（材料加工工程专业论文）埋弧单面焊陶质衬垫的研究.pdf

摘要 随着近代的科技发展，焊接形式也相应的得到了很大的扩展，出现了很多 新的焊接工艺。单面焊工艺是一种高效、节能的新型焊接工艺。该工艺能可靠 的保证焊接质量，提高焊接效率，降低焊接成本。在所有单面焊焊接方法中， 占主导地位的主要是手工电弧焊、c 0 2 气体保护焊以及埋弧焊。 埋弧焊是一种重要的传统焊接方法，也是当今生产效率较高的机械化焊接 方法之一。埋弧焊对于比较厚的钢板可以两面各焊一次来完成，但是焊完一面 后，必须将工件翻过来再焊另一面。在这种情况下，钢板翻面需要一定的时间， 同时等待翻面用的天车或是起重机也需要一些时间，使得高效率埋弧焊的焊接 效率大打折扣。采用埋弧单面焊焊接法钢板不需要翻面，仅仅在钢板的一面就 能焊接完成。不仅提高焊接效率，而且还具有工程流水作业化、降低对厂房高 度的要求，减少天车或是起重机的起重量等一系列优点，从而大大节省了费用。 与其它的埋弧单面焊焊接方法相比，陶质衬垫埋弧单面焊以其高效、优质、 低成本的优点得到了迅速的发展，是一种可持续发展，并且引领国际潮流的新 型焊接方法。 本文从陶质衬垫埋弧单面焊特点出发，结合陶质的制备理论，对埋弧单面 焊用陶质衬垫进行了一定的研究。本文首先介绍了单面焊的成型理论以及埋弧 单面焊用衬垫及其特点。然后说明陶质衬垫的设计原则，确定它的结构尺寸以 及成分；将陶质衬垫制备性能和埋弧单面焊试验时背面焊缝的成形效果作为评 价指标，利用正交试验法确定一种陶质衬垫最佳的成分配方；结合陶质的制备 理论，对陶质衬垫的制备工艺从原料处理到最后的组装一一进行了介绍；叙述 了陶质衬垫焊埋弧单面焊的焊接试验过程，通过对焊接试验了解各种焊接工艺 参数对陶质衬垫埋弧单面焊成形影响，通过对实验中所出现的各种缺陷的分析 和讨论，从而了解其缺陷产生的原因以及改善措施。最后对本次研究的最终结 果进行分析，得出结论。 关键词：埋弧单面焊、陶质衬垫、正交试验、焊接工艺 a bs t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y , g r e a te x t e n s i o nh a st a k e np l a c ei n t h ew e l d i n gf o r ma n dal o to fn e ww e l d i n gt e c h n i q u e sh a v ea p p e a r e d o n e - s i d e d w e l d i n gt e c h n o l o g yi san e wh i g h l ye f f e c t i v ea n dr e s o b r c es a v i n gw e l d i n gt e c h n i q u e , w h i c hc a ng u a r a n t e et h ew e l d i n gq l i a l i 哆w i t hr e l i a b i l i t y , i m p r o v ew e l d i n ge f f i c i e n c y a n dr e d u c e w e l d i n gc o s t a m o n ga l l t h eo n e - s i d e dw e l d i n gm e t h o d s ，t h e p r e d o m i n a n tm e t h o d sa r em a n u a la r cw e l d i n g , c 0 2g a s s h i e l da r cw e l d i n ga n d s u b m e r g e da r cw e l d i n g s u b m e r g e da r cw e l d i n gi so n ek i n do fi m p o r t a n tt r a d i t i o nw e l d i n gm e t h o d s ， w h i c hi sa l s oo n eo ft h eh i g h e re f f e c t i v em e c h a n i z e dm o d e mw e l d i n gm e t h o d s f o r t h et h i c k e rs t e e lp l a t e s ，w e l d i n g 锄lb ea c c o m p l i s h e db ys u b m e r g e da r c w e l d i n g w i t hb o t hs i d e s ，b u tw h e no n es i d eo ft h ep l a t ew a sw e l d e d , t h eo t h e rf a c em u s tb e t u r n e do v e ri no r d e rt ob ew e l d e d i ns u c hc i r c u m s t a n c e s ，s t e e lp l a t e st u r n s - o v e r n e e dc e r t a i nt i m ea n da tt h es a m et i m ew a i t i n gf o rt h et u r no v e ro fc r o w nb l o c ko r c r a n ea l s or e q u i r e st i m e ，w h i c hm a k e st h ew e l d i n ge f f i c i e n c yo fl l i 曲e f f e c t i v e s u b m e r g e da r c - w e l d i n gt ob e d i s c o u n t e dg r e a t l y h o w e v e r , o n e - s i d e ds u b m e r g e d a r c - w e l d i n gd o n tn e e dt ob et u r n e do v e r , w h i c hc a na c h i e v ew e l d i n go n l yb yo n e f a c eo ft h es t e e lp l a t e s t h i sw e l d i n gm e t h o dc a l li m p r o v ew e l d i n ge f f i c i e n c y , m o r e o v e ri tp o s s e s sas e r i e so fm e r i ts u c h 鹤p r o j e c tp i p e l i n i n g , r e d u c eo ft h e r e q u i r e m e n to fw o r k s h o pa l t i t u d ea n dc u td o w nt h ew e i g h to f c r o w nb l o c ko rg t a n e w h i c hg r e a t l yr e d u c et h ec o s t c o m p a r e dw i t ho t h e ro n e - s i d e ds u b m e r g e da r cw e l d i n gm e t h o d s ，o n e s i d e d s u b m e r g e da r cw e l d i n gw i t hc e r a m i cb a c k i n gh a sg a i n e dg r e a td e v e l o p m e n tf o rt h e a d v a n t a g eo fh i g h l ye f f e c t i v e , 9 0 0 dq u a l i t y , l o wc o s t , w h i c hi san e ww e l d i n g m e t h o dp o s s e s s i n gs u s t a i n e dd e v e l o p m e n ta n da n t i c i p a t i n gi n t e r n a t i o n a lt r e n d r e s e a r c hh a sb e e nd o n e0 1 1t h ec e 矗n i cb a c k i n gu s e df o ro n e - s i d e ds u b m e r g e d a r cw e l d i n gf r o mt h ef e a t u r eo fo n e - s i d e ds u b m e r g e da r ew e l d i n g 、析t hc e r a m i c b a c k i n g sa n dt h ep r e p a r a t i o nt h e o r yo fc e r a m i c s f i r s tt h es h a p i n gt h e o r yo f o n e - s i d e dw e l d m ga n dc e r a m i cb a c k i n gu s e df o ro n e - s i d e dw e l d i n gw a si n t r o d u c e d 鹄w e l la st h ec h a r a c t e r i s t i co fc e r a m i cb a c k i n g s t h e nt h ed e s i g np r i n c i p l eo f c e r a m i cb a c k i n g sw a sd e s c r i b e dt od e t e r m i n et h e i r p h y s i c a l d i m e n s i o na n d c o m p o n e n t ；d e c i d eo n eo p t i m u mf o r m u l ao fc e r a m i cb a c k i n g sb yu s i n gp r e p a r e p r o p e r t yo fc e r a m i cb a c k i n g sa n ds h a p i n ge f f e c to fb a c kw e l di nt h eo n e - s i d e d 吼l b m c f g e da r cw e l d i n ge x p e r i m e n ta se v a l u a t i n gi n d i c a t o ra n do r t h o g o n a lt e s t ；t h e p r e p a r a t i o nt e c h n i q u eo fc e r a m i cb a c k i n g s ，t h a ti sf r o mr a wm a t e r i a l st r e a t m e n tt o t h el a s ta s s e m b l ew a si n t r o d u c e dc o m b i n e d 、析也t h ep r e p a r a t i o nt h e o r yo fc e r a m i c s ； t h ew e l d i n ge x p e r i m e n to fo n e - s i d e ds u b m e r g e da r cw e l d m g 、砘t hc e r a m i cb a c k i n g s w a sr e c o u n t e d ，t h r o u g hw h i c hw ec a nu n d e r s t a n dt h ei n f l u e n c eo f w e l d i n gt e c h n i c a l p a r a m e t e r so nt h es h a p i n go fo n e s i d e ds u b m e r g e ( 1a r cw e l d i n gw i t h c e r a m i c b a c k i n g s ，a n dw ec a nk n o wt h ec a u s eo fd e f i c i e n c ya n di m p r o v em e a s u r e sf r o m a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no f d i f f e r e n td e f e c t si nt h ee x p e r i m e n t a n dl a s t , t h ee n dr e s u l t o ft h er e s e a r c hw a sa n a l y z e da n dc o n c l u s i o nw a sr e a c h e d k e yw o r d s ：o n e - s i d e ds u b m e r g e da lew e l d i n g 、c e r a m i cb a c k i n g 、o r t h o g o n a lt e s t 、 w e l d i n gp r o c e s s i n g m 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：氲堡函日期趟：2 2 ：曰 关于论文使用授权的说明 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：氢坠因 日期： 2 丝：f 2 ：2 f 导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 在科学技术飞速发展的当今时代，焊接已经成功地完成了自身的蜕变。很 少有人注意到这个过程何时开始，何时结束。但它确确实实地发生在过去的某 个时段。我们今天面对着这样一个事实：焊接已经从一种传统的热加工技艺发 展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。 而且，随着相关学科技术的发展和进步，不断有新的知识融合在焊接之中。 在进入2 l 世纪的前夕，美国焊接学会( a w s ) 曾组织权威专家讨论、制 定了美国今后2 0 年焊接工业的发展战略。其分析报告对焊接未来做了如下预 测：在2 0 2 0 年，焊接仍将是金属和其他工程材料连接的优选方法。美国工业 界将依靠其在连接技术、产品设计、制造能力和全球竞争力方面的领先优势， 成为这些性价比高、性能优越产品的世界主导。 由此不难看出：焊接在未来的工业经济中不仅具有广阔的应用空间，而且 还将对产品质量、企业的制造能力及其竞争力产生更大的影响。 埋弧焊是一种重要的传统焊接方法，也是当今生产效率较高的机械化焊接 方法之一，它的全称是埋弧自动焊，又称焊剂层下自动电弧焊。埋弧焊以其固 有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力 容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。近年来，虽 然先后出现了许多种高效、优质的新焊接方法，但是埋弧焊的应用领域依然未 受任何影响。从各种熔焊方法的熔敷金属重量所占份额的角度来看，埋弧焊约 占1 0 左右。 埋弧焊对于比较厚的钢板可以两面各焊一次来完成，这是一种比较高效的 焊接方法。但焊完一面后，必须将工件翻过来再焊另一面。在这种情况下，钢 板翻面需要一定的时间，同时等待翻面用的天车或是起重机也需要一些时间， 使得高效率埋弧焊的焊接效率大打折扣。如果钢板不要要翻面，仅仅在钢板的 一面焊接完成，使熔深达到1 0 0 而完成整个焊接过程的话，那么焊接效率就能 显著的提高。这种焊接方法就是埋弧单面焊【l 】焊接法。埋弧单面焊焊接法不仅 武汉理工大学硕士学位论文 能提高焊接效率，而且还具有工程流水作业化、降低对厂房高度的要求，减少 天车或是起重机的起重次数等一系列优点，从而大大节省了费用。 自从埋弧单面焊成为一种高效焊接工艺以后，国内外都非常重视埋弧单面 焊焊接工艺的研究和应用，而要良好地运用这一新型工艺方法，关键是埋弧单 面焊衬垫材料的研制。 日本、韩国、美国、德国、英国、前苏联、瑞典、挪威、比利时等国家一 直都很重视单面焊衬垫材料的研究和应用。二十世纪八十年代初，造船大国日 本率先将利用衬垫的单面焊工艺应用于船体建造中，并取得显著效果【2 】。单面 焊衬垫材料种类繁多，有水冷铜块、焊剂、黄沙、水玻璃粘结固化材料和耐高 温的陶质材料，其中陶质衬垫以其优良的成形性能和工艺适应性，在衬垫焊技 术中占主导地位1 3 j 陶质衬垫单面焊在中国工业生产中出现始于二十世纪八十年代，一些大的 船厂为了提高焊接效率，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【4 】。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。 如今，采用陶质衬垫的单面焊已经广泛应用于船舶、大型钢桥、水工金属 结构、压力容器和管道以及各种大型钢结构及设备的制造。 1 2 国内外研究进展 由于单面焊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【5 1 。目前，在所有单面焊焊接方法中，占主导地位的主要是手工电 弧焊、c q 气体保护焊及埋弧焊。 相对于手工电弧焊、c 0 2 气体保护单面焊在2 0 世纪8 0 年代初期的迅速发 展，由于埋弧单面焊需要更高的施工技术和管理，国外学者对于埋弧单面焊工 艺的研究相对较少。c a n t r e l l 、r o g e re 对在埋弧焊生产中经常遇到的c h e m e t r o n 、 k u d e r 、3 ma n dv a r i o s 所研制的具有代表性的带有四个管状焊丝的陶质衬垫焊 系统的可靠性加以验证【6 】；a n o n 介绍埋弧单面焊在造船业以及箱型桥和压力 容器等发面的应用情况，并认为它所带来的生产率的提高使得这一方法也将使 用于其他方面的制造【j 7 】；野村博一、佐藤之彦、佐藤庆和针对埋弧单面焊的焊 2 武汉理工大学硕士学位论文 接特点，对埋弧焊机的实时控制系统加以改进，以便于保证焊接质量【8 】；田中 和雄对埋弧单面焊的f c b 法和r f 法加以详细介绍【9 】。 从2 0 世纪9 0 年代中叶，国内开始对埋弧单面焊工艺进行研究，并且集中在 两个方面。一个方面是铜衬垫及焊剂一铜组合衬垫的研究，主要是介绍此种埋 弧单面焊的使用方法，针对不同焊材焊接工艺的研究，探讨各种焊接缺陷的起 因及防止措施。例如：陈铁军简述了焊剂+ 铜垫法的埋弧单面焊工艺试验【l o 】；周 桂芬研究了采用焊剂+ 铜衬垫的埋弧单面焊焊接参数对焊缝成形尺寸的影响规 律，通过对板厚为6 、8 、1 0 、1 2m i l l 的1 6 m n r 材料的试验，确定了其单面焊双面 成形的最佳参数，并且找出了焊接参数变化对单面焊双面成形尺寸的影响规律 【l l 】；贾贵忱、吴执中、吕纯杰等针对采用焊剂+ 铜衬垫的埋弧单面焊，在焊接过 程中的各种焊接缺陷如咬边、溢流、烧穿、未融合、夹渣、气孔已经成形不良 等产生的原因及防止措施进行了探讨【1 2 】：另一个方面是焊剂衬垫，包括焊剂一 气垫、硬焊剂衬垫、固化焊剂衬垫等的研究，研究的领域与前一个方面相差不 多。例如：王铁柱简述了软衬垫+ 铁粉的埋焊单面焊焊接工艺特点【1 3 】；王克强、 刘建伟对使用埋弧单面焊接法而引起的焊接接头终端部位所产生的“终端裂纹” 作了概述，介绍其产生的原因和防止方法【1 4 】。 由于陶质衬垫具有使用快捷方便，位置适应性强的特点，开始得到人们的 重视。例如：武汉天高焊接有限责任公司介绍了陶质衬垫焊方法，对陶质衬垫 的结构设计、成分设计以及衬垫焊的原理一一作了介绍【1 5 1 。同时，其在埋弧单 面焊中的应用也日益得到重视。一方面是开发出专门适用于单面埋弧焊的陶质 衬垫。2 0 0 0 年以后，上海泰昌焊接衬垫材料有限责任公司、浙江象山焊接衬垫 厂、武汉天高焊接有限责任公司相继研制出专门适用于埋弧单面焊的陶质衬垫。 另一方面人们开始研究其焊接工艺特点。例如：秦惠、郝世英等对采用陶质衬 垫的埋弧单面焊进行了研究，通过对柔性粘贴式陶质衬垫在埋弧单面焊工艺中 应用的研究，探讨了该陶质衬垫的使用方法、应用范围，并对相应的工艺进行 了分析【1 6 1 。 埋弧单面焊虽然有很多优点，但也有它的不足之处。随着焊件厚度的增加， 需要采用的焊接线能量也显著增加，才能保证熔透和背面成形。但其结果显然 会导致热影响区奥氏体晶粒长大，使接头的性能，特别是低温韧性指标难以保 证。针对这个问题，国内研究在钢中加入高温下能形成高稳定化合物的元素， 使在奥氏体晶界上及晶粒内同时获得微晶细粒。例如：李敏、郑香增针对埋弧 3 武汉理工大学硕士学位论文 单面焊等大线能量焊接技术的大线能量、高自动化、强迫成型的特点，指出大 线能量焊接用钢开发的关键技术是降碳、增锰、加钛、精确控制t i n 比的成分 设计及微合金化，优化冶炼工艺，加强热影响区中细小针状铁素体形成的组织 控制和控冷中的板形控制，配套焊接工艺优化及焊材的研究等【1 7 1 。 1 3 本论文的主要工作 本人在总结前人工作的基础上，具体解决以下几点 l 、陶质衬垫中材料的组成决定着衬垫的性能，因此陶质衬垫配方的确定将 直接影响产品的性能。本文以陶质衬垫制备性能和埋弧单面焊试验时背面焊缝 的成形效果作为评价指标，采用正交实验法对陶质衬垫的配方进行优化设计。 2 、在目前已经发表单面焊的文章中，针对陶质衬垫埋弧单面焊的文章还比 较少，对它的焊接工艺也是简单的研究。本文通过焊接试验分析影响背面焊缝 质量的各种因素，并分析各种焊接缺陷的起因及防止办法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章埋弧单面焊的相关理论 2 1 埋弧单面焊的成形方式 单面焊有两种成形方式：自由成形和强制成形。 自由成形是焊缝的背面不加任何承托材料，仅依靠熔化金属的表面张力防 止熔池下漏而形成背面焊缝。自由成形要求工件间隙合理，间隙过小难以保证 焊透，间隙过大则容易发生烧穿等缺陷。自由成形时对焊接工艺要求很严格， 工艺的规范性不仅影响熔池的受力情况，同时也影响熔池的体积和形状。焊接 工艺直接决定是否会出现未焊透或者烧穿等缺陷，所有自由成形时焊缝质量难 以保证。 强制成形是焊缝背面加有承托材料即衬垫，衬垫承托金属熔池并防止熔池 下漏而强制焊缝背面成形。这种成形方式由于焊缝背面有衬垫，对焊接接头间 隙要求没有自由成形严格，使用的焊接规范也相对较宽，焊缝质量也容易控制。 埋弧焊由于其焊接线能量大，熔池体积大，自由成形埋弧单面焊是不能实 现的，因此埋弧单面焊只能采用强制成型方式。焊接时，在接缝处( 一般开v 形坡口) 留有一定的间隙，并在其反面放置各种衬垫，以达到反面成形的目的。 适用于船体拼板焊接、分段合拢等工序。 2 2 埋弧单面焊的分类 根据所使用衬垫材料和辅助工具的不同，埋弧单面焊焊接法可以分为铜衬 垫法、焊剂铜衬垫法、热固化焊剂衬垫法、陶质衬垫法等【1 8 】。 2 2 1 铜衬垫法 铜衬垫法就是把铜质衬垫紧紧贴在焊缝背面，并在铜衬垫上浅而狭的沟槽 内形成背面焊道的一种埋弧单面焊方法。这种方法的主要优点是一次焊成双面 成形焊缝，是生产效率提高。但它必须具备专用的焊接设备。同时铜衬垫磨损 较大，填充金属的消耗也大。铜衬垫法容易产生铜质衬垫与焊缝背面贴不紧， 5 武汉理工大学硕士学位论文 从而引起毛刺、咬边、熔合不良等缺陷。但是如果铜质衬垫贴紧了，焊道外观 和焊缝还是比较均匀，而且可以使用大规范焊接，生产效率也显著提高。 目前最常见的铜衬垫法就是水冷滑块式铜衬垫法。此法利用焊缝装配间 隙把水冷短铜滑块贴紧在焊缝背面，并夹装在焊接小车上跟随电弧一起移动， 以强制焊缝成形。滑块长度以保持熔池底部凝固不漏为宜。所用焊接小车通常 需要专门设计，其主要缺点是滑块容易磨损。图2 1 为典型滑块结构设计。 图2 - 1 拉紧滚轮架移动式水冷滑块结构 1 一铜滑块2 一钢板3 一拉片4 一拉紧滚轮架 5 一滚轮6 一夹紧调节装7 一顶杆 2 2 2 焊剂铜衬垫法 焊剂铜衬垫法中比较具有代表性的是龙门压力架一焊剂铜衬垫法。它利用 横跨焊件并带有若干个气压缸的龙门架，把焊件压紧在撤有焊剂的铜垫上进行 埋弧焊，是较为广泛的一种方法。压力架可为固定式或移动式。铜垫块截面形 状尺寸如表2 1 所列。铜垫块及冷却铜块可以是固定的或用气缸升降。焊件通 常预留一定装配间隙，以便通过它把细颗粒焊剂撒入铜垫成形槽中进行焊接。 装配间隙不均匀、铜垫与焊件未贴紧、成形槽中焊剂充填不均及焊接工艺参数 不稳定会造成背面焊缝凹陷、咬肉或出现焊瘤等常见缺陷。此外，还容易在焊 缝两端，尤其在尾端出现焊缝中心线热裂纹，严重时可导致焊缝全长纵向裂 1 。解决的办法是将终端定位焊位置前移并减少定位焊长度，以及采用图2 2 所 ；的开槽引出板。但对于板厚2 5 m m 以上的这类终端裂纹仍无有效解决办法。 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 6l o2 57 0 u 0 0 q 5 1 2 1 41 84 01 2 图2 - 2 开槽引出板及连接方式 1 一焊件2 一连接焊缝3 一槽引出板 2 2 3 热固化焊剂衬垫法 热固化焊剂衬垫是由条状热固化焊剂和石棉布、瓦楞纸等制成的，图2 3 为其典型构造。其各部分功能及组成特点为：双面粘贴带用来使衬垫紧贴焊件； 热收缩薄膜使衬垫保持预定形状，防止内部组成物移动，是有4 5 的酚醛或 苯酚树脂、质量分数3 5 的铁粉、质量分数为1 7 5 的硅铁等加热固化而制成， 当加热到8 0 1 0 0 使树脂液化，把焊剂、铁粉等粘结在一起，温度升到l o f t - - 1 5 0 时树脂固化而成一定板条状，焊接时板条基本不熔化，能有效的防止熔池 液体金属流溢，控制焊缝背面成形；石棉布作为耐火材料保护焊剂衬垫；弹性 垫用瓦楞纸或较硬石棉板，使衬垫便和受潮；玻璃纤维带使表面柔软，便于与 不十分平整的接缝背面贴合；热固化焊剂，用一般焊剂加适量热固化物质组成， 热固化后起类似铜垫的作用。商品化热固化焊剂衬垫做成6 0 0 r a m 左右标准长 度，使用时可按图2 - 4 所示用磁性夹具等固定在焊件背面，这样就可以解决难 7 武汉理1 人学硕十学 讧论文 以使用前述焊剂铜挚、水冷滑块的略带曲率的对接焊缝的单面焊问题 图2 - 3 热固化焊剂垫构造 双面粘贴带2 一热收缩薄膜：j 一玻璃纤维布 4 热固化焊剂5 一石绵布6 一弹性垫 目 图2 - 4 热崮化焊剂垫的安装方法 1 一焊件2 一热固化焊剂挚3 一磁铁 4 一托板5 一调节螺钉 2 2 4 陶质衬垫法 陶质衬垫埋弧单面焊是利用陶质材料具有耐高温性能的特点，将其作为焊 缝面成形依托，达到单面焊双面成形的高效焊接r 艺。陶质衬挚由陶质块、防 固化纸、铝箔、粘结剂涂层几部分组成。陶质块足陶质衬垫的主体，由氧化硅、 氧化铝等材料在一定的温度下烧制而成，并在一面开有各种形状的成形槽，以 便接时熔化的金属流入其内强制成形。整条衬垫由数个尺寸大小相同的陶质块 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 ：的焊缝焊接，如平焊缝、不同直径筒体的对接焊缝等。防固化纸平时用于防 武汉理工大学硕士学位论文 止粘结剂固化，在焊接前揭去。陶质衬垫成形槽底部中央划有一条线，用于粘 贴时与焊缝找正对中。陶质块两侧的铝箔上沿衬垫长度方向分布一些小孔，作 为焊接时的排气孔【1 9 1 。陶质衬垫结构示意图如图2 5 所示。 图2 5 陶质衬垫示意图 蟊一；i 务囊 陶质衬垫具有如下主要特点： 陶质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，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。 陶质衬垫按要求烘干后，吸湿性较小，焊缝含氢量低。 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。 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，采取不同形式的陶质衬垫。如： 对于v 性坡口，采用船性陶质衬垫。其单面焊焊接工艺示意图如图2 6 所示。 图2 - 6 陶质衬垫单面焊焊接工艺示意图 9 武汉理工人学硕士学位论文 2 3 埋弧单面焊衬垫材料的种类和特点 2 3 1 衬垫材料的种类 根据埋弧单面焊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。 l 、金属衬垫 埋弧单面焊中使用的金属衬垫主要是铜质衬垫。铜质衬垫是由黄铜制成， 一般在水冷滑块式一铜衬垫法和焊剂一铜衬垫法中使用。前者需要水及时进行 冷却，而后者在压力的作用下易磨损。 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，并已逐渐取 代了金属衬垫，目前应用最广泛的主要是热固化焊剂衬垫和陶质衬垫。前者在 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。后者在陶质 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。 2 3 2 衬垫材料的特点 在埋弧单面焊中，不论是哪类衬垫，其作用均是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2 2 对衬 垫材料的特点进行了比较，从表2 2 中可知：陶质衬垫由于经过了高温烧结过 程，克服了其它衬垫的不足，具有使用灵活，方便的特点，可用于有一定曲率 的单面焊接，成为现代焊接生产中应用效果最佳的衬垫材料【2 0 1 。 表2 2 埋弧单面焊衬垫材料的特点 水冷式易烧坏，粘良 铜衬垫和性差 焊剂一安装困难， 铜衬垫焊剂需烘 干，适用于 于水平面夹 角小于1 5 度的平板对 接长缝 易出现未焊 透、未熔合 电弧力作易出现焊缝 用易造成余高，熔宽不 焊剂堆放均匀 不均匀， 性能良好 1 0 高 高 系块机 压 冷滑走 门惺 冷硝走 门架水统行构龙力 武汉理工大学硕士学位论文 热固化使用灵活， 焊剂衬粘和性好， 垫用前需烘 干，使用时 易引起人体 不适，有异 味 焊缝根部含s i 量偏高 清渣困难 允许一定装夹具中 的弯曲 陶质衬灵活、方便、优优优无优 垫 粘和性好， 不吸潮 注：衬垫质量主要指：外观质量、强度、可弯度 2 4 陶质衬垫埋弧单面焊的实现条件 单面焊时要使焊件背面形成焊缝，必须要有足够的熔深，保证焊缝根部熔 透。因此，实现单面焊的首要条件是焊缝根部一次性熔透。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。 如图2 7 所示陶质衬垫单面焊接，焊缝背面处于强制状态，熔池除了受到 液体金属与熔池壁之间的表面张力f 2 ，f 3 ( f 2 = f 3 ) 、熔池金属的重力g 及电弧 总压力f 在垂直于焊缝平面方向的分力f v 之外，还受到衬垫对焊缝背面的支撑 力f l ，方向垂直向上。 图2 7 强制成形单面焊熔池受力示意图 因此，在陶质衬垫的衬托下，埋弧单面焊要实现焊缝根部一次性熔透，则 其条件为： 武汉理工大学硕士学位论文 g + f t 耋f 2s i n 口+ f ss 1 n 口( 2 1 ) 据物理化学中表面张力的计算公式可知：f zs i n a = f 。s i n t r = l c rc o s t z 。则公 式( 2 - 2 ) 可以改写为 p , + h g p 至2 oc o s o b ( 2 2 ) 式中：p ：电弧压强； 0 ：熔化区背面液态金属的表面张力； 秒：熔化区根部表面切线与焊件背面垂线间夹角； p ：熔化金属密度 b ：焊缝背面熔化宽度 h ：熔化金属平均厚度 同时，为了得到良好的背部成形质量，衬垫不能排开或是击穿。则此时熔 池的必须满足以下平衡条件： f 2s i n a + f s s i n t z + f l = g 卜卜f v ( 2 - 3 ) 因此，在同时满足公式( 2 - 2 ) 和公式( 2 - 3 ) 的情况下，才能够实现成形 良好的陶质衬垫埋弧单面焊。 2 5 埋弧单面焊对陶质衬垫的性能要求 为了保证埋弧单面焊焊接过程的顺利进行，保证焊接质量，陶质衬垫应该 具有以下几个方面的良好性能： l 、物理性能 陶质衬垫的物理性能是影响埋弧单面焊焊接质量的重要因素，因此在进行 埋弧单面焊时对衬垫的物理性能有一定的要求，陶质衬垫的物理性能对焊缝成 形的影响主要体现在其耐火度、始熔温度、熔化温度范围、衬垫熔渣的粘度、 表面张力、吸潮率等性能上。 耐火度是指衬垫对高温的承受能力，一般而言在此温度时，产品尚能保持 原有形状且已开始熔化并具有一定的强度。考虑到埋弧单面焊的焊接特点以及 陶质衬垫的衬托作用，同时兼顾经济上的考虑，该陶质衬垫应该属于普通耐火 材料。 陶质衬垫耐火度用t ( ) 表示，衬垫耐火度的大小一般采用经验公式来计 算，其计算公式为： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 t = ( 3 6 0 + m r 2 0 3 - m r o ) 0 2 2 8 ( 2 - 4 ) 式中：r 2 0 3 是指把分子式为r 2 0 3 与r 0 2 型氧化物质量之和作为1 0 0 ，分子 式为r 2 0 3 型氧化物所占的百分含量。r o 是指把分子式为r 2 0 3 与r 0 2 型氧化 物质量之和作为1 0 0 ，带入其它溶剂氧化物所占百分含量之和【2 1 1 。 陶质衬垫含有多种化合物，没有固定的熔点，为玻璃态化合物，有一个熔 化区间，即衬垫从开始熔化到完全熔化的温度区间，始熔温度是衬垫开始出现 软化变形的温度。衬垫的始熔温度不应过高，也不能太低。始熔温度过高时， 衬垫熔化太少，由于衬垫自身沟槽较小，背面余高不够，并且熔渣也不易浮出； 过低则衬垫熔化过多，背面余高过高而影响接头的疲劳性能。 始熔温度一般难以测定，根据多元相图也难以得到准确的数据。一般认为 采用耐火度乘0 8 5 的经验系数计算出来的始熔温度是与实际情况相近的。始熔 温度用t 始表示，其计算公式为： t 始= o 8 5 t ( 2 5 ) 粘度是熔渣的重要物理性质之一，它对熔渣的保护效果、焊接工艺性能和 化学冶金都有显著的影响。因此控制熔渣的粘度是保证焊接过程正常进行的重 要条件之一。衬垫的熔渣应具有合适的粘度，高温时熔渣的粘度过大，易使焊 缝表面成形不良，易产生气孔、夹杂等缺陷。粘度过低，将会造成熔渣对焊缝 覆盖不均匀，对焊缝的保护不好。熔渣的表面张力对焊缝成形、脱渣性以及许 多冶金反应都有重要的影响作用。 吸潮率也是衬垫的一个重要物理性能。陶质衬垫是用铝箔纸包装好的，一 般取出来就直接使用。若衬垫吸潮率比较高时，在一定的时间下，衬垫中水分 增加。由于铝箔纸的存在，衬垫无法像焊条那样烘干。若直接使用，将使焊缝 的含氢量增加，从而焊缝的抗裂性下降。若弃之不用则又比较浪费。 2 、化学性能 由于陶质衬垫的化学性能直接影响着焊缝的性能，所以在研究衬垫时要充 分考虑衬垫的化学性能。 陶质衬垫在焊接过程中，其表面会被焊熔融金属的热量熔化一部分而形成 衬垫熔渣。由于熔池底部的熔融金属直接与该衬垫熔渣相接触，这就要求衬垫 熔渣具有良好的化学稳定性。否则衬垫熔渣与熔融金属发生不良的冶金反应， 不仅影响焊缝表面的成型，还有可能影响背面焊缝的机械性能。同时陶质衬垫 在焊接过程中不能分解出气体，以减少气体来源，降低气孔的发生率。 1 3 武汉理工大学硕十学位论文 酸性系数是也陶质衬垫一个重要的化学性能，对焊缝的性能起着非常重要 的作用。酸性系数是指酸性氧化物与碱性氧化物当量之比。熔渣的其它物化性 质，如熔渣的活性、粘度和表面张力等都与熔渣的酸性系数有密切的关系。当 酸性系数大于1 时，焊接时熔渣为酸性渣；酸性系数小于l 时，焊接时熔渣为 碱性渣。碱性渣有利于提高焊缝的冲击韧性。由于埋弧单面焊相对于双面焊， 采用更大的线能量，热影响区的奥氏体晶粒将长大，需要对焊接接头的性能特 别是低温韧性将以更加注意，显而易见碱性渣更有利于埋弧单面焊。同时酸性 系数c a 增加，陶质衬垫的烧结温度也会增加。 酸性系数用c a 表示，其计算公式为： c a - - n r 0 2 ( n r 0 2 + n r o + 3 n r 2 0 3 ) ( 2 - 6 ) 式中：1 1r 0 2 、n r o 、3 n r 2 0 3 一相应氧化物的分子数。 3 、焊接工艺性能 衬垫的焊接工艺性能是其使用性能的外在体现，其主要考察的是背面焊缝 成形、脱渣性、装贴方便等方面。 采用衬垫进行焊接的目的就是使背面焊缝成形，这也是衬垫焊接工艺性能 中最重要的因素，焊接时衬垫必须保证焊缝的背面成形符合一定的标准。同时， 衬垫要有良好的脱渣性和稳定性，使背面焊缝成形光滑美观，无焊接缺陷。衬 垫装贴要具有方便性，在焊接前能快速有效地将衬垫贴于焊缝背面，实现单面 焊双面成形。同时易于对中焊缝中心，对工件间隙要求不严格以降低对装配工 序的要求，对错边和坡口角度不敏感而且能适用于较广的焊接规范。 4 、经济性和环保性 在满足使用要求的情况下，应尽量选用资源丰富，质量稳定，价格低廉的 矿物原料，而少使用价格昂贵的化工原料。同时要考虑各矿物原料对衬垫制备 的影响，选用能易加工、生产成本低、生产效率高的原材料。同时，陶质衬垫 的环保性也是一个不容忽视的问题。在原料和生产工艺上，要对人体无毒无害 的；在使用过程中，也不能释放出有毒的烟尘。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章埋弧单面焊陶质衬垫的结构设计 埋弧单面焊陶质衬垫的结构设计主要考虑衬垫成型槽的外形和尺寸，以及 衬垫块的外形尺寸。 3 。1 陶质衬垫的成形槽 成形槽是影响焊缝背面成形尺寸及质量的重要因素。成形槽主要有两个重 要参数，即槽宽和槽深，从理论上来讲槽宽大于装配间隙时，如图3 1 ，对焊缝 图3 - 1 成型槽及间隙 成形尤其是焊根的焊透及焊缝边缘的过渡是有好处的，但由于衬垫块在焊接熔 池的高温下形成的熔渣具有一定的退让性，实际焊接中即使装配间隙等于或稍 大于槽宽尺寸也能得到好的成形。一般来说装配间隙增大，槽宽也应相应增加。 槽深是影响背面焊缝成形高度的一个因素，决定焊缝成形高度的还有其它因素， 如焊接电流、焊接速度、操作方式、衬垫块耐火度等。这些因素对于控制焊缝 成形高度方面在一定程度上具有互补性。通常情况下都不希望焊缝余高过大， 因此槽深不能太大。当装配间隙较小时，槽深应适当增加，这对于根部熔透及 焊缝边缘过渡是有利的。如果装配间隙较大，即使槽深为零，由于衬垫块在熔 池高温下的退让性也能得到一定余高的焊缝，但很容易出现焊缝边缘熔合不良 或咬边等缺陷。因此槽深的确定应综合考虑焊接电流、衬垫块耐火度、装配间 隙、操作方式及对焊缝余高的要求等因素。衬垫块成形槽的形状在一定程度上 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 也会影响焊缝成形，对于对接平焊和立焊，目前比较流行的是采用对称的圆弧 槽，在某些情况也可采用方形槽，如图3 - 2 。方形槽对于防止咬边，根部熔合 不良及控制余高是有益的。对于对接横焊及某些角焊缝等情况可采用不对称的 成形槽，如图3 3 。通过在试验过程中的对比试验，发现埋弧单面焊用的陶质 衬垫，采用方形槽成形质量优于圆弧槽。因此单面埋弧焊用陶质衬垫采用方形 槽，槽深为0 6 m m ，槽宽为i 1 8 r a m 。 图3 2 不对称成形槽 3 2 陶质衬垫的外形 图3 - 3 不对称成形槽 外形的设计主要考虑宽度、长度和厚度，如图3 4 、3 5 ，同时考虑铝铂胶 带装贴的方便性及降低重量和材料消耗。衬垫块宽度应随装配间隙的增加而增 大，对于一定的装配间隙，陶质块的宽度越大，铝铂胶的粘贴部位离焊缝越远， 温度也越低，铝铂胶就不会脱落，可保证焊接过程的稳定性。陶质块的长度对 于直缝来说没有关系，主要由陶质块的生产设备条件决定，陶质块的厚度应能 保证不被烧穿，此外考虑到一定的强度，应适当加厚一点【2 2 1 。 图3 4 陶质衬垫块外形图 1 6 武以理人。碗l 学位论文 一 绻 图3 - 5 不同形状衬挚块 考虑到所研制的埤弧译面焊用陶质衬垫将主要应用于些船厂，以及实验 室手动衬挚制样机和制样模具的实际情况，以及节省成本的因素，本次实验研 制的陶质衬挚其外形结构如图3 - 6 所示。 li 2 68 图3 - 6 埋弧单面焊用陶质衬垫尺寸图 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章埋弧单面焊陶质衬垫的配方设计 埋弧单面焊陶质衬垫的成分不仅直接影响焊接过程的稳定性及焊缝质量， 而且对它的制备工艺也有很大影响，而它的成分是由原料配方直接决定的。同 时，随着陶质衬垫埋弧焊应用范围的扩大，对配方也提出了更高的要求。不同 的焊缝金属如碳钢、不锈钢等；不同的焊剂如熔炼、烧结、酸性、碱性等，都 需要有不同的衬垫装配方才能得到好的焊接效果。应此对陶质衬垫的配方需要 采用科学的试验方法进行优化设计。 4 1 正交试验设计法 在新产品开发和优化产品质量活动中，经常需要做各种试验，不可避免地 会遇到试验方案的优化设计问题。如果试验方案设计得当，就能发现规律，找 出主要影响因素，就能以较少的试验次数，较短的时间，得到正确的结论。因 此。如何正确对试验方案进行优化设计是一个极为重要的问题。目前常采用的 实验设计优化方案有：单因素轮换法、正交试验法、均匀设计、单纯形法、人 工神经网络【2 3 2 4 1 。考虑到陶质衬垫涉及的原料多、制备工艺参数复杂等因素， 对陶质衬垫配方的优化设计采用正交试验法。 4 1 1 正交试验设计法的基本概念 正交试验设计法( 简称正交法) 是统计数学的