（材料加工工程專業(yè)論文）埋弧單面焊陶質(zhì)襯墊的研究.pdf

摘要 隨著近代的科技發(fā)展，焊接形式也相應的得到了很大的擴展，出現(xiàn)了很多 新的焊接工藝。單面焊工藝是一種高效、節(jié)能的新型焊接工藝。該工藝能可靠 的保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率，降低焊接成本。在所有單面焊焊接方法中， 占主導地位的主要是手工電弧焊、c 0 2 氣體保護焊以及埋弧焊。 埋弧焊是一種重要的傳統(tǒng)焊接方法，也是當今生產(chǎn)效率較高的機械化焊接 方法之一。埋弧焊對于比較厚的鋼板可以兩面各焊一次來完成，但是焊完一面 后，必須將工件翻過來再焊另一面。在這種情況下，鋼板翻面需要一定的時間， 同時等待翻面用的天車或是起重機也需要一些時間，使得高效率埋弧焊的焊接 效率大打折扣。采用埋弧單面焊焊接法鋼板不需要翻面，僅僅在鋼板的一面就 能焊接完成。不僅提高焊接效率，而且還具有工程流水作業(yè)化、降低對廠房高 度的要求，減少天車或是起重機的起重量等一系列優(yōu)點，從而大大節(jié)省了費用。 與其它的埋弧單面焊焊接方法相比，陶質(zhì)襯墊埋弧單面焊以其高效、優(yōu)質(zhì)、 低成本的優(yōu)點得到了迅速的發(fā)展，是一種可持續(xù)發(fā)展，并且引領(lǐng)國際潮流的新 型焊接方法。 本文從陶質(zhì)襯墊埋弧單面焊特點出發(fā)，結(jié)合陶質(zhì)的制備理論，對埋弧單面 焊用陶質(zhì)襯墊進行了一定的研究。本文首先介紹了單面焊的成型理論以及埋弧 單面焊用襯墊及其特點。然后說明陶質(zhì)襯墊的設計原則，確定它的結(jié)構(gòu)尺寸以 及成分；將陶質(zhì)襯墊制備性能和埋弧單面焊試驗時背面焊縫的成形效果作為評 價指標，利用正交試驗法確定一種陶質(zhì)襯墊最佳的成分配方；結(jié)合陶質(zhì)的制備 理論，對陶質(zhì)襯墊的制備工藝從原料處理到最后的組裝一一進行了介紹；敘述 了陶質(zhì)襯墊焊埋弧單面焊的焊接試驗過程，通過對焊接試驗了解各種焊接工藝 參數(shù)對陶質(zhì)襯墊埋弧單面焊成形影響，通過對實驗中所出現(xiàn)的各種缺陷的分析 和討論，從而了解其缺陷產(chǎn)生的原因以及改善措施。最后對本次研究的最終結(jié) 果進行分析，得出結(jié)論。 關(guān)鍵詞：埋弧單面焊、陶質(zhì)襯墊、正交試驗、焊接工藝 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 鋤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 鶴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 鵠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 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育 機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：氳堡函日期趟：2 2 ：曰 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解武漢理工大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán) 保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱：學校可以公布論文的全部內(nèi) 容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生簽名：氫墜因 日期： 2 絲：f 2 ：2 f 導師簽名： 武漢理工大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 本文研究的目的和意義 在科學技術(shù)飛速發(fā)展的當今時代，焊接已經(jīng)成功地完成了自身的蛻變。很 少有人注意到這個過程何時開始，何時結(jié)束。但它確確實實地發(fā)生在過去的某 個時段。我們今天面對著這樣一個事實：焊接已經(jīng)從一種傳統(tǒng)的熱加工技藝發(fā) 展到了集材料、冶金、結(jié)構(gòu)、力學、電子等多門類科學為一體的工程工藝學科。 而且，隨著相關(guān)學科技術(shù)的發(fā)展和進步，不斷有新的知識融合在焊接之中。 在進入2 l 世紀的前夕，美國焊接學會( a w s ) 曾組織權(quán)威專家討論、制 定了美國今后2 0 年焊接工業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。其分析報告對焊接未來做了如下預 測：在2 0 2 0 年，焊接仍將是金屬和其他工程材料連接的優(yōu)選方法。美國工業(yè) 界將依靠其在連接技術(shù)、產(chǎn)品設計、制造能力和全球競爭力方面的領(lǐng)先優(yōu)勢， 成為這些性價比高、性能優(yōu)越產(chǎn)品的世界主導。 由此不難看出：焊接在未來的工業(yè)經(jīng)濟中不僅具有廣闊的應用空間，而且 還將對產(chǎn)品質(zhì)量、企業(yè)的制造能力及其競爭力產(chǎn)生更大的影響。 埋弧焊是一種重要的傳統(tǒng)焊接方法，也是當今生產(chǎn)效率較高的機械化焊接 方法之一，它的全稱是埋弧自動焊，又稱焊劑層下自動電弧焊。埋弧焊以其固 有的焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵很少等優(yōu)點，使其成為壓力 容器、管段制造、箱型梁柱等重要鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要焊接方法。近年來，雖 然先后出現(xiàn)了許多種高效、優(yōu)質(zhì)的新焊接方法，但是埋弧焊的應用領(lǐng)域依然未 受任何影響。從各種熔焊方法的熔敷金屬重量所占份額的角度來看，埋弧焊約 占1 0 左右。 埋弧焊對于比較厚的鋼板可以兩面各焊一次來完成，這是一種比較高效的 焊接方法。但焊完一面后，必須將工件翻過來再焊另一面。在這種情況下，鋼 板翻面需要一定的時間，同時等待翻面用的天車或是起重機也需要一些時間， 使得高效率埋弧焊的焊接效率大打折扣。如果鋼板不要要翻面，僅僅在鋼板的 一面焊接完成，使熔深達到1 0 0 而完成整個焊接過程的話，那么焊接效率就能 顯著的提高。這種焊接方法就是埋弧單面焊【l 】焊接法。埋弧單面焊焊接法不僅 武漢理工大學碩士學位論文 能提高焊接效率，而且還具有工程流水作業(yè)化、降低對廠房高度的要求，減少 天車或是起重機的起重次數(shù)等一系列優(yōu)點，從而大大節(jié)省了費用。 自從埋弧單面焊成為一種高效焊接工藝以后，國內(nèi)外都非常重視埋弧單面 焊焊接工藝的研究和應用，而要良好地運用這一新型工藝方法，關(guān)鍵是埋弧單 面焊襯墊材料的研制。 日本、韓國、美國、德國、英國、前蘇聯(lián)、瑞典、挪威、比利時等國家一 直都很重視單面焊襯墊材料的研究和應用。二十世紀八十年代初，造船大國日 本率先將利用襯墊的單面焊工藝應用于船體建造中，并取得顯著效果【2 】。單面 焊襯墊材料種類繁多，有水冷銅塊、焊劑、黃沙、水玻璃粘結(jié)固化材料和耐高 溫的陶質(zhì)材料，其中陶質(zhì)襯墊以其優(yōu)良的成形性能和工藝適應性，在襯墊焊技 術(shù)中占主導地位1 3 j 陶質(zhì)襯墊單面焊在中國工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)始于二十世紀八十年代，一些大的 船廠為了提高焊接效率，縮短造船周期，大力投入技術(shù)改造，依靠進口設備和 材料，在船體建造中逐步推廣應用【4 】。據(jù)我國造船業(yè)1 9 9 9 年度統(tǒng)計，陶質(zhì)襯墊 耗量達六十五萬米以上。 如今，采用陶質(zhì)襯墊的單面焊已經(jīng)廣泛應用于船舶、大型鋼橋、水工金屬 結(jié)構(gòu)、壓力容器和管道以及各種大型鋼結(jié)構(gòu)及設備的制造。 1 2 國內(nèi)外研究進展 由于單面焊工藝一次可獲得雙面成形焊縫，具有提高生產(chǎn)效率、改善勞動 條件、縮小焊接空間位置等優(yōu)點，因而在造船、鍋爐及其它金屬結(jié)構(gòu)制造中已 得到廣泛應用【5 1 。目前，在所有單面焊焊接方法中，占主導地位的主要是手工電 弧焊、c q 氣體保護焊及埋弧焊。 相對于手工電弧焊、c 0 2 氣體保護單面焊在2 0 世紀8 0 年代初期的迅速發(fā) 展，由于埋弧單面焊需要更高的施工技術(shù)和管理，國外學者對于埋弧單面焊工 藝的研究相對較少。c a n t r e l l 、r o g e re 對在埋弧焊生產(chǎn)中經(jīng)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帶有四個管狀焊絲的陶質(zhì)襯墊焊 系統(tǒng)的可靠性加以驗證【6 】；a n o n 介紹埋弧單面焊在造船業(yè)以及箱型橋和壓力 容器等發(fā)面的應用情況，并認為它所帶來的生產(chǎn)率的提高使得這一方法也將使 用于其他方面的制造【j 7 】；野村博一、佐藤之彥、佐藤慶和針對埋弧單面焊的焊 2 武漢理工大學碩士學位論文 接特點，對埋弧焊機的實時控制系統(tǒng)加以改進，以便于保證焊接質(zhì)量【8 】；田中 和雄對埋弧單面焊的f c b 法和r f 法加以詳細介紹【9 】。 從2 0 世紀9 0 年代中葉，國內(nèi)開始對埋弧單面焊工藝進行研究，并且集中在 兩個方面。一個方面是銅襯墊及焊劑一銅組合襯墊的研究，主要是介紹此種埋 弧單面焊的使用方法，針對不同焊材焊接工藝的研究，探討各種焊接缺陷的起 因及防止措施。例如：陳鐵軍簡述了焊劑+ 銅墊法的埋弧單面焊工藝試驗【l o 】；周 桂芬研究了采用焊劑+ 銅襯墊的埋弧單面焊焊接參數(shù)對焊縫成形尺寸的影響規(guī) 律，通過對板厚為6 、8 、1 0 、1 2m i l l 的1 6 m n r 材料的試驗，確定了其單面焊雙面 成形的最佳參數(shù)，并且找出了焊接參數(shù)變化對單面焊雙面成形尺寸的影響規(guī)律 【l l 】；賈貴忱、吳執(zhí)中、呂純杰等針對采用焊劑+ 銅襯墊的埋弧單面焊，在焊接過 程中的各種焊接缺陷如咬邊、溢流、燒穿、未融合、夾渣、氣孔已經(jīng)成形不良 等產(chǎn)生的原因及防止措施進行了探討【1 2 】：另一個方面是焊劑襯墊，包括焊劑一 氣墊、硬焊劑襯墊、固化焊劑襯墊等的研究，研究的領(lǐng)域與前一個方面相差不 多。例如：王鐵柱簡述了軟襯墊+ 鐵粉的埋焊單面焊焊接工藝特點【1 3 】；王克強、 劉建偉對使用埋弧單面焊接法而引起的焊接接頭終端部位所產(chǎn)生的“終端裂紋” 作了概述，介紹其產(chǎn)生的原因和防止方法【1 4 】。 由于陶質(zhì)襯墊具有使用快捷方便，位置適應性強的特點，開始得到人們的 重視。例如：武漢天高焊接有限責任公司介紹了陶質(zhì)襯墊焊方法，對陶質(zhì)襯墊 的結(jié)構(gòu)設計、成分設計以及襯墊焊的原理一一作了介紹【1 5 1 。同時，其在埋弧單 面焊中的應用也日益得到重視。一方面是開發(fā)出專門適用于單面埋弧焊的陶質(zhì) 襯墊。2 0 0 0 年以后，上海泰昌焊接襯墊材料有限責任公司、浙江象山焊接襯墊 廠、武漢天高焊接有限責任公司相繼研制出專門適用于埋弧單面焊的陶質(zhì)襯墊。 另一方面人們開始研究其焊接工藝特點。例如：秦惠、郝世英等對采用陶質(zhì)襯 墊的埋弧單面焊進行了研究，通過對柔性粘貼式陶質(zhì)襯墊在埋弧單面焊工藝中 應用的研究，探討了該陶質(zhì)襯墊的使用方法、應用范圍，并對相應的工藝進行 了分析【1 6 1 。 埋弧單面焊雖然有很多優(yōu)點，但也有它的不足之處。隨著焊件厚度的增加， 需要采用的焊接線能量也顯著增加，才能保證熔透和背面成形。但其結(jié)果顯然 會導致熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大，使接頭的性能，特別是低溫韌性指標難以保 證。針對這個問題，國內(nèi)研究在鋼中加入高溫下能形成高穩(wěn)定化合物的元素， 使在奧氏體晶界上及晶粒內(nèi)同時獲得微晶細粒。例如：李敏、鄭香增針對埋弧 3 武漢理工大學碩士學位論文 單面焊等大線能量焊接技術(shù)的大線能量、高自動化、強迫成型的特點，指出大 線能量焊接用鋼開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是降碳、增錳、加鈦、精確控制t i n 比的成分 設計及微合金化，優(yōu)化冶煉工藝，加強熱影響區(qū)中細小針狀鐵素體形成的組織 控制和控冷中的板形控制，配套焊接工藝優(yōu)化及焊材的研究等【1 7 1 。 1 3 本論文的主要工作 本人在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，具體解決以下幾點 l 、陶質(zhì)襯墊中材料的組成決定著襯墊的性能，因此陶質(zhì)襯墊配方的確定將 直接影響產(chǎn)品的性能。本文以陶質(zhì)襯墊制備性能和埋弧單面焊試驗時背面焊縫 的成形效果作為評價指標，采用正交實驗法對陶質(zhì)襯墊的配方進行優(yōu)化設計。 2 、在目前已經(jīng)發(fā)表單面焊的文章中，針對陶質(zhì)襯墊埋弧單面焊的文章還比 較少，對它的焊接工藝也是簡單的研究。本文通過焊接試驗分析影響背面焊縫 質(zhì)量的各種因素，并分析各種焊接缺陷的起因及防止辦法。 4 武漢理工大學碩士學位論文 第2 章埋弧單面焊的相關(guān)理論 2 1 埋弧單面焊的成形方式 單面焊有兩種成形方式：自由成形和強制成形。 自由成形是焊縫的背面不加任何承托材料，僅依靠熔化金屬的表面張力防 止熔池下漏而形成背面焊縫。自由成形要求工件間隙合理，間隙過小難以保證 焊透，間隙過大則容易發(fā)生燒穿等缺陷。自由成形時對焊接工藝要求很嚴格， 工藝的規(guī)范性不僅影響熔池的受力情況，同時也影響熔池的體積和形狀。焊接 工藝直接決定是否會出現(xiàn)未焊透或者燒穿等缺陷，所有自由成形時焊縫質(zhì)量難 以保證。 強制成形是焊縫背面加有承托材料即襯墊，襯墊承托金屬熔池并防止熔池 下漏而強制焊縫背面成形。這種成形方式由于焊縫背面有襯墊，對焊接接頭間 隙要求沒有自由成形嚴格，使用的焊接規(guī)范也相對較寬，焊縫質(zhì)量也容易控制。 埋弧焊由于其焊接線能量大，熔池體積大，自由成形埋弧單面焊是不能實 現(xiàn)的，因此埋弧單面焊只能采用強制成型方式。焊接時，在接縫處( 一般開v 形坡口) 留有一定的間隙，并在其反面放置各種襯墊，以達到反面成形的目的。 適用于船體拼板焊接、分段合攏等工序。 2 2 埋弧單面焊的分類 根據(jù)所使用襯墊材料和輔助工具的不同，埋弧單面焊焊接法可以分為銅襯 墊法、焊劑銅襯墊法、熱固化焊劑襯墊法、陶質(zhì)襯墊法等【1 8 】。 2 2 1 銅襯墊法 銅襯墊法就是把銅質(zhì)襯墊緊緊貼在焊縫背面，并在銅襯墊上淺而狹的溝槽 內(nèi)形成背面焊道的一種埋弧單面焊方法。這種方法的主要優(yōu)點是一次焊成雙面 成形焊縫，是生產(chǎn)效率提高。但它必須具備專用的焊接設備。同時銅襯墊磨損 較大，填充金屬的消耗也大。銅襯墊法容易產(chǎn)生銅質(zhì)襯墊與焊縫背面貼不緊， 5 武漢理工大學碩士學位論文 從而引起毛刺、咬邊、熔合不良等缺陷。但是如果銅質(zhì)襯墊貼緊了，焊道外觀 和焊縫還是比較均勻，而且可以使用大規(guī)范焊接，生產(chǎn)效率也顯著提高。 目前最常見的銅襯墊法就是水冷滑塊式銅襯墊法。此法利用焊縫裝配間 隙把水冷短銅滑塊貼緊在焊縫背面，并夾裝在焊接小車上跟隨電弧一起移動， 以強制焊縫成形?；瑝K長度以保持熔池底部凝固不漏為宜。所用焊接小車通常 需要專門設計，其主要缺點是滑塊容易磨損。圖2 1 為典型滑塊結(jié)構(gòu)設計。 圖2 - 1 拉緊滾輪架移動式水冷滑塊結(jié)構(gòu) 1 一銅滑塊2 一鋼板3 一拉片4 一拉緊滾輪架 5 一滾輪6 一夾緊調(diào)節(jié)裝7 一頂桿 2 2 2 焊劑銅襯墊法 焊劑銅襯墊法中比較具有代表性的是龍門壓力架一焊劑銅襯墊法。它利用 橫跨焊件并帶有若干個氣壓缸的龍門架，把焊件壓緊在撤有焊劑的銅墊上進行 埋弧焊，是較為廣泛的一種方法。壓力架可為固定式或移動式。銅墊塊截面形 狀尺寸如表2 1 所列。銅墊塊及冷卻銅塊可以是固定的或用氣缸升降。焊件通 常預留一定裝配間隙，以便通過它把細顆粒焊劑撒入銅墊成形槽中進行焊接。 裝配間隙不均勻、銅墊與焊件未貼緊、成形槽中焊劑充填不均及焊接工藝參數(shù) 不穩(wěn)定會造成背面焊縫凹陷、咬肉或出現(xiàn)焊瘤等常見缺陷。此外，還容易在焊 縫兩端，尤其在尾端出現(xiàn)焊縫中心線熱裂紋，嚴重時可導致焊縫全長縱向裂 1 。解決的辦法是將終端定位焊位置前移并減少定位焊長度，以及采用圖2 2 所 ；的開槽引出板。但對于板厚2 5 m m 以上的這類終端裂紋仍無有效解決辦法。 6 武漢理工大學碩士學位論文 4 6l o2 57 0 u 0 0 q 5 1 2 1 41 84 01 2 圖2 - 2 開槽引出板及連接方式 1 一焊件2 一連接焊縫3 一槽引出板 2 2 3 熱固化焊劑襯墊法 熱固化焊劑襯墊是由條狀熱固化焊劑和石棉布、瓦楞紙等制成的，圖2 3 為其典型構(gòu)造。其各部分功能及組成特點為：雙面粘貼帶用來使襯墊緊貼焊件； 熱收縮薄膜使襯墊保持預定形狀，防止內(nèi)部組成物移動，是有4 5 的酚醛或 苯酚樹脂、質(zhì)量分數(shù)3 5 的鐵粉、質(zhì)量分數(shù)為1 7 5 的硅鐵等加熱固化而制成， 當加熱到8 0 1 0 0 使樹脂液化，把焊劑、鐵粉等粘結(jié)在一起，溫度升到l o f t - - 1 5 0 時樹脂固化而成一定板條狀，焊接時板條基本不熔化，能有效的防止熔池 液體金屬流溢，控制焊縫背面成形；石棉布作為耐火材料保護焊劑襯墊；彈性 墊用瓦楞紙或較硬石棉板，使襯墊便和受潮；玻璃纖維帶使表面柔軟，便于與 不十分平整的接縫背面貼合；熱固化焊劑，用一般焊劑加適量熱固化物質(zhì)組成， 熱固化后起類似銅墊的作用。商品化熱固化焊劑襯墊做成6 0 0 r a m 左右標準長 度，使用時可按圖2 - 4 所示用磁性夾具等固定在焊件背面，這樣就可以解決難 7 武漢理1 人學碩十學 訌論文 以使用前述焊劑銅摯、水冷滑塊的略帶曲率的對接焊縫的單面焊問題 圖2 - 3 熱固化焊劑墊構(gòu)造 雙面粘貼帶2 一熱收縮薄膜：j 一玻璃纖維布 4 熱固化焊劑5 一石綿布6 一彈性墊 目 圖2 - 4 熱崮化焊劑墊的安裝方法 1 一焊件2 一熱固化焊劑摯3 一磁鐵 4 一托板5 一調(diào)節(jié)螺釘 2 2 4 陶質(zhì)襯墊法 陶質(zhì)襯墊埋弧單面焊是利用陶質(zhì)材料具有耐高溫性能的特點，將其作為焊 縫面成形依托，達到單面焊雙面成形的高效焊接r 藝。陶質(zhì)襯摯由陶質(zhì)塊、防 固化紙、鋁箔、粘結(jié)劑涂層幾部分組成。陶質(zhì)塊足陶質(zhì)襯墊的主體，由氧化硅、 氧化鋁等材料在一定的溫度下燒制而成，并在一面開有各種形狀的成形槽，以 便接時熔化的金屬流入其內(nèi)強制成形。整條襯墊由數(shù)個尺寸大小相同的陶質(zhì)塊 依次排列粘在鋁箔上，可以進行適度彎曲，形成“軟襯墊”，可適用于不同曲率 ：的焊縫焊接，如平焊縫、不同直徑筒體的對接焊縫等。防固化紙平時用于防 武漢理工大學碩士學位論文 止粘結(jié)劑固化，在焊接前揭去。陶質(zhì)襯墊成形槽底部中央劃有一條線，用于粘 貼時與焊縫找正對中。陶質(zhì)塊兩側(cè)的鋁箔上沿襯墊長度方向分布一些小孔，作 為焊接時的排氣孔【1 9 1 。陶質(zhì)襯墊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 5 所示。 圖2 5 陶質(zhì)襯墊示意圖 蟊一；i 務囊 陶質(zhì)襯墊具有如下主要特點： 陶質(zhì)襯墊具有合適的熔點，在電弧熱作用下，成形槽表面部分熔化，焊縫金 屬起潤滑作用，增加液態(tài)金屬的流動性，使焊道背面成形良好、平滑。 陶質(zhì)襯墊按要求烘干后，吸濕性較小，焊縫含氫量低。 采用粘貼定位，避免和消除了各種焊劑襯墊應用中由于工件移動，滾架竄動 造成的襯墊托力不均勻、襯墊錯位、焊漏及成形不良等問題。 其長度可以根據(jù)需要裁定。當采用小陶瓷塊時，可適用于一定曲面結(jié)件的焊 接。針對不同板厚、不同形式坡口的不銹鋼板，采取不同形式的陶質(zhì)襯墊。如： 對于v 性坡口，采用船性陶質(zhì)襯墊。其單面焊焊接工藝示意圖如圖2 6 所示。 圖2 - 6 陶質(zhì)襯墊單面焊焊接工藝示意圖 9 武漢理工人學碩士學位論文 2 3 埋弧單面焊襯墊材料的種類和特點 2 3 1 襯墊材料的種類 根據(jù)埋弧單面焊襯墊材料的材質(zhì)特點可分為金屬襯墊和非金屬襯墊兩大類。 l 、金屬襯墊 埋弧單面焊中使用的金屬襯墊主要是銅質(zhì)襯墊。銅質(zhì)襯墊是由黃銅制成， 一般在水冷滑塊式一銅襯墊法和焊劑一銅襯墊法中使用。前者需要水及時進行 冷卻，而后者在壓力的作用下易磨損。 2 、非金屬襯墊 非金屬襯墊是由一定成分的非金屬材料制成，目前應用廣泛，并已逐漸取 代了金屬襯墊，目前應用最廣泛的主要是熱固化焊劑襯墊和陶質(zhì)襯墊。前者在 焊劑中加入熱固化劑而制成，呈條狀，固化成形后經(jīng)包裝后使用。后者在陶質(zhì) 材料中加入少量的水作為粘結(jié)劑壓制成型后低溫烘干成瓷后經(jīng)組裝而成。 2 3 2 襯墊材料的特點 在埋弧單面焊中，不論是哪類襯墊，其作用均是焊接熔池起襯托作用，防止 熔池流漏，強制焊縫成形。但襯墊種類不同，其作用效果也不同。表2 2 對襯 墊材料的特點進行了比較，從表2 2 中可知：陶質(zhì)襯墊由于經(jīng)過了高溫燒結(jié)過 程，克服了其它襯墊的不足，具有使用靈活，方便的特點，可用于有一定曲率 的單面焊接，成為現(xiàn)代焊接生產(chǎn)中應用效果最佳的襯墊材料【2 0 1 。 表2 2 埋弧單面焊襯墊材料的特點 水冷式易燒壞，粘良 銅襯墊和性差 焊劑一安裝困難， 銅襯墊焊劑需烘 干，適用于 于水平面夾 角小于1 5 度的平板對 接長縫 易出現(xiàn)未焊 透、未熔合 電弧力作易出現(xiàn)焊縫 用易造成余高，熔寬不 焊劑堆放均勻 不均勻， 性能良好 1 0 高 高 系塊機 壓 冷滑走 門惺 冷硝走 門架水統(tǒng)行構(gòu)龍力 武漢理工大學碩士學位論文 熱固化使用靈活， 焊劑襯粘和性好， 墊用前需烘 干，使用時 易引起人體 不適，有異 味 焊縫根部含s i 量偏高 清渣困難 允許一定裝夾具中 的彎曲 陶質(zhì)襯靈活、方便、優(yōu)優(yōu)優(yōu)無優(yōu) 墊 粘和性好， 不吸潮 注：襯墊質(zhì)量主要指：外觀質(zhì)量、強度、可彎度 2 4 陶質(zhì)襯墊埋弧單面焊的實現(xiàn)條件 單面焊時要使焊件背面形成焊縫，必須要有足夠的熔深，保證焊縫根部熔 透。因此，實現(xiàn)單面焊的首要條件是焊縫根部一次性熔透。熔透即電弧熱作用 到焊件背面使之形成一定寬度的熔化區(qū)，作用于該區(qū)的力較多，熔化區(qū)即熔池 受到的力對熔池尺寸有很大影響。 如圖2 7 所示陶質(zhì)襯墊單面焊接，焊縫背面處于強制狀態(tài)，熔池除了受到 液體金屬與熔池壁之間的表面張力f 2 ，f 3 ( f 2 = f 3 ) 、熔池金屬的重力g 及電弧 總壓力f 在垂直于焊縫平面方向的分力f v 之外，還受到襯墊對焊縫背面的支撐 力f l ，方向垂直向上。 圖2 7 強制成形單面焊熔池受力示意圖 因此，在陶質(zhì)襯墊的襯托下，埋弧單面焊要實現(xiàn)焊縫根部一次性熔透，則 其條件為： 武漢理工大學碩士學位論文 g + f t 耋f 2s i n 口+ f ss 1 n 口( 2 1 ) 據(jù)物理化學中表面張力的計算公式可知：f zs i n a = f 。s i n t r = l c rc o s t z 。則公 式( 2 - 2 ) 可以改寫為 p , + h g p 至2 oc o s o b ( 2 2 ) 式中：p ：電弧壓強； 0 ：熔化區(qū)背面液態(tài)金屬的表面張力； 秒：熔化區(qū)根部表面切線與焊件背面垂線間夾角； p ：熔化金屬密度 b ：焊縫背面熔化寬度 h ：熔化金屬平均厚度 同時，為了得到良好的背部成形質(zhì)量，襯墊不能排開或是擊穿。則此時熔 池的必須滿足以下平衡條件： f 2s i n a + f s s i n t z + f l = g 卜卜f v ( 2 - 3 ) 因此，在同時滿足公式( 2 - 2 ) 和公式( 2 - 3 ) 的情況下，才能夠?qū)崿F(xiàn)成形 良好的陶質(zhì)襯墊埋弧單面焊。 2 5 埋弧單面焊對陶質(zhì)襯墊的性能要求 為了保證埋弧單面焊焊接過程的順利進行，保證焊接質(zhì)量，陶質(zhì)襯墊應該 具有以下幾個方面的良好性能： l 、物理性能 陶質(zhì)襯墊的物理性能是影響埋弧單面焊焊接質(zhì)量的重要因素，因此在進行 埋弧單面焊時對襯墊的物理性能有一定的要求，陶質(zhì)襯墊的物理性能對焊縫成 形的影響主要體現(xiàn)在其耐火度、始熔溫度、熔化溫度范圍、襯墊熔渣的粘度、 表面張力、吸潮率等性能上。 耐火度是指襯墊對高溫的承受能力，一般而言在此溫度時，產(chǎn)品尚能保持 原有形狀且已開始熔化并具有一定的強度?？紤]到埋弧單面焊的焊接特點以及 陶質(zhì)襯墊的襯托作用，同時兼顧經(jīng)濟上的考慮，該陶質(zhì)襯墊應該屬于普通耐火 材料。 陶質(zhì)襯墊耐火度用t ( ) 表示，襯墊耐火度的大小一般采用經(jīng)驗公式來計 算，其計算公式為： 1 2 武漢理工大學碩士學位論文 t = ( 3 6 0 + m r 2 0 3 - m r o ) 0 2 2 8 ( 2 - 4 ) 式中：r 2 0 3 是指把分子式為r 2 0 3 與r 0 2 型氧化物質(zhì)量之和作為1 0 0 ，分子 式為r 2 0 3 型氧化物所占的百分含量。r o 是指把分子式為r 2 0 3 與r 0 2 型氧化 物質(zhì)量之和作為1 0 0 ，帶入其它溶劑氧化物所占百分含量之和【2 1 1 。 陶質(zhì)襯墊含有多種化合物，沒有固定的熔點，為玻璃態(tài)化合物，有一個熔 化區(qū)間，即襯墊從開始熔化到完全熔化的溫度區(qū)間，始熔溫度是襯墊開始出現(xiàn) 軟化變形的溫度。襯墊的始熔溫度不應過高，也不能太低。始熔溫度過高時， 襯墊熔化太少，由于襯墊自身溝槽較小，背面余高不夠，并且熔渣也不易浮出； 過低則襯墊熔化過多，背面余高過高而影響接頭的疲勞性能。 始熔溫度一般難以測定，根據(jù)多元相圖也難以得到準確的數(shù)據(jù)。一般認為 采用耐火度乘0 8 5 的經(jīng)驗系數(shù)計算出來的始熔溫度是與實際情況相近的。始熔 溫度用t 始表示，其計算公式為： t 始= o 8 5 t ( 2 5 ) 粘度是熔渣的重要物理性質(zhì)之一，它對熔渣的保護效果、焊接工藝性能和 化學冶金都有顯著的影響。因此控制熔渣的粘度是保證焊接過程正常進行的重 要條件之一。襯墊的熔渣應具有合適的粘度，高溫時熔渣的粘度過大，易使焊 縫表面成形不良，易產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷。粘度過低，將會造成熔渣對焊縫 覆蓋不均勻，對焊縫的保護不好。熔渣的表面張力對焊縫成形、脫渣性以及許 多冶金反應都有重要的影響作用。 吸潮率也是襯墊的一個重要物理性能。陶質(zhì)襯墊是用鋁箔紙包裝好的，一 般取出來就直接使用。若襯墊吸潮率比較高時，在一定的時間下，襯墊中水分 增加。由于鋁箔紙的存在，襯墊無法像焊條那樣烘干。若直接使用，將使焊縫 的含氫量增加，從而焊縫的抗裂性下降。若棄之不用則又比較浪費。 2 、化學性能 由于陶質(zhì)襯墊的化學性能直接影響著焊縫的性能，所以在研究襯墊時要充 分考慮襯墊的化學性能。 陶質(zhì)襯墊在焊接過程中，其表面會被焊熔融金屬的熱量熔化一部分而形成 襯墊熔渣。由于熔池底部的熔融金屬直接與該襯墊熔渣相接觸，這就要求襯墊 熔渣具有良好的化學穩(wěn)定性。否則襯墊熔渣與熔融金屬發(fā)生不良的冶金反應， 不僅影響焊縫表面的成型，還有可能影響背面焊縫的機械性能。同時陶質(zhì)襯墊 在焊接過程中不能分解出氣體，以減少氣體來源，降低氣孔的發(fā)生率。 1 3 武漢理工大學碩十學位論文 酸性系數(shù)是也陶質(zhì)襯墊一個重要的化學性能，對焊縫的性能起著非常重要 的作用。酸性系數(shù)是指酸性氧化物與堿性氧化物當量之比。熔渣的其它物化性 質(zhì)，如熔渣的活性、粘度和表面張力等都與熔渣的酸性系數(shù)有密切的關(guān)系。當 酸性系數(shù)大于1 時，焊接時熔渣為酸性渣；酸性系數(shù)小于l 時，焊接時熔渣為 堿性渣。堿性渣有利于提高焊縫的沖擊韌性。由于埋弧單面焊相對于雙面焊， 采用更大的線能量，熱影響區(qū)的奧氏體晶粒將長大，需要對焊接接頭的性能特 別是低溫韌性將以更加注意，顯而易見堿性渣更有利于埋弧單面焊。同時酸性 系數(shù)c a 增加，陶質(zhì)襯墊的燒結(jié)溫度也會增加。 酸性系數(shù)用c a 表示，其計算公式為： 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 一相應氧化物的分子數(shù)。 3 、焊接工藝性能 襯墊的焊接工藝性能是其使用性能的外在體現(xiàn)，其主要考察的是背面焊縫 成形、脫渣性、裝貼方便等方面。 采用襯墊進行焊接的目的就是使背面焊縫成形，這也是襯墊焊接工藝性能 中最重要的因素，焊接時襯墊必須保證焊縫的背面成形符合一定的標準。同時， 襯墊要有良好的脫渣性和穩(wěn)定性，使背面焊縫成形光滑美觀，無焊接缺陷。襯 墊裝貼要具有方便性，在焊接前能快速有效地將襯墊貼于焊縫背面，實現(xiàn)單面 焊雙面成形。同時易于對中焊縫中心，對工件間隙要求不嚴格以降低對裝配工 序的要求，對錯邊和坡口角度不敏感而且能適用于較廣的焊接規(guī)范。 4 、經(jīng)濟性和環(huán)保性 在滿足使用要求的情況下，應盡量選用資源豐富，質(zhì)量穩(wěn)定，價格低廉的 礦物原料，而少使用價格昂貴的化工原料。同時要考慮各礦物原料對襯墊制備 的影響，選用能易加工、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高的原材料。同時，陶質(zhì)襯墊 的環(huán)保性也是一個不容忽視的問題。在原料和生產(chǎn)工藝上，要對人體無毒無害 的；在使用過程中，也不能釋放出有毒的煙塵。 1 4 武漢理工大學碩士學位論文 第3 章埋弧單面焊陶質(zhì)襯墊的結(jié)構(gòu)設計 埋弧單面焊陶質(zhì)襯墊的結(jié)構(gòu)設計主要考慮襯墊成型槽的外形和尺寸，以及 襯墊塊的外形尺寸。 3 。1 陶質(zhì)襯墊的成形槽 成形槽是影響焊縫背面成形尺寸及質(zhì)量的重要因素。成形槽主要有兩個重 要參數(shù)，即槽寬和槽深，從理論上來講槽寬大于裝配間隙時，如圖3 1 ，對焊縫 圖3 - 1 成型槽及間隙 成形尤其是焊根的焊透及焊縫邊緣的過渡是有好處的，但由于襯墊塊在焊接熔 池的高溫下形成的熔渣具有一定的退讓性，實際焊接中即使裝配間隙等于或稍 大于槽寬尺寸也能得到好的成形。一般來說裝配間隙增大，槽寬也應相應增加。 槽深是影響背面焊縫成形高度的一個因素，決定焊縫成形高度的還有其它因素， 如焊接電流、焊接速度、操作方式、襯墊塊耐火度等。這些因素對于控制焊縫 成形高度方面在一定程度上具有互補性。通常情況下都不希望焊縫余高過大， 因此槽深不能太大。當裝配間隙較小時，槽深應適當增加，這對于根部熔透及 焊縫邊緣過渡是有利的。如果裝配間隙較大，即使槽深為零，由于襯墊塊在熔 池高溫下的退讓性也能得到一定余高的焊縫，但很容易出現(xiàn)焊縫邊緣熔合不良 或咬邊等缺陷。因此槽深的確定應綜合考慮焊接電流、襯墊塊耐火度、裝配間 隙、操作方式及對焊縫余高的要求等因素。襯墊塊成形槽的形狀在一定程度上 1 5 武漢理工大學碩士學位論文 也會影響焊縫成形，對于對接平焊和立焊，目前比較流行的是采用對稱的圓弧 槽，在某些情況也可采用方形槽，如圖3 - 2 。方形槽對于防止咬邊，根部熔合 不良及控制余高是有益的。對于對接橫焊及某些角焊縫等情況可采用不對稱的 成形槽，如圖3 3 。通過在試驗過程中的對比試驗，發(fā)現(xiàn)埋弧單面焊用的陶質(zhì) 襯墊，采用方形槽成形質(zhì)量優(yōu)于圓弧槽。因此單面埋弧焊用陶質(zhì)襯墊采用方形 槽，槽深為0 6 m m ，槽寬為i 1 8 r a m 。 圖3 2 不對稱成形槽 3 2 陶質(zhì)襯墊的外形 圖3 - 3 不對稱成形槽 外形的設計主要考慮寬度、長度和厚度，如圖3 4 、3 5 ，同時考慮鋁鉑膠 帶裝貼的方便性及降低重量和材料消耗。襯墊塊寬度應隨裝配間隙的增加而增 大，對于一定的裝配間隙，陶質(zhì)塊的寬度越大，鋁鉑膠的粘貼部位離焊縫越遠， 溫度也越低，鋁鉑膠就不會脫落，可保證焊接過程的穩(wěn)定性。陶質(zhì)塊的長度對 于直縫來說沒有關(guān)系，主要由陶質(zhì)塊的生產(chǎn)設備條件決定，陶質(zhì)塊的厚度應能 保證不被燒穿，此外考慮到一定的強度，應適當加厚一點【2 2 1 。 圖3 4 陶質(zhì)襯墊塊外形圖 1 6 武以理人。碗l 學位論文 一 綣 圖3 - 5 不同形狀襯摯塊 考慮到所研制的埤弧譯面焊用陶質(zhì)襯墊將主要應用于些船廠，以及實驗 室手動襯摯制樣機和制樣模具的實際情況，以及節(jié)省成本的因素，本次實驗研 制的陶質(zhì)襯摯其外形結(jié)構(gòu)如圖3 - 6 所示。 li 2 68 圖3 - 6 埋弧單面焊用陶質(zhì)襯墊尺寸圖 武漢理工大學碩士學位論文 第4 章埋弧單面焊陶質(zhì)襯墊的配方設計 埋弧單面焊陶質(zhì)襯墊的成分不僅直接影響焊接過程的穩(wěn)定性及焊縫質(zhì)量， 而且對它的制備工藝也有很大影響，而它的成分是由原料配方直接決定的。同 時，隨著陶質(zhì)襯墊埋弧焊應用范圍的擴大，對配方也提出了更高的要求。不同 的焊縫金屬如碳鋼、不銹鋼等；不同的焊劑如熔煉、燒結(jié)、酸性、堿性等，都 需要有不同的襯墊裝配方才能得到好的焊接效果。應此對陶質(zhì)襯墊的配方需要 采用科學的試驗方法進行優(yōu)化設計。 4 1 正交試驗設計法 在新產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量活動中，經(jīng)常需要做各種試驗，不可避免地 會遇到試驗方案的優(yōu)化設計問題。如果試驗方案設計得當，就能發(fā)現(xiàn)規(guī)律，找 出主要影響因素，就能以較少的試驗次數(shù)，較短的時間，得到正確的結(jié)論。因 此。如何正確對試驗方案進行優(yōu)化設計是一個極為重要的問題。目前常采用的 實驗設計優(yōu)化方案有：單因素輪換法、正交試驗法、均勻設計、單純形法、人 工神經(jīng)網(wǎng)絡【2 3 2 4 1 ?？紤]到陶質(zhì)襯墊涉及的原料多、制備工藝參數(shù)復雜等因素， 對陶質(zhì)襯墊配方的優(yōu)化設計采用正交試驗法。 4 1 1 正交試驗設計法的基本概念 正交試驗設計法( 簡稱正交法) 是統(tǒng)計數(shù)學的