（材料加工工程专业论文）陶质衬垫对co2单面焊焊颖性能影响研究.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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 酶疋 日期：型兰：坚 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) ：鱼爿0 导师( 签名) ：邋日期：姓 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 陶瓷衬垫c 0 2 气体保护单面焊双面成型是一种高效率的焊接技术，广泛的 应用于船舶、压力容器、桥梁和各种钢结构和设备的制造生产。国内外都非常 重视c 0 2 气体单面焊焊接工艺的研究和应用，而陶瓷衬垫是单面焊的一种重要 焊接材料。在焊接时衬垫的主要作用是衬托焊缝金属，但在焊接高温作用下衬 垫成分会对焊缝的性能产生一定的影响。目前的研究主要集中在不同的陶瓷衬 垫的配方对焊缝性能的影响上，但是并没没有形成系统的规律。 本文通过研究陶瓷衬垫的孔隙率和衬垫的碱度对焊缝性能的影响，从相关 实验中研究焊缝性能随孔隙率和碱度的变化趋势，从而对衬垫的原料配方和制 作工艺有指导意义。 在衬垫孔隙率对焊缝性能影响中，通过吸水率测定实验来确定同批次的衬 垫的平均孔隙率，再对衬垫的吸潮率进行测定，最后通过有无衬垫和不同孔隙 率衬垫的对比实验来发现孔隙率对吸潮率、焊缝扩散氢含量的影响。在同种参 数下添加不同碱度的衬垫焊接后观察焊缝上产生的裂纹情况，通过对裂纹形貌 的观察来分析其产生的原因以及与碱度的关系；再对添加不同碱度的衬垫焊接 后试样进行冲击韧性实验，观察冲击韧性与衬垫碱度间的关系。 从焊接化学冶金的角度分析衬垫的成分如何与熔池内熔敷金属发生反应， 讨论衬垫的成分对熔敷金属c 、s i 、m n 、p 、s 元素含量分布的影响， 通过一系列的实验表明：随着衬垫孔隙率的增大，焊缝扩散氢含量也增大， 但其含量仍满足国家标准；陶瓷衬垫的碱度对c 、s i 、m n 、p 、s 元素含量分布 均为产生影响，尤其对s i 、m n 含量影响较大，碱度的增大，焊缝根部的s i 含 量减少，m n 含量增大；单纯就冲击韧性而言，碱性衬垫由于成分分布、夹杂 物含量上优于酸性衬垫，因此冲击吸收功好，而使用酸性衬垫的冲击吸收功也 在国家标准上。因此在平常使用时，酸性衬垫的背面成形美观、力学性能可满 足要求，因此大量被使用；碱性衬垫主要应用于对焊缝力学性能要求高的位置。 关键词：陶瓷衬垫，孔隙率，碱度，冲击韧性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c 0 2w e l d i n gw i t hc e r a m i cw e l db a c k i n gi sah i g he f f i c i e n c yw e l d i n g t e c h n o l o g y , i tg o td o u b l e s i d e dm o l d i n gw i t hj u s tw e l d e do n es i d e i tw i d e l yu s e di n s h i p - b u i l d i n g ，p r e s s u r ev e s s e l s ，b r i d g e sa n da l lk i n d so fs t e e l s t r u c t u r e sa n d m a n u f a c t u r i n g p e o p l ea l la r o u n dt h ew o r l dp l a yc l o s ea t t e n t i o nt o o n e - s i d e dc 0 2 w e l d i n g l o t so f r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n si sa b o u to n e - s i d e dc 0 2 a sa ni m p o r t a n t w e l d i n gm a t e r i a l si no n e - s i d ew e l d i n g ，c e r a m i cw e l d i n gb a c k i n g sm a i nf u n c t i o ni s t oh o l dt h el i q u i dm e t a li nw e l d b u ti tw o u l dh a v es o m ei m p a c t i o nt ot h e p e r f o r m a n c eo fw e l db e a di nh i g ht e m p e r a t u r e t h ec u r r e n ts t u d yf o c u s e do nt h e d i f f e r e n tf o r m u l a t i o n so ft h ec e r a m i cw e l db a c k i n gw h i c hh a v ei m p a c t i o nt ot h e p e r f o r m a n c eo f w e l db e a d b u ti td i d n o tf o r mal a wn o w i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hi sa b o u tt h ea f f e c t i o no fc e r a m i cb a c k i n g sp o r o s i t y a n da l k a l i n i t yt ot h ep e r f o r m a n c eo fw e l db e a d s o m ee x p e r i m e n t sd o n et of i n dt h e t e n d e n c yb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo f w e l db e a da n dc e r a m i cb a c k i n g sp o r o s i t ya n d a l k a l i n i t y i tp r o c e s s e dp r o d u c t i o ng u i d i n gs i g n i f i c a n c ei nr a wm a t e r i a lf o r m u l a t i o n o f c e r a m i cb a c k i n g i nt h ee x p e r i m e n to fw e l db a c k i n g sp o r o s i t ya n dw e l db e a d sp e r f o r m a n c e ，t h e w e l db a c k i n g sp o r o s i t yi sm e a s u r e db yw a t e ra b s o r p t i o ne x p e r i m e n t s t h e n m o i s t u r ea b s o r p t i o nr a t ei sm e a s u r e d a n df i n a l l yt h ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t si s d o n et od i s c o v e rt h ea f f e c t i o no fp o r o s i t yt om o i s t u r ea b s o r p t i o na n dd i f f u s i b l e h y d r o g e ni nw e l db e a d i nt h es a m ep a r a m e t e r s ，t h er e s e a r c ht r yt oe x p l a i nt h a tt h e a f f e c t i o no f a l k a l i n i t yt oc r a c kp a t t e r na n dt o u g h n e s s t h em e t a l l u r g ya c t i o nb e t w e e nw e l db a c k i n ga n dp o o lm e t a lw a sa n a l y z e df r o m t 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 fa l k a l i n i t yo fw e l d b a c k i n go nt h ed i s t r i b u t i o no fc ，s i ，m n ，p ，si nt h ew e l dw a sd i s c u s s e d t h r o u g h l a s e r i e so fe x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t ：t h ei n c r e a s i n gw e l db a c k i n g sp o r o s i t y , d i f f u s i b l e h y d r o g e ni nw e l db e a di sa l s oi n c r e a s e d ，b u ti t sc o n t e n ti ss t i l lt om e e tn a t i o n a l s t a n d a r d s ；a l k a l i n i t ye f f e c t e dt h ee l e m e n tc o n t e n td i s t r i b u t i o no fc ，s i ，m n ，p ，si n w e l db a c k i n g ，e s p e c i a l l yg r e a t e ri m p a c to nt h ec o n t e n to fs i ，m n i nr o o to fw e l d b e a d m ni n c r e a s e sw i t ha l k a l i n i t yi n c r e a s e s ，b u ts ig e ta r e d u c t i o n a l k a l i n eb a k i n g i sb 甜e r 仕i a na c i d i cb a k i n gi nt o u g h n e s sb e c a u s ea l k a l i n eb a k i n g h a dg o o d c o m p o n e n td i s t r i b u t i o na n di n c l u s i o n w h i l et h et o u g h n e s so ft h ew e l db e a dw i t h a c i d i cb a c k i n ga l s ot l i 曲e l t h a nt h en a t i o n a ls t a n d a r d s t h e r e f o r e ，t h e r e a rs u r f a c eo t t h ea c i d i cb a c k i n gh a v eb e a u t i f u lm o l d i n ga p p e a r a n c ei no r d i n a r yu s e ，a n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，s o al a r g en u m b e ro fa c i d i c b a c k i n g sw e r eu s e d ；a l k a l i n eb a c k i n g i sm a i n l yu s e di nh i 曲r e q u i r e m e n t so nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：c e r a m i c w e l db a c k i n g ，p o r o s i t y , a l k a l i n i t y , t o u g h n e s s 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 本课题的学术背景1 1 1 1c 0 2 气体保护单面焊及其发展1 1 1 2 焊接用陶瓷衬垫的发展及应用2 1 2 本课题的研究意义、方法和主要内容4 第2 章c 0 2 单面焊的基本理论7 2 1 单面焊双面成型的方式7 2 2 强制成形单面焊的理论模型7 2 3 两种成形方式的工艺性能对比1 0 2 4 陶瓷衬垫的金属结晶过程1 1 第3 章陶瓷衬垫对焊缝扩散氢的影响1 2 3 1 焊缝扩散氢的影响1 2 3 2 陶瓷衬垫开口气孔率的测定1 3 3 2 1 陶瓷衬垫块的生产制造1 3 3 2 2 陶瓷衬垫块的吸水率测定实验1 5 3 3 陶瓷衬垫相对吸潮率对比试验1 6 3 4 不同孔隙率陶瓷衬垫对焊缝的扩散氢含量的影响2 0 3 5 小结2 3 第4 章衬垫孔隙率和碱度对焊缝的影响2 5 4 1 陶瓷衬垫的碱度2 5 4 2 焊接实验过程2 6 4 3 焊缝观察与裂纹检测2 9 4 4 焊缝、熔渣成分检测3 4 i v 武汉理工大学硕士学位论文 4 5 小结3 9 第5 章焊缝组织与冲击韧性4 0 5 1 金相观测4 0 5 2 冲击韧性试验4 5 5 2 1 焊缝成分和夹杂对冲击韧性影响4 5 5 2 2 冲击韧性实验过程4 7 5 2 3 实验结果及分析4 8 5 3 小结5 0 第6 章结论与展望5 1 6 1 结论51 6 2 不足及展望51 参考文献。5 3 致谢5 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本课题的学术背景 第1 章绪论 1 1 1c 0 2 气体保护单面焊及其发展 焊接是指通过加热或加压或两者兼用的方法，使焊件达到原子问结合并形 成永久接头的工艺工程【lj 。它是一种重要的材料加工工艺，它与铸造、金属热 处理、机加工等金属加工工艺一起构成了金属加工技术，是现在机械制造业重 要的加工技术，广泛应用于国民经济的各个重要部门。据不完全统计，2 l 世纪 全世界年产量5 0 以上的钢和大量有色金属( 如铜、钼、钛等) 以及部分非金 属( 如塑料、陶瓷等) ，都将经过焊接加工成为构件的。c 0 2 气体保护焊是利用 活性气体c 0 2 作为保护气体、使用焊丝作为熔化电极的电弧焊方法【2 】。 c 0 2 气体保护焊是上世纪5 0 年代发展起来焊接技术，是一种高效率的焊接 方法，在我国工业经济的各个领域获得广泛的应用【3 】。尤其是近几年，大量的 外贸金属加工、钢结构行业的大力发展，使c 0 2 气体保护焊以其高生产率( 比 手工焊高1 3 倍) 、焊接变形小和高性价比的特点得到前所未有的普及，成为最 优先选择的焊接方法之一，同时c 0 2 焊还具有使用范围广、抗裂性能好、焊后 不需清渣等优点。因此c 0 2 焊在车辆制造、石油化工、船舶制造、金属结构及 机械制造等方面应用十分普遍，既可采用小电流短路过渡方式焊接薄板，也可 以用大电流自由过渡方式焊接厚板。从焊接接头的形式来看，c 0 2 焊可以进行 对焊、立焊等方式的焊接，而且可焊工件厚度范围较宽，从0 5 m m 到1 5 0 m m 4 | 。 在焊接工件时为了保证对接焊缝焊透及表面成形，以前采用的方法是双面 焊，即焊接时要求焊件进行一次翻转，这影响到生产效率，同时使得流水作业 困难【5 】。在大型结构如船舶生产时，还会提高厂房的高度以及必要的设备来辅 助，难以实现自动化，同时对于小直径容器、管道，难以在内部进行焊接。在 此种情况下单面焊双面成形得到很大的发展，相关研究逐渐开展。近几年来c 0 2 焊陶质衬垫国产化后，配套的工艺和设备日趋完善，单面焊双面成型在造船等 领域有广泛的应用【6 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 c 0 2 单面焊双面成型是一种高效率的焊接方法，而且焊接接头质量较好。 陶瓷衬垫是近些年发展起来的新的焊接材料，它的制作过程简单、价格低廉、 使用方便，使用陶瓷衬垫进行c 0 2 单面焊时，是焊缝背面粘贴陶瓷衬垫，衬垫 承托熔融的液态金属并防止熔池下漏而强制焊缝背面成型。这种焊接方法避免 了清根、仰焊及狭窄封闭环境内作业，减轻焊工劳动强度，使焊接生产效率成 倍提高，焊接质量得到保证，同时对人体及环境不会造成危害。 1 1 2 焊接用陶瓷衬垫的发展及应用 1 1 2 1 国内外陶瓷衬垫单面焊发展 国外研究人员对陶瓷衬垫及由其发展的陶瓷衬垫单面焊焊接方法的研究始 于1 9 8 0 年，v i l l a i n ，j 和d o m ，l 将颗粒状陶瓷材料与有机粘接剂混合制成的衬 垫，然后通过焊接工艺试验将这种衬垫应用到手工单面焊焊接平轧钢板，他们 研究所得焊缝根部的渗碳组织区域，并且分析了焊根区域渗碳化的原因【7 1 。 g i b b s ，e e 研制出在g m a 焊接与5 0 8 3 铝合金金属相配套的陶瓷衬垫【8 】。1 9 8 1 年，b l o m q u i s t p a u l a 解决如何在陶制衬垫埋弧焊中顺利热启动的关键问趔9 1 。 1 9 8 2 年，c a n t r e l l 和r o g e r e 对焊接用陶制衬垫进行了评价分析【l0 1 。1 9 9 4 年， s u g i t a n i ，y 等人在陶瓷衬垫半自动m a g 焊接时，研究了利用电弧传感器对 背面焊缝的形状和余高进行的即时自动控制【1 1 】。从1 9 8 0 年至今，b e r g ，n 和 s v e t s e n 等人研究了适用于不同焊接方法的背面衬垫( 如陶瓷衬垫、焊剂衬垫) 对焊缝化学成分和冲击吸收功的影响【1 2 - 1 8 】。 在中国陶瓷衬垫焊始于1 9 8 0 年，最开始主要应用于船舶焊接领域，船厂为 了提高焊接效率、缩短造船周期，使得陶瓷衬垫逐步推广应用。此后随着陶制 衬垫焊技术国产化，配套设备和工艺日趋完善，在船厂陶瓷衬垫焊广泛应用。 陶瓷衬垫焊在造船上所表现的优点如高效率、高质量促进了它在其他行业的发 展。目前，无论在大型结构件( 球罐、建筑、船舶) 还是在小型构件( 管道、 机械) 上都可看到使用陶瓷衬垫。陶瓷衬垫具有如主要特剧1 9 】： ( 1 ) 陶瓷衬垫熔点较高不导热，在电弧热作用下，只成型槽表面部分熔化， 对焊缝金属起润滑作用，增加液态金属的流动性，同时未熔化部分对焊缝金属 起衬托作用，保证了焊缝背面成型要求。 ( 2 ) 采用粘贴定位且为块状，此时避免了各种焊剂衬垫应用中由于滚动架 2 武汉理工大学硕士学位论文 窜动、工件移动造成的衬垫错位、托力不均匀、焊漏及成形不良等问题。 ( 3 ) 适应性广，长度可调。当采用小陶瓷块时，可适用一定曲面结构件的 焊接。 1 1 2 2 单面焊衬垫材料的种判2 0 】 根据材质特点可以将陶瓷衬垫分为非金属衬垫和金属衬垫两大类。 金属衬垫是用金属材料制成，主要有钢制衬垫和铜质衬垫。非金属衬垫是 由一定成分的非金属材料制成，目前已取代了金属衬垫，它主要包括：热固化 焊剂衬垫、低温烘干陶制衬垫、高温烧结陶制衬垫等。以上所提到的衬垫其作 用都是相同的：对焊接熔池起衬托作用、防止熔池漏出同时强制焊缝成形，使 熔池底部不接触空气收到保护。但衬垫种类不同，其作用效果也不同。 表1 1 对衬垫材料的特点进行了比较，最后的高温烧结陶瓷衬垫衬垫使用 性能、工艺性能、焊缝质量、衬垫质量、综合成本均为优秀，且不需要使用附 加设备。高温烧结陶瓷衬垫经过高温烧结工艺，克服了其他衬垫的不足，使用 效果最佳，因此在现代的焊接中得到极大的推广和应用，主要应用于手工电弧 焊、c 0 2 气体保护焊和埋弧焊，同时应用到m i g 焊和t i g 焊，借助相关辅助 设备也可以用于小直径管道环焊缝和纵缝的焊接。在本课题中研究的衬垫全为 高温烧结陶瓷衬垫。 表1 1 单面焊衬垫特点 武汉理工大学硕士学位论文 注：衬垫质量主要指：适应性、外观质量、强度等；焊缝质量：宏观裂纹、表面光滑度、 背面余高等。 1 2 本课题的研究意义、方法和主要内容 在c 0 2 单面焊中，由于添加了陶瓷衬垫，在电弧高温的作用下陶瓷衬垫的 物理性能及化学成分必然对焊接时热量传输、物质传输、受力分布产生一定的 影响。随着对陶瓷衬垫c 0 2 单面焊的深入研究，对焊缝金属与陶瓷衬垫的相互 影响的研究也相应的开展。近些年有相当多的人对陶瓷衬垫的配方( 如原材料、 各成分比例) 进行了研究，发现衬垫内的各种配方对焊缝成形与性能之间的关 系，但是缺少系统的研究规律。本文通过将衬垫内各种配方( s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o 、 m g o 等) 转换成衬垫的碱度，转而研究碱度和焊缝性能的影响，从而为以后的 配方配制起到指导作用。同时目前还鲜有研究是关于衬垫压制过程时产生的孔 隙率对焊缝扩散氢和焊缝裂纹的影响，研究中还涉及n c l 隙率和酸碱度对焊缝 根部和上表面的c 、s i 、m n 、p 、s 元素含量、夹杂、结晶组织和冲击吸收功 a k v 间的影响关系。 本课题旨在研究对焊缝力学性能影响较大扩散氢含量和化学元素c 、s i 、 m n 、s 、p 含量与陶瓷衬垫的孔隙率、碱度之间的关系，通过相关的焊接试验 和检测观测方法来确定变化规律，然后通过相关专业知识分析产生的原因和影 4 武汉理工大学硕士学位论文 响机理。从而在三个方面发挥指导作用：衬垫孔隙率是否会使焊缝扩散氢含 量增加；通过衬垫碱度的计算来确定其对焊缝中主要元素和冲击韧性的影响， 能迅速准确的选取符合实际力学性能要求的衬垫配方，使焊缝既达到力学性能 要求，又焊缝成形美观。对实际的陶瓷衬垫配方配制和生产提供理论依据。 本课题在研制陶瓷衬垫材料在生产中出现的问题以及解决方法有一定的实际意 义。 本课题采用的研究方法如图卜1 所示。主要研究内容有以下几点： 1 孔隙率对焊缝扩散氢的影响。首先测试陶瓷衬垫的开口气孔率和吸潮 率，确定两者间的联系。通过加和不加衬垫以及添加不同孔隙率衬垫间 的对比实验，测定焊缝扩散氢含量，从而确定衬垫以及孔隙率对焊缝扩 散氢含量的影响。 2 陶瓷衬垫碱度对焊缝各元素c 、s i 、m n 、s 、p 含量和衬垫熔渣碱度的 影响，在相同焊接规范下，对衬垫熔渣的碱度、焊缝根部和上表面的c 、 s i 、m n 、s 、p 含量检测，看是否有区别以及产生原因；分析衬垫碱度 对焊缝成分变化的影响原因。 3 通过金相观察不同孔隙率和碱度的陶瓷衬垫焊缝的裂纹情况，分析产生 焊缝裂纹的原因。通过冲击韧性实验，确定碱度对冲击吸收功的影响， 并找出变化规律。 武汉理工大学硕士学位论文 图i - i 技术路线图 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章c 0 2 单面焊的基本理论 2 1 单面焊双面成型的方式 单面焊双面成形也就是从在焊件坡口的正面进行焊接操作，同时在正面、 背面都能得到均匀整齐、成形良好、符合质量要求的焊缝的焊接工艺方法。在 焊接过程中不需要采取任何辅助设备，只需在焊件坡口根部进行组装定位时需 按焊接时的不同焊接参数来留出不同间隙 2 。单面焊双面成型基本上不受焊件 形状、大小和位置的限制，操作简单容易，且焊接接头成形美观、力学性能好、 安全可靠。与双面焊相比，即可保证符合生产要求，又可省去翻转再背面清根 接着重新焊接等繁琐工序，大大提高生产效率。 单面焊双面成形根据背面的成形方法可分为两种方式：自由成形和强制成 形。自由成形，就是只依靠熔池液态金属表面张力来衬托液态金属，使之在自 由状态实现焊缝背面成型。自由成形不需要添加陶瓷衬垫，但所要求的焊接规 范范围狭窄，只能选用适合的焊接参数和接头间隙，在焊接时难以保证焊缝成 形质量。强制成形是使用强制成形装置如陶瓷衬垫衬托住熔敷液态金属，使熔 池在衬垫上冷却凝固从而正面和背面均得到成形良好的焊缝。强制单面焊时时 焊接参数范围宽，同时对坡口间隙的要求也不是很严格，因此强制单面焊使用 范围广，焊缝质量优秀且易于保证，故强制成形单面焊在焊接的发展中越来越 受到关注。本课题所进行的焊接工艺研究将采用陶制衬垫c 0 2 气体保护焊强制 单面成形。 2 2 强制成形单面焊的理论模型【2 0 要实现单面焊双面成型，就要求足够的热输入量才能保证足够的熔深，从 而焊缝背面母材熔化，与熔化的填充焊材相结合成一定宽度的熔合区冷却结晶 后形成焊缝。此外在强制成形单面焊的背面受力较多且复杂，因此对根部区域 进行受力分析。 武汉理工大学硕士学位论文 先对自由成形条件下的焊缝根部区域受力进行分析，此时焊缝背面处于自 由状态，在焊接过程中金属氧化物和液态熔渣上浮集中处于熔池的上表面，上 表面与电弧直接接触，表面温度高，因此上表面的张力很小，在进行受力分析 时此力可忽略不计。焊缝熔池液态金属的受力分析如图2 1 。 图2 1 自由成形单面焊熔池受力示意图 电弧作用下熔池受到的作用力：电弧压力f a ：包括磁收缩力、等离子流力、 斑点力、熔滴过渡冲击力；液态熔池重力f g ；液态金属的表面张力f 。，f s 为f 。垂直向上的分力。 在f a ，f c ，f s 保持平衡时有公式( 2 1 ) ： f a + f g = f s公式( 2 1 ) 将熔化区背面形状视为圆柱面并忽略次要因素，则表面张力的数学模型可 简化为图2 2 。 y 图2 - 2 单面焊自由成形力学模型 武汉理工大学硕士学位论文 依据物理化学中所学知识：柱状液面的附加力为p 附= f 。r 。其中f 。为液态 金属的表面张力，r 为柱面半径，p 附指向柱体轴心。假设熔池表面张力处处相 同，则f 。垂直向上的分力f s 计算如下： 取液面弧长为d l ，设液柱长度为l ，则液面弧长上产生的分力为： d f s ：t rl s i n a d l ， ：! s i n 口胁 r = t r l s i n 口d a 则r2 l t r l s i n a d a = 叫 _ c o s 口f 2 p = 2 c r l c o s o 则公式( 2 1 ) 可改写为：乃+ 凡= 2 c r l c o s 0 公式( 2 - 2 ) 将公式( 2 2 ) 改写成平均压力式为：f , 4 + h g p 2 2 t r c o s 0 w b 式中：f a ：电弧压力 h ：熔融金属平均厚度 g ：重力加速度 p ：熔化金属密度 o ：熔化区背面液态金属表面张力 0 ：熔化区根部表面切线与焊件背面垂线间的夹角 w b ：焊缝背面熔化宽度 n 式f a + h g p 2 2 0 r c o s 0 w b 是自由成型下实现单面焊双面成形理论力学表 达式。 接下来在强制成形下分析力学条件，力学模型见图2 3 ，图中f a 为电弧压 力，f g 为液态金属重力，f l 为陶瓷衬垫对背面熔池的承托力，f 2 和f 3 为表面张 力。 武汉理t 人学硕十学位论文 图2 3 单面焊强制成形的力学模型 与自由成型相比，增加了承托力f l ，因此强制成型单面焊的力学条件如公 式( 2 4 ) ： 凡+ h g p 2 0 c o s 9 耽 2 3 两种成形方式的工艺性能对比 公式( 2 - 4 ) 自由成形是满足n + 堙p 2 2 0 - c o s 0 耽的条件下，不添加衬垫也可获得焊 缝背面成形，但在f a ( f a 。c 1 2 ) 较小( 即电流较小) ，成形厚度h 、焊缝背面熔 化宽度w b 较小的情况下才成立，这就导致自由成形时焊接规范范围窄，对焊 接参数和接头间隙有严格的要求，难以获得质量良好的焊缝。电流太小或者间 隙太小则母材未熔透，电流过大或者间隙太大则烧穿试板。虽然该方法不需要 安装衬挚，装配简单但对焊接参数适应性和灵活性较差，背面焊缝成形难以控 制，在焊接时要求很高，故在目前仅在小电流对接自动焊中采用这种成形方式。 强制成形是满足n + 坛p 2 c rc o s o w b 条件下就可实现。式( 2 4 ) 可在较 大焊接电流( f a 较大) ，一次熔化厚度h 大的的情况下实现。从中可表明强制 成形单面焊时，可选用较大的电流且对坡口间隙的要求也不那么严格。强制成 形的焊接规范范围宽，焊缝质量易于控制，同时陶瓷衬挚经济、安装方便，因 此添加陶瓷衬垫的强制成形单面焊受到越来越广泛的应用。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 陶瓷衬垫的金属结晶过程 陶制衬垫c 0 2 单面焊示意图见图2 5 所示。陶瓷衬垫焊熔池周围的母材和 陶瓷衬垫组成的类似开口箱，将熔池包裹在内。由于陶瓷的导热系数小，而母 材的导热系数大，因此熔池的散热处于极不均匀的状态，熔池两边向母材散热 很快，底部受到陶瓷衬垫的保温作用散热慢。焊接电弧经过后，熔池开始冷却 结晶，熔池两边和根部的金属向母材和衬垫上散热，而上部和中心部位受到电 弧的加热作用温度高，熔池液态金属是自下向上结晶。当电弧中断，熔池上部 的加热被去掉，热量将通过熔渣向空气传导，而陶瓷衬垫具有保温作用，熔池 底部的温度会高于上部，此时熔池是自上而下结晶或结晶方向垂直于焊缝中心 纠2 2 j 。陶瓷衬垫一般是由数个尺寸相同的陶瓷衬垫块依次排列粘贴在铝箔上然 后根据工件的形状粘贴在坡口背面。其组装示意图如图2 - 6 所示。 图2 - 5 陶瓷衬垫c 0 2 单面焊示意图 潦 蹙 图2 - 6 陶瓷衬垫组装示意图 武汉理 ：大学硕士学位论文 第3 章陶瓷衬垫对焊缝扩散氢的影响 3 1 焊缝扩散氢的影响 对于大多数金属和合金，氢对焊接接头强度、韧性是有害的。焊缝金属中 的氢含量，是焊接时产生延迟裂纹的主要因素之一。理论上随着焊缝氢含量的 增大，金属晶格的缺陷也就越多，相应的脆化倾向也就越大。由图3 1 可知氢 在铁中的溶解度与温度有密切关系，在焊接过程中高温下焊缝熔融金属溶解了 相当多的氢，这些氢主要来源于焊接材料中的水分( 焊条未烘干、工件表面油 渍) 、含氢物质( 如工件、焊丝表面的铁锈) 以及电弧周围空气中的水分，其气 体分解反应如表3 1 所示。在电弧作用下氢和水分解并以原子或离子的形式进 入到焊缝金属中去，但由于焊缝冷却速度快，焊缝结晶过程较短，溶解在铁中 大量氢来不及逸出，而被留在固态焊缝金属中，随着焊件放置时间的增加，扩 散氢会逐渐减少，但是还有相当一部分变成残余氢，不能自由扩散。残余氢的 存在会使焊件产生氢脆、白点、气孔和冷裂纹，从而对焊接质量造成巨大的影 响。焊接时，焊缝中的氢吸入主要与氢的局部压力和温度有关。为防止产生裂 纹，我们焊前、焊后需要采取必要的措施，如烘干焊条、清除焊丝和焊件表面 上的杂质、焊后热处理。 一 曲 o 2 ) 罨 v 二 工 广 l ， 1 1 i i l 一 i j 6 0 01 0 0 01 4 0 0is o o2 2 0 0 2 6 0 03 ( 1 0 0 r ? 图3 - i氢在铁中的溶解度与温度的关系 2 3 】 武汉理工大学硕士学位论文 此章研究中主要研究添加陶瓷衬垫后对焊缝扩散氢的影响。在陶瓷衬垫的 制造过程中，由于压制工艺和烧结温度的不同，会使陶瓷衬垫不可避免的产生 一定的孔隙，虽然经过高温烧结完成后的陶瓷里边一点水分也没有，但在包装、 运输、安装使用过程中接触空气，使得空气中的水分进入到陶瓷体内。陶瓷自 身具有的吸水特性以及存在的孔隙的双重作用，会使得陶瓷衬垫内部必不可免 的存在一定量的水分，在焊接过程中影响焊缝的性能。吸潮性实验的目的是为 了比较不同的陶瓷衬垫从烧结完成到使用之间吸收空气中水分的量，扩散氢实 验的目的就为了比较孔隙率对焊缝中扩散氢含量的影响。在本章中主要研究陶 瓷衬垫的开口气孔率、吸潮性和焊缝扩散氢三者之间的关系，经过相关实验分 析陶瓷衬垫的物理性质对影响焊缝性能的焊缝扩散氢的影响，从而为陶瓷衬垫 生产制作与处理起到指导意义。 3 2 陶瓷衬垫开口气孔率的测定 3 2 1 陶瓷衬垫块的生产制造 目前市面上的陶质焊接衬垫中的都是由矿物原料如铝矾土、高岭土、滑石、 长石、锂瓷石经过配料、球磨、干燥、压制成型、高温烧结而成，生产工艺与 普通陶瓷的生产工艺相类似【2 4 1 。陶瓷的烧结过程可分为固相烧结和液相烧结 【2 5 】，陶瓷衬垫的烧结属于液相烧结，一般来说坯体在7 5 0 9 c 开始生成液相。陶 瓷衬垫主要成分以s i 0 2 、m g o 、c a o 、a 1 2 0 3 为主，还含有k 2 0 、n a 2 0 、t i 0 2 等其它多种氧化物杂质，液相烧结就是这些氧化物杂质达到一定温度时相互之 间产生反应形成一系列低熔点的化合物，随着温度的升高和时间的延长低熔点 的化合物逐渐熔化成液相，液相逐渐增加，直至填满陶瓷坯体的中存在的间隙， 冷却后颗粒之间相互连接，就成为陶瓷衬垫。从理论上可知，当产生的液相足 够多时，这些液相就能填满所有孔隙从而得到无孔隙的陶瓷衬垫，但在实际烧 武汉理工大学硕士学位论文 结时局部液相的形成过程中会同时伴有体积收缩，液相越多，随之产生的体积 收缩也越大，因此完全依靠衬垫自身的整体收缩来弥补局部液相的收缩具有相 当大难度的，这就是产生孔隙的原因。此外在液相填充坯料孔隙的过程中，孔 隙中原先含有的空气需要排出，但当排出受到阻碍时如液相阻碍了气体排出通 道时，气体将保留在衬垫块内形成气孔。陶质衬垫孔隙可分为两类：闭口气孔 和开口气t l ( 2 6 j ，见图3 2 。 溪黎 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 对于单连通开口气孔，外界环境中的水分只能通过单一连通口扩散进入孔 隙内，由于只一边开口无法形成有效的对流通道，孔隙内的空气排出以及外界 水分进入都较困难，需要比较长时间的扩散才能排出或者进入。对于多连通气 孔，因与外界有两个以上的连通口，容易形成有效的对流通道，空气的排出和 外界水分进入都较容易。实验室测定吸水率的实验是将衬垫放入水中，采用长 时间煮沸方法加强对流，使水分能地进入孔隙中。根据前后质量差测定进入衬 垫的水分。 3 2 2 陶瓷衬垫块的吸水率测定实验 ( 1 ) 取样：使用的衬垫为武汉天高熔接材料公司的产品，随机从三种致密 度不同的陶瓷衬垫里选取试样，每种各取4 块试样。 ( 2 ) 吸水率测定试验方法( 水浴法) i 干燥陶瓷衬垫试样，测量烘干后试样的重量m l 。 将陶瓷衬垫试样放入烘箱中烘干，烘箱温度为2 0 0 。c ，保温2 h 。 从烘箱取出陶瓷衬垫，放置在干燥器中冷却至室温。 从干燥器中取出试样后分别对试样编号，用电光天平( 精度0 0 0 0 1 9 ) 称量得初始质量，并做记录，记为m l 。 i i 煮沸法吸水，测量吸水后质量m 2 。 将称重完后的试样放入烧杯中，加水直至水面高出试样l o c m 以上。 加热烧杯将水煮至沸腾，记录时问，使试样在水中煮沸2 h 。 关闭热源，使试样浸泡在水中随水一起冷却至室温。 从水中取出陶瓷衬垫试样并用湿毛巾擦去试样表面的水分，完后立即用 电光天平称重( 精度0 0 0 0 1 9 ) 得到吸水后质量，记为r n 2 。注意每次只能从水 中取出l 块试样，待前一块测量完成后才能取出下一块。 i i i 数据处理。按公式( 3 1 ) 计算每块试样的吸水率s a ，再求同一组别4 块试样的平均值。 s a = m 2 - m 1 10 0 = ： 聊1 公式( 3 1 ) ( 3 ) 吸水率试验结果 不同组别的衬垫块的吸水率见表3 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 陶瓷衬垫相对吸潮率对比试验 ( 1 ) 取样：取吸水率测定实验中试样同一批次的试样进行吸潮试验。 ( 2 ) 试验方法 i 干燥试样，测量烘干后试样的重量m l 。 将陶瓷衬垫试样放入烘箱中烘干，烘箱温度为2 0 0 。c ，保温2 h 。 从烘箱取出陶瓷衬垫，放置在干燥器中冷却至室温。 从干燥器中取出试样后分别对试样编号，用电光天平( 精度0 0 0 0 1 9 ) 称量得初始质量，并做记录，记为m l 。 i i 吸潮试验，测量吸水后质量m 2 。 将水装入烧杯后，接通电炉电源待水沸腾开始蒸发时候进行吸潮实验。 用筛网( 2 c m 2 c m 筛孔) 的盖住烧杯口，将同一组别的5 个试样放置 在筛网上，衬垫块成型槽面向筛网，保持l o m i n 然后翻面，衬垫块成型槽背向 筛网，再保持1 0 m i n 。 每隔1 h ，从筛网上取出试样用湿毛巾擦去试样表面的水分，完后立即用 电光天平称重( 精度0 0 0 0 1 9 ) 得到吸水后质量，记为m 2 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 称完后试样立即放在筛网上，并取下一块试样称重。 重复步骤，使累计吸潮时间达到7 h ，记录每个吸潮时间段的吸潮重 量m 2 。 i i i 数据处理。分别按公式( 3 2 ) 计算每块试样的吸潮率，并计算5 块试样 的平均值，得到不同吸潮时间的吸潮率平均值w a 。 w a = m 2 - m 1 1 0 0 m 1 公式( 3 2 ) ( 3 ) 吸潮率随吸潮时间的变化 不同组别的吸潮率关系随时间的变化如表3 3 、3 - 4 、3 5 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 表3 5c 组( 孔隙率1 2 1 5 ) 陶瓷吸潮率随时间的变化 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 将开口孑l 隙率和吸潮率的联合进行分析，可知，开口孔隙率对吸潮率的影 响较大。其相互关系示意图如图3 3 所示。 吸 潮 塞 长 1234567 时间( h ) 图3 4 孔隙率与吸潮率的关系曲线图 由图3 4 可知，不同孔隙率的衬垫块的吸潮规律性相似的。刚开始时吸潮 速度快，后来速度逐渐减慢，在孔隙率4 1 1 和7 3 7 的衬垫块中最终达到一个 稳定阶段，从孔隙率1 2 1 5 的曲线可发现其最终也将趋近于平行线，即达到稳 定阶段。出现上述规律是由于刚开始烘干后的衬垫在充满水分的空气氛围下， 多连通开口气孔由于有对流通道，水分容易进入，所以开始吸潮速度快，随着 时间的增加，进入到多连通气孔的水分饱和，但水分进入单连通气孔的比较困 难，需要时间长。多连通口快速吸潮后，单连通口的气孔吸潮还在缓慢进行， 当最终衬垫吸水到达饱和时，此时达到稳定状态。变化规律呈现图3 4 所示的 形式。从图中还可看出，不同吸水率的衬垫块所达到的稳定吸潮率是不一样的， 吸水率4 1 1 的稳定吸潮率为1 ，吸水率7 3 7 的稳定吸潮率为6 3 3 ，而吸 水率1 2 1 5 在7 h 内吸潮率一直随时间增大，从中可知孔隙率越大的稳定吸 潮率也越大，且到饱和所需时间也越大；刚开始吸潮速度快，后来缓慢，最 后达到一个稳定的吸潮率值后将不会增加。 1 9 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 不同孔隙率陶瓷衬垫对焊缝的扩散氢含量的影响 目前国家还未有单面焊焊缝金属扩散氢含量的测定标准。实验中采用对比 方法进行扩散氢含量的测定，在基本相同的焊接条件( 母材、焊丝、电压电流 等) 下，将添加不同孔隙率陶瓷衬垫单面焊的焊缝金属扩散氢含量与不带陶质 衬垫但在扩散氢实验试