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硕士学位论文 摘要 随着a 1 i g 焊接技术的快速发展和应用，在a - t i g 焊接过程中的背面保护 问题日益突出。目前采用的保护方法主要有：背面充氩保护、陶瓷衬垫保护、混 合气体保护等，以上方法都存在一定的局限性。 针对不锈钢和低碳钢a t i g 焊接研制了两种保护剂，不锈钢保护剂的成分主 要由舢2 0 3 、m g o 、t i 0 2 、c a o 等组成。低碳钢保护剂的成分其主要由a 1 2 0 3 、 t i 0 2 、s i 0 2 、n a c l 等组成。采用定性打分法分析了单一保护剂对焊缝背面抗氧 化性、成型性的影响，在此基础上结合母材合金系统的特点，选择保护剂的组成 成分。利用正交试验、极差分析和方差分析，得到了较优的配方，采用此配方进 行焊接，可以有效防止焊缝背面氧化，得到背面成型良好的焊缝。影响保护剂保 护效果的主要因素为焊接电流、焊接速度、涂抹厚度和保护剂与粘结剂的配比。 保护剂对焊缝背面的保护作用分为物理保护和化学保护。 对不锈钢a t i g 焊焊缝采用三种保护方法及不采用保护，对这四种情况进 行了工艺性能对比分析，通过试验结果，可以得到采用自制的保护剂保护与其他 保护方法都可以满足使用性能的要求，其使用方法简便、灵活、可操作性好，可 以为焊缝保护提供一种新的方法。 关键词：不锈钢；低碳钢；焊缝；保护剂；a _ t i g a t i g 焊焊缝背面保护剂研制 a b s t r a c t 晰也也ed e v e l o p m e n to f a - 1 r i g 妣h n o l o g ) r ，也ep r o b l 锄i se v e nr e m 酞a b l ef o r m eb a c ks t l i e l d i r 培o f 、e l d t h ec o m m o nm e t h o d sa r ea 玛o na 垭1 0 s p h e r e ，c e 删c b a c k i n g ，m i x e dg 嬲趾ds oo n ，b u t 舭s em e a s u r e sh a 、，e l e i r sl i m i t a t i o n 1 1 圯b a c ks h i e l d i l l gf l u x e sa r ed e v e l o p e df o ra - t i gw e l d i i l go fs 仞l i l l l e s ss | t e e l s 觚d l o wc 硼怕ns t e e l 1 kb a c ks h j e l d 啦n u ) ( e so fs t a i l d e s ss t e e l sc o n s i s to f a l 2 0 3 、m g o 、 t i 0 2 、c a o 锄ds 00 n mb a c k 蜘e l 衄n u ) 【e so f l o wc 抽o ns t e e lc o n s i s to f a l 2 0 3 、 t i 0 2 、s i 0 2 、n a c la n ds 0o n 1 1 1 e 砌u e n c eo fv a r i o u si n o n 0 一c o i n p o n e n ：t ss 】【l i e l d i i l g n u x e so no ) 【i d a t i o nr e s i s t a n c e 戤e 锄l y z e db ym e 锄so fm 棚k t h ec o m p o n e n t so f s l l i e l d i n gn u x a r ec o n 丘m l e da c c o r d i i l gt 0t i l ea l l o ys ) r s t e mo fs t a i l l l e s ss t e e l s af o r m l l l a i so b t a i l l e db yo n l l o g o r l a lt e s t ，r a i l g e 砒m l y s i s 砒l dv a r i 舡1 c ea n a l y s i s t h ef o r m _ u l ac a n p r o t e c t 恤b a c ko fm ew e l d i n gs e 锄t 0b e 耐d i z e d m 血f a c t o r si 1 1 f l u e n c eo f p r o t e c t i v ee 行e c ta r ew e l d i n gc u l l e n t 、w e l d i n gs p e e d 、s m e 痂gt h i c k n e s s 甜l dm a s s r a t i o p r o t e c t i v ef u n c t i o n sa r ep h y s i c a jp r o t e c t i o n 锄dc h e 面c a lp r o t e c t i o n t e c l l l l o l o g i c a lp r o p e r t i e so fw e l df o mf - 0 u r c o n d i t i o n sa r ea 1 1 a l y s i s e da i l d c o m p a r e d t h er e s u l t sa r et h a tt l l ew e l do fn os l l i e l d i i 喀c 眦1 0 tm e e tt h eo p e r a t i n g r e q u i r 锄e n ta i l d i i l c o n 仃a i y o t h e rs h i e l d i n gm e m o d sc a nm e c t l eo p e r a t i n g r e q u i r e m e n t ag o o d 、1 df o n n a t i o n i sg o tu 1 1 d e rt l l ep r o t e c t i o no f a r g o n 舳o s p h e r e ，b u t t h em a n e u v e r a b i l i 哆u n d e ra na r g o na ：t i l l o s p h e r ei si l o t 曲r o n g an o n - o x i d a t i o na j l dg o o d w e l df o m a t i o ni sg o tu n d e rt i l ep r o t e c t i o no f s o l f 幽e l d i n gn u x e s ，b u tal a y e ro f s h i e l d i n gm e m b 啪e i sf o m e d s u b s e q u e n tw o r d l o a d 埘l lb ei n c r e a s e dw h e n 龇1 a y e r o fs h i e l d i n gm e m b r a n ei sc l e a r e du p t l l ep r i c eo f s o l 一s b j e l d i n gn u x e si sl l i 曲 o p e r a t i o ni ss i m p l eb ys e l f m a d es h i e l d i n gn u x e s ，i tc a i lp r o v i d ean e wm e t h o do f s h i e l d i n gw e l d k e y w o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l s ；l o wc a r b o ns t e e l ；w e l d ；s h i e l d i n gf l u x e s ；a - t i g i l 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： 慈壤 日期：穸年弹月抄日 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 究昕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。 作者签名： 导师签名： 秀辉 嘶彳 日期：矽年 醐栌 驴钥彩日 占具p b | 硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 随着a t i g 焊接技术的快速发展和应用【1 ，在a t i g 焊接过程中的背面保 护问题日益突出陆1 1 1 。近年来，一种新型的保护方法引起了人们的关注，采用焊 缝背面保护剂来防止焊缝背面氧化【1 2 ，1 3 1 ，国外已经有类似的保护剂出售，但国 内还少见研究报道。本文针对活性焊接时的背面保护问题，研制了焊缝背面保护 剂。对保护机理也进行了研究。 1 2 课题的意义 目前，在各类钢的焊接时，大都采用氩弧焊和手工电弧焊的方法，无论是目 前正在大量使用的如t 9 1 伊9 l 铬铝钢、t p 3 0 4 不锈钢，还是即将大量使用的 t 9 2 p 9 2 、t 1 2 2 p 1 2 2 及s u p e r 3 0 4 h ，合金含量都相对较高。尤其是在焊接不锈钢 时，由于不锈钢与氧的亲和能力大，如果不采取焊缝保护措施，背面的焊缝金属 很容易在焊接过程中被氧化，发生合金元素的烧损，且易产生焊接缺陷，造成焊 缝金属的力学性能和耐蚀性下斛1 4 】。为保证焊接质量，在进行此类材料焊接时， 不可避免的需要对焊缝背面进行保护。而常用保护方法为焊缝背面充氩保护。随 着技术的发展，虽然不断出现新的保护方法如采用自保护药芯焊丝保护、陶瓷衬 垫保护、混合气体保护等，但仍然存在一定的局限性【”1 6 】。为此，我们研制了 适用于不锈钢和低碳钢的焊缝背面保护剂，并对其进行焊接试验。在焊接过程中， 应用保护剂对焊缝背面进行保护，可以给不锈钢和低碳钢的焊接带来很大的方 便，可为焊缝保护提供一种新的方法。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 国内在焊接时对焊缝的保护方法主要有： l 、背面加衬垫法 背面加衬垫法是在焊缝的背面加衬垫承托熔池金属并使它冷却凝固而强制 a m g 焊焊缝背面保护剂研制 成型的焊接工艺f 1 7 1 。由于能够保证良好的背面成型，使其具有更强的实用性。国 内埋弧焊单面焊双面成型工艺大都采用的是焊缝强制成型的方法【l 引，主要有两大 类：一类是铜衬垫及焊剂铜组合衬垫；另一类是焊剂衬垫，包括焊剂气垫、硬 焊剂衬垫、固化焊剂衬垫、柔性粘贴式陶瓷衬垫等。柔性粘贴式陶瓷衬垫以其使 用快捷方便，位置适应性强等特点，在单面焊双面成型工艺及焊缝强制成型工艺 中日益得到重视，在不锈钢埋弧焊中采用该工艺一次可获得双面成型的焊缝，具 有提高生产效率、改善劳动条件、缩小焊接空间位置等优点，因而在造船、锅炉 及其它金属结构制造中已得到广泛应用。 陶瓷衬垫单面焊是利用陶瓷材料具有耐高温性能的特点，将其作为焊缝背面 成型依托，达到单面焊双面成型的高效焊接工艺。陶瓷衬垫由陶瓷块、防固化纸、 铝箔、粘结剂涂层四部分组成。陶瓷块是陶瓷衬垫的主体，由氧化硅或氧化铝等 材料在一定的温度下烧制而成，并在一面开有弧形的成型槽，以便焊接时熔化的 金属流入其内强制成型。整条衬垫由数个尺寸大小相同的陶瓷块依次排列粘在铝 箔上，可以进行适度弯曲，形成“软衬垫”，可适用于不同曲率半径的焊缝焊接， 如平焊缝、不同直径简体的对接焊缝等。防固化纸平时用于保护和防止粘结剂固 化，在焊接前揭去。陶瓷衬垫成型槽底部中央划有一条红线，用于粘贴时与焊缝 找正对中。陶瓷块两侧的铝箱上沿衬垫长度方向分布着一些小孔，作为焊接时的 排气孔。陶瓷衬垫规格、形状可经正交优化设计确定。 陶质衬垫具有如下主要特点【1 8 】： ( 1 ) 陶瓷衬垫具有合适的熔点，在电弧热作用下，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，使焊缝背面成型良好。 ( 2 ) 陶瓷衬垫按要求烘干后，吸湿性较小，焊缝含氢量低。 ( 3 ) 采用粘贴定位，避免和消除了各种焊剂衬垫应用中由于工件移动，滚动、 窜动造成的衬垫托力不均匀、衬垫错位、焊漏及成型不良等问题。 ( 4 ) 其长度可以根据需要裁定。当采用小陶瓷块时，可适用于一定曲面结构 的焊接。 目前粘贴式陶瓷衬垫以其使用快捷方便，适应性强，具有优良的背面强制成 型性能和工艺性能的特点，在单面焊背面强制成型的焊接工艺中得到广泛的应 用，如图1 1 所示。 2 硕士学位论文 图卜1陶瓷衬垫强制成型单面焊接头形式 1 9 9 7 大庆石化总厂的张宝岩【1 9 】采用背面加玻璃纤维衬带m 【g 焊，成功地焊 接了1 7 台不锈钢料仓。料仓焊后经射线检查全部符合g b 3 3 2 3 8 7 标准的要求， 焊缝正面成型良好，焊缝背面呈金黄色。 2 0 0 6 武汉船舶职业技术学院曾平【2 0 】在对板材q 2 3 5 焊接时，采用t g 1 0 z 陶 瓷衬垫，其成型槽宽度为1 0 咖，深度为o 4 衄，陶瓷衬垫贴于试板背面，粘 贴时使衬垫与试件紧密贴合。采用此方法对焊缝进行保护，焊接后可得到光滑的 焊缝。 2 0 0 6 武汉理工大学汪选国【2 1 】对手工单面焊陶瓷衬垫进行了研究，焊接试验 在长3 5 0i 姗，宽1 0 0i 姗，厚1 6l 砌的两块1 6m n 钢板对接接头上进行。在衬 垫安装之前，先在试板两头进行点焊，固定试板的间隙，使两块试板对齐。试板 的间隙确定以后进行衬垫安装，先去除铝铂上的胶纸，使衬垫的中心线对准间隙 中心，最后贴紧铝箔，固定好衬垫后，在铝箔上打上气孔，以便于焊接过程中气 体的排除。衬垫安装见图1 2 ，用该方法焊接后，可以得到成型良好的焊缝。 ，i + j ”舻。“- 1 pq j ，一- ? ； 胁 一一m + 能 。一o， 一一z f v4 “| “二7 ，r 碗；i j 洲， 芦 一一。“ 。o * m 。m * 图卜2 衬垫安装 2 、自保护药丝 自保护药芯焊丝是在没有外加气体保护下的一种焊接材料，在焊接过程中空 气很容易侵入焊接区，在焊缝中产生气孔。无论是自身造气保护的焊条电弧焊， 还是利用外加气体保护的气体保护焊，产生的保护气体都笼罩在焊接电弧区外 部，隔绝焊接过程不受外界空气的干扰。而自保护药芯焊丝在焊接过程中，造气 剂位于焊丝内部，使焊接过程中内部气体压力过大，将金属熔滴推向外侧，产生 很大的飞溅，并且产生的气体不会有效包围金属熔滴，使氧气和氮气很容易侵入 焊接区。自保护药芯焊丝这种保护机制，使药：邕；：中不能加入过多的造气剂，而主 要依靠造渣剂、脱氧剂和氮化物形成元素来进行保护。使用自保护焊丝不受管材 3 ”，艚增，qg#l噌0v寤0，“ a t i g 焊焊缝背面保护剂研制 规格、焊接位置等因素的限制，操作灵活，并且减少了充氢时的准备工作。但由 于焊丝表面有较薄的涂层，在焊接操作上出现了一些不适应性，往往会出现内凹 等缺陷，因此对焊工的操作水平要求较高。自保护焊丝适用于焊缝打底，不宜用 于第二层以上的焊道，否则易造成夹渣，且焊缝成形不美观。采用全氢弧焊多层 多道焊接时，宜与实芯焊丝配合使用。另外，目前市场上基本没有性能稳定的国 产自保护不锈钢焊丝，进口自保护焊丝价格较贵，成本较高，因此在应用上受到 了一定的限制。 2 0 0 5 太原高级技工学校的任萱瞄】在对s a 2 1 3 t p 3 4 7 h 钢进行焊接时采用 s s 7 焊接渗透剂和药皮焊丝对焊缝保护，在焊接过程中电弧的穿透力明显增强、 熔池渗透性及流动性得到改善，从而使得焊接电流及坡口尺寸可以相应减小，同 时采用t g f 3 0 8 l 药皮焊丝后，药皮在焊接过程中产生自保护气氛，透过根部间 隙对焊缝背面起到了保护作用，避免了焊缝根部的氧化，改善了焊缝根部成型， 取得了满意效果。 2 0 0 5 广东火电工程总公司彭尚宇、李丽红、吴发朗豳】对不锈钢小径管背面 免充氩焊接采用药芯焊丝打底，实现了不锈钢管口焊接时背面免充氩保护，而且 只要操作得当，注意打底接头及封口质量，控制好道间温度，完全可保证焊接质 量，从而取消充氩保护装置，减轻焊工的劳动强度。 2 0 0 6 天津市管道工程集团有限公司刘婧、姜国庆、罗启民【2 4 】在研究药芯焊 丝自保护焊在天然气管道工程焊接中，发现半自动药芯焊丝自保护焊与焊条电弧 焊联合应用，可以优势互补，提高了焊接速度和焊接质量，降低了生产成本。采 用该工艺施焊的部分，焊缝一次合格率超过9 9 4 ，焊接施工周期比仅采用焊条 电弧焊缩短了4 0 天，提高了生产率。 2 0 0 7 钢铁研究总院的喻萍、田志凌、潘川【2 5 】等，在对自保护药芯焊丝焊缝 中的气体研究中发现，用自保护焊丝保护焊缝，很容易产生氮气孔，且氮对焊缝 的冲击韧性和延展性会产生不利的影响，并会引起应变时效现象。 2 0 0 7 中原油田建筑集团的王文焱、曾九令、孙伟【2 6 j 等，在长输管道焊接中 采用药j 卷焊丝自保护焊对焊缝进行保护，通过近几年药芯焊丝自保护焊技术在中 石化山东天然气管网、西南成品油管道、靖西天然气管道等大型项目中的推广应 用，证明药芯焊丝自保护焊具有自动化程度高、焊接质量好、生产效率高、工程 适应能力强等特点。 3 、气体保护 惰性气体保护焊用保护气体有氩、氦、氩氦混合气体和氩氢混合气体。 ( 1 ) 氩气保护，氩气是惰性气体，具有高温下不分解又不与焊缝金属起化学 4 硕士学位论文 反应的特性，密度比空气大3 7 ，使用时不易漂浮失散，所以是一种理想的保护 气体。实践证明，这是一种有效的防止焊缝背面氧化的方法，并且由于氩气为惰 性气体，对焊接熔池冶金过程也不会产生不利影响【1 5 1 。但背面充氩保护存在着一 些自身很难克服的缺点： i ) 工作效率低，由于充氩气和焊接操作是同时进行的，因此两个操作存在相 互干涉的问题，尤其在检修焊接时，检修空间的狭小往往会影响施工效率和焊接 质量。 i i ) 浪费严重，充氩用气量跟打底层焊接时间成正比，所以当焊接大口径管道 时，氩气的用量是相当大的。另外焊接过程中的“常气流”现象也是造成充氩保 护成本高的重要因素。 i i i ) 充氩保护无法解决的问题是在缺陷焊口处，挖补时无法进行充氩保护， 进而使得焊补处成为安全隐患。 ( 2 ) 氦气保护，氦气属惰性气体，但与氩气相比，性质有较大差别。在氦气 中容易引弧，电弧稳定而柔和，氩气则较差；同样电流和弧长，氦弧的电压明显 比氩弧高，所以氦弧的温度高，发热大且集中，是氦弧焊的最大优点；氦气的密 度大，易形成良好的保护罩。为了获得同样的保护效果，氦气流量必须比氩气大 l 2 倍。但由于氦气价格较高，目前应用还很有限。 ( 3 ) 氩氦混合气体保护，氩气电弧稳定柔和，阴极清理作用好。氦气电弧发 热量大且集中，具有较大的熔深。采用氩氦混合气体可同时具有两者的优点， 一般混合气体体积比例是氦7 5 8 0 ，氩2 5 2 0 。 ( 4 ) 氩氢混合气体保护，氩气中添加氢气可提高电弧电压，从而可提高电弧 热效率，增加熔深，并且防止焊缝产生咬边，有抑制c o 气孔的作用。氩氢混 合气体的应用只限于焊接不锈钢、镍基合金和镍铜合金，因为氢在一定含量范 围内对这些材料不会引起有害的冶金影响。常用的成分是计h 2 1 5 ，所以焊接 厚度为1 6n u n 以下的不锈钢对接接头，焊接速度可比用纯氩气时快5 0 。 2 0 0 0 湖南省工业设备安装公司的刘琼【2 7 】对不锈钢管道焊接时内侧防氧化充 氩保护方法进行了研究，在管内距焊口两侧各1 0 0m m 处，设置一对用铁丝连接 的橡胶板，板厚为3 5 m m ，板的内外两侧用夹板支撑。在其中的一块堵板上 装一直径为3 5i 姗的金属软管，焊接时向管内充氩，焊接完后，通过金属软 管将橡胶板拉出。为使焊接时熔合处得到更好的保护，并节省氩气用量，事先可 用胶带封住一段管口，仅留出焊工一次连续焊接的焊缝长度，焊完这段后，撕开 相同长度的胶带，然后再施焊，依此类推，直至焊接完成。 2 0 0 l 河北省电力建设第一工程公司的王敬红【2 8 】在御9 l 钢焊接时为避免合 a - t i g 焊焊缝背丽保护剂研制 金元素的烧损和氧化，管道内部必须进行充氩保护。对大径管焊接时，使用特制 的背面充氩保护装置，可以达到有效的背面保护。对小直径焊口的焊接，因管径 较小，可采用较简单的充氩保护方法。如在焊口的一侧，通过钢丝拖拽易取出的 耐高温材料如玻璃丝布，另一侧用卫生纸等封闭并充氩气的方法来对焊缝进行保 护。 2 0 0 3 中国石油天然气管道局焊接培训中心，对a 3 1 2 不锈钢管进行焊接时， 由于不锈钢熔融金属流动粘滞，因此采用较大的坡口角度，防止发生熔合不良现 象，同时降低熔合比。在焊接中，保证焊接工艺参数稳定，控制焊道间温度，以 保证焊缝成分的稳定。为保证焊道的质量，管内必须充氩气保护，以保证单面焊 背面成型良好。 2 0 0 5 湖南工程学院覃波例在焊接f 9 l 与1 2 c r l m o v 异种钢时，其方案为采 用背面充氩保护工艺，以避免焊缝根部氧化。充氩保护范围以坡口中心为准，每 侧各3 0 0m m 处，用可溶纸或其它可溶材料做成密封气室。当坡口处打火试验不 起火时施焊，一侧焊接完成后将高温胶带撕开，清理干净后再焊另一侧。氩弧焊 收口时背面氩气流量适当减小，以免引起气流紊乱而导致气孔产生。 1 3 2 国外研究现状 国外除采用上述传统的保护方法外，由美国s o l a r 加r c r a rc o m l ) a n ys a i ld i e g o c a l i f 0 n l i a 公司于2 0 世纪3 0 年代开发研制“太阳”牌保护剂。“太阳”保护剂主 要用于不锈钢、耐热合金钢( t 9 1 ) 、高镍超合金钢、铝及铝合金等各种材料的焊 接过程中【3 0 1 。 “太阳”牌保护剂在焊接工业中已有很多年的应用历史。不断研发出各种新 型号，如适应于焊接不锈钢、高铬合金和其他的合金钢t y p e b 型保护剂，t ) e i 型是专适应于高镍超合金钢的焊接的t y p ei 型保护剂，适应于铝及铝合金的 t e 2 0 2 保护剂。 1 4 研究目标及研制的方法 1 4 1 研究的目标 研制出分别适合低碳钢和不锈钢焊缝的背面保护剂。将其制成粉末在焊接前 利用自制的粘结剂将其涂刷在焊缝的背面，在焊接过程中对焊缝背面起到保护作 用。焊后可以得到成型良好、无氧化、符合工艺标准的焊缝。 6 硕士学位论文 1 4 2 研制的方法 ( 1 ) 粘结剂的研制，所研制的粘结剂与保护剂混合后涂刷于焊缝的背面，要 求其具备足够的强度，具有优良的抗震性能，在焊接过程中对焊缝金属要有一定 的支托作用。 ( 2 ) 单组元试验，通过对焊接保护材料的综合分析和化合物自身的特点，确 定单组元成分，通过定性打分法来判断单组元对焊缝成型性、抗氧化性的影响。 ( 3 ) 多组元的正交试验，通过单组元试验从试验结果中挑选出保护效果好的 单组元作为多组元的成分，确定因素和水平，选择合适的正交表进行多组元的正 交试验。 ( 4 ) 结果分析及工艺性能试验，对正交试验的结果进行极差和方差分析，得 到较优的配方，对采用此配方得到的试样进行工艺性能试验，最终确定最佳配方。 1 5 本章小结 随着钢产量的逐年增加，钢的消费量也在增加，但在焊接时，尤其是在焊接 不锈钢时，如不对焊缝进行有效地保护，焊缝中的微量元素就会被烧损，导致焊 缝被氧化，影响焊缝的力学性能。目前，国内常采用传统的氩气保护方法。随着 技术的发展又出现了衬垫保护、白保护药芯焊丝保护等，但上述方法都存在着一 定的局限性，所以，采用焊缝背面保护剂对焊缝进行保护，操作灵活、使用方便， 可以作为焊缝保护提供一种新的方法。 7 = ：兰：! ：2 ：! 第2 章不锈钢焊缝背面保护剂的研制 21 试验设备 21 1 试验设备全中文数字焊机简介 采用苏卅t 业园区华焊科技有限公司生产的d i g l 乜l3 0 5 数字化电源如图2 1 所示，该电源具有数字化控制系统，优化分区系统，每个程序可划分1 6 个区间， 具有分区间电流缓升、缓降过程控制技术焊接成型及再现性好。p c 计算机通 讯端口可上传、下载、编辑、存储、打印参数，精确的脉动行走，送丝同步协调 系统，电源的参数如表2 1 。 圈 图2 - 1d s i i a l3 0 5 数字化电源 表21 电源技术参数 h 源型号 焊接程序的编制过程： ( 1 1 通过控制面板设筒参数打丌i 乜源开关，设备进八待机状态，此时王机人 嗽 坦 赫桃 如 m 川帆冷隅脚觥她机w眦黼 一。= 篆一 删蝴卒蚯蛳 蜘 性蝴腓战槭帆牌能跞洲 硕士学位论文 机对话界面分屏逐行显示以下内容，具体显示的内容的颜色与设置的参数有关， 如在没有送丝的情况下，则基值送丝等项目则显示为暗色，表示此项目不起作用， 每次开机显示的数值为上一次最后焊接的参数。 ( 2 ) 在待机状态下，打开程序锁，按下f l i 键，进入编辑状态，此时，光标 在黼嬲位置。主程序编名规则为：数字0 _ 9 ：字母a _ f 共1 6 个字符，每个 主程序名用一个字符表示。为了提高效率，在设备内部提供存储最常用的1 6 个 焊接程序的空间。附程序名作用是为了使用时存档时使用，以及为了方便记忆而 设定，系统提供六个字符以内的( 含六个) 的数字或者字母以供选择。附程序号 的规则为：数字0 _ _ 9 ，字母a - z 大写字母，每一个字符位置均可以设定为数字 或者字母。 ( 3 ) 为了在焊接前确定焊机的位置是否恰当，定位是否准确，设备开放模拟 焊接状态功能，当设置为无弧状态时，启动焊机，焊机模拟实际焊接状态行走， 以便作适当的调整。在待机状态下，按下f 2 i ，面板显示如下，为无弧状态，再 次按下f 2 | 为有弧状态。 2 2 粘结剂的研制 2 2 1 粘结剂材料选择 背面保护剂保护与传统的保护法相比，优点在于采用直接涂刷的方法，操作 简单能提高效率，克服传统保护法的缺点。然而要使涂在试件上的背面保护剂涂 层能适应焊接现场的要求( 如搬运，震动，磕碰等情况) ，就要有一种专用粘合 剂将保护剂粘在母材金属上，使保护剂涂层与金属的粘结有足够的强度。为此选 用以下几种材料，作为粘合剂的试验材料，所选用的粘结剂材料性质如下： 1 、硅酸钠 硅酸钠( n a 2 s i 0 3 ) 俗称水玻璃，亦称泡花碱，无色、淡黄色或灰色透明的粘稠 液体。无水物为无定形，天蓝色或黄绿色，为玻璃状。形态分为液体、固体、水 淬三种。液体硅酸钠，是一种无色、透明或半透明粘稠状液体。工业硅酸钠因分 子中氧化钠与二氧化硅比值不同其性质亦不同。氧化钠与二氧化硅的分子摩尔比 称为模数，模数在3 以下的称为中性水玻璃，模数3 以上的称为碱性水玻璃。其 产品通常有固体水玻璃，水合水玻璃和液体水玻璃三种。 硅酸钠是纸箱、铸造、建材、焊条生产的粘合剂。在肥皂或合成洗涤剂中充 当填充助剂。在化工系统被用来制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛、偏硅酸钠、硅 9 a t i g 焊焊缝背面保护剂研制 溶胶、层硅及速溶粉状泡花碱、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品，是硅化合物的基 本原料。在经济发达国家，以泡花碱为原料的深加工系列产品已发展到5 0 余种， 有些已应用于高、精、尖科技领域；在轻工业中是洗衣粉、肥皂等洗涤剂中不可 缺少的原料，也是水质软化剂、助沉剂；在纺织工业中用于助染、漂白和浆纱； 在机械行业中广泛用于铸造、砂轮制造和金属防腐剂等；在建筑行业中用于制造 快干水泥、耐酸水泥防水油、土壤固化剂、耐火材料等；在农业方面可制造硅素 肥料。 2 、赛璐珞 赛璐珞，即硝化纤维塑料，纯品有色或无色透明或不透明的片状物，性软， 富有弹性，相对密度为1 3 5 1 6 0 ，引燃温度为1 8 0 ，不溶于水、苯、甲苯，溶 于乙醇、丙酮、乙酸乙酯等有机溶剂。主要用于制造乒乓球、眼镜架、玩具、钢 笔杆、装璜品等。赛璐珞易燃，遇明火、高热极易燃烧。长久储存会逐渐发热， 若积累的热量不散发出去会引起自燃。 3 、硝化纤维素 硝化纤维素又名硝化棉、棉体火棉胶等，属硝酸酯类。白色或微黄色，呈棉 絮状或纤维状，耐水、耐稀酸、耐弱碱和各种油类，无臭无味，熔点为1 6 0 1 7 0 ，相对密度( 水= 1 ) 为1 6 5 1 6 7 ，闪点为1 2 7 8 ，引燃温度为1 7 0 ，不溶于 水，能溶于酮类、酯类、醇醚混合溶剂等有机溶剂。属一级易燃物品，阳光下易 变色，易燃。聚合度不同，其强度亦不同，但都是热塑性物质。当润湿剂含量过 低时，对机械冲击较敏感。遇酸、碱、氧化剂、还原剂会引起质量变化。主要用 于生产赛璐珞、影片、漆片炸药、粘结剂等。 4 环氧树脂 环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物， 除个别外，它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有 活泼的环氧基团为其特征。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多 种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶具有三向网状结构的高聚物。其具有以 下特剧3 1 】： ( 1 ) 粘附力强，由于环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其 对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小， 这也有助于提高粘附强度。 ( 2 ) 收缩性低，环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂 分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们 和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性( 小于 l o 硕士学位论文 2 ) 。环氧树脂及环氧树脂胶粘剂本身无毒，环氧树脂一般和添加物同时使用， 以获得更好的使用性能。固化剂是必不可少的添加物，无论是作粘接剂、涂料、 浇注料都需添加固化剂，否则环氧树脂不能固化。作粘接剂时最好选用中等环氧 值( o 2 5 o 4 5 ) 的树脂，如6 0 1 、6 3 4 。若需要渗透性较高，可选用环氧值较高的 树脂。 5 酚醛 纯净的酚醛为无色或黄褐色透明物，市场销售的酚醛因加着色剂而呈红、黄、 黑、绿、棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶 剂中【3 2 1 。酚类和醛类的缩聚产物通称为酚醛树脂，一般常指由苯酚和甲醛经缩 聚反应而得的合成树脂，它是最早合成的一类热固性树脂。酚醛树脂具有良好的 耐酸性能、力学性能、耐热性能，广泛应用于胶粘剂、防腐蚀工程、阻燃材料、 砂轮片制造等行业。热固性酚醛树脂的固化形式分为常温固化和热固化两种。酚 醛树脂虽是较早的一类热固性树脂，但由于它原料丰富，合成方便，以及酚醛树 脂具有良好的机械强度和耐热性能，至今仍被广泛的应用。酚醛树脂的合成和固 化过程完全遵循体型缩聚反应的规律。热塑性酚醛树脂( 或称两步法酚醛树脂) ， 为浅色至暗褐色脆性固体，溶于乙醇、丙酮等溶剂中，长期具有可溶性，只有在 六亚甲基四胺或聚甲醛等交联剂作用下可固化，加热时可快速固化。主要用于制 造压塑粉，也用于制造胶粘剂、层压塑料和清漆。热固性酚醛树脂( 或称一步法 酚醛树脂) ，可根据需要制成固体、液体和乳液，都可在热或酸的作用下不用交 联剂即可交联固化。热固性酚醛树脂可用于制造各种层压塑料、压塑粉、清漆、 耐腐蚀塑料、胶粘剂和改性高聚物。 6 呋喃 呋喃【3 2 】树脂是以具有呋喃环的糠醇和脂糠醛为原料合成的树脂，其在强酸 作用下固化为不溶的固状物，其常见的有糠醇树脂、糠醛树脂、糠酮树脂等。呋 喃树脂由于分子结构中含有稳定的呋喃环，因而具有优良的耐酸、耐碱、耐溶剂 性能。近年来，随着许多新型呋喃树脂的出现，扩大了呋喃树脂的使用领域。在 木材、橡胶、金属、陶瓷等行业，呋喃树脂被广泛用作粘结剂。 7 、自制的粘结剂 根据粘结剂自身的性质和化学反应原理，研制了自制的粘结剂。 a 1 1 g 焊焊缝背面保护剂研制 2 2 2 粘结剂试验 2 2 2 1 试验方法 对于粘结剂是否满足要求，通过百分制来评定： ( 1 ) 抗冲击性此项满分5 0 分，在重锤试验中，粘结牢固，敲击焊缝不脱落， 得5 0 分；l 5 脱落，得4 0 分；2 5 脱落得3 0 分；3 5 脱落得2 0 分；4 5 脱落得 1 0 分；全脱落得o 分。 ( 2 ) 焊接过程中粘结效果此项满分5 0 分，在焊接过程中，粘结牢固，不脱落， 得5 0 分；1 5 脱落，得4 0 分；2 5 脱落得3 0 分；3 5 脱落得2 0 分；4 5 脱落得 1 0 分；全脱落得0 分。 所选用的试件尺寸为2 5 0 m m 1 6 0 删 i l l 衄的3 0 4 不锈钢板，为了尽可能 的排除外部因素对粘结剂保护效果的影响，焊前对工件表面进行清洁。每种粘结 剂做五组试验，用五组的平均值作为每一种粘结剂试验结果的得分数。用n a c l 、 舢2 0 3 、f e 2 0 3 、c a o 、v 2 0 5 的混合物来模拟保护剂进行试验。取四个干净的烧杯， 在其中各倒入5 l i l l 的丙酮，在四个烧杯中分别放入2 9 水玻璃、2 9 赛璐珞、2 9 硝化棉和2 9 自制的粘结剂，然后加入等量的保护剂，搅拌均匀后用刷子将其分 别涂于四块试板的一面，涂敷宽度约为3 锄，厚度为3 4 n m 。待丙酮挥发后， 通过重锤试验比较四种粘合剂的抗冲击性，然后进行t i g 点焊。在点焊试验前， 将试件涂有保护剂的一面朝下垫起1 2 m m 放在焊接工作台上，为了避免焊接热 量对周围焊点影响点焊距离约为2 锄，采用相同的焊接参数对四块试板进行点 焊，焊接参数如表2 2 。 表2 2 焊接规范 2 2 2 2 试验结果 ( 1 ) 当使用硅酸钠作为粘合剂时，抗冲击性得分为2 0 分，因硅酸钠不溶于丙 酮，所以在涂刷时有少量颗粒物质粘在涂层上，粘结效果不好，有轻微震荡时涂 层就会脱落。点焊后涂层严重脱落，焊接过程中粘结效果得分为1 0 分，点焊结 果如图2 2 所示。 1 2 闺22 采j j 硅酸钠作为牯合刺 f 2 1 使用赛璐珞作为枯合剂时，抗冲击性得分为4 0 分，因赛璐珞溶于丙酮， 涂层粘结效果较好，在经过强烈的震荡后涂层仍不会掉落，但涂层不能承受直接 的划擦。其焊接过程叶 粘结效果得分为0 分，在焊接过程巾赛璐珞主要成分全部 燃烧，涂层完争脱落，点焊结果如图2 3 所不。 吲23 采用赛璐珞作为粘台剂 ( 3 ) 当使用硝化棉作为粘合剂时，抗冲击性得分为4 0 分，冈硝化棉溶于丙酮 且溶解速度很快，试样放置5 分钟后，可以经受强烈的震动而不会造成涂层的脱 落，保护剂层延展性好，试件变形后仍不出现脱落。但是涂层同样不能承受直接 的划擦。其焊接过程r f l 粘结效果得分为4 0 分，硝化棉的燃点很低，在焊接丌始 时瞬间燃烧，因时间极短基本不影响保护剂对焊缝背面的保护效果点焊后除焊 点外其他区域保护层仍粘台牢固，结果如图2 4 所示。 麟愿瓣矧 h2 4 采川硝化棉作为粘合剂 r 4 1 当使用口制的粘结剂，抗冲击性得分为5 0 分，涂层与金属枯结牢固，可 以经受强烈的震动而不会造成涂层的脱落，涂层不能承受直接的划撩，因在涂层 表面会形成连续的枯合刺膜，在膜的f 面包敷着粉末，如果涂层受到卣接的划擦， 粘台剂膜破损会造成粉术外泄，从影响保护效果。粘结荆层延展性好，其焊接 过程巾猫结效果得分为4 0 分，涂层焊后小会j 悦落，可以满足预定要求，结果如 幽25 采h 口制的辅合剂 a 1 r i g 焊焊缝背面保护剂研制 综上所述，通过四组试验结果可知，得分数由高到低的顺序是自制的粘结剂、 硝化棉、赛璐珞、硅酸钠。 2 2 2 3 粘结剂与保护剂配比的确定 在试验中，发现粘结剂与保护剂质量配比变化对粘结剂的粘结效果有很大影 响，为此选择自制的粘结剂与保护剂以质量比分别为1 ：l 、1 ：2 、1 ：3 、1 ：4 、 1 ：5 、l ：6 、1 ：7 、1 ：8 进行点焊试验，采用的评定方法和焊接参数同上。粘 结效果得分依次为：6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、9 0 、9 0 、7 0 、7 0 。从实验结果，可以得到 随着粘结剂与保护剂配的增加，得分数也随之增加。当粘结剂与保护剂的比例在 1 ：4 、l ：5 、1 ：6 时，得分最高。比例继续增加，得分数降低。这是因为自制 的粘结剂的成分为含有有机物，如大量加入在焊接过程中粘结剂中的有机物就会 燃烧，从而降低粘结剂的粘结效果。 2 3 保护剂的制备 2 3 1 保护剂原料的选择 为了更好的选用保护剂的原料，应了解不锈钢中主要元素的作用，各种主要 成分在不锈钢中的作用如下： ( 1 ) 碳：碳在钢中形成碳化物，对奥氏体不锈钢耐腐蚀性危害极大。一般希 望碳含量尽可能低些，但碳量过低，使强度降低，并给冶炼工艺带来困难。 ( 2 ) 铬：铬是使不锈钢具有耐腐蚀性能的基本元素，是形成铁素体的元素。 通常用铬来形成铁素体或半铁素体不锈钢。铬使钢在氧化性介质中很快形成一层 氧化膜( 钝化膜) ，这种膜具有相当高的化学稳定性，可包围于钢的晶粒表面，防 止金属基体继续受氧化腐蚀而破坏。当含铬在1 3 左右时，钢的耐腐蚀能力发生 突变，因而不锈钢中的一般含铬量在1 3 以上。含铬1 3 以上的不锈钢，具有 良好的室温和高温耐大气氧化性能及耐酸( 氧化性酸) 的腐蚀能力。铬主要使钢能 抵抗氧化性介质的腐蚀，对非氧化性介质，铬远比钼、镍、铜的作用差。由于铬 使钢具有抗氧化介质的腐蚀性能，所以铬系不锈钢可兼作耐热钢。 ( 3 ) 镍：镍是促成奥氏体的元素，镍又有一定的抗腐蚀能力，镍加入纯铁中 特别是高含量( 2 0 ) 时，对硫酸、盐酸和碱类有良好的耐腐蚀能力。但钢中只 含镍和合金元素时，除了在受浓苛性碱溶液腐蚀的零件外，与镍铬钢或铬钢相比 并无特殊优越性，因此镍一般都是配合其他元素来使钢获得良好综合性能。 1 4 硕士学位论文 ( 4 ) 锰：锰也是促进奥氏体形成的元素，可用作代替昂贵的镍，使不锈钢获 得奥氏体组织，但锰在这方面的作用不如镍大，约为镍的一半。锰还会稍微降低 钢的耐腐蚀性。 ( 5 ) 氮：氮是强烈促进奥氏体形成的元素，在这方面可部分替代镍。例如： 在“c r - m n n 一系不锈钢中，含氮o 0 1 5 时，钢的组织为铁素体，含氮为0 1 3 o 3 3 时，钢的组织为铁素体或奥氏体，而含氮为0 5 8 时，钢的组织为单一奥 氏体。但在实际生产中，氮通常是以氧化物的形式加入的，加入的量不宜过多， 加入的氮超过一定数量时，在冶炼条件下，由于氮的析出和氮促进氢的析出，容 易形成铸件气泡和疏松，所以，钢中加入氮元素的量就受到一定限制。一般氮的 加入量是钢中含铬量的1 7 5 1 1 0 0 。 ( 6 ) 钛和铌：在不锈钢中，钛和铌通常用来固定碳，生成稳定碳化物，从而 减少碳的有害作用，提高其抗晶间腐蚀能力，并改善钢的焊接性。 根据焊条、焊剂的配方和化学物质本身的性质，选择了m n 0 2 、m g o 、砧2 0 3 、 f e 2 0 3 、c a o 、v 2 0 5 等作为保护剂的原料。选用物质的性质如下： m n 0 2 ：黑色晶体或棕黑色粉末，密度为4 9 4 3 k g c i n 3 ，熔点为1 5 6 0 ，不溶 于水、硝酸或有机溶剂，溶于热浓盐酸生成氯化锰溶液】。具有氧化性，是一 种强氧化剂。在3 5 0 以下性能稳定，高于此温度时会释放氧气，加热至5 3 5 脱去部分氧生成m n 2 0 3 ，9 4 0 以上生成m n 3 0 4 ，加热时可催化分解氯酸钾而放 出氧气。 o ：熔点为1 6 5 0 ，密度是5 1 8k 眦3 。它会使熔渣的粘度下降，增加 渣的流动性，具有良好的电导性，m n o 也有一定的稳弧性，且具有氧化性，有 减少氢气孔的倾向。 f e ：在熔渣中可起到脱氧还原作用，同时可起到除磷的目的。与磷的反应如 下：3 f e + p = f e 3 p 。 s i 0 2 ：白色，密度为2 2 2 5 5k c m 3 ，s i 0 2 含量增加会使粘度增加，降低 电弧的稳定性。一般s i 0 2 含量较高时，焊缝表面光滑，脱渣容易。这是由于高 温冷却到低温共有四个相变过程，晶格改变时伴随体积的变化，对脱渣有良好的 作用。本试验可利用其改变脱渣性。 b a c 0 3 ：白色粉末，密度是2 7k c i i l 3 ，在高温时分解析出c 0 2 ，析出的c 0 2 具有氧化性，能降低焊缝金属氢的含量，但也可能产生有毒气体，所以用在试验 中可对焊缝的含氢量起到控制作用。但在焊接过程中会有气体产生，所以应尽量 控制b a c 0 3 的含量。 c a o ：白色粉末，熔点2 5 7 0 ，沸点2 8 5 0 ，密度是3 4 5k c m 3 ，c a o 是 a 1 r i g 焊焊缝背面保护剂研制 较强的碱性氧化物，对s 、p 的结合能力较强，可用于排除焊缝金属中s 、p 元 素【3 5 1 。c a o 含量增加时，其脱硫能力增强。c a o 也具有稳弧作用，其熔点较高， 只有配合其它成分形成共熔体，才适合做为造渣成分，它是一种稳定的氧化物， 不易分解。由于其熔点高，c a o 作为保护剂成分，一方面起到造渣的作用，另一 方面可覆盖在焊缝上起到物理保护的作用。 m g o ：白色粉末，熔点2 8 0 0 ，沸点3 6 0 0 ，密度是3 6 5k c m 3 ，在一定 条件下能和碳等强还原剂发生氧化还原反应。m g o 是良好的造渣材料，它能增 加熔渣的透气性，用m g o 代