的因素9 2 2 3 不锈钢焊接温度场特点1 0 2 2 4 单面焊焊缝金属凝固特点1 0 第3 章单面焊衬垫制作及烧成1 1 3 1 陶瓷衬垫原料组成1 1 3 1 1 长石原料 2 0 】。1 l 3 1 2 黏土性原料1 l 3 1 3 滑石1 2 3 2 陶瓷衬垫制作1 2 3 2 1 原料处理13 3 2 2 坯体压制成形1 4 3 2 3 坯体干燥15 3 2 4 坯体烧成1 7 第4 章不锈钢单面焊陶瓷衬垫配方设计2 1 i v 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 对衬垫性能的要求2 1 4 1 1 对衬垫物理性能的要求2 1 4 1 2 对衬垫化学冶金性能的要求2 2 4 1 - 3 对衬垫其它性能的要求2 2 4 2 衬垫参数计算2 4 4 2 1 碱度计算2 4 4 2 2 耐火度计算2 6 4 2 3 始熔温度2 6 4 2 4 酸性系数2 6 4 3 正交试验【3 4 3 引2 7 4 3 1 正交试验设计法的基本概念2 7 4 3 2 正交试验设计中常用名词2 7 4 3 3 正交法的基本工具2 8 4 3 4 第一轮正交试验2 9 4 3 5 第二轮正交试验4 2 4 3 6 筛选试验5 3 4 3 7 对衬垫熔融温度的回归分析5 4 第5 章熔池金属的化学冶金反应5 7 5 1 熔渣对熔池金属的氧化5 7 5 2 衬垫熔渣与熔池金属的反应5 7 5 2 1 衬垫熔渣的渣系5 7 5 2 2 熔池化学冶金反应5 8 5 2 3 衬垫性能对熔池冶金反应的影响5 9 第6 章论文结论与工作展望6 1 6 1 论文结论6 l 6 2 工作展望6 1 作者在攻读硕士期间发表的论文6 3 参考文献6 4 致谢6 7 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 随着我国经济的高速发展，特别是2 0 世纪9 0 年代以后，我国不锈钢消费 量不断增长。拒统计，1 9 9 7 年，我国不锈钢表观消费量为1 0 0 万吨，在国内经 济保持平稳快速发展的势头下，不锈钢消费量也会不断上涨，预计2 0 1 0 后，不 锈钢表观消费量会超过1 0 0 0 万吨。由于不锈钢具有耐蚀性、耐热性、高强度及 美观、环保、可回收等优点，因此，被广泛应用于运输、建筑、装饰、造船、 医疗器械、石油化工及压力容器制造等方面。特别是在汽车制造、医疗器械领 域，不锈钢应用量最大。 焊接技术是不锈钢加工工艺中主要的加工技术【1 】。不锈钢焊接主要有焊条电 弧焊，熔化极氩弧焊( m i g m a g ) ，钨极氩弧焊( t i g ) ，埋弧焊等焊接方法， 各有优缺点。焊条电弧焊设备简单，易操作，但焊缝质量主要取决于焊工技能， 并且效率低；熔化极氩弧焊焊缝质量好，应用最为广泛，但是对施工环境要求 较高；钨极氩弧焊焊接材料范围广，只能焊接薄板和中厚板；埋弧焊焊缝质量 好，生产效率高，劳动条件好，广泛应用于船体焊接。焊缝质量是衡量焊接技 术好坏的最重要的依据。影响焊缝质量的因素很多，焊缝成形的好坏对焊缝质 量有很大影响。合理的焊缝要求具有合适的余高和熔宽。余高不足会降低焊缝 金属的力学性能，过高又会造成应力集中，因此，控制焊缝成形是提高焊缝质 量的重要途径之一。焊缝成形主要有两种：自由成形和强制成形。自由成形很 难保证合理的焊缝形状，强制成形由于有衬垫在背面承托熔池金属，不存在熔 池金属流淌的问题，因此能保证焊缝成形良好，而且避免了背面清根，允许才 有更大的工艺参数，生产效率更高。 在强制成形单面焊中，衬垫材料对焊缝成形非常重要，衬垫性能直接影响 背面焊缝成形。因此，研究和开发性能优异的单面焊衬垫材料是非常有意义的。 陶瓷衬垫是一种新开发出来的焊接材料，具有成形性能好，费用小，使用方便， 制作简单，易装配等优点，随着单面焊技术的广泛应用，陶瓷衬垫用量将会不 断增加，性能也会越来越好。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究进展 1 9 8 0 年，国外学者d o r a ，l 和v i l l a i n ，j 研究了以颗粒状材料和有机粘结 剂为基体的衬垫手工单面焊接平扎钢板时所获得的焊缝根部的渗碳组织区域， 并分析渗碳化的原斟2 1 。c a n 仃e l l 、r o g e re 对陶瓷衬垫进行了分析【3 】。1 9 9 4 年， s u g i t a n i ，y 等研究了陶质衬垫半自动m a g 焊中利用电弧传感器对背面焊缝 的余高和形状进行的即时自动控制【4 】。1 9 9 8 年，b e r g , n 和s v e t s e n 研究了适用 于手工多道焊，c 0 2 焊和潜弧焊的柔性陶质衬垫和焊剂衬垫，分析了适用于不同 焊接方法的背面衬垫对焊缝金属的化学成分和冲击强度的影响【5 1 。 国内对陶瓷衬垫的研究始于二十世纪八十年代，为了提高焊接效率，节省 时间，提高焊接质量，在一些船厂、锅炉厂逐渐推广使用。我国造船行业从2 0 世纪8 0 年代中期开始应用c 0 2 气电垂直自动焊工艺。1 9 9 0 年后，国内开始研究 埋弧焊单面焊衬垫。近些年来，武汉天高焊材公司，浙江象山衬垫厂研制出专 用于埋弧焊单面焊衬垫【6 1 0 】。 单面焊作为一种新型的焊接技术，研究历史很短，研究不够深入，焊接工艺 和衬垫材料的研究也主要针对的是普通钢，对不锈钢单面焊工艺研究和衬垫材 料研究很少，因此，对不锈钢单面焊工艺和衬垫的研究非常有意义。 1 3 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 陶瓷衬垫配方的研究。通过对衬垫配方的优化设计，优化出适合不锈 钢单面焊的最佳配方。 ( 2 ) 陶瓷衬垫制作工艺的研究。通过对所有衬垫的制作工艺过程总结出影 响陶瓷衬垫制作工艺的因素。 ( 3 ) 陶瓷衬垫物理性能的研究，通过对衬垫熔点、吸潮率及烧结前后衬垫 尺寸的比较，分析对衬垫物理性能的影响。 ( 4 ) 陶瓷衬垫单面焊工艺的研究。通过焊接工艺试验来验证所研究的衬垫 配方的合理性，分析焊接参数和工艺因素对背面焊缝成形的影响。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章单面焊基本理论 2 1 不锈钢单面焊特点 2 1 1 单面焊基本原理1 幻 单面焊双面成形技术是指从焊件坡口的正面焊接，正面焊缝和背面焊缝同 时成形。单面焊双面成形有其特有的优点，与传统的自由成形相比，焊后背面 焊缝不需要清根，节省了大量时间【1 3 1 ，提高了工作效率，而且焊缝熔宽和余高 容易控制，焊缝成形好。单面焊工艺简单，操作方便，只需要根据焊接参数确 定母材间隙，在坡口根部粘贴衬垫，可进行流水作业。焊缝成形主要有两种： 自由成形和强制成形。 自由成形，就是完全依靠熔池金属的表面张力来承托熔池金属，使之在自 由状态下实现焊缝的背面成形。自由成形对焊件厚度有严格要求，在合适条件 下，薄板能够实现单面焊自由成形焊缝。在图1 所示理想熔池形状条件下， 图2 - 1 自由成形熔池金属受力模型 忽略到次要因素，熔池保持稳定的平衡条件为： p + g = _ 2 0 s r i n o ( 2 - 1 ) g = p g h p ：k 1 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式( 2 1 ) 变为： 厨2 + p g 4 ：2 o j s i - n 0 ( 2 - 4 ) d 式中：o 一表面张力； p 一熔池液态金属密度； h 一熔池深度； b 一熔池宽度； 0 一熔化区根部表面切线与法线夹角 p 一电弧对单位焊接长度的压力，与1 2 成正比。 6 、p 是材料本身固有的物理性质，焊接母材及填充材料确定后，o 和p 就 是定值。可见，熔池深度h 、熔池宽度b 及电弧总压力p 是影响平衡条件主要 因素。熔宽与电弧电压及功率有关，而焊接电流的大小决定熔深，也影响电弧 吹力。当焊接电流大小合适，则熔池液态金属力学处于平衡状态，熔池液态金 属表面张力与熔池重力和电弧吹力之和相等，熔池金属不会下坠，焊缝成形良 好。 当焊接电流过大时，因尸= k 1 2 ，电弧吹力显著增加，同时熔深增加，熔池 金属重力就增加，在其它条件不变的情况下，平衡条件被打破，容易出现 p + p g h 2 0 _ - s i n 0 的情况，液态熔池金属在较大的焊接电流吹力和自身重力的 a 作用下，会造成余高增大，直至液态熔池金属下坠，发生烧穿等缺陷；当焊接 e g n , 过d 、时，就会出现p + p g h 垫笔! 塑的状态，也会造成余高增大，出现烧穿等缺陷；间隙过小， d 熔宽b 也减小，造成余高不足，产生未焊透现象。 因为不锈钢成分及物理性能与普通低碳钢不同，因此焊接不锈钢与焊接普 通低碳钢也就不同。与普通低碳钢相比，不锈钢的液态金属表面张力。更大， 在相同的焊接电流、相同的母材间隙条件下，不锈钢熔池更易出现 p + p g h 2 a 丁s i n 0 的状态，出现焊缝余高过高，产生烧穿等现象。 4 武汉理工大学硕士学位论文 强制成形就是在母材间隙背面粘贴衬垫，以衬垫衬托住熔池液态金属，防 止其外流泄露。强制成形允许采用更大的焊接工艺参数，焊接效率高，背面焊 缝成形容易控制，焊缝质量好。如图2 2 所示，强制成形中，熔池金属处于各种 力的作用处于平衡状态。 图2 2 强制成形熔池金属受力模型 与自由成形不同的是，熔池金属保持稳定的平衡条件为： f + 2 t y s i n o - - p + g( 2 5 )t 十l z 一) 夕 b 根据式2 4 可将式2 5 改写为： f q 2 0 - ；s i n 0 耋k 2 + p g h ( 2 - 6 ) j c f 式中：o 一表面张力； p 一熔池液态金属密度； h 一熔池深度； b 一熔池宽度； f 一衬垫对液态熔池金属的衬托力5 0 一熔化区根部表面切线与法线夹角； 与自由成形相比，熔池金属平衡条件里多了衬垫对熔池金属的衬托力f 。衬 垫衬托力f 为反作用力，在衬垫未熔穿的情况下，铝箔与焊缝两侧母材粘贴牢 固，衬垫衬托力f 随着电弧吹力和熔池重力的增加而增加，即使电流增大，熔 池金属依然能够保持平衡条件。 2 。1 2 自由成形和强制成形性能对比 5 武汉理工大学硕士学位论文 造成焊缝成形困难的主要原因是：熔池金属在各种力的综合作用下处于不 平衡状态。自由成形容易受焊接工艺参数的影响，而强制成形能够适用于较宽 的焊接参数范围，从而能够保证焊缝成形质量。表2 1 对比了两种成形方式的特 点，从表中能够看出强制成形优势明显。 表2 1 自由成形与强制成形对比 2 1 3 不锈钢特点 2 1 3 1 不锈钢耐腐蚀原理1 3 1 不锈钢通常是指耐空气、蒸汽、水灯弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀 介质的钢。主要成分包括c 、s i 、m n 、s 、p 、c r 、n i 、m o 等。几乎所有金属都 与空气中的氧发生氧化反应。不同的是，普通钢表面成分与氧发生反应形成氧 化膜后，还会继续发生反应。不锈钢表面成分与普通钢不同，主要是c r 、n i 含 量比较高，尤其是c r 与氧发生反应后，生成一种致密的氧化铬，它有效防止了 内层金属发生氧化和腐蚀。由此可见，耐蚀性与金属含c r 量有关，含c r 越多， 耐氧化或腐蚀性能就越好。一般要求在大气环境里不发生腐蚀时，c r 墓1 2 ； 欲耐酸腐蚀时，则要求c r _ - 1 7 。 2 1 3 2 不锈钢分类 通常将不锈钢按其在冷却条件下基体组织的不同，分为奥氏体钢、铁素体 钢、马氏体钢、沉淀强化钢及铁素体一奥氏体双相不锈钢。不同组织不锈钢具有 不同的特点和性能，其中奥氏体一铁素体双相不锈钢由于塑性、韧性好，强度高， 耐晶间腐蚀能力非常好，焊接性能优良，因此应用越来越广泛。 2 1 3 3 不锈钢特性1 4 1 7 】 ( 一) 不锈钢耐蚀性 1 均匀腐蚀不锈钢表面总体腐蚀的现象。不锈钢在氧化性酸( 如硝酸) 6 武汉理工大学硕士学位论文 中，能形成一种致密的氧化膜层，不会产生均匀腐蚀。但在还原性酸( 如c 1 。) 环境中，不锈钢容易发生钝化层全面破坏而产生均匀腐蚀。不锈钢发生均匀腐 蚀后，逐渐变薄，直至被腐蚀失效。 2 点腐蚀在酸性环境中，c l 能够破坏不锈钢表面致密的钝化层，形成腐 蚀坑，甚至形成穿孑l 。c l 与不锈钢表面钝化层中的f e 2 + 形成络合物，使f e 2 + 溶 解于腐蚀介质中，在致密钝化膜中形成腐蚀坑。一般不锈钢耐点蚀性能都不理 想，这与不锈钢成分有关，常用“点蚀指数”( p i ) 来表示不锈钢的耐点蚀性能： p i = c r + 3 3 m o + ( 1 3 - - 。1 6 ) n 一般要求p i 3 5 - - - 4 0 。由此可见，c r 、m o 、n 的存在都有利于提高抗点蚀 性能，c r 有利于形成致密的氧化铬钝化膜；m o 有利于形成m 0 0 4 2 。，m 0 0 4 2 与 钝化层表面活性物质优先结合而防止c l 。的破坏；n 与m o 联合，共同增强钝化 膜的抗破坏性能。 3 晶间腐蚀在晶粒边界附近发生的有选择腐蚀的现象。很多学者认为晶 间腐蚀与“贫铬原理”有关。当敏化加热4 5 0 - - 一8 5 0 时，由于c 半径尺寸比c r 的半径尺寸小，因此晶粒中c 的扩散速度大于c r 的扩散速度，很快地运动到晶 粒边界处，晶粒之间的间隙中。c 不断向晶粒边界扩散，在晶粒处与晶粒附近的 c r 形成c r 2 3 c 6 。由于晶粒中c r 来不及向晶界扩散，形成c r 2 3 c 6 的c r 主要来自 于晶界附近，从而造成晶粒边界附近c r 含量大量减少，当晶界处c r 含量小于 1 2 时，形成“贫铬区”，降低了抗腐蚀能力，在腐蚀介质环境中，在晶粒边界处 产生晶间腐蚀。 4 应力腐蚀( s c c )不锈钢在腐蚀性介质中，在长时间拉应力作用下引 起的腐蚀开裂。产生应力腐蚀的必要条件是腐蚀性介质和拉应力( 包括残余应 力和外加力) ，二者缺一不可。应力腐蚀的形成与发展垂直于拉应力方向，这就 导致应力腐蚀开裂的应力值，要远小于没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的 应力值。在微观上，应力腐蚀裂纹分为沿晶裂纹和穿晶裂纹，当应力腐蚀裂纹 扩展到一定深度时，就会断裂使材料失效。 ( 二) 不锈钢物理性能及特点 由于不锈钢成分和普通碳钢成分有很大不同，因此两者之间的物理性能也 有很大差别。不锈钢的物理性能主要包括密度、熔点、比热容、导热系数、线 涨系数及电导率等方面。 不锈钢具有较高的电阻率，约为普通碳钢的5 倍，且随着温度升高有增加 的趋势；不锈钢线涨系数比普通碳钢线涨系数大4 0 ，在1 0 0 一- 9 0 0 c 之间，不 7 武汉理工大学硕士学位论文 锈钢线涨系数基本在1 0 缶 - 1 3 0 1 0 6 ，而且随着温度升高，线涨系数值也会相 应地增大。奥氏体不锈钢基体为丫铁，为面心立方晶格，具有无磁性特性；不锈 钢导热系数较低，在6 0 0 以下，各种不锈钢导热系数大概在1 0 - - 一3 0 w ( m ) 之间，约为普通碳钢的1 4 一- 1 3 ；不锈钢比热容受温度及相变的影响，随着温度 的变化比热容也发生变化，如果金属组织发生相变，比热容也会发生显著变化。 表2 2 更加直观表明不锈钢与普通钢在主要物理性能方面的不同。 表2 2 两种钢主要物理性能对比 由于不锈钢化学成分与普通钢的成分不同，物理性能具有很大差异，因此， 在选择焊接方法，焊接工艺参数方面，就会有很大不同。 2 1 4 双相不锈钢焊接特点1 阳 铁素体奥氏体双相不锈钢综合了铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，既 保持了较高的强度和硬度，又具有良好的韧性和塑性，焊接性能优异。相比于 上面三种不锈钢，铁素体奥氏体双相不锈钢导热系数更大，线胀系数更小，因 此产生焊接冷裂纹的倾向比较小。同时又具有奥氏体铁素体双相组织，打破了 奥氏体单一组织的方向性，有利于减少s 、p 等有害杂质的偏析，产生焊接热裂 纹的倾向也较小。但在焊接热循环作用下，焊接接头的组织比例和分布会发生 较大变化，因而降低了焊缝接头的性能。因此，在焊接规范方面，填充材料尽 量选择含n i 量较高的焊材，采用小线能量焊接，一般控制在o 5 , - - - , 2 5 k j e m 。 2 2 不锈钢焊接温度场 2 2 1 温度场特征 1 焊接温度场的瞬时性 焊接过程中焊件上每一点的温度都是时刻变化的，而且具有规律性。每一 瞬间质点的温度与质点离热源距离及冷却时间有关。质点离焊接热源越近，升 8 武汉理工大学硕士学位论文 温就越快，当热源远离质点后，质点温度迅速冷却，因此，每个质点所能达到 一个峰值，这一峰值与焊接热源性质、焊接线能量等因素有关。焊接热源始终 处在具有一定焊速的动态中，因此，焊速对质点受热状态也有很大影响【1 9 1 。 2 焊接温度场热源集中性 焊接过程中焊接热源集中作用于焊接接口处，因此在热传导过程中就会产 生温度递减，这样焊件就会受热不均，引起组织和性能不均匀，焊件冷却过程 中受力也会不均，引起焊件冷却变形。 2 2 2 影响温度场的因素 影响温度场的因素主要有以下几方面： ( 1 ) 焊接热源性质焊接方法不同，焊接热源性质也就不同。焊接热源性 质主要有：电弧、氧乙炔火焰、激光、电渣、电子束等。由于焊接热源性质不 同，对温度场的影响也就不同。一般认为电弧焊条件下，2 5 m m 以上的钢板可认 为是电状热源，l o o m m 以上的厚钢板电渣焊是线状热源。电阻焊和激光焊接时， 热源相对集中，温度场范围很小；而气焊时，热源作用面积较大，因此温度场 范围也大。 ( 2 ) 焊接线能量焊接线能量是热源功率q 与焊接速度v 之比。当热源功 率q 一定时，焊接温度场受焊速v 影响，焊速v 较大时，焊接线能量较小，温 度场范围小；当焊速v 一定时，热源功率q 越大，焊接线能量越大，焊接温度 场范围也就越大。 ( 3 ) 被焊工件物理性质工件物理性质不同，对焊接温度的影响不同。 1 热导率( 九)表示金属导热能力。九不是固定不变的，随着温度、成分和 组织的变化，九也会变化 2 比热容( c )1 克物质每升高1 所需要热量。同样比热容c 也是变化的， 不同材料的比热容不同，同样材料在不同温度时比热容也不同。 3 容积比热容( c p )表示单位体积物质每升高1 所需的热量，容积比热 容也是随温度变化而变化，一般c p 值大的金属，升温和降温都比较缓慢。 4 热扩散率( a ) 表示温度传播速度，a 值也随温度变化而变化，在低碳钢 焊接条件下a 的平均值约为0 0 7 - 0 10 c m 2 s 。 5 表面散热系数( a )表示散热体表面与周围介质每相差1 时，在单位 时间内单位面积所散失的热量。当薄板焊接时，焊件表面散热很多，对焊接温 9 武汉理工大学硕士学位论文 度场影响较大。 ( 4 ) 被焊工件尺寸及形状在焊接热源、焊接线能量及焊接材料相同的情 况下，被焊工件的厚度及尺寸对温度场也有很大影响。对于厚板( 2 5 m m 以上厚 度的低碳钢或2 0 m m 以上厚度的不锈钢) 来说，热量是在三个方向上传播，焊 接热源相当于点状热源。对于薄板焊接来说，热在平面传播，热源认为是线状。 2 2 3 不锈钢焊接温度场特点 焊接温度场受焊接热源性质、焊接线能量、被焊工件物理性质和被焊工件 尺寸及形状影响。不锈钢和普通钢物理性质不同，焊接温度场也就不同。不锈 钢热导率( 九) 比普通钢热导率小、容积比热容( c p ) 小，所以热扩散率( a ) 也 比较小。焊接温度场对焊缝金属成形、熔池冶金反应、凝固结晶、固态相变及 应力变形都有很大影响，是影响焊缝质量的重要因素。焊接温度场范围太大， 会对焊接质量造成不良影响。因此，焊接不锈钢时，在保证焊缝质量的前提下， 尽量选择焊接线能量要尽量小。 2 2 4 单面焊焊缝金属凝固特点 与低碳钢焊接熔池相比较，不锈钢焊接熔池液态金属流动性差，热传导能 力差，散热率低，在焊接过程中，易出现未熔合现象。通常采用富心气体保护 焊，电弧压力较大( 等离子流力) ，尤其在弧柱中心，容易造成熔池中心受热和 受力较大，形成背面焊缝中心余高凸起不平，焊缝两侧熔合性不良等缺陷，尤 其在采用实芯不锈钢焊丝焊接时，更为明显。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章单面焊衬垫制作及烧成 3 1 陶瓷衬垫原料组成 3 1 1 长石原料 长石主要类型包括：钾长石、钠长石、钙长石及钡长石等。但是在大自然 中，常见的是钾长石、钠长石和钙长石，钡长石很少见，这几种长石都很难单 独出现。长石原料的结构类似，很容易就结合在一起，相互混溶形成固溶体。 而且具有一定规律，钾长石和钠长石容易在高温下固溶在一起，钠长石与钙长 石可以任意比例混溶，钾长石与钙长石在任何情况下都不会互相混溶结合。主 要形成了钾钠长石系列和钠钙长石系列两大类。 在陶瓷生产制造过程中，长石主要当做助溶剂来使用，能够溶解其他高熔 点的难熔物质，降低整体的熔点。 ( 1 ) 减黏作用：长石是一种非可塑性原料，在坯体中起脊化作用，能够缩 短干燥时间，减少坯体在干燥和烧结过程中产生的收缩及变形。 ( 2 ) 高温时的助熔性：长石在高温下熔融，形成黏稠的剥离熔体，长石是 坯料中碱金属氧化物的主要来源，能降低陶瓷坯体的烧结温度，有利于成瓷和 降低烧结温度。熔融后的长石熔体能溶解部分高岭土分解产物和石英颗粒，能 促进高岭土残余物的颗粒相互扩散渗透，因而加速莫来石晶体的形成和发育， 赋予坯体一定的机械强度和化学稳定性。 ( 3 ) 长石熔融成玻璃态后，填充到各个颗粒之间，提高了坯体致密度和减 少了坯体的空隙，也有助于提高瓷坯的机械性能和电气性能，改善陶瓷透明度 和敲击时的声响。 3 1 2 黏土性原料 黏土是一类含有水的硅酸盐矿物，主要包括高岭土、多水高岭土、烧后呈 白色的各类型黏土和膨润土【2 。高岭土是一种常见的黏土矿物，主要分为高岭 武汉理工大学硕士学位论文 土和多水高岭土，一般高岭土中含有少量蒙脱石、伊利石、水铝石以及石英、 云母、黄铁矿、有机质等杂质，高岭土理论化学式表示为：a 1 2 0 3 2 s 1 0 2 2 h 2 0 ， 理论组成为a 1 2 0 3 3 9 5 3 、s i 0 2 4 6 5 1 、h 2 0 1 3 9 6 。纯度越高的高岭土其耐火 度越高，烧后越洁白，莫来石晶体发育越多，从而机械强度、热稳定性、化学 稳定性越好。但其分散度较小，可塑性较差。反之，杂质越多，耐火度越低， 烧后不够洁白，莫来石晶体较少，但可能分散度较大，可塑性好。 黏土在陶瓷生产中的主要作用是赋予泥料具有可塑性和烧结性，不仅能够 保证陶瓷制品的成形，而且还能控制陶瓷制品的烧后品质。主要作用如下： ( 1 ) 黏土使泥料具有一定的可塑性，是陶瓷衬垫坯体可塑成形的基础。黏 土的可塑性对陶瓷成形的影响很大，选择各种可塑性黏土或调解黏土的可塑性， 已成为陶瓷坯体配方的主要依据之一。 ( 2 ) 黏土和其他非可塑性物质结合，赋予坯体一定的强度和硬度，黏土颗 粒与较粗的脊性原料相结合，可得到较大堆积密度的坯体而有利于烧结。 ( 3 ) 黏土是坯体化学组成中a 1 2 0 3 的主要来源，也就是烧成时生成莫来石 的主要来源，莫来石晶体的存在及其数量的多少决定着陶瓷的许多使用性能。 3 1 3 滑石 滑石是一种含水镁硅酸盐矿物，理论化学式为3 m g o 4 s i 0 2 h 2 0 ，理论组 成：m 9 0 3 1 7 ，s 1 0 2 6 3 5 ，h 2 0 4 8 。纯净的滑石为白色，莫氏硬度为l ，相 对密度2 7 - - - 2 8 。滑石易于切割和富有滑腻感。滑石的作用主要有以下几方面： ( 1 ) 在陶瓷中加入少量滑石( 1 2