（材料加工工程专业论文）手工电弧单面焊陶瓷衬垫的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的进步、国民经济和科学技术的发展，焊接技术必然向着优质、 高效、节能和生产合理化、自动化的方向发展。单面焊就是符合时代要求的一 种高效、节能和新型焊接工艺。与传统的双面焊相比，它可以改仰焊为平焊、 改内部焊接为外部焊接，并可省去背面清根工序，易于实现自动化焊接，从而 改善工人的劳动条件，降低工人的劳动强度。调查表明，它可提高焊接生产效 率3 倍以上，节省材料1 0 左右，节约电能5 0 左右，并且操作简单、使用方 便、能简化装配工序、缩短焊接生产周期，具有十分显著的经济效益和社会效 益。 从国内实际出发，针对目前市场上主要是c 0 2 气体保护焊用高温烧结型陶 瓷衬垫的现状，对手工电弧焊用陶瓷衬垫进行研究。 本文分析了单面焊双面成形的两种基本成形方式及其实现条件和影响单面 焊双面成形的因素，提出衬垫材料及其性能是影响单面焊质量的注意因素之一。 同时介绍了手工电弧焊用烧结型陶瓷衬垫的配方设计原则和设计过程。衬垫研 制过程中采用了正交试验进行筛选，并对衬垫工艺和单面焊质量进行了总和评 分和分析，讨论了衬垫的酸性系数和始熔温度对衬垫性能和焊接质量的影响。 在参考衬垫性能参数和总和分析大量试验结果的基础上，确定了手工电弧焊用 陶瓷衬垫的最佳配方。 本文介绍了衬垫的制作工艺流程，从原材料的选配以及处理出发，根据衬 垫的成分特点和性质特征，对影响衬垫压制成形和烧结性能的因素进行了分析 和讨论，同时根据试验结果和对衬垫烧结质量的分析，制定了衬垫的压制工艺 和烧成制度。结果表明：衬垫原材料的选择、处理、压制成形工艺及烧成制度 对衬垫的质量有着极其重要的影响。 本文还讨论了手工电弧焊焊接工艺实验方法及过程。根据对试验结果的分 析，认为反面焊缝的形状与焊接电流、电弧电压、焊接速度、运条方式、坡口 形状及装配间隙等有密切关系。 工艺评定结果表明：焊接接头的机械性能优良，焊缝内部无缺陷，焊缝金 属的化学成分完全满足规范要求。 关键词：手工电弧单面焊；陶瓷衬垫；配方设计；工艺试验 i v 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f0 1 1 1 s o c i e t y , t h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h et e c h n o l o g y , t h e w e l d i n gt e c h n o l o g y w i l l i n e v i t a b l yd e v e l o p t o w a r dt h e w a yo fh i g h q u a l i t y , e f f i c i e n t , e n e r g ys a v i n g , p r o d u c t i o nr a t i o n a l i z a t i o na n da u t o m a t i o n t h e s e q u a l i t i e sc a nb es e e ni nt h en e ww e l d i n gt e c h n o l o g yo f o n e - s i d e dw e l d i n gt h a ts u i t s t h er e q u i r e m e n to ft h et i m e s c o m p a r e dw i t l lt h et w o - s i d e d ，i tc a nc h a n g eo v e r h e a d p o s i t i o nw e l d i n gt of l a tp o s i t i o nw e l d i n g ，c h a n g ei n t c m a lw e l d i n g t oe x t e r n a lw e l d i n g , s a v ep r o c e d u r eo nt h ec l e a r a n c eo ft h eb a c k s i d e , e a s yt or e a l i z et h ea u t o m a t i o n , s oa s t o i m p r o v e t h e w o r k i n gc o n d i t i o n s o f w o r k e r s a n d r e d u c el a b o ri n t e n s i t y i n v e s t i g a t i o ns h o w st l l a ti tc a ni n c r e a s ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yb y3t i m e s ，s a v er a w m a t e r i a l sa b o u t10 a n d 伽l e l g ya b o u t5 0 ，e a s yt ou s e ，s i m p l i f yt h ea s s e m b l y p r o c e s sa n ds h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l eo fw e l d i n g , w i 廿lv e r ys i g n i f i c a n te c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i t f r o mt h er e a l i t yo fd o m e s t i c ，al i s to fr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nh i 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 en e e do fo n e s i d e ds h i e l d e dm e t a l a r cw e l d i n g 勰t h es t a t u sq u oo ft h ec u r r e n tm a r k e ti sm a i n l yc 0 2g a ss h i e l d e d c e r a m i cb a c k i n g t i l i sp a p e ra n a l y z e dt w ob a s i cf o r m i n gp a t t e r n so fo n e s i d e dw e l d i n g , s u g g e s t e d t h a tb a c k i n gm a t e r i a l sa n di t sp r o p e r t i e si so n eo ft h em a i nf a c t o r so fi n f l u e n c eq u a l i t y o fo n e - s i d e dw e l d i n g m e a n w h i l ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e so fi n g r e d i e n td e s i g no f s i n t e r i n gt y p eb a c k i n go fs m a w , a n dd e s i g np r o c e d u r eo fb a c k i n gd e v e l o p m e n t ，a n d h a dg i v e nc o m p o s i t em a r k sa n da n a l y s i st om a n u f a c t u r ep r o c e s sa n dq u a l i t yo f o n e - s i d e dw e l d i n g ，d i s c u s s e dt h e ei n f l u e n c eo fa c i dc o e f f i c i e n ta n db e g i n n i n gm e l t i n g t e m p e r a t u r eo np r o p e r t i e so fb a c k i n ga n dw e l d i n gq u a l i t y i nt e r m so ft h ep r o p e r t y p a r a m e t e r so fb a c k i n g a n dm a s se x p e r i m e n t a lr e s u l t so fc o m p o s i t ea n a l y s i s ， d e t e r m i n e dt h eo p t i o n a li n g r e d i e n to fc e r a m i cb a c k i n go fs m a w t i l i sp a p e ri n t r o d u c e dm a n u f a c t u r ep r o c e d u r eo fc e r a m i cb a c k i n g s t a r tw i mt h e s e l e c t i n ga n dt r e a t i n go fr a wm a t e r i a l sb a s e do nt h ec o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d v 武汉理工大学硕士学位论文 s h a p eo fb a c k i n g , a n a l y s i sa n dd i s c u s s e df a c t o r so fi n f l u e n c ep r e s s u r es h a p i n ga n d s i n t e r i n gp r o p e r t i e so fb a c k i n g m e a n w h i l ei nt e r m so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d a n a l y s i st os i n t e r i n gq u a l i t yo fb a c k i n gd e c i d e dt h ep r e s s u r ep r o c e s sa n ds i n t e r i n g s y s t e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e l e c t i n gt r e a t i n go f r a wm a t e r i a l so fb a c k i n g , p r e s s u r es h a p i n gp r o c e s sa n ds i n t e r i n gs y s t e mh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nq u a l i t yo f b a c k i n g t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e dw e l d i n gp r o c e s se x p e r i m e n t a lm e t h o da n dp r o c e d u r e o fo n s i d e dw e l d i n go fs m a w i nt e r m so fa n a l y s i st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w n t h a tt h es h a p eo fb a c kw e l di sc l o s e l yr e l a t e dt ow d 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 g v e l o c i t y , o p e r a t i n ge l e c t r o d ew a y , g r o o v ef o r ma n dg a po fa s s e m b l i n g t h er e s u l t so fp r o c e d u r eq u a l i f i c a t i o ni n d i c a t 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 d j o i n t sa l 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 t hn o n - d e f i c i e n c y ；e l e m e n t a r ya n a l y s i si n d i c a t e d c h e m i c a lc o m p o n e n t so f w e l dm e t a ls a t i s f 3 rt h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：o n e - s i d e ds m a w w e l d i n g ；c e r a m i cb a c k i n g ；i n g r e d i e n td e s i g n ；p r o c e 踌e x p e r i m e n t v i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特l l ；l i l 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它教育 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。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 日期幺! 三：乡 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 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( i l 密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名： 导师签名： 日期： 日期： ? 、商p l j 、 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 1 1 1 电弧焊及其发展 焊接是一种重要的材料加工工艺，它与金属切削加工、压力加工、铸造、 热处理等金属加工一起构成的金属加工技术，是现代机器制造业重要的加工技 术，它广泛应用于国民经济的各个部门。据不完全统计，全世界年产量4 5 的 钢和大量的有色金属( 如铜、钼、钛等) 以及部分非金属( 塑料、陶瓷等) ，都 是通过焊接加工成为构件而付诸使用的【1 1 。到目前为止，电弧焊在焊接领域中仍 然占据着主要地位，一个重要的原因就是电弧能有效而简便地把电能转换成焊 接过程所需要的热能和机械能。 早期的焊接是把两块熟铁( 钢) 加热到红热状态以后用锻打的方法连接在一 起的。现代焊接方法的发展是以电弧焊为起点的。电弧作为一种气体导电的物 理现象，早在1 8 0 1 年被英国人迪威首先发现，并指出可利用电弧来熔化金属。 但由于当时电力工业不够发达，不能提供维持电弧稳定燃烧的足够功率的电源， 而且焊接冶金也未能解决焊缝质量问题，因而电弧焊并未得到应用。从18 9 1 年 发现金属极电弧后，直到1 9 1 2 年出现了厚药皮焊条以后电弧焊才真正用于工业 生产。由此可见电弧焊的发展是以焊条电弧焊为起点的【2 】。 焊条电弧焊是用手工操作焊条进行焊接的一种电弧焊。焊条电弧焊时，焊 条和工件分别接电源的两极，利用焊条与工件之间产生的电弧放电时产生的热 量加热熔化焊条和工件，焊条端部熔化的熔滴和熔化的母材熔合在一起形成熔 池，随着电弧地移动，前方焊条和工件继续熔化，后方熔池液体金属逐渐冷却 结晶形成焊缝。 由于焊条电弧焊具有灵活性、设备简单、操作方便、适应性广等优点，焊 条电弧焊在许多领域仍然是被优先考虑的焊接方法，尤其是在一些维修、野外、 高空、和水下等特殊场合的施工中。但是焊条电弧焊由于其断续工作的特点， 生产效率低，浪费大，人工费用高，随着高效率的自动焊的出现，焊条电弧焊 武汉理工大学硕十学位论文 的应用比重成下降趋势。目前，在发达国家焊条应用占焊接材料重量比稳定在 1 5 0 0 - 2 0 ，而我国药皮焊条的应用比重占焊接材料总量的7 0 ，可以看出药皮 焊条用量还是占有相当高的比重，所以提高焊条电弧焊的效率是非常有意义的 【4 】 o 1 1 2 单面焊的研究进展 随着社会的进步、国民经济和科学技术的发展，焊接技术必然向着优质、 高效、节能和生产合理化、自动化的方向发展。单面焊接就是符合时代要求的 一种高效、节能和新型焊接工艺。与传统的双面焊相比，它可以改仰焊为平焊、 改内部焊接为外部焊接，并可省去背面清根工序，易于实现自动化焊接，从而 改善工人的劳动条件，降低工人的劳动强度。调查表明，它可提高焊接生产效 率3 倍以上，节省材料1 0 左右，节约电能5 0 左右，并且操作简单、使用方 便、能简化装配工序、缩短焊接生产周期，具有十分显著的经济效益和社会效 益【5 1 。 我国对单面焊双面成形的研究开始于二十世纪八十年代，最早应用于造船 业。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， 焊接时，在焊缝背面安放梯形槽陶瓷衬垫，焊缝正面采用水冷铜滑块强制成形， 以保持熔池稳定和焊缝成形良好，其焊接生产效率较高，焊接质量稳定，目前 已在各主要船厂得到普遍应用。造船业的大规模应用促进了陶瓷衬垫单面焊方 法在其他行业的推广，如钢箱结构桥梁、压力容器、管道工程、建筑结构、化 工机械、冶金机械等制造业中1 6 1 。 在国外，日本、韩国、美国以及欧洲一些造船强国一直都很重视陶瓷衬垫 单面焊的研究和应用。二十世纪八十年代初，造船大国日本首先将陶瓷衬垫单 面焊应用于船体建造中。他们为了提高焊接效率，缩短造船周期，大力投入技 术改造，依靠先进的设备和材料，在船体建造中逐渐推广应用。 1 1 3 陶瓷衬垫的研究进展 国内外都非常重视陶瓷衬垫单面焊工艺的研究和应用，尤其是强制单面焊 成形技术。在强制单面焊双面成形中，衬垫材料的开发非常重要，研制单面焊 衬垫材料并对其焊接工艺及性能进行研究和分析是非常有意义的。 2 武汉理工大学硕士学位论文 单面焊用衬垫主要有两大类：一类是铜衬垫及焊剂一铜组合衬垫；另一类 是焊剂衬垫，包括焊剂一气垫、硬焊剂衬垫、固化焊剂衬垫等。柔性粘贴式陶 瓷衬垫以其使用快捷方便，位置适应性强的特点，在单面焊双面成形工艺及焊 缝强制成形工艺中日益得到重视。该工艺一次可获得双面成形焊缝，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。 一 氧化铝陶瓷衬垫在单面焊双面成形中应用广泛，它配方简单，制作方便， 而且成本低廉，发展前景良好。但其离子键较强，从而导致其质点扩散系数低、 烧结温度较高，有的陶瓷的烧结温度可高达1 8 0 0 。如此高的烧结温度将促使 晶粒长大，残余气孔聚集长大，导致材料力学性能降低，同时也造成材料气密 性差，且对窑炉耐火砖的损害较大【7 1 。因此，降低氧化铝陶瓷的烧结温度，降低 能耗，缩短烧成周期，减少窑炉和窑具损耗，从而降低生产成本，一直是企业 所关心和急需解决的重要课题。 对于陶瓷衬垫而言，一般采用两种途径来降低其烧结温度：一是通过获得 超细颗粒、无团聚、以及分散均匀的良好烧结活性的粉体来达到降低烧结温度 的目的；二是添加适量烧结助剂，以达到促进材料致密化并且在低温烧结的目 的【3 】。其中烧结助剂又分为两类：一类是与氧化铝生成固熔体，例如t i 0 2 、c r 2 0 3 、 m n 0 2 等；另一类是能生成液相，例如：c a o 、m g o 、s i 0 2 等。 随着陶瓷衬垫单面焊在国内的广泛应用，陶瓷衬垫的研究也呈不断扩大的 趋势，陶瓷衬垫也逐渐由最初的依靠进口渐渐地实现陶瓷衬垫国产化【6 】【9 1 。 陶瓷衬垫具有如下主要特点： 1 ) 陶瓷衬垫具有合适的熔点，在电弧热作用下，成形槽表面部分熔化，对 焊缝金属起润滑作用，增加液态金属的流动性，使焊道背面成形良好、平滑。 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 架窜动造成的衬垫托力不均匀、衬垫错位、焊漏及成形不良等问题。 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 件的焊接。针对不同板厚、不同形式坡口的不锈钢板，采取不同形式的陶瓷衬 垫。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 本课题主要研究内容 市场上大多都是c 0 2 气体保护焊用陶瓷衬垫，而手工电弧焊用的陶瓷衬垫 种类较少，手工电弧焊作为一种传统的焊接技术且依旧占据着主要焊接地位， 对单面焊的发展具有相当重要的实际意义。本课题的研究目的是利用手工电弧 焊焊接工艺，研制出适合手工电弧焊用的单面焊双面成形的陶瓷衬垫。 主要研究内容如下： 1 ) 陶瓷衬垫配方的研究。通过对衬垫配方的优化设计，研制出适合手工电 弧焊单面焊的最佳配方。 2 ) 陶瓷衬垫制作工艺的研究。通过对所有配方衬垫的制作工艺过程来总结 出影响衬垫制作工艺的因素。 3 ) 陶瓷衬垫单面焊工艺的研究。通过焊接工艺试验来验证所烧结陶瓷配方 的合理性及可行性并分析焊接规范参数和工艺因素对背面焊缝成形的影响规 律。 4 ) 陶瓷衬垫单面焊工艺评定。通过力学性能实验以及焊缝化学成分分析衬 垫对焊缝性能及成分的影响。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章手工电弧单面焊基本理论 2 1 单面焊双面成形的方式和特点 手工电弧单面焊双面成形就是采用在焊件的一面焊接，而使得两面均成形 的焊接工艺方法。手工电弧焊设备简单，操作方便，但效率不高，采用单面焊 双面成形技术可以提高焊接效率，获得成形良好的焊缝。 单面焊双面成形可分为两种基本方式，即自由成形和强制成形单面焊。自 由成形时，焊缝背面不加任何衬垫材料，仅依靠熔化金属的表面张力防止熔池 下漏而形成焊缝。自由成形时工序最为简单，但要求工件间隙合理，间隙过小 难以保证焊透；间隙过大则容易发生烧穿等缺陷。所以自由成形对焊接规范要 求较为严格。焊接规范不仅影响熔池的受力情况，同时也影响熔池的形状和体 积。焊接规范不当会引起未焊透或者烧穿等缺陷，所以自由成形时焊缝质量难 以保证，对焊接工艺参数要求相当严格。在目前的技术条件下，其推广受到一 定限制。 强制成形单面焊双面成形时，焊缝背面加有承托金属熔池的衬垫，并防止 熔池下漏而强制焊缝背面成形。衬垫在焊前安装。衬垫的作用之一是保持熔池 不下流以防烧穿，使焊缝背面强制成形。强制成形对接头间隙要求没有自由成 形严格，使用的焊接规范较宽，同时焊缝质量易于保证，在现代焊接产品中越 来越受到重视。采用单面焊双面成形焊接工艺时，可以适当加大焊接规范，使 接头有足够的熔深，保证焊透。 2 2 强制成形单面焊的实现条件 1 2 】 在单面焊的条件下实现双面成型，在焊件背面形成焊缝形状，需要在焊接 时有足够的熔深，保证焊缝根部熔透。熔透即电弧热作用到焊件背面使之形成 一定宽度的熔化区，作用于该区的力较多，熔化区即熔池受到的力对熔池尺寸 有很大影响。因此，实现单面焊双面成型的首要条件是焊缝根部的一次性熔透。 首先分析在自由成型条件下的单面焊。这种条件下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主要集中在熔池的上表面，而且上表面 5 武汉理工大学硕+ 学位论文 受电弧保护，表面温度较高，熔化区的上表面张力非常小。若不考虑次要因素， 此力可忽略不计。焊接时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 熔池在电弧作用下受到的作用力： 电弧压力f a ：主要包括等离子力、电磁压力、熔滴过渡的冲击力。 液态熔池重力f g 以及液态金属的表面张力f o ，且有垂直向上的分力为f s 。 那么f a 、f o 、f s 保持平衡时有： f a + f o - - f s ( 2 - 1 ) 若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 所示。 y 6 武汉理工大学硕士学位论文 根据物理化学中有关表面现象的知识可知：柱体液面的附加力为p 带- - - o r 。 0 为液体的表面张力；r 为柱面半径，p 咐的方向指向柱体轴心并垂直中心轴。假 设熔池表面各处表面张力相同。则表面张力垂直向上的分力f s 计算如下： 取液面弧长为d l ，设液柱长度为l ，则d l 上产生的分力为： 抒；= ! s i n 口d l ， 一i ：! 厶s i no ：r d r ，i = a es i n 谢口 贝0f f 2 州仃三血“口 = d 【- c o s 口船 = 2 0 , c o s 口 则式( 2 1 ) 可改写为：f a + f c , = 2 0 l c o s 0 将式( 2 2 ) 改写为平均压力式为：p + h g p = 2 0 c o s o w b 式中：p a 电弧压力 h 熔化金属平均厚度 p _ 瑚化金属密度 ( 2 2 ) ( 2 3 ) o _ _ 瞎化区背面液态金属的表面张力 秒搭化区根部表面切线与焊件背面垂线间夹角 w b - 一焊缝背面熔化宽度 则式p a 斗_ h g p = 2 0 c o s 0 w b 是实现自由成形单面焊双面成形在理论上的表达 式。 然后分析强制成形下的单面焊，其力学模型见图2 3 ，图中的p 为电弧压力， f g 为熔池的重力，f l 为假定的衬垫对背面熔池的承托力，f 2 和f 3 为表面张力。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 强制成形单面焊的力学模型 对应自由成形，实现强制成形单面焊的条件是： f + h g p - - 2 a c o s o w b( 2 - 4 ) 2 3 单面焊衬垫材料的种类和特点 2 3 1 衬垫材料的种类 根据衬垫材料的材质特点可分为金属衬垫和非金属衬垫两大类。 1 ) 金属衬垫 金属衬垫是用金属材料制成。主要有钢质衬垫和铜质衬垫。 ( 1 ) 钢质衬垫。钢质衬垫是用与母材性能相匹配的窄钢带制成，一般焊后 不拆除保留在焊缝上。 ( 2 ) 水冷滑块式铜衬垫。该衬垫是由黄铜制成，焊接时随电弧移动。由循 环冷却水对衬垫进行强制冷却以防衬垫烧坏。 ( 3 ) 焊剂铜衬垫。该衬垫亦有黄铜制成，且在黄铜成形槽内均匀撤放细 颗粒焊剂。焊接时焊剂熔化而铜不熔化，一般要有压力架配合使用。 2 ) 非金属衬垫 非金属衬垫是由一定成分的非金属材料制成。目前应用广泛，已逐渐取代 了金属衬垫。主要有一下几种： ( 1 ) 热固化焊剂衬垫。该衬垫是在焊剂中加入热固化剂而制成，呈条状， 固化成形后经包装后使用。 ( 2 ) 黄砂衬垫。该衬垫是由一定颗粒度和一定成分的黄砂制成，呈颗粒状。 ( 3 ) 玻璃纤维软衬垫。该衬垫是由多层纤维布而组成。衬垫柔软可弯曲任 8 武汉理工大学硕士学位论文 意弧度。， ( 4 ) 绳状衬垫。该衬垫是在较小直径的玻璃纤维袋内装入一定成分的粉料 而制成。属软衬垫。 ( 5 ) 低温烘干陶瓷衬垫。该衬垫是在陶瓷材料中加入玻璃作为粘结剂压制 成型后低温烘干经组装而成。 ( 6 ) 高温烧结陶瓷衬垫该衬垫是在陶瓷材料中接入少量的水作为粘结剂 压制成型后高温烧结成瓷经组装而成。 2 3 2 衬垫材料的特点 不论哪一种衬垫其作用均是对焊接熔池起衬托作用，防止熔池流漏，强制 焊缝成形。但衬垫种类不同，其作用效果也不同。使用时衬垫必须与背面母材 接合良好。表2 - - - 1 对衬垫材料的特点进行了比较。 从表中得知：非金属衬垫中除黄砂衬垫外，均具有使用灵活、方便的特点， 可用于一定曲率的单面焊接，高温烧结型陶瓷衬垫由于经过了高温烧结过程， 克服了其它非金属衬垫的不足，显示出其独特的优点，成为现代焊接生产中应 用最广泛效果最佳的衬垫材料。主要应用于手工电弧焊和二氧化碳气体保护焊 及半自动焊，同时也逐步推广到了m i g 焊和t i g 焊，借助焊接夹具可以应用到 直径小于5 0 0 m m 的管道环缝和纵缝的焊接。目前金属衬垫中的铜衬垫主要用在 规则的平直长对接焊缝上。 综合表2 1 中的各种特点，对高温烧结陶瓷衬垫材料及其工艺进行研究是有 价值的。 9 武汉理工大学硕士学位论文 注：衬垫质量主要指：外观质量、强度、可弯度 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 陶瓷衬垫单面焊基本原理 2 4 1 焊接时的金属结晶过程 陶瓷衬垫焊熔池周边是由母材金属和衬垫所组成的一个模体。由干陶瓷衬 垫与母材金属的导热性相差很大，熔池的散热处于极不均匀的状态，熔池两边 散热很快j 底部散热慢，在正常焊接时，随着电弧的移动，熔池冷却开始结晶， 熔池上部受电弧的加热作用温度高于底部，熔池液态金属的结晶是自下而上结 晶，与钢板上堆焊相比，其熔池的结晶方向更垂直于焊缝中心线。当电弧中断， 熔池上部的加热被去掉，由于陶瓷衬垫的保温作用，熔池底部的温度会高于上 部，这时熔池是自上而下结晶或结晶方向垂直于焊缝中心线。 2 4 2 母材熔透 焊缝熔深主要受焊接电流和焊接速度的影响，图2 3 为熔池形成示意图， 一 当电流增加时，电弧力( 电磁力，等离子流力等) 增加，熔深h 随之增加。焊接速 度与熔深不是简单的线性关系，某一焊接电流达到最大熔深时对应有一个焊接 速度，在这个速度以下熔深随速度的增加而增加，在这个速度以上熔深随速度 的增加而减小。焊接速度较慢时，单位长度焊缝的熔敷金属增多，焊缝厚度增 加，熔池底部受电弧直接的热冲击作用减弱，熔深减小，当焊速很大时线能量 降低，母材受到的热作用减弱及母材的散热作用，熔深也会减小。在背面无衬 托的情况下，实际生产中会出现焊漏或者焊不透的情况，很难控制。陶瓷衬垫 焊在无间隙时必须要有足够的电流以及速度的配合才能焊透，当电流受到限制 无法增大时，应配合装配间隙而达到充分焊透的目的。 图2 - 3 普通熔池示意图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 背面焊缝余高形成 陶瓷衬垫单面焊熔池形成示意图如图2 - 4 ，在有间隙焊时必须保持电弧下有 一定厚度熔融金属( 即a ) ，当焊速较快时，a 逐渐减小，衬垫受电弧直接热冲击 作用增加，衬垫熔化深度( 即d ) 增加。如果衬垫熔渣保持原位不动，熔池底部的 空间不会有太大变化，焊缝余高也不会增加，但实际上凝固后衬垫表面熔渣的 厚度( 即c ) 在表面张力作用下，变化不大，一般在2 m m 左右，衬垫熔渣由于电弧 的直接热冲击及熔池的搅拌作用，多余的熔渣被带到焊缝表面，使熔池底部空 间增大，焊缝余高增加，严重时焊缝背面形成脊背。即当a 很小时，衬垫直接受 电弧热冲击作用，其熔化形状反映了电弧的热能分布。若焊速更快，a 接近于零， 这时电弧直接与衬垫作用，由于衬垫不导电，将会引起电弧不稳定，焊丝拽到 衬垫上，使焊缝背面高低不平或断弧。 母材电弧焊条熔池焊缝 图2 4 陶质衬垫单面焊熔池示意图 由以上分析可知，背面焊缝余高主要由衬垫熔化深度决定。当衬垫熔深大 于衬垫熔渣厚度时，随d 的增加，余高增大。图2 - 5 为衬垫厚度方向温度分布状 态，电弧底部熔融金属厚度受焊接电流和速度影响，当a 增大时，熔池底部受电 弧直接热冲击作用减弱，熔池底部温度低，反之熔池底部温度高，由图2 5 所示， 熔池底部温度增加，曲线上移，d 增大；衬垫耐火度增加，d 减小。因此提高衬 垫耐火度对降低焊缝余高是有益的，但衬垫耐火度的提高要受到金属熔点的限 制，否则焊缝成形难以保证。因此在一定的装配条件下，焊缝余高受焊接规范 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 和衬垫耐火度的综合影响，最好是能使衬垫熔化深度小于或等于衬垫熔渣厚度， 焊缝余高就可直接由衬垫成形槽控制。 t 再 j l 图2 5 衬垫厚度方向温度分布 其中t l 一衬垫耐火度 t 2 金属熔点 t 3 熔池底部温度 州垫厚度 蝴化深度 1 3 武汉理工人学硕士学位论文 第3 章手工电弧单面焊陶瓷衬垫设计研究 陶瓷衬垫的设计不仅直接影响焊接过程的稳定性及焊缝质量，而且对衬垫 块的制作工艺也有很大影响。一般采用国内资源丰富的矿物原材料，不同的原 材料来源，对衬垫块的配方影响很大、随着陶瓷衬垫焊应用范围的扩大，对配 方也提出了更高的要求。不同的焊接方法都需要有不同的衬垫配方才能得到好 的焊接效果。 3 1 设计原则 为了保证单面焊焊接过程的顺利进行，保证焊接质量和衬垫使用性能，衬 垫设计时考虑以下几个方面的问题： 1 ) 使用方便灵活 接缝背面装置衬垫要灵活方便，易于对中焊缝中心。对工件间隙要求不严 以降低对装配工序的要求。对错边和坡口角度不敏感并且能适用于较广的焊接 规范。 2 ) 衬垫应具有较好的物理性能 衬垫应能保持固有的外形，应具有一定的致密度和强度，应有较好的抗潮 性和较小的吸湿性。应有较好的冷热骤变稳定性，有适当的耐火度和合适的熔 化温度区间。焊接时能承受电弧的冲击，有适当的液相界面张力，以保证良好 的反面成形。 3 ) 良好的操作性能 施焊时，电弧能稳定燃烧，熔池清晰，焊缝反面熔渣覆盖保护完好，并且 脱渣容易。 4 ) 焊缝质量符合要求 单面焊质量优良，具有优良的机械性能，并且在正常焊接条件下无焊接缺 陷。 5 ) 衬垫应符合卫生标准 衬垫在使用过程中不应释放有害人体健康的气体和烟尘。 根据焊接质量的要求，在设计衬垫配方过程中，衬垫成分要考虑许多方面 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的因素，衬垫成分不仅影响到焊缝的外观质量，同时也会影响到焊缝的化学成 分及其机械性能，为了使试验简化，同时又能满足焊缝质量的要求，在具体的 焊接方法和正常的焊接规范下应遵循以下的设计原则： ( 1 ) 反面焊缝成形美观、合理 反面焊缝的熔宽和愈高均匀合理，并且过渡圆滑；反面焊缝的余高系数符 合标准要求。 ( 2 ) 反面焊缝表面光滑无成形缺陷 在正常焊接条件下，反面焊缝无未焊透、未熔合、烧穿、咬边、焊瘤、凹 坑、表面气孔等缺陷。 ( 3 ) 焊缝成分稳定合理 焊缝中不应出现严重的成分偏析，并且要有稳定合理的化学成分，s 、p 等 杂质含量在规定范围之内。 ( 4 ) 焊趾整齐 ( 5 ) 衬垫的压制和烧结性能好 ( 6 ) 衬垫应能满足高质量焊缝要求的物理和化学性能。 ( 7 ) 焊接过程能顺利进行。 ( 8 ) 原材料立足国内、尽量选用资源丰富、质量稳定、运输方便、价格低 廉的原料。 3 2 配方原料的选择 陶瓷材料的特性基本上是由混合料来控制，并且受颗粒尺寸和陶瓷烧结体 气孔率的影响，而后者也受制备方法的影响。 陶瓷及其他硅酸盐制品所用原料大部分是天然的矿物或岩石，其中多为硅 酸盐矿物。这些原料种类繁多，资源蕴藏丰富，为陶瓷工业的发展提供了有利 的条件。陶瓷原料按原料的工艺特性主要分为可塑性原料、瘠性原料、熔剂性 原料三大类圈。 3 2 1 可塑性原料 可塑性原料的矿物成分主要是黏土类原料，包括高岭土、多水高岭土、烧 后呈白色的各类型黏土和具有增塑作用的膨润土等。随着各种黏土原料所含的 1 5 武汉理t 大学硕士学位论文 矿物组成不同，尤其是矿物种类的不同，以及杂质矿物含量的多寡，其化学组 成变化很大。但由于黏土矿物中的主要黏土矿物都是含水的硅酸盐，因此其主 要化学成分是s i 0 2 、a 1 2 0 3 和h 2 0 ，此外随着地质生成条件的不同，还会含有少 量的碱金属氧化物k 2 0 、n a 2 0 ，碱土金属氧化物c a o 、m g o 以及f e 2 0 3 和t i 0 2 。 它们均属层状构造的硅酸盐，具有一定可塑性的矿物，它们在生产中起塑化和 结合作用，赋予坯料以塑性和注浆成型性能，保证干坯强度及烧后的各种性能， 如机械强度、热稳定性及化学稳定性能，并赋予坯体以一定的白度。它们是成 型得以进行的基础，也是黏土类陶瓷的成瓷基础。 高岭土是一种以高岭石或多水高岭石为主要成分的具有强可塑性的黏土。 一般高岭土原矿中含有少量蒙脱石、伊利石、水铝石以及石英、云母、黄铁矿、 有机质等杂质。经过手选或淘洗后，某些高岭土的化学成分可接近高岭石的理 论组成。高岭石的理论结构式是a 1 4 s i 4 0 l o ( o h ) 8 ，化学式为a 1 2 s i 2 0 s ( o h ) 4 或 a 1 2 0 y 2 s i 0 2 2 h 2 0 。理论化学成分为：s i 0 2 4 6 5 4 ，a 1 2 0 3 3 9 5 0 ，h 2 0 1 3 9 6 。 高岭石的结晶属于双层结构硅酸盐矿物，即每一晶层系由一层硅氧四面体 ( s i 0 4 ) 和一层铝氧八面体 a 1 0 2 ( o h ) 】4 通过共用的氧原于联系在一起。高岭石是由 许多具有这种双层结构的平行的晶层组成，相邻两晶层通过八面体的o h 键和另 一层四面体的氧以氢键相联系，一因而它们之间的结合力较弱，层理易于裂开及 滑移。层间不易吸附水分子，但由于水分子的楔裂作用，或外部机械应力的作 用，易使层间分离，或使粒子破坏，增加比表面积，提高分散度，增加可塑性。 3 2 2 瘠性原料 瘠性原料是一类不具有可塑性的原料，其作用在于可以提高液相黏度，能 降低粘土或坯泥的可塑性与粘结性，防止高温变形，减少它们的干燥与烧成收 缩，冷却后在瓷坯中起骨架作用。因此，当传统的陶瓷坯料中加入适当数量的 这类瘠性原料之后，不仅其成型性能好，而且干燥与烧成收缩小，从而有利于 减小变形与开裂缺陷产生的可能性。瘠性原料的矿物成分主要是非可塑性的硅、 铝的氧化物及含氧盐。如石英、蛋白石、叶腊石、黏土煅烧后的熟料、瓷粉等。 硅石系指一类所有含二氧化硅的天然矿物，这是一类自然界中藏量最多的 矿物。在构成地壳的造岩矿物中，s i 0 2 的含量达5 0 以上。它们的存在形式或 为单独含s i 0 2 的矿物，或与其它氧化物结合成各种硅酸盐矿物。自然界中最纯 的含s i 0 2 的矿物为水晶，由于其产量很少，且工业上又有非常重要的用途，故 1 6 武汉理_ t 大学硕士学位论文 陶瓷工业极少使用。 石英是硅石类原料中最重要的一种，故习惯有时将两者混为一谈。在传统 的陶瓷坯料配方中，石英占有很大的比重。不仅如此，石英也是釉料配方中的 重要成份之一。对于坯料配方而言，烧成前的石英属于瘠性原料，能对泥料的 可塑性起调节作用。此外，尚可降低干燥收缩、缩短干燥时间与防止坯体出现 过大的变形；烧成中，石英晶型转化所产生的膨胀可部分抵消坯体的收缩当 玻璃质大量出现时，石英又可在陶瓷坯体中起骨架作用，可避免坯体产生弯曲 变形等缺陷。此外，石英还是使坯体具有一定机械强度的因素之一，并赋予瓷 坯以一定的透明度与白度。 陶瓷工业中使用的高铝质原料包括结晶型氧化铝、熔融氧化铝及含水的铝 氧矿物三类。结晶型氧化铝具有多种晶型，a a 1 2 0 3 即为其中的一种。天然产物 以无色或有色结晶的无水氧化铝为其唯一形式，如刚玉。工业上使用的氧化铝 多含有铁质及较多的s i 0 2 ，共熔点多在1 8 5 0 - 2 0 0 0 之间。含水铝氧矿物是自然 界中的一类含氧化铝较高的铝氧水化物。如水铝石、三水铝矿及铝土矿。由于 自然界中很少有纯的铝氧水化物存在，故多以铝矾土或铁矾土的形式出现。这 类原料在陶瓷和耐火材料工业中有很高的使用价值。与黏土原料相反，它们没 有可塑性，而其中的a 1 2 0 3 含量特别高。在水铝石、三水铝矿及铝土矿等类天 然含水铝氧原料中，前二者为结晶状态，由胶体状态的氧化铝结晶而成。至于 铝土矿，则可视为它种状态的水化氧化铝的混合物。由于含水铝氧矿物加热时 有显著的收缩性，故只有锻烧过的矿物才算是有价值的高铝氧原料。 3 2 3 熔剂性原料 陶瓷配方用的熔剂性原料系指一类在1 3 0 0 的高温下能产生熔融物的原 料，原料的矿物成分主要是碱金属，碱土金属的氧化物及含氧盐。如长石、伟 晶花岗岩等。此外，还有一类能起助熔作用的原料，尽管这类原料单独熔融时 的温度很高，但将其少量地引入坯料中去时能与粘土原料中的s i 0 2 、a 1 2 0 3 形成 低共熔物，从而可降低制品的烧成温度。属于这类原料的有方解石、石灰石白 云石、滑石及磷灰石等。 长石系陶瓷配方用的主要原料之一，具有熔剂作用。众所周知，单用粘土 与石英配成的坯料具有很高的烧成温度，故须酌量加入熔剂性原料，以使多孔 的坯体易于形成结构致密而无渗透性的瓷坯。从坯料制备来说，熔剂性原料又 1 7 武汉理- 【大学硕十学位论文 具有减粘作用。 陶瓷生产中常用的长石为钾长石、钾微斜长石、钠长石及斜长石中富含a b 的长石。至于钙长石与钡长石，则因其熔融温度太高，不能单独作熔剂使用。 上述用于陶瓷生产的长石中，又以钾长石和钾微斜长石最好，这是因为它们的 熔融温度较低及熔融温度范围较宽的缘故。虽然钠长石与钠微斜长石的熔融温 度比钾长石与钾微斜长石的低，但它们的高温粘度小，易引起制品的高温变形， 故很少用于坯料配方中。 3 3 配料的计算 陶瓷坯料系由多种原料按照一定配比配制而成的。为了得到一定最终组成 的制品而需加入的各种原料数量，需要进行配料计算。陶瓷的配料计算是一个 相当复杂的问题，因为不仅瓷质的化学组成与坯泥的工艺性能之间无直接的、 一定的联系，以致难以兼顾这两个方面的要求，而且还在于原料( 特别是黏土原 料) 组成复杂，受产地及形成条件的影响。这一情况既要考虑，但又不易于灵活 掌握。此外，当配比确定后，工艺条件也在一定程度上影响着坯体的性能，这 点也同样需要在配方时事先估计到【2 3 1 。 陶瓷衬垫的组成决定着衬垫的性能，因此衬垫配料计算的精确性将直接影 响产品的性能，同时也会影响试验结果的严密性及可靠性，因此，配料的计算 是陶瓷生产实际中非常重要的一环。 陶瓷坯料的计算主要有三种方式。其一是由化学式计算实验式，其二是由 实验式计算坯料的化学组成，其三是由配料量计算实验式，在本试验中，采用 的是由化学组成计算实验式，即确定试验配方中个成分的百分含量。主要步骤 如下：