（材料加工工程专业论文）co2单面焊陶质衬垫的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 单面焊是一种高效的焊接技术，已广泛地应用于船舶、压力容器、桥梁和各 种大型钢结构及设备的制造。与双面焊相比，它能够显著提高生产效率、降低工 人的劳动强度，并改善工作环境、提高焊接质量，具有十分显著的经济效益和社 会效益。国内外都非常重视单面焊接工艺的研究和应用，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。从国内实际出发， 本文针对目前市场上需求量大的c 0 2 单面焊用高温烧结型陶质衬垫进行了一系 列的研究。 从单面焊双面成形的理论模型出发，对比了强制成形和自由成形的工艺性 能。研究陶质衬垫的制造工艺，包括陶瓷原料，粉料处理，压制成形和烧成。 文章重点论述了c 0 2 单面焊陶质衬垫的配方设计，首先提出c 0 2 单面焊对衬垫 的性能要求，计算衬垫的性能参数，利用v i s u a lb a s i c 语言设计配方计算的程序， 通过正交试验，筛选试验和微调试验，确定出最终配方。结合对比试验对所有 试验结果进行多元线性回归及单因素分析，同时分析衬垫的陶瓷相。对最终配 方进行c 0 2 焊接工艺实验，评定焊缝的质量，讨论焊接规范参数和工艺因素对 背面焊缝成形的影响规律。 从焊接化学冶金的角度分析了衬垫熔渣与熔池金属的冶金作用，讨论熔渣 的碱度对焊缝中s i 、m n 过渡的影响。 衬挚c 0 2 单面焊焊接接头的力学性能表明：焊接接头的力学性能优良，焊 缝内部无缺陷；焊缝化学成分分析表明背面焊缝金属的化学成分完全满足规范 要求。背面焊缝的形状与焊接电流、电弧电压、焊接速度、坡口间隙等有密切 关系。采用本文所研制出来的衬挚进行c 0 2 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，衬挚抗潮性能优，焊前无 需烘干，达到了生产的要求。 关健诩：c 0 2 单面焊陶质衬垫配方工艺实验冶金作用 i v 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 va 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 m c t i l r e 髓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 d w i t ht w o s i d e dw e l d i n g , i tc a i lr e m 破a b l ve 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 e w o r k e r sl a b o ri n t e n s i t y , i m p l i 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 y t h e f o r c i b l e o 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 si sv 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 a l i s to fr e s e a 】c hh a sb e e n d o n eo nh i g ht 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 g u s e df o r t h eg r e a td e m a n do n e - s i d e dc 0 2w 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 l s f r o mp 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 ct h e o r ym o d e lo 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 d 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 g w 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 s w a sd o n e ，i n c l u d i n gr a wc e r a m l c m a t 甜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 t o nt h ed i s c u s s i o n o ff 0 n n 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 dc 0 2w e l d i n g ，f i r s tt h e p r o p e r r yr 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 d f o ro n e s i d e dc 0 2w e l d i n gw a s b r o u g h to u ta n dp 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 s w a sc a l c u l a t e d c o m p u t e r p r o 茚锄n so nb a s i so 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 g t e s ta n df i n ea d j u s t m e n t t e s tw e r eu s e dmt h e m a n u f a c 嘁o fb a c k i n g st od 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 n a 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 t h c o m p a i a t i v et e s t sa sw e l la sc 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 dc 0 2w e l d i n g p r o c e d u r et e s th a sb e e nd o n ew i t ho p t i m u mf o r m u l a t oe v a l u a t ew e l dq u a l i t y ，a n dt h e i n f l u e n c er o l eo fw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dt e c h n i c a l f a c t o r so nb a c kw e l dw e r e d i s c u s s e d v 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 、惴a 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 i t so f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f w e l d e d j o i n t so f o n e s i d e dc 0 2w e l d i n g w i t hb 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 s o fw e l d e dj o i n t sa r eo fg o o d q u a l i t ya n di 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 ；c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i s o ft h e w e l di n d i c a t 。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 e s h a p eo fb 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 g v e l o c i t y , g r o o v eg a p ，e t c o n e - s i d e dc 0 2 w 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 d b vm et h e s i sw 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 t o n ， e l e g a n ta p p e a r a n c e o fb a c k w 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 s i se x c e l l e n tw h i c hc a nm e e tt h e p r o d u c 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 ：o n e - s i d e dc 0 2w 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 ， m e t a l l u r g ya c t i o n v l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的学术背景和意义 c 0 2 气体保护焊自上世纪5 0 年代诞生以来，作为一种高效率的焊接方法， 在我国工业经济的各个领域获得了广泛的运用。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，得到了前所未有的普及，成为最优 先选择的焊接方法之一【l 】。c 0 2 单面焊双面成形是一种高效。优质的焊接方法， 而陶质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， 使用快捷、方便，陶质衬垫c 0 2 单面焊时，焊缝背面加有陶质衬垫，衬垫承托 金属熔池并防止熔池下漏而强制焊缝背面成形【2 1 。这种焊接方法避免了清根、 仰焊及狭窄封闭环境内作业，减轻了焊工劳动强度，使焊接生产效率成倍提高， 焊接质量得到保障，同时对人体及环境不会造成危害。 在c 0 2 单面焊中，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。 1 2 国内外陶质衬垫单面焊的发展和应用 国外学者对于陶质衬垫及陶质衬垫单面焊的研究始于2 0 世纪8 0 年代， 1 9 8 0 年，d o r a ，l 和v i l l a i n ，j 通过焊接工艺实验，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副3 1 ，g i b b s ，f e 研制出适用于5 0 8 3 铝合金全 位置g m a 焊接的陶质衬垫【4 】。1 9 8 1 年，b l o m q u i s t p a u la 研究了陶质衬垫埋弧 焊顺利热启动的关键问题【5 】。1 9 8 2 年，c a n t r e l l 和r o g e r e 对焊接用陶质衬垫进 行了评价分析【6 】。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【7 1 。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【引。 陶质衬垫焊在中国工j 止生产中出现始f 二十世纪八十年代，一些大的船厂 武汉理工大学硕士学位论文 为了提高焊接效率，缩短造船周期，大力投入技术改造，依靠进口设备和材料， 在船体建造中逐步推广应用。进入九十年代，c 0 2 焊陶质衬垫完全国产化，相 配套的设备和工艺日趋完善，陶质衬垫焊方法在船厂广泛应用。据我国造船业 1 9 9 9 年度统计，陶质衬垫耗量达六十五万米以上。 造船业的大规模应用促进了陶质衬挚焊方法在其它行业的推广。目前，在 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，陶质衬垫需求呈节节上升趋势【9 j 。 目前，随着c 0 2 单面焊的深入研究，陶质衬垫的发展与应用以及近年来有 很大的发展，已经有很多人进行陶质衬垫的研制 n - 1 9 。但也存在的一些问题： ( 1 ) 陶质衬垫中成分配比不合理，衬垫的物理性能较差，如衬垫的熔融温 度、衬垫熔渣的粘度和流动性，衬垫的吸潮率和吸水率等，进而对焊缝性能构 成影响。 ( 2 ) 陶质衬垫圆弧面成型槽与焊接构件坡口钝边之间的空间较为狭小，贮 渣能力非常有限，熔渣很容易挤入焊缝边缘引起咬边现象。 ( 3 ) 圆弧面成型槽底部最低处与电弧能量密度高斯分布曲线波峰处相对应， 使得圆弧面最深处产生的热冲击最大，产生的熔深最大，形成指状熔深，背面 焊缝容易形成脊背。 ( 4 ) 圆弧面成型槽对装配间隙，对中位置和焊接规范比较敏感，稍有偏离 就会导致焊缝成型质量缺陷。如果加大圆弧面成型槽的深度，焊缝余高也会相 应增高，焊缝虽然饱满了，也无咬边现象了，但余高太大，也不符合焊接要求， 为了得到余高小的焊缝效果，人们往往采取较小的圆弧面成型槽，但成型槽越 小所导致的焊缝质量问题现象也越严重。 1 3 单面焊衬垫材料的种类和特点【1 0 】 1 3 1 衬垫材料的种类 根据衬趣材料的材质特点可分为金属衬垫和非金属衬垫两大类。 1 3 1 1 金属衬垫 金属衬垫始用金属材料制成，主要有钢质衬垫和铜质衬挚。 ( 1 ) 钢质衬垫钢质衬垫始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。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 水冷滑块式铜衬垫该衬垫式有黄铜制成，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 ) 焊剂一铜衬垫该衬垫也由黄铜制成，且在黄铜成形槽内均匀撒放细颗 粒焊剂。焊接时焊剂熔化而铜不熔化，一般要和压力架配合使用。 1 3 1 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，目前已逐渐取代了金属衬垫。 非金属衬垫主要有以下几种： ( 1 ) 热固化焊剂衬垫该衬垫时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 ) 玻璃纤维衬垫该衬垫石油多层纤维布而组成，衬垫柔软可弯曲任意弧 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 ) 低温烘干陶质衬垫该衬垫是在陶质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 ) 高温烧结陶质衬垫该衬垫是在陶质材料中加入少量的水作为粘结剂压 制成型后低温烘干成瓷后经组装而成。 1 3 2 衬垫材料的特点 不论是哪类衬垫，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。 表1 一l 对衬垫材料的特点进行了比较，从表l l 中可知：j 二金属衬挚中 除黄砂衬挚外，均具有使用灵活，方便的特点，可用于有一定曲率的单面焊接， 高温烧结陶质衬垫由于经过了高温烧结过程，克服了其它非金属j 寸垫的不足， 成为现代焊接，产中应用效果最佳的衬垫材料。主要应用于手工电弧焊和c 0 2 气体保护焊，同时也逐步推广到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 的管道焊缝和纵缝的焊接。目前金属衬垫中的铜衬挚主要在规则 的i f 直长对接焊缝上。 由此可见，研究和开发高温烧结陶质衬垫材料及其工艺进行研究是很有价 值的。 武汉理工大学硕士学位论文 注：衬挚质量主要指：外观质量、强度、可弯度。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究目的、方法和主要内容 本课题的研究目的是制备c 0 2 单面焊用陶质衬垫，通过正交试验、筛选试 验及微调试验找出原料的最佳配比，通过力学性能实验评定焊接接头的性能， 通过反复的试验验证以制备出适应c 0 2 单面焊，可以提高c 0 2 单面焊焊缝综合 性能的陶质衬垫。本课题所采用的研究方法如图1 1 所示。 图l l 技术路线图 本文的主要研究内容有以下几点： ( 1 ) 用v i s u a lb a s i c 编写计算配方的程序。 本文采用v i s u a lb a s i c 语言编写了套计算配方的程序，和a c c e s s 数据 库建立连接以实现查询功能，通过计算机的辅助应用，使选择陶瓷配方的整个 过程变得简单快捷。 ( 2 ) 陶质衬垫的实验室制备 武汉理工大学硕士学位论文 使用已有的实验设备制备陶质衬垫，所用到的实验仪器有：球磨机，高温 电阻炉，手动液压式压制机，热处理低温炉，高温气氛炉。 ( 3 ) 正交试验设计、筛选试验、微调试验及对比试验 通过四因素三水平正交试验设计原料的最佳配比，对焊缝外观进行打分， 根据打分结果绘出趋势图，通过反复的正交试验和筛选试验、微调试验确定最 终的配方；通过单因素的对比试验，找出组成衬挚的各种原料和衬垫的各种组 分对衬垫性能参数和物理性能的影响。 ( 4 ) 衬垫单面焊工艺试验( 力学性能实验，焊缝化学成分分析) 每一轮的正交试验和筛选试验都需要进行衬垫单面焊工艺试验，最后确定 的最佳配方通过拉伸实验，弯曲实验和冲击试验评定单面焊焊接接头的力学性 能；对正面焊缝和背面焊缝的各元素进行化学测定。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。 ( 5 ) 衬垫熔渣与焊接熔池的冶金作用分析 分析衬垫熔渣与焊接熔池的冶金反应情况以及衬垫熔渣对焊缝性能的影 响。 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 单面焊双面成形的方式 单面焊双面成形技术，顾名思义，即是从焊件坡口的正面进行焊接，实现 正面和背面焊道同时形成均匀焊缝的操作工艺方法。单面焊双面成形操作过程 中，不需要采取任何辅助措施，只是在坡口根部进行组装定位时，应按焊接时 的不同工艺参数留出不同的间隙，在坡口的j 下面进行焊接时，就会在坡口的正、 背面都能得到均匀整齐、成形良好、符合质量要求的焊缝。该技术不受构件形 状、尺寸和空间位置的限制，操作方便，且焊接接头强度高，质量好，安全可 靠。与双面焊相比，既可保证正面焊透，又可省去翻转焊件、背面清根及重新 焊接等工序。 单面焊双面成形根据背面的成形方法可分为自由成形和强制成形两种形 式。所谓自由成形，就是完全依靠熔池金属的表面张力来承托熔池金属，使之 在自由状态实现焊缝背面成形的方法。自由成形时焊接规范很狭窄，只能选用 合适的电流与合理的接头间隙，难以保证焊缝稳定成形。强制成形利用强制成 形装置，如背面衬垫等托住熔敷金属，使熔池在衬垫上冷却凝固，达到一次成 形。强制单面焊时，可选用较大的电流，对坡口间隙的要求也不是那么严格。 因而强制单面焊的焊接规范比较广，同时焊缝质量还易于保证，故在现代焊接 领域中强制成形单面焊越来越受到重视。本课题所进行的焊接 艺研究将采用 陶质衬挚c 0 2 气体保护强制成形单面焊。 2 2 单面焊双面成形的力学模型 2 2 1 自由成形单面焊双面成形的力学模型1 0 】 实现单面焊的首要条件就是热输入量足够，保证熔透以使焊缝二f 亍面成形。 熔透即在电弧热的作用下使焊件背面形成一定宽度的熔化区。该区的受力模型 如图2 1 所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 熔化区的物理模型 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f g 垂直向上的分力为f s 。 那么f a 、f g 、f s 保持平衡时有： f a + f g = 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。 v x 图2 2 自由成形单面焊的力学模型 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 附= t ，r 。 f a 为液体的表面张力：r 为柱面半径，p 附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 为： 取液面弧长为d l ，设液柱长度为l ，则d 1 上产生的分力为： 武汉理工大学硕士学位论文 d f j ：一o - l s i l l 口d 2 ， ：旦三血戗胁 ，i - c r ls i n 口d c r 则f # f 2 。- 一仃e s i n 饯d 口 j j + 一 = 口三 - c o s d 舷一 = 2 龙c o s 9 则式( 2 1 ) 可改写为：f a + f g = 2 e r l c o s 将式( 卜- 2 ) 改写为平均压力式为：f a + h g p = 2 0 c o s o w b 式中：f a ：电弧压力 h ： 熔化金属平均厚度 g ： 重力加速度 p ：熔化金属密度 ( 2 2 ) ( 2 3 ) o ： 熔化区背面液态金属的表面张力 矽： 熔化区根部表面切线与焊件背面垂线间夹角 w b -焊缝背面熔化宽度 则式f a + h g p = 2 c r c o s o w b 是实现自由成形单面焊双面成形在理论上的表达 式p l 。 2 2 2 强制成形单面焊双面成形的力学模型 强制成形的力学模型见图2 3 ，图中的f a 为电弧压力，f g 为熔池的重力， f 1 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。 9 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 a + h g p 2 c r c o s o w b ( 2 _ 4 ) 2 3 两种成形方式的工艺性能对比 自由成形即在满足式f a + h g p = 2 0 - c o s o w b 的条件下，不用衬垫也可获得焊 缝背面成形。但式( 2 4 ) 是在f a ( f a o c l 2 ) 较小( 即电流较小) ，一次成形厚度h 、 焊件背面熔化宽度w b 较小的情况下才成立。这就导致自由成形时焊接规范很 狭窄，只能选用合适的电流与合理的接头间隙，难以保证焊缝稳定成形。电流 过小则未焊透，电流过大则易烧穿；对接头间隙要求也比较严格，间隙太大易 烧穿，间隙太小易未焊透。总之，虽然该方法因装配简单具有良好的适应性和 灵活性，但是背面焊缝成形不易控制，对焊接规范的选择要求较高，故在目前 仅在小电流对接自动焊中采用这种成形方式。 f a + h g p 2 c r c o s o f w b 时即可实现强制成形单面焊。式( 2 _ 4 ) 是在加大焊接 电流( f a 较大) ，增加一次熔化厚度h 的情况下实现的，这表明实现单面焊的 首要条件就是“熔透”。从而在进行强制单面焊时，可选用较大的电流，对坡口 间隙的要求也不是那么严格。因而强制单面焊的焊接规范比较广，同时焊缝质 量还易于保证。图2 5 是陶质衬垫c 0 2 单面焊示意图。 l o 武汉理1 ：大学硕十学位论文 图卜5 陶质衬垫c 0 2 单面焊示意图 滋 捞绥 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章c 0 2 单面焊陶质衬垫的制造工艺 3 1 陶质衬垫的组成 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 直径筒体的对接焊缝等。防粘纸平时用于保护和防止粘结剂固化，在焊接前揭 去。陶瓷衬垫成形槽底部中央划有一条红线，用于粘贴时与焊缝找正对中。陶 瓷块两侧的铝箔上沿衬垫长度方向分布着一些小孔，作为焊接时的排气孔。图 3 1 为陶质衬垫的组装示意图。 图3 1 陶质衬挚组装示意图 3 2 陶质衬垫的原料及作用 目前，陶瓷原料的分类尚无统一的方法，一般按原料的工艺特性划分为可 塑性原料、瘠性原料、溶剂性原料和功能性原料四大类。 3 2 1 可塑性原料 可塑性原料的矿物成分主要是黏土矿物，它们均属层状构造的硅酸盐，其颗 粒一般在显微粒度以下( f a ( f 因，f e ) ，说明该 因素对试验结果有显著影响。 4 4 2 正交试验过程 4 4 2 1 第一轮正交试验 根据c 0 2 气体保护焊的冶金及工艺特点，参考和分析国内外有关c 0 2 焊陶 质衬垫资料和文献，决定衬挚的主成分为a 0 2 b 2 0 3 m o 三元系统，并辅加其它 成分。在此基础上进行配比调整，为了减少试验次数，缩短研究时间，采用正 3 0 武汉理工大学硕士学位论文 交试验和微调筛选试验相结合的试验方法。考虑c 0 2 焊的冶金特点和热源特点， 在设计衬垫成分时要考虑衬垫成分所决定的衬垫热物理性能和高温化学特性。 衬垫的物性参数对焊缝背面质量的影响较为明显，如衬垫的耐火度、始熔温度、 界面张力和抗潮性能等。根据衬挚所选用的主成分和辅助成分兼顾试验周期将 试验设计为四因素三水平的正交试验，并将未列入因素作为不变量在这轮试验 中保持不变。四因素分别用a ，b ，c ，d 表示。a 因素为复合因素，其中有两组 元，改变二者比例构成a 因素的三个水平。b ，c 为单组元素，d 为固定元素： 球磨时间。压制和烧结在本试验中是未考虑因素。试验过程仅考虑成分因素。 正交试验分为两轮，所用的原料有黏土类原料1 2 # 和2 2 # ，瘠性原料2 # ，熔 剂性原料1 6 # 和1 1 # 。正交试验、筛选试验及微调试验所用的原料固定为这五 种原料。 第一轮试验采用4 因素3 水平的正交表l 9 ( 3 4 ) 进行方案设计，共进行9 次 试验，如表卜1 所示，表4 _ 1 a ) 为排定的因素水平表，表头设计见表4 _ 1 b ) ， 试验方案见表4 _ l c ) ，表4 1 d ) 为排定的9 种配方的原料组成。表中列号与试 验因数对应，而该列号下的数值即表示该因素所取的第几种水平。 表4 1 第一轮正交试验设计 a ) 因素水平表 b ) l o ( 3 4 ) 表头设计 武汉理工大学硕士学位论文 c ) 试验方案设计 ( 1 ) 各配方的物性参数 根据以上公式和衬垫配方成分，计算出第一轮试验各配方的性能参数计算结 果列表如表4 _ 2 所示： 表4 2 第一轮物性参数 酸性系数c a 0 60 6 40 6 8o 6 70 7 o 7 3o 7 10 7 40 8 耐火度t o c 1 6 9 8 61 7 1 61 7 3 3 1 6 9 61 7 1 21 7 2 11 6 9 31 7 0 1 1 7 1 7 始熔温度t 始( o c ) 1 4 4 41 4 6 01 4 7 31 4 4 2 1 4 5 61 4 6 31 4 3 91 4 4 61 4 6 0 3 2 1 2 3 2 3 1 3 1 2 l 2 3 l 2 3 1 2 3 1 l 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 6 4 9 6 孔m眄m3巧”勉”r鸺b吵 舶舭加鲳；詈嘶粥蛳加 怕眈o 7 o m 眈m 勉8纵如砒弘砒眦柏獬铉黜钻砒m铝钙 。乏o 4 巧石0 培母 武汉理工大学硕十学位论文 ( 2 ) 试验评分 将制造好的衬垫组装好进行焊接工艺试验，然后对9 种衬垫所对应的9 道 背面焊缝从各方面进行打分。 焊接试验条件：焊机，焊丝1 2 m m ，气体流量1 7 1 m i n ，电流1 9 0 , - - 2 0 0 a ， 电压2 6 - - 2 8 v ，焊速1 5 0 m m m i n ，板厚1 2 m m ，钝边0 ，v 型坡口和角度5 0 。 6 0 。，间隙7 m m ，板长3 0 0 m m ，接头形式：平对接。为了排除焊接条件的影响， 在整个试验过程中尽量选用相同的焊接规范和试验条件以便观察配方本身对焊 接质量的影响，所选用的规范参数是实际生产中常用的。 在试验评分中，采用多项评分方式，兼顾了衬垫的使用性能和生产工艺。 考虑到单面焊衬垫主要解决焊缝背面成形问题，所以背面成形满分的为5 0 分， 其余1 0 项满分为5 0 分。在评估打分过程中，由于没有定量的评分标准，所以 采用模糊评分方式，在背面成形中主要考虑背面焊缝熔宽和余高的均匀性，焊 缝的余高系数是否均匀合理等。采用四因素三水平正交试验，分十一项指标进 行评分，每种配方的衬垫压制烧结完毕之后进行单面施焊。根据衬垫的生产工 艺特点和焊缝质量，对衬垫进行综合评分和处理，评分结果如表4 - 3 。 表卜3 第一轮试验评分结果 序焊表光脱熔表 咬裂烧衬衬总分 号缝面滑渣合面边 纹结 垫垫1 0 0 成氧度性性气55温 变开 形化 555 孔 度形裂 5 055555 ( 3 ) 试验结果分析 利用f 交试验设计软件分析的结果见图4 1 。 7 4 名9 j 7 7 名 9 1 5 6 6 旷y 8 5趵舛蝤影矿鳃豁 4 4 5 5 5 4 5 5 4 4 5 5 5 5 4钻帖5 5 8 8 8 5 ”们4鹕船帖5 4 4 4 5 5 5 5 5 镪5 ” 5 5 5 5 5 5 5 5 5 化私5”私5 5 档档 5镪5 5 5 ”5 5 4 5钙私档”4 5 档4 4 4钻5镪帖5 5 钻 5 4 5铋”钻档5 4 5 5 8 9 8 2 8 o 2 4 4 4 4 4 4 4 5 4心m懈 武汉理工大学硕士学位论文 a ) 直观分析表 实验计戈蝣夷直观分析表l 效应曲线图l 交互作用表l 方差分析表 所在列1 234 因索锡硅比 氧化镇氧化钾钠 球磨时间 实验结果 实验1 l lh 了， 实验2 12229 1 4 实验3 13339 s 8 一一 ，一一， 一 一 实验4 2：1 2 39 7 9 实验52 2319 1 实验6 23128 7 实验7 31 32 9 7 1 实验8 3：2131 实验9 3321明8 均值19 2 3 0 0 9 4 09 1 6 0 09 n 5 3 3 一m 一 均值2 昭6 6 7弱2 0 0鄂7 0 09 1 嘲 均值3 9 3 g 6 7羽5 3 33 9 7 2 6 7 一” m 极差1 3 6 7 5 鸥74 7 3 3 6 7 3 4 删i 艄黻燃露 短黼裘| 黼1 分数 霎 善蓑磊 篓 善；萎 繁麓 霪 b ) 趋势图 qs衅甜 i 嚣毽菇 ；瓣胬弼孢ig铬解的强嚣约钙绚o 0 武汉理工大学硕士学位论文 c ) 方差分析表 实验计划表| 直观分析表| 效应曲线图l 交互作用表方差分析表l 因索 i 偏差平方和i 自由度i f i lf 1 1 名界值i 显著性 _ _ _ l l _ - _ _ 一； 氧化镁6 1 0 0 2 2| 1 ：，+ 。i 氧化钾钠 4 3 8 8 22：0 球磨时间；7 6 5 4 82| 1 一 一一“一一； 误差 1 8 5 1 78 ，。l 。，。，。 图4 _ 6 第一轮试验正交分析结果 从试验的评分结果表中可以直观的看到：9 组衬垫配方中1 8 得分最高为 9 8 分，其次是l - 4 组得分为9 7 9 分，而最低分为1 9 得分8 5 8 分。最高分与最 低分相差1 1 3 分得分高者说明衬垫的配方较为合理。而从单项分析可知：九组 衬垫在咬边现象、焊后焊缝表面气孔、熔合性以及焊后无裂纹这几个方面均取 得较高得分，表明衬垫在这些方面解决的较好；而在焊缝成形、衬垫烧结温度 和焊后衬挚开裂现象这几个方面的得分存在较大的波动，因此在这几个方面需 要进一步完善。 从各组衬垫的物性参数分析：得分最高的1 - 4 和1 8 的c a 值分别为o 7 1 和0 6 7 ，均在0 7 左右变化；而得分最低的1 - 9 的c a 值为0 6 ，呈强碱性并 与o 7 相差较大。这几组衬垫配方的耐火度都在1 7 0 0 左右。 根据第一轮试验的结果，我们得出最佳配合是a 2 8 1 c 3 ；当a 1 2 0 3 ： s i 0 2 ：( m g o + c a o ) ：( k 2 0 + n a 2 0 ) 的摩尔比为1 ：( 2 5 - - 2 7 ) ：( o 7 5 0 5 5 ) ：0 0 4 时，配方较好。因此，在第二轮正交试验中，我们将缩小水平的取值范围，在 较小的范围内得出最佳配方。 4 4 2 3 第二轮正交试验 此轮正交试验因素与上轮试验因素相同。由上轮试验结果可以知晓，第一 轮的可能好的配合是a 2 8 1 c 3 。应在此基础上设计出三因素的三个水平，并且水 平之间的距离有所缩小。仍按正交表排定试验方案，排序与前轮相同。第二轮 试验设计如表4 _ - 4 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 表争4 第二轮正交试验设计 a ) 因素水平表 b ) 配方的原料组成( 单位：g ) 1 5 8 1 8 8 2 1 6 1 5 6 1 9 6 1 8 。2 1 4 4 1 5 1 9 6 ( 1 ) 衬挚性能参数计算 性能参数计算过程和应用公式与前轮相同，计算结果见表卜5 。 表4 _ 5 第二轮试验衬挚的性能参数 酸性系数c a 0 7 0 0 6 80 6 60 7 2 20 70 6 9o 7 50 7 30 7 1 耐火度t ( o c ) 1 7 1 21 7 0 4 1 6 9 61 7 0 81 7 0 0 1 6 9 61 7 0 3 71 7 0 01 6 9 2 始熔温度t 始( o c ) 1 4 5 6 1 4 4 81 4 4 11 4 5 21 4 4 51 4 4 11 4 4 81 4 4 51 4 3 8 ( 2 ) 试验评分 采用与上轮同样的评分方式和评分标准；焊接试验条件与前轮相同，评分结 勰讲”枞蹴m抛娜 舶7 蛇 他m 4 m 镪8 凹黜 m 钉 筋m ” 弛 姒弘n嬲抛娜妣；i撕 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l _ l - l _ 九- l _ l - l - l l - 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 试验结果分析 利用正交试验设计软件分析的结果见图4 _ 7 。 a ) 直观分析表 实验计戈壕龚翅蝼瀚l 效应曲线囝 方差分析表| 所在列1234 因索铝硅比氧化镶 氧化钾钠球磨时闫实验结果 实验1 圈豳豳1 119 4 8 实验2 12229 c l 8 实验3 1333嘶5 实验4 21239 2 8 实验5 2231 实验62312 实验73132舶 实验8 32139 7 8 实验9 33219 7 均值1篱7 妪2 2 啦咖 均值29 4 8 9 4 5 嚣9 3 5 3 39 4 9 弱 均值39 7 09 2 8 站9 2 8 3 39 2 0 3 3 极差7 2 匏2 3 6 73 3 6 3 7 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 b ) 趋势图 c ) 方差分析表 实验计划表| 直观分析表l 效应曲线图! 囊薰至龋蒸：| | 因索i 偏差平方和旧由度l f 比| r 1 名界值i 显著性 菡露豳7 9 2 4 2 2 2 2 1 9 5 1 4 0 不显著 氧化镁i 8 9 3 6 20 2 5 0 5 1 4 0 不显著 ， n 一一 n 一j 氧化钾钠；1 8 9 3 6 20 5 3 05 1 4 0 不显著 i。 ； 球磨时间 2 1 5 7 6 20 6 0 45 1 4 0 。 。， ； 误差 1 0 7 1 1 6i | 图4 1 第二轮试验正交分析结果 从趋势图分析，a 3 b l c 3 可能是三个因素在三个水平上的好配合，考虑到这 轮试验的得分较高极差较小，并且兼顾到整个周期，下一轮试验将在这轮试验 结果的基础上采取筛选法进行少量试验。 4 5 筛选试验 此轮是一组筛选试验，根据上轮试验结果，设计出6 个配方，其中有上轮正 交试验的可能好配合的配方以及得分高的配方，同时对原来未列入因素进行细微 武汉理工大学硕士学位论文 调整并加入少量有益成分得出6 个试验配方。3 4 是上轮可能好的配合a 3 b l c 3 d 3 ， 3 - 1 是在2 7 的基础上加入少量的有益原料得出的配方。试验方案表如表4 7 。 表4 7 筛选试验方案表 一 a ) 配方的摩尔组成 a 1 2 0 3 与s i 0 2 摩 尔比 ( m g o + c a o ) 与s i 0 2 摩尔比 ( k 2 0 + n a 2 0 ) 与s i 0 2 摩尔比 3 1 2 50 5 5 0 0 4 3 - 22 5 0 6 5 o 0 5 3 - 32 50 7 5 0 0 6 3 - 4 2 60 。5 5 0 0 5 3 - 52 6 0 6 50 0 6 3 - 6 2 60 7 5 0 0 4 3 - 14 7 4 0 45 43 6 1 7 8 3 - 23 23 2 83 6 1 9 4 3 33 2 83 3 28 3 51 7 3 - 44 2 6