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1、工艺技术陶质衬垫焊方法武汉天高捍接有限资任公司前官陶质衬垫焊是一种以特殊陶质材料为衬托,使焊缝强制成形的高效、优质、低成本的焊接方法。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,与传统焊接方法相比,是一种适应可持续发展潮流的“绿色”焊接方法。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 重视衬垫焊的研究和应用。二十世纪八十年代初,造船大国日本率先将衬垫焊应用于船体建造中,并取得显著效果。衬垫焊材料种类繁多,有水冷铜块、焊剂、黄砂、玻纤布、水玻璃粘结固化材料和耐高温的陶质
2、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。陶质衬垫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。进入八十年代,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垫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。天离系列肉质衬垫天高焊接有限责任公 司与广大用户共
3、同努力,在生产实践中培育了许多成熟的陶质衬垫焊工艺方法,如何选用不同规格型号的衬垫材料,最好是了解衬垫焊的基本知识,再结合自身焊接生产的特点,触类旁通。陶质衬垫焊基本原理背面焊缝缩孔的产生陶质衬垫焊熔池周边是由母材金属和衬垫所组成的一个模体。由干陶质衬垫与母材金属的导热性相差很大导热系数比钢小两个数量身般舶工业技术经济信息第期工艺技术撼级,熔池的散热处于极不均匀的状态,熔池两边 与母材相连散热很快,底部 与陶质衬垫接触散热慢,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
4、线。当电弧中断如收弧等,熔池上部的加热被去掉,由于陶质衬垫的保温作用,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,这就是陶质衬垫焊熄弧时易产生背面缩孔和弧坑裂纹的根本原因。焊采用返烧左右熄弧,熔池上部保持高温使其自下而上结晶,熄弧点移至焊缝边缘母材上,这样能消除焊缝背面缩孔。母材熔透焊缝熔深主要受焊接电流和焊接速度的影晌,图】为衬垫焊必须有大于叫司隙才能保证根部焊透。背面焊缝余高形成陶质衬垫焊熔池形成示意图如图,在有间隙焊时必老 气登 严护图陶质衬垫焊熔池形成示意图图普通熔池形成示 意图诊熔池形成示意图,当电流增加时,电弧力电磁力,等离子流力等增加,熔深随之增
5、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。薄板对接埋弧焊有时采用大电流快速焊也不会发生烧穿现象,相反在电流不是很 大,焊速慢 时反而会烧穿,这是 由于熔池底部母材金属受热作用处于高温塑性状态,不能有效 的衬托熔池,这时如果背面有衬垫托住会发现此时的熔深远小于板厚而无法焊透。在背面 无衬托的情况下,实
6、际生产中会出现焊漏或者焊不透的情况,很难控制。陶质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。如陶质须保持电弧下有一定厚度熔融金属即。,当焊速较快时,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在表面张力作用下,般拍工业技术经济信息第期工艺技术 令的,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和衬垫耐火度的综合影晌,最好是能使衬垫熔
7、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。不不变化不大,一般在左右,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,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。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,随的增加,余高增大。图为衬垫浮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晌,当增大时,熔
8、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,由图所示,熔池底部温度增加,曲线上移,增大衬垫耐火度增加,减小。因此提高衬垫耐火度对降低焊缝余高是有益身,一材口火宜下一全日点石一抽盛翻目度衬娜度一衬,臼花口魔图衬垫厚度方向温度分布背面焊缝成形质量焊接过程中熔池底部金属与衬垫熔渣接触,衬垫熔渣必须具有化学稳定性,避免熔化金属与衬垫熔渣相互浸润,保证脱渣性及焊缝稳定成形。否则衬垫熔渣与熔池液态金属发生冶金 反应,不仅影晌焊缝表面成形,还有可能影晌背面焊缝的冲击韧性衬垫应具有良好的物理性能,当电弧移开,熔池底部冷却到金属熔点时开始结晶,如果衬垫的耐火度高于金属熔点,衬垫熔渣先于焊
9、缝金属凝固,熔渣和金属不能很好的分离,导致脱渣困难,焊缝高低不平。因此衬垫的耐火度应不高于金属的熔 点,对于金属和衬垫来说,一般没有特定的熔点,而是一个熔化区间,在熔池金属凝固温度区间内,衬垫熔渣需具有合适的粘度和表面张力,熔渣在焊缝表面均匀铺展,冷却凝固后表面光滑。由于陶质衬垫焊是由焊接方法、焊接材料焊丝、焊剂、药芯等与衬垫组成的一个相关联的工艺方法,对应于不同的焊接方法和焊接材料需要有合适的陶质衬垫相配合。从陶质衬垫的角度考虑,可以通过有针对性 的优化配方,提高烧结温度等手段 以改善其物理化学稳定性来满足个例要求。陶质衬垫的组成陶质衬垫主要由衬垫块和铝箔胶带组成如图,其中图陶质衬垫组成般舶
10、工业技术经济信息第期工艺技术 争衬垫块是影晌陶质衬垫焊接性能的关键,需要根据不 同要求进行设计。衬垫块的设计衬垫块的技术性能直接影响焊缝的背面成形,其设计主要包括形状设计和成分设计。形状设计衬垫块的形状主要考虑焊缝成形槽的形状及尺寸,其次还有外形。衬垫块成形槽成形槽是影晌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,对焊缝成形尤其是焊根公匕二二夕 匕止三夕图了不对称成形楷外形的设计主要考虑宽度、长度和厚度,如图、,图衬垫块外形该图不同形状衬垫块塾缨娘图成形槽与间陈的熔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作用下具
11、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
12、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也会影响焊缝成形。对接平焊和立焊,目前比较流行的是采用对称的圆弧槽。在某些情况下也可采用方形槽,如图。方形槽对于防止咬边、根图对称成形槽部熔合不良及控制余高是有益的。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。衬垫块外形同时考虑铝箔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,衬垫块的宽度越大,铝箔胶带的粘贴部位离焊缝越远,温度也越低,铝箔胶带就不会脱落,可保证焊接过程的稳定性。衬垫块 的长度对于 直缝来说没有关系,主要由衬垫块 的生产工艺条件决定,对于曲面焊缝或环焊缝来说
13、,衬垫块的长度应减小,以便弯曲,如图。衬垫块 的厚度应 能保证不被烧穿,此外考虑到一定的强度,珍般粕工业技术经济信息第期工艺技术 珍图焊陶质衬垫图曲面焊使用衬垫衬垫块的制造工艺衬垫块的制造工艺与陶瓷和耐火材料的制造工艺大体相 同,但在原材料的选用、处理、成形方法及烧结工艺等方面都具有很多特殊性。衬垫块采用压制成形法,其制造工艺流程如下施焊 的操作方法,摆动过程中在坡口根部两边 电弧应作适当停应适当加厚一点。成分设计衬垫块的成分不仅直接影响焊接过程的稳定性及焊缝质量,而且对衬垫块的制作工艺也有很大影晌。成分设计应考虑以下几个方面焊缝表面成形、脱渣性、烧结、耐火度、表面质量、尺寸稳定性、焊缝性能要
14、求等。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、随着陶质衬垫焊应用范围的扩大,对配方也提出了更高的要求。不同的焊接方法如。气体保护焊、埋弧焊、手工焊不同的焊缝金属如碳钢、不锈钢不同的焊丝如实芯焊丝、药芯焊丝不同型号的药芯焊丝如普通型药芯。冲击、低温型药芯一。以下冲击不同的焊剂如熔炼、烧结、酸性、碱性等,都需要有不同的衬垫配方才能得到好的焊接效果。原材料预处理配料卜侧混料成形检验烧成留,以保证根 部熔透。即使间隙卜,“ 护曰匕典型陶质衬垫焊工艺解析采用衬垫的根本目的就是要使焊缝背面成形,从原理上讲必须焊透才能实现焊缝背面成形,在实际焊接过程中,要达到焊透的目
15、的可从两方面考虑一是加大焊接电流二是增加装配间隙。焊接电流的增加要受到焊接方法、接头性能的限制装配间隙的增加要受到焊材消耗、焊接变形及焊接效率的制约。因此一个实际的焊接工艺的确定,必须综合考虑各方面因素的影响。气体保护焊气体保护焊陶质衬垫如图川。陶质衬垫焊为保证焊透及根部熔合良好,必须要有以上的间隙,如图。间隙增大,可以采用摆动很大,通过适当的摆动操作,惫图陶质衬垫焊也 能得到良好 的焊缝成形,图所示为超大间隙陶图大间隙焊缝成形质衬垫。焊反面成形情况。对于异形件如球扁钢对撞立焊,衬垫需特殊设计外型,如图,其焊接操作应根据坡口及间隙的变化调整。从焊姗加工业技术经济信息第期工艺技术令宜的焊接电流,
16、配合一定的装配间隙,如图,可得到图球扁钢衬垫接效率的角度考虑,。气体保护焊应该采用大电流,但由于。焊熔池小,电流增大,飞溅增加,送丝速度增加,焊接操作困难,熔池难以控制,而且热输入增加,对接头性能也不利,故一般采用中下限电流,比较容易获得良好的焊缝背面成形。埋弧焊埋弧焊陶质衬垫如图。图陶质衬垫埋弧焊良好的背面焊缝成形,如图了。实际装配过程中,要严格图理弧焊背面焊缝 镶图埋弧焊衬垫陶质衬垫埋弧焊的焊接规范可调范 围大,一次焊透能力强,在厚板开坡口且钝边较小或薄板的对接焊中,采用大电流在不留间隙的情况下,也 能焊透使焊缝背面成形。但电流太大,热输入增加,对接头性能不利,无间隙时焊丝对中要求高,稍有偏离很容易导致背面熔合不良。为满足接头性能要求,采用适控制间隙一致是很困难的,埋弧焊小车自动行走,不能像焊一样依靠摆动施焊来弥补间隙的变化。只能通过调整焊接规范 以适应间隙的变化。调整规范的一个基本原则是在保证焊透及电弧稳定的情况下,取一下限电流,再根据间隙大小调整 电压和焊接速度,一般电压要受电流的影晌,调整幅度不宜太大。焊接速度的调整在间隙变化 时将起关键
