（材料加工工程专业论文）单面焊陶瓷衬垫熔渣与熔池金属冶金行为研究.pdf

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s i 增加。 ( 2 ) 焊丝和母材中s i 和m n 原始浓度的影响，焊缝金属s i 和m n 含量与焊 缝的熔合比有关，母材的金属s i 和m n 含量低且 m n l s i l d , ，当熔合比高时， 焊缝s i 和m n 含量减小， m n s i 降低：当熔合比低时，焊缝的s i 和m n 含量 增加， m n s i 增加。 ( 3 ) 焊接规范的影响，当电流增加时， 焊丝中s i 和m n 的过渡系数增加， 且熔合比减小，焊缝金属s i 和m n 的含量增大， m n s i 增加。当焊接电压增 大时，焊丝中s i 和m n 的过渡系数减少，且熔合比增加，焊缝金属s i 和m n 的 含量减小，【m n s i 减小。当焊接速度增大时，焊缝熔合比增大，焊缝金属s i 和m n 的含量降低， m n s i 减小。 关键词：单面焊，陶瓷衬垫，熔渣碱度，冶金机理 a b s t r a c t o n e s i d e dw e l d i n gi sak 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 hh a s b e e nw i d e l ya 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 r u c t u r ea n de q u i p m e n t c o m p a r e dw i t ht w o - s i d e dw e l d i n g , i tc a ni m p r o v e w o r k i n gc o n d i t i o n s ，s a v e st h ep r o c e s so fb a c kg o u g i n g ，r e d u c ew o r k e r s l a b o r i n t e n s i t y , t h e r e f o r eg r e a t l yi m p r o v e t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y w i t hb a s i ct h e o r yo fo n e s i d e dw e l d i n gw i t hb a c k i n g ，t y p e 、c h a r a c t e r i s t i c 、 c r a f t s m a n s h i pa n dp r o p e r t yo fc e r a m i c sb a c k i n ga r ed i s c u s s e d b a s e do nw e l d i n g m e t a l l u r g y , t h ep a r t i c u l a rw e l d i n gm e t a l l u r g yo fo n e s i d e dw e l d i n gw i t hb a c k i n gi s e x p o u n d e d m e t a lc r y s t a l l i n ep r o c e s sa r ea n a l y z e d b yt h ea n a l y s i s ，a s e r i e so f c e r a m i c sb a c k i n go fd i v e r s ea l k a l i n i t ya r ep r o d u c e d u n d e rd i f f e r e n ta l k a l i n i t yc e r a m i c sb a c k i n g , t h ec o m p o s i t i o no f t h ew e l dm e t a l a n ds l a ga l k a l i n i t ya r em e a s u r e d ，i no r d e rt om a k ec e r t a i nw h e na l k a l i n i t yc h a n g e ， h o wt h ea m o u n to fs i ，m na n dt h em e t a l l u r g yb e h a v i o u rb e t w e e nb a t hw e l da n d c e r a m i cs l a g u n d e rd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r ，c o m p o s t i t i o no fc e r a m i cs l a g ，w e l d i n gs l a g a n dw e l dm e t a la r em e a s u r e d ，t h ea m o u n to fs i ，m ni nw e l dm e t a la n d t h em e t a l l u r g y b e h a v i o u rb e t w e e nb a t hw e l da n dc e r a m i cs l a ga r ea n a l y s e d w h e no n e s i d e dw e l d i n gw i t hc e r a m i cb a c k i n g ，t h ea m o u n to fs i ，m ni nw e l d m e t a la r ed e c i d e db yt h ef o l l o w i n gt h ef a c t o r s ： ( 1 ) t h ec o m p o n e n t so fc e r a m i cb a c k i n g ，b e c a u s eo ft h ec o m p o n e n t sr a n g e ，s i w o u l dt r a n s i t i o nt om o l t e nm e t a lf r o mc e r a m i cs l a g ，a n dm nw o u l dt r a n s t i t i o nt o c e r a m i cs l a gf r o mm o l t e n ，t h i sa c t i o nw o u l db ew e a k e nw h i l ec e r a m i ca l k a l i n i t y i n c r e a s e t h e r e f o r et h e 【m n s i 】i nw e l dm e t a lw o u l di n c r e a s e ( 2 ) t h ec o n c e n t r a t i o no fs ia n dm n i nw e l d i n gw i r ea n db a s em e t a l ，t h es ia n d m ni nw e l dm e t a lr e l a t e dw i t hw e l dp e n e t r a t i o nr a t i o ，b e c a u s et h es ia n dm n i nb a s e m e t a li sl o w e rt h a ni nw e l d i n gw i r e ，t h es i ，m na n d m n s i 】i nw e l dm e t a lw o u l d d r o pw i t hw e l dp e n e t r a t i o nr a t i oi n c r e a s e ( 3 ) w e l d i n gv a r i a b l e s ，m es ia n dm n t r a n s f e re f f i c i e n c yw o u l di n c r e a s ea n dt h e w e l dp e n e t r a t i o nr a t i ow o u l dd e c r e a s ew i t ht h ew e l d i n gc u r r e n ti n c r e a s e t h es i ，m n 武汉理工大学硕士学位论文 a n d m n s i i nw e l dm e t a lw o u l di n c r e a s e t h es ia n dm n t r a n s f e re f f i c i e n c yw o u l d d e c r e a s ea n dt h ew e l dp e n e t r a t i o nr a t i ow o u l di n c r e a s ew i t ht h ea r cv o l t a g ed e c r e a s e t h es i ，m na n d m n s i i nw e l dm e t a lw o u l dd e c r e a s e t h ew e l dp e n e t r a t i o nr a t i o w o u l di n c r e a s ew i t ht h ew e l d i n gs p e e di n c r e a s e t h es i ，m na n d m n s i i nw e l d m e t a lw o u l dd e c r e a s e k e yw o r d ：c e r a m i cb a c k i n g , o n e - s i d e dw e l d i n g ，s l a ga l k a l i n i t y , m e t a l l u r g i c a l m e c h a n i s m i i l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要工 a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 本课题的学术背景1 1 2 国内外研究进展2 1 3 本课题研究的主要内容3 第2 章陶瓷衬垫单面焊基本理论5 2 1 单面焊双面成形5 2 2 单面焊衬垫材料的种类和特点5 2 3 陶瓷衬垫的制作工艺和性能6 2 3 1 陶瓷衬垫的原料及作用6 2 3 2 陶瓷衬垫的制作工艺7 2 3 3 陶瓷衬垫的物理化学性能7 2 4 陶瓷衬垫单面焊冶金理论8 2 4 1 衬垫熔渣的作用、成分及分类8 2 4 2 衬垫熔渣的微观结构9 2 4 3 衬垫熔渣的性质l l 2 4 4 衬垫熔渣对金属的氧化1 3 2 4 5 焊缝金属的净化与合金化1 4 2 5 焊接时的金属结晶过程1 7 第3 章实验方案及样品制备与测试1 8 3 1 实验方案1 8 3 2 样品的制备1 9 3 2 1 陶瓷衬垫的制备1 9 3 2 2 焊缝金属的制备2 0 3 2 3 衬垫熔渣、焊缝表面焊渣的制备2 0 3 3 试验分析及检测设备2 0 l v 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 1x r f 测试2 0 3 3 2 化学成分测试2 l 第4 章焊接材料对衬垫熔渣与熔池金属冶金反应的影响2 2 4 1 衬垫材料对打底焊焊缝金属成分影响2 2 4 1 1 打底层焊缝金属成分2 2 4 1 2 衬垫熔渣与焊渣成分分析2 7 4 2 衬垫碱度对冶金反应的影响3 0 4 2 1 不同碱度衬垫下焊缝金属成分3 0 4 2 2 不同碱度衬垫下衬垫熔渣的成分3 1 4 2 3 分析与讨论3 3 4 3 本章小结3 6 第5 章焊接工艺对衬垫熔渣与熔池金属冶金反应的影响3 8 5 1 电流对衬垫熔渣与熔池金属冶金反应的影响3 8 5 1 1 不同电流条件下焊缝金属的成分3 9 5 1 2 不同电流条件下衬垫熔渣与焊渣的成分3 9 5 1 3 分析与讨论4 1 5 2 电压对衬垫熔渣与熔池金属冶金反应的影响4 6 5 2 1 不同电压条件下焊缝金属成分4 6 5 2 2 不同电压条件下焊渣及衬垫熔渣成分4 7 5 2 3 分析与讨论4 9 5 3 焊速对衬垫熔渣与熔池金属冶金反应的影响一5 2 5 3 1 不同焊速下焊缝金属成分5 3 5 3 2 不同焊速下焊渣及衬垫熔渣成分5 3 5 3 3 分析与讨论5 4 5 4 本章小结5 7 第6 章结论与展望5 8 6 1 结论5 8 6 2 展望5 9 致谢6 0 参考文献6 1 、j 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本课题的学术背景 第1 章绪论 焊接作为一种先进的制造技术之一，在国民经济的发展和国家建设中发挥 着非常重要的作用。焊接技术的优秀成果已广泛应用在航空、航天、能源、交 通、化工、武器、医药、机械、电子以及各种金属结构等工业部门【l 】。是现代社 会不可或缺的一种技术。随着科学技术的不断发展和各种新材料的不断出现， 焊接技术在我国科学事业、经济建设和国防建设上将起到越来越重要的作用。 焊接分为压焊和熔焊两大类焊接方法，压焊是必须对被焊材料施加压力( 加 热或不加热) 以完成焊接的方法；而熔焊是不施加压力，只通过加热使母材局 部熔化来实现焊接的方法。从焊接热源的本质上来看，熔焊方法可以分为：气 焊、电弧焊、高能束流焊及电渣焊等类别。气焊中常用的燃气是乙炔，故称为 氧乙炔焊。电弧焊是以气体介质放电所产生的电弧作为热源的焊接方法。可以 细分为焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、钨极惰性气体保护焊及等离 子弧焊等。高能束流焊是以电子束或激光束与被焊材料局部表面相互作用而产 生的热能作为热源的焊接方法，因此分为电子束焊和激光焊。电渣焊是以熔渣 作为导电介质，利用电流通过熔渣产生的电阻热作为热源的焊接方法。 随着科学的发展和技术的进步，焊接已经逐渐脱离了单纯工艺和技术的层 面而走向科学的范畴，并且在与其他科学知识的不断碰撞和交融中，展现出旺 盛的生命力。新材料的不断产生，新方法的不断出现，新能源的不断开发和新 结构的不断涌现，这些都对焊接技术提出了新的挑战口】。 单面焊双面成形是将传统的双面焊接工艺转化为从单面施焊的工艺过程 3 】。 单面焊是一种在焊缝底部加装衬垫材料，焊接过程中，衬垫材料衬托金属熔池 使其不会下漏，在衬垫材料上成形，焊接完成后，卸掉衬垫即可，如用钢质衬 垫则不用卸掉。这种单面焊双面成形的工艺，在船厂、桥梁、压力容器等各行 各业得到广泛的应用。我们知道，随着社会，经济，和科技的发展，焊接技术 也必然朝着优质、高效、节能和自动化的方向发展 4 】。单面焊双面成形工艺对比 双面焊接工艺，它改善了焊接条件，节省了背面清根工序，降低了工人的劳动 强度从而大大提高了焊接生产效率【4 曲j 。因此，单面焊双面成形在一定程度上会 武汉理工大学硕士学位论文 逐渐取代双面焊接工艺，以适应讲求效率的现代社会，提高生产效益。 在单面焊双面成形工艺中，衬垫材料是关键因素，焊缝背面的衬垫承托金 属熔池并防止熔池下漏而强制焊缝背面成形【4 7 1 。因此焊缝的成形好坏的关键就 是衬垫材料的选择。单面焊用衬垫主要有金属类衬垫和非金属类衬垫。金属衬 垫主要有钢质衬垫和铜质衬垫。非金属衬垫是由一定成分的非金属材料制成， 一般有热固化焊剂衬垫、黄沙衬垫、玻璃纤维衬垫、绳状衬垫、低温烘干陶质 衬垫、高温烧结陶质衬垫等，目前非金属衬垫已逐渐取代了金属衬垫【4 ，8 ，9 1 。其 中高温烧结陶质衬垫应用最为广泛。 高温烧结陶质衬垫因为其优异的物理化学性能以及制造工艺性能和焊接工 艺性能，在生产上得到广泛的使用。其物理性能的优点在于它合适的熔点，及 熔点的可调性，吸潮率小，不易吸潮，并有良好的线性膨胀系数，焊接完成后， 衬垫熔渣自动与焊缝金属分离，不会粘渣等。化学性能的优点是在焊接过程中， 衬垫表面熔融时，不会与熔池金属发生不良的冶金反应，对焊缝金属的成分不 会造成很大的影响。陶瓷衬垫的制造工艺性能是在压制过程中能保证坯体均匀 的致密度，烧结过程中不会变形和开裂。衬垫的焊接工艺性能是在焊接完成后 焊缝成性良好，无咬边缺陷等【4 9 1 1 1 。 1 2 国内外研究进展 国外学者对陶质衬垫以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1 l a i n ，j 等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获得的焊缝根部的渗透组织区域，同时还分析了渗碳化 的原因。1 9 8 2 年，c a n t r e l l 、r o g e re 等对陶瓷衬垫进行了评价分析。1 9 9 4 年， s u g l 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焊缝背面的 余高和形状进行的即时自动控制。1 9 9 8 年b e r g ，n 和s v e t s e n 等研究了适用于 手工电弧焊，c 0 2 焊及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【1 2 08 1 。 国内对陶质衬垫的研究基本同步于国外对陶质衬垫的研究【1 们，1 9 8 3 年天津 建材机械厂于1 9 8 3 年引进了天津大学研制成的手弧焊衬垫，并在这基础上研制 了t j c 型手弧焊款焊缝和窄焊缝大规范陶质衬垫。并且还研制了t j i 型埋弧自 动焊衬垫和c 0 2 气体保护焊陶质衬垫【2 0 1 。同时还推荐了焊接规范的选择。19 9 0 年后，国内开始大量研究适用于埋弧焊、手工电弧焊、c 0 2 气保焊等的陶质衬垫， 武汉理工大学硕士学位论文 主要从衬垫的配方设计、制作烧结过程、焊接工艺条件、焊接接头的性能等方 面进行研究。分别提出了适用于不同焊接方法的陶质衬垫的配方范围，总结了 衬垫的制作过程，分析了不同焊接工艺如电流、电压、焊速、坡口形式、间隙 等对焊接过程、焊缝外观、以及焊缝性能的影响【7 ，1 1j 。也有不少学者结合实际 生产，介绍了陶瓷衬垫单面焊技术在不同环境，不同结构中的应用。目前国内 主要有浙江象山衬垫厂、武汉天高焊接材料公司等都生产各种衬垫。 在各种单面焊陶质衬垫的使用中，也存在许多问题，比较突出的有： 1 、单面焊底层焊道收弧处出现缩孔，不管是手工电弧焊还是c 0 2 气体保护 单面焊都会出现底层焊道接头处产生缩孔的缺陷，缩孑l 的出现，使得工人不得 不将缩孔打磨掉，否则将严重影响焊缝的力学性能，打磨的过程就大大影响了 生产效率 2 l 】。 2 、陶瓷衬垫单面焊的焊接接头低温冲击韧性值不稳定，在陶瓷衬垫单面焊 接接头的低温冲击韧性不达要求这个问题上，一般认为是焊接的渣系的缘故， 这个渣系不仅是焊缝熔渣，也有衬垫熔渣，目前市场上常用的酸性衬垫，酸性 渣系相对碱性渣系来说，不能很好的净化焊缝，增加了焊缝夹杂物、含氧量因 此增加了形成冲击脆弱面的机会。 3 、陶瓷衬垫单面焊打底层抗裂性差，在打底焊时焊缝时常产生焊接裂纹， 尤其是在船体大合拢中内底板、甲板的拼接焊缝结构中，表现的更为明显，裂 纹严重时，其深度可达5 m m 左右，这种深裂纹不易消除，严重影响了造船企业 产品的生产和经营。 陶瓷衬垫单面焊过程中，焊接接头的成分和组织及性能的关系，是焊接物 理冶金主要研究的内容，而多年来，这些方面的研究在机理上比较深入和全面， 但也还存在一些问题，一方面是对焊接冶金过程和决定成分的因素的研究停留 在定性阶段，缺少定量的研究，因而不好给予定量的指导意见，另一方面是非 确定性知识较多，解决问题往往需要大量的实践经验，在缺乏经验的情况下， 常需要经过大量实验才能达到目的【2 2 1 。 1 3 本课题研究的主要内容 焊接冶金包括焊接物理冶金和焊接物理冶金，焊接物理冶金和焊接化学冶 金是影响焊接头成分和性能的关键环节。焊接化学冶金的目的是使焊缝获得合 适的化学成分，焊接化学冶金是一个复杂的高温多相反应系统，加热温度高， 武汉理工大学硕士学位论文 冷却速度快，是非平衡反应过程，一般焊接大都以焊接材料作为填充金属，焊 接材料是决定焊缝成分和性能的关键因素。焊接材料又取决于配方设计，因此 合适的焊接材料的配方对焊缝质量有重要的影响【2 2 2 3 1 。而焊接物理冶金主要是 研究焊接接头中成分组织性能的关系、焊接缺陷的形成机理及防止措施以及金 属焊接性方面的一门科学，研究的目的在于利用这些规律指导焊接生产，提高 焊接质量【2 2 | 。 在陶瓷单面焊中，衬垫材料成分和性能是保证焊接质量的重要前提，衬垫 熔渣与熔池金属的冶金作用过程直接影响到焊缝的成分和性能，因此，开展单 面焊衬垫熔渣与熔池金属的冶金行为的研究，揭示二者间的冶金作用机理和规 律，对单面焊陶瓷衬垫材料的研发、配套焊丝材料的研发及单面焊质量控制等 是必要的基础性研究工作，目前关于单面焊陶瓷衬垫熔渣与熔池金属的作用机 理的研究较少，基础性研究工作较为薄弱，陶瓷衬垫单面焊中出现的焊接冶金 缺陷( 结晶裂纹) 和焊缝较低的韧性还没有从理论上给予科学的解释，因此， 对单面焊衬垫熔渣与熔池金属冶金行为进行研究具有理论价值和实际意义。 在熔焊过程中，焊接区内各种物质在焊接高温条件下，相互作用的过程， 称为焊接化学冶金过程，这是一个极其复杂的物理化学变化过程。在单面焊中， 衬垫材料的使用，使得焊接熔池中熔入了一部分的衬垫材料的成分，参与了焊 接化学冶金过程，有衬垫参与的焊接化学冶金过程对焊缝金属的成分，性能， 某些焊接缺陷( 气孔、结晶裂纹、夹杂等) 以及焊接工艺都有很大的影响【2 4 1 。 本课题主要研究在各种焊接工艺条件下，衬垫熔渣与熔池金属的冶金反应在不 同碱度衬垫作用下的对焊缝金属成分、组织和性能的影响及其变化规律，研究 的目的在于运用这些规律合理的选择焊接材料，设计最佳的衬垫成分从而控制 焊缝金属的成分和性能使之符合使用要求。因此本课题研究的内容主要是以下 几点： 1 ) 陶瓷衬垫的配方及制备方法，制备出不同碱度的陶瓷衬垫。 2 ) 利用x 射线荧光光谱，对陶瓷衬垫单面打底焊用的衬垫及焊接后的衬垫 熔渣、焊缝熔渣进行成分分析。 3 ) 用化学方法测试陶瓷衬垫单面打底焊焊缝化学成分。 4 ) 陶瓷衬垫单面焊焊接工艺研究。通过焊接工艺试验总结出焊接工艺参数 对焊接过程及冶金反应规律的影响。 5 ) 探索陶瓷衬垫不同碱度对陶瓷衬垫打底焊时陶瓷衬垫与熔池金属冶金反 应的影响以及对焊缝的成分，组织和性能的影响。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章陶瓷衬垫单面焊基本理论 2 1 单面焊双面成形 单面焊双面成形根据是否使用衬垫可以分为自由成形和强制成形两种形式 【25 | 。自由成形是指焊缝背面不加衬垫，完全依靠熔池金属的表面张力来承托熔 池金属，在自由状态下实现焊缝背面成形【8 j 。一般来说自由成形难以保证焊缝能 稳定成形，且自由成形时对焊接规范参数要求严格，只能选用合适的电流和合 适的接头间隙，否则不容易成形瞵】。相比之下，强制成形背面加有衬垫，能承托 金属熔池，使熔池在衬垫上面冷却凝固从而成形，单面焊强制成形以陶瓷衬垫 作衬垫的试验原理图如图2 1 所示。 菠 瓷村蛰 图2 - 1 衬垫强制成形原理示意图 陶瓷衬垫单面焊时，焊接规范参数比较广泛，可以选用较大的电流，坡口 间隙也可以适当增大，同时焊缝质量也比自由成形易于保证，所以现代焊接领 域中陶瓷衬垫单面焊越来越受到重视，应用也越来越广泛。 2 2 单面焊衬垫材料的种类和特点 衬垫材料一般可以分为金属类衬垫和非金属类衬垫两大类，常用的金属类 衬垫主要有钢质衬垫、铜质衬垫，铜质衬垫又有水冷滑块式铜质和焊剂铜质衬 垫。对于钢质衬垫，一般选用与母材成分相似的钢质衬垫材料，焊接完后，不 必拆除。水冷滑块式铜衬垫由黄铜制成，焊接时随着电弧的移动，由循环冷却 水对衬垫进行强制冷却以防衬垫烧坏。焊剂铜衬垫在黄铜成形槽内均匀撒放颗 粒焊剂，焊接时焊剂熔化而铜衬垫不熔化，一般需要压力架配合同时使用 4 ，9 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 非金属类衬垫即由非金属材料制成，主要有热固化焊剂衬垫、黄砂衬垫、 玻璃纤维衬垫、绳状衬垫、低温烘干陶质衬垫和高温烧结陶质衬垫。这些非金 属陶瓷衬垫使用灵活方便，目前已逐渐取代了金属衬垫。其中高温烧结陶质衬 垫是经过高温烧结形成，因此拥有其他非金属衬垫没有的优异性能，是现代焊 接生产中应用效果最好的衬垫材料，它主要应用于手工电弧焊、c 0 2 气保焊、 m i g 焊、t i g 焊及管道焊缝和纵缝的焊接哺j 。 2 3 陶瓷衬垫的制作工艺和性能 2 3 1 陶瓷衬垫的原料及作用 陶瓷衬垫的原料的分类没有一个统一的方法，一般可以按原料的工艺性划 分为可塑性原料、瘠性原料、熔剂性原料和功能性原料四大类【2 6 2 7 。 可塑性原料的主要矿物成分是黏土矿物，它们都是层状构造的硅酸盐、颗 粒一般在显微颗粒度以下并且具有一定可塑性的矿物，如高岭土、多水高岭土、 膨润土、瓷土等【2 引。可塑性原料的主要作用是塑化和结合。它给予坯料可塑性 和注浆成形性能，能保证干坯强度和烧后的各种使用性能如机械强度、热稳定 性、化学稳定性等，可塑性原料是成形能够进行的基础，也是黏土质陶瓷的成 形基础。 瘠性原料的主要矿物成分是非可塑性的硅、铝的氧化物及含氧盐。如叶腊 石、石英、蛋白石、黏土煅烧后的熟料以及废瓷粉等。瘠性原料在生产过程中 起减黏的作用，它能够降低坯料的黏性，烧成以后部分石英溶解在长石玻璃中， 提高液相黏度，防止高温变形，冷却后在瓷坯中起骨架的作用【n 6 i 。 熔剂性原料的主要矿物成分是碱金属、碱土金属的氧化物及含氧盐，如长 石、滑石、白云石、石灰石、锂云母、伟晶花岗岩等口引。它们在生产中起助熔 的作用，高温熔融后可以溶解一部分石英和高岭土的分解产物，熔融后的高黏 度玻璃可以起高温胶结作用，常温时也可起减黏作用【3 。 功能性原料不是生产陶瓷的必要成分，在生产上也不起主要作用，如锆英 石、氧化锌、色料、电解质等。这些辅助性原料一般是少量加入即可显著提高 制品某些方面的性能或可改善坯釉料工艺性能而不影响制品本身的性能，从而 有利于生产工艺的实现。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 陶瓷衬垫的制作工艺 与其他陶瓷材料的制作过程一样，陶瓷衬垫的制作工艺主要由配比混料、球 磨、干燥、压制、烘干、烧成组成，其制作工艺流程如图2 2 所示。 图2 - 2 陶瓷衬垫的制作工艺流程 2 3 3 陶瓷衬垫的物理化学性能 陶瓷衬垫的物化性质直接影响到陶瓷衬垫单面焊工艺及背面焊缝成形，是 决定陶瓷衬垫好坏的关键因素。陶瓷衬垫的主要物化性质有： ( 1 ) 始熔温度和耐火度耐火度是指陶瓷衬垫对高温的承受能力，一般来 说，在这个温度是，陶瓷衬垫尚能保持原有的形状并且已经开始熔化但具有一 定的强度 3 1 】。陶瓷衬垫的耐火度用t ( ) 表示，衬垫耐火度的大小采用的是经 验公式来计算，其计算公式为： t = - ( 3 6 0 + m r 2 0 3 - m r o ) 0 2 2 8( 2 一1 ) 式中：r 2 0 3 是指把分子式为r 0 2 和r 2 0 3 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 ，带入其它熔剂氧化物所占百分含量之和。 对陶瓷材料而言，一般含有多种化合物所以没有固定的熔点而是一个熔化 温度范围，在这个范围内，陶瓷衬垫开始软化变形的温度即为始熔温度，陶瓷 的始熔温度不能过高或太低，过高或过低都会影响焊缝背面成形的好坏和焊接 接头的力学性能 3 2 1 。始熔温度一般不容易测定，因而采用耐火度乘0 8 5 的经验 系数计算出始熔温度，即始熔温度t 始的计算式为： 武汉理工大学硕士学位论文 r 始= 0 8 5 t( 2 - 2 ) ( 2 ) 衬垫碱度碱度是衬垫及衬垫熔渣的重要化学性质，熔渣的粘度、活 性、表面张力等都与熔渣的碱度密切相关 3 2 1 。熔渣的碱度对熔渣的焊接冶金行 为有直接影响从而决定了焊缝金属的化学成分。在不同的熔渣结构理论中，对 碱度的定义和计算方法是不同的。 分子理论中，认为熔渣中的氧化物按其酸碱性可分为三类即酸性氧化物、 碱性氧化物、中性氧化物【3 引。酸性氧化物按其酸性由强变弱的顺利有：s i 0 2 、 t i 0 2 、p 2 0 5 等。碱性氧化物按其碱性由强变弱的顺序有：k 2 0 、n a 2 0 、c a o 、 m g o 、b a o 、m n o 、f e o 等。中性氧化物主要有a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、c r 2 0 3 等，这些 中性氧化物在不同性质的渣中可呈酸性，也可呈碱性，例如在强酸性渣中呈弱 碱性，在强碱性渣中呈弱酸性。 2 4 陶瓷衬垫单面焊冶金理论 2 4 1 衬垫熔渣的作用、成分及分类 焊接熔渣是药皮、药芯和焊剂受热熔化及化学反应生成的由多种物质组成 的复杂体系，在焊接过程中起到极其重要的作用，其主要作用有机械保护作用、 冶金处理作用、工艺性能改善作用等4 | 。衬垫熔渣与焊接熔渣相似，衬垫熔渣 一般是由受热熔化的陶瓷衬垫、焊接过程中由于焊接熔渣的流动性而流入衬垫 熔渣中的焊接熔渣及衬垫与熔池金属化学反应生成的多种物质组成的复杂体 系。 衬垫熔渣最大的作用就是承托作用，衬垫熔渣的承托作用是指在陶瓷衬垫 单面焊试验中，衬垫熔渣在金属熔池底部对熔池起承托作用，从而防止熔池金 属下漏，熔渣的承托作用有助于背面焊缝的形成，使得背面成形光滑并易于脱 渣。 衬垫熔渣也存在一定的机械保护作用，液态金属在衬垫熔渣上成形，避免 了液态金属与空气的直接作用，衬垫熔渣将液态金属与空气隔开，能在一定程 度上防止液态金属的氧化和氮化，衬垫熔渣凝固后形成的渣壳，完全覆盖在焊 缝的背面，可进一步防止空气对处于高温状态的焊缝金属所造成的危害。 衬垫熔渣与液态金属间的物理化学冶金作用是负面的，主要是由于衬垫熔 渣中含有较多的酸性氧化物，会在一定程度上阻碍焊缝金属的脱氧反应的进行。 武汉理工大学硕士学位论文 并会向焊缝金属中过渡形成酸性氧化物的元素，同时使得合金元素烧损。 根据熔渣渣系的主要成分和特点，可将熔渣分为三大类，即盐型熔渣、盐 氧化物型熔渣及氧化物型熔渣。衬垫的基本组分为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、m g o ，可以知 道衬垫熔渣的主要成分为氧化物，即为氧化物型熔渣，具有较强的氧化性。 2 4 2 衬垫熔渣的微观结构 衬垫熔渣的微观结构决定衬垫熔渣的物化性质及其与金属的作用。目前， 已有多种理论描述熔渣的微观结构，主要表现为分子理论、离子理论及分子离 子共存理论门“。 ( 1 ) 分子理论熔渣的分子理论是在凝固熔渣的相分析和成分分析结果的基 础上提出的，能定性地解释熔渣与金属之间的冶金反应，但对熔渣的某些性质 还无法给出合理的解释船6 l 。其主要观点如下： 1 ) 液态衬垫熔渣是由化合物分子组成的理想溶液口5 j 。由于陶瓷衬垫主要成 分为s i 0 2 、c a o 、m g o 、a 1 2 0 3 等，所以化合物分子包括自由氧化物( 如s i 0 2 、 c a o 、m g o 、a 1 2 0 3 等) 的分子、复合氧化物( 如c a o s i 0 2 、m n o s i 0 2 等) 的 分子、及少量硫化物的分子，基本不含氟化物，而自由氧化物分为酸性氧化物 ( 如s i 0 2 、t i 0 2 等) 、碱性氧化物( 如c a o 、m n o 等) 和中性氧化物( 如a 1 2 0 3 、 f e 2 0 3 等) 。 2 ) 自由氧化物与其复合氧化物处于化合与分解的平衡状态。例如，自由氧 化物s i 0 2 和c a o 与其复合氧化物c a o s i 0 2 的平衡反应为 c a o + s i 0 2 = c a o s i 0 2 ( 2 - 3 ) 温度升高有利于反应向左进行，使渣中自由氧化的含量增高；反之，温度 降低会使渣中复合氧化物增多。一般而言，当强酸氧化物与强碱氧化物相遇时， 易于形成稳定的复合氧化物。在陶瓷衬垫单面焊过程中，焊接熔渣向衬垫渣中 过渡时，会造成衬垫熔渣中含有大量的t i 0 2 等酸性氧化物，t i 0 2 会与衬垫熔渣 中的碱性氧化物复合，同时衬垫熔渣中的酸性氧化物也会与焊缝脱氧反应的产 物如m n o 复合，从而使得衬垫熔渣对焊缝金属的脱氧等反应造成影响。 3 ) 只有自由氧化物才能参与冶金反应。例如，只有渣中自由的f e o 才能参 与式( 2 4 ) 的冶金反应，而复合氧化物( f e o ) 2 - s i 0 2 中的f e o 不能参与该冶金反应。 ( f e o ) + c f e + c o( 2 - 4 ) 在衬垫熔渣中含有大量s i 0 2 ，易与渣中的f e o 形成复合物( f e o ) 2 - s i 0 2 ，降低渣 9 武汉理工大学硕士学位论文 中f e o 的活度，从而使得钢液中的f e o 易于向衬垫熔渣中分配，因此可以促进 焊缝金属的脱氧反应。 ( 2 ) 离子理论熔渣中的离子理论是在研究熔渣电化学性质的基础上提出 的。与分子理论相比，更接近于熔渣的实际情况，能够解释分子理论无法解释 的某些现象。完全离子理论的主要观点如下： 1 ) 液态熔渣是由阴阳离子组成的电中性溶液。阴阳离子包括简单阴离子、简 单阳离子以及符合离子等。简单阴离子有f 、0 2 和s 厶等，由负电性大的元素得 到电子而形成。简单阳离子有k + 、n a + 、c a 2 + 、m d + 、m n 2 + 、f e 2 + 等，由负电性 小的元素失去电子而形成。复合离子有s i 0 4 4 、p 0 4 3 、和a 1 3 0 7 5 - 等，是有负电 性较大、但其阳离子往往不能独立存在的元素和阳离子结合而成的复合阴离子。 2 ) 离子的分布和相互作用由离子的综合矩所决定b 引。离子的综合矩可用离子 所带的电荷和离子半径来描述，即综合矩= 离子的电荷离子的半径。离子的综合 矩越大，其静电场越强，与异号离子的结合力越大。例如，对常用的焊接熔渣 而言，阳离子中s i 4 + 的综合矩最大，而阴离子中0 2 的综合矩最大，因而两者能 结合形成复杂的硅氧阴离子。 离子综合矩的大小也影响离子在渣中的分布。相互作用力大的阴阳离子彼此 接近能形成离子团，相互作用力小的阴阳离子也能形成离子团。因此，当离子 的综合矩相差较大时，熔渣的化学成分在微观上是不均匀的，离子的分布是近 程有序的。 3 ) 熔渣与金属的作用过程是离子与原子交换电荷的过程。例如，硅被还原而 铁被氧化的过程是硅离子和铁原子在两相界面上交换电荷的过程，即 ( s i 耳+ ) + 2 f e = 2 ( f 一+ ) + s i ( 2 - 5 ) ( 3 ) 分子离子共存理论如上所述，分子理论认为液态熔渣是由分子组成的， 而完全离子理论认为液态熔渣是由离子组成的。但实际上，焊接熔渣是十分复 杂的体系，熔渣中不但有离子，而且还有分子。正因为这样，提出了分子离子 共存理论。 分子离子共存理论认为，复合离子s i 0 4 4 、p 0 4 3 - 等是不稳定的，可分解成 s i o z 、p 2 0 s 、和0 2 。例如s i 0 4 4 。的分解反应为 s i 0 4 4 。= s i 0 2 + 2 0 2 。 ( 2 6 ) 因此，熔渣是由金属离子m e 2 + 和m e + ，非金属离子o 二、f 。和s 2 ，s i 0 2 及硅 酸盐和磷酸盐等具有共价键的化合物分子共同组成的。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 衬垫熔渣的性质 ( 1 ) 熔渣的酸碱度碱度是评价焊接熔渣碱性强弱的指标，它对熔渣的焊 接冶金行为有直接影响。而酸度是衡量焊接熔渣酸性强弱的指标，并被定义为 碱度的倒数。应当指出，在不同的熔渣结构理论中，碱度的定义和计算方法是 不同的，对此应给予充分注意。 在分子理论中，将熔渣的碱度定义为熔渣中碱性氧化物的含量与酸性氧化 物的含量之比。其精确计算公式为 q w f b i = 专l ( 2 7 ) n 厶一， 口，k j = l 式中w 广熔渣中第i 种碱性氧化物( 包括氟化物) 的质量分数； 口广卅渣中第f 种碱性氧化物( 包括氟化物) 的碱度系数； w ，厂一熔渣中第，种酸性氧化物( 包括中性氧化物) 的质量分数； 卜熔渣中第，种酸性氧化物( 包括中性氧化物) 的碱度系数。 当b l 1 时，熔渣为酸性渣；当b l = 1 时，熔渣为中性渣；当b l o 时，熔渣为碱性渣；当b 2 = 0 时，熔渣为中性渣；当b 2 0 时，熔渣 为酸性渣。各种氧化物的碱度系数如表1 2 所示。 表2 2 与离子理论对应的各氧化物的碱度系数 分类碱性氧化物 酸性氧化物中性氧化物 k 2 0n a 2 0c a om n om g of e os i 0 2t i 0 2z r 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 e l k 9 ，o8 56 0 54 84 03 46 3 1 4 9 70 2o 2o ( 2 ) 熔渣的粘度熔渣的粘度是指熔渣内部各层之间相对运动时的内摩擦 力，它对熔渣的保护效果、焊接操作性、焊缝成形、熔池中气体的逸出、合金元 素在渣中的残留、化学反应的活性等焊接工艺性能和冶金性能都有重要影响。粘 度大时，保护效果差，冶金处理作用小；粘度过小时，保护作用也差，对焊缝成 形也不利。 影响熔渣粘度的因素有熔渣的成分和所处的温度，而最本质的因素则是熔 渣的内部结构，一般而言，熔渣结构越复杂，阴离子的尺寸越大，熔渣质点的 运动越困难，熔渣的粘度越大【37 1 。当然，若熔渣中含有固态颗粒，使熔渣流动 受阻，也会造成熔渣粘度增大。 1 ) 熔渣成分对粘度的影响。在酸性渣中，s i 0 2 可与0 2 。生成s i 0 4 如、s i 2 0 7 昏、 s i 3 0 9 乱、s i 6 0 1 6 6 。