超窄间隙焊接焊剂带制作工艺及接头性能研究

1、 本科生毕业设计（论文）题 目：超窄间隙焊接焊剂带的制作工艺及焊接接头性能 学生姓名： 系 别： 机械与电气工程系 专业年级： 指导教师： 2014 年 6 月 15 日摘要利用焊剂带约束电弧可以很好地解决超窄间隙焊接中容易出现的问题，焊剂带可有效约束电弧，阻止电弧攀升，同时使电弧对侧壁及坡口底部集中加热，使其完全熔合。由于超窄间隙焊接方法坡口较窄，因此对焊剂带的厚度要求较高；所以要使电弧能够受到很好的约束，焊剂带必须足够致密。本文针对原有焊剂带致密度不足的问题，研制出新的焊剂带，并通过焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的方法对工件进行焊接，最后对焊接接头进行组织与性能的分析。对两种钢的接头组织与性能

2、进行研究分析发现，X60管线钢的热影响区组织晶粒细小，粗晶区晶粒长大并不严重；焊缝硬度高于母材，软化区非常窄，大大降低了对焊缝强度及韧性的不利因素，且与传统焊接方法焊接接头相比较，其硬度值要高出65左右。焊缝具有高于母材的拉伸强度，且低温冲击韧性良好。430不锈钢粗晶区组织晶粒较为粗大，但由于其热影响区很窄，对整个接头的不良影响并不是特别大。在拉伸时，所选用的试样均在母材处断裂，由此也可证明接头的强度相对于母材并没有降低，反而有一定程度的提升。关键词关键词：超窄间隙焊接；焊剂带；接头组织与性能；ABSTRACTUse of flux strips to constrict arc can we

3、ll solve the easily occurred problems of ultra narrow gap welding，.The flux strips can effectively restrain arc，prevents the arc going up along the sidewall，make the arc heat on the side wall and groove bottom centralized，and get the full fusion. With a relatively narrow grove in the ultra narrow ga

4、p welding，the thickness requirements of flux strips is high. And the flux strips must be sufficiently dense. Aiming at the problem of flux strip density ,the paper developed new flux strips，welded work pieces by ultra narrow gap welding with constrained arc by flux strips, and analyzed organization

5、and performance of the welded joints at last.First，the new production mold of flux strips is designed and developed to improve the production method，based on the pre-test. The mold mainly have the following characteristics:(1)The mold is small and portable，So that it s convenient to remove and stora

6、ge;(2)To press the wire mesh，the silicone band is used and gradients are made on the mold base;(3)Using elastic deformation ability of foam rubber，the both sides of black rubber used to control the flux amount can quickly return to original position，which ensure the consistency of strips thickness a

7、nd density.Key Words：Ultra narrow gap welding；Flux strips；Production mold of flux strips；Microstructure and properties of welded joints目录第 1 章 绪论 .11.1 超窄间隙焊接的研究意义 .11.1.1 窄间隙焊接的分类及特征 .11.1.2 超窄间隙焊接的特征 .11.1.3 超窄间隙焊接存在的问题 .11.1.4 超窄间隙焊接研究现状 .21.2 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法的发展与研究 .21.2.1 贴敷式焊剂片 .31.2.2 连续送进的焊剂带

8、 .41.2.3 金属支架式预置焊剂片 .51.2.4 铁丝网内芯式预置焊剂带 .51.2.5 金属丝网预置焊剂带 .61.3 焊剂带约束电弧超窄间隙焊 .71.3.1 焊剂带对电弧约束的影响 .71.3.2 焊接电压的影响 .81.4 本文研究内容 .8第 2 章 焊剂带的制备 .102.1 引言 .102.2 焊剂带制作模具的设计 .102.2.1 设计思路 .102.2.2 模具的研制 .102.3 焊剂带的制备 .122.3.1 焊剂的颗粒度筛选 .122.3.3 焊剂带的制作工艺 .132.4 本章小结 .13第 3 章 焊接工艺试验 .153.1 引言 .153.2 实验设备及装置

9、 .153.3 焊接试验 .163.3.1 X60 管线钢的焊接.173.3.2 430 不锈钢的焊接.183.4 本章小结 .18第四章 焊接接头组织与性能分析 .194.1 引言 .194.2 X60 管线钢焊接接头的组织性能 .194.2.1 焊接接头的组织 .204.2.2 焊接接头的硬度测试 .214.2.3 焊接接头的拉伸性能试验 .224.2.4 焊接接头的低温冲击韧性实验 .234.4 本章小结 .24第五章 结论 .26参考文献 .27致 谢 .291第 1 章 绪论1.1 超窄间隙焊接的研究意义随着现代工业的发展，焊接结构逐渐趋于大型化，厚钢板用量逐渐增多。而在生产过程中既

10、要保证焊接质量，又要降低成本，同时还要保证较高的效率；传统的焊接方法不仅开坡口困难、焊接速度慢，而且焊后变形大，已无法满足要求；一些新的高效的焊接方法则逐渐应用于生产中。1.1.1 窄间隙焊接的分类及特征窄间隙焊接方法由于可以大幅度地减少坡口面积，在较低焊接线能量下，实现高效焊接，而被广泛应用于各种大型重要结构。根据相关资料，窄间隙焊接方法有如下几种：窄间隙熔化极气体保护焊，窄间隙埋弧焊，窄间隙电渣焊，窄间隙手工电弧焊，窄间隙激光焊，窄间隙TIG焊等。窄间隙焊接作为一种高效焊接技术，以下特征：(1)多采用I形坡口，间隙窄，坡口截面积小，所需填充材料少；(2)多层焊接，后层焊道对前层焊道起到焊后

11、热处理作用；(3)热输入小，采用小或中等的焊接线能量，残余应力较小，焊件变形小；(4)热影响区较窄，接头力学性能良好。1.1.2 超窄间隙焊接的特征超窄间隙焊接是对常规窄间隙焊接的继承和发展，所用间隙宽度更小。超窄间隙焊接具有如下特征：(1)采用熔化极电弧焊接方法而且电弧无须摆动；(2)采用“I”形坡口，间隙宽度一般不超过6mm；(3)多层单道焊接；(4)自下而上的焊接；(5)采用比常规窄间隙焊接更小的线能量，最小可达0.5KJmm；(6)有实现全位置焊接的可能性。1.1.3 超窄间隙焊接存在的问题超窄间隙焊接是一种经济的、能够得到优良机械性能且变形小的优质焊接接头的焊接方法；但由于坡口间隙的

12、进一步减小，焊接过程中出现了一些与传统焊接方法不2同的新问题。1.电弧沿侧壁攀升超窄间隙焊接主要是为了能在电弧不摆动的情况下，通过减小坡口间隙使两侧壁都位于电弧的高温加热区域，保证两侧壁的熔合。但是，当I形坡口的间隙减小到一定程度时，焊丝熔化端头到熔池的距离大于焊丝熔化端头到侧壁的距离，电弧无法通过自调节作用维持自身稳定性，会沿侧壁攀升出来，导致焊接过程无法进行。这种不稳定的电弧现象叫做“电弧攀升。2.焊缝成形过程中，侧壁根部熔合不良在超窄间隙焊接过程中，由于电弧的攀升，电弧高温加热区上移：当坡口间隙减小到6mm以下时，电弧斑点极易攀爬上侧壁，反而会使侧壁根部不能被加热，导致两侧壁根部熔合不良

13、。除此之外，超窄间隙焊接与窄间隙焊接一样，还存在其它有待改进的地方；如焊接修补困难，焊前需要调整焊丝对准位置，装配时间长等。1.1.4 超窄间隙焊接研究现状电弧攀升是超窄间隙焊接中首要解决的问题。目前已开发了多种防止电弧攀升的超窄间隙焊接方法。2002年，张富巨等人公开了一种超窄间隙GMA自动弧焊方法。该方法使用特定的焊枪，采用单丝居中无电弧侧偏的工艺，利用超低飞溅率脉冲控制脉冲逆变电源，使电流、电压的波形输出与熔滴空间状态接近完全对应，并对BHW35低合金热强钢板和980钢厚钢板进行了焊接实验，基本解决了超窄间隙焊接中电弧攀升的问题，并能得到质量较高的焊接接头。1.2 焊剂带约束电弧超窄间隙

14、焊接方法的发展与研究根据电弧的最小电压原理，在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面，以保证电弧的电场强度具有较小的数值，即在固定弧长上的电压最小。根据这个原理，在电流和周围条件一定时，电弧的断面大了，电弧与周围介质的接触面将增大，电弧向周围介质散失的热量要增加，必须增加电场强度，以产生更多的热量才能与其相平衡。在这种情况下，电弧会自动缩小其断面面积，以减小能量消耗；若断面小了，电弧的电流密度增加，即在较小的断面里通过相同数量的带3电粒子，使电阻率增加，若维持相同的电流就必须增加电场强度。此外，器壁与弧柱接触，器壁将会吸收一部分的电弧热：同时器壁表面为电子和阳离子的结

15、合提供了有利条件，二者的结合也需要吸收热量，这都会促使电弧截面收缩，电流密度增加。其实，固壁约束电弧在一些焊接方法中都有不同程度的体现。结合超窄间隙焊接的特点，本课题采用焊剂带约束电弧的方法以实现超窄间隙焊接。利用焊剂带约束电弧的方法，是将涂覆有绝缘作用焊剂的焊剂带或焊剂片贴敷在坡口两侧壁或者由机构送入坡口间隙，从而被焊剂带覆盖的侧壁与电极之间绝缘。焊接过程中，电弧在焊缝底部与焊剂带端头被熔化部分之间燃烧；当焊剂带熔化后电弧才能加热并熔化侧壁。实验发现，焊剂带在焊接过程中起着至关重要的作用，所以其制备工艺不容忽视。本课题组经过不断地改进创新，已经开发出多种焊剂带，同时研制出与之对应的适合超窄间

16、隙焊接的焊枪及相关装置，并进行了相关的工艺试验。1.2.1 贴敷式焊剂片这种焊剂片是将研磨成絮状的焊剂压涂在铁丝网上，使焊剂牢固地填充铁丝网格。然后将焊剂片分别粘在坡口两侧壁，再把粘有焊剂片的焊件放入炉内加热，加热温度为200300，以清除焊剂片内残余水分，并加快粘结剂的固化速度。如下图1-1所示为焊剂片的结构示意图。图 1-1 贴敷式焊剂片结构 1131焊前，现实焊枪居于坡口中间，保证导电嘴沿着间隙的中线运动。焊接过程中，焊丝通过校直机构被送丝轮送入导电嘴。导电嘴由两块连在弹簧上的铜片构成；焊丝被送入后，即被导电铜片上的凹槽夹紧并送入间隙中。使用该焊接装置，可以在不借助外力的情况下将非常直的

17、焊丝送入不同宽度的间隙中，且能保证电流传输稳定。 利用此方法焊接基本解决了电弧攀升的问题，得到的焊缝表面光滑，无宏观缺陷，硬度高，没有宽大的粗晶区，并且热影响区较窄，接头力学性能良好。但在使用过程中，贴敷式焊剂片约束电弧超窄间隙焊接方法仍存在一些问题。该4方法在清理焊渣时极易使焊剂片从侧壁剥离；而超窄间隙焊接采用多层单道焊，要求每焊完一道就要清理一次焊渣；若在清理焊渣时，将焊剂片从侧壁上剥离开来，无疑会影响后续焊接的正常进行，因而限制了该方法应用于实际生产。最后，该方法中焊剂的量不易控制且易造成央渣等缺陷。实践证明，焊剂片越厚，对电弧的约束效果越好，但是在焊接时产生的熔渣量也就较多；另一方面，

18、由于两侧壁之间间隙很窄，熔渣较为集中。进行焊接时，容易导致熔渣随熔池向前流动，从而使电弧在前流的熔渣表面上燃烧，以至于电弧不能有效加热熔渣覆盖的间隙底部而形成夹渣以及熔合不良。由此可知，此种焊剂带约束电弧的方式应用于生产仍存在很多问题，故需要研究开发出新的可用于实际生产的焊剂带。1.2.2 连续送进的焊剂带根据文献13-16，连续送进式焊剂带的结构如图1-2所示，中间是一条两面涂有焊剂的钢带，钢带的厚度为0.1mm，宽6mm。焊剂的主要成分是大理石、萤石、钛白粉和纯碱，其中大理石主要用于造气、造渣、稳弧，萤石的主要作用是脱氢，钛白粉可以稳弧及改善脱渣性，而纯碱的作用主要是稳弧。为了使焊剂牢固地

19、粘在钢带表面，需要对刚带进行表面处理；首先用电解的方法除去钢带表面的油污，超窄间隙焊接焊剂带的制作T艺及焊接接头性能然后选择具有合适大小沙粒的磨轮对钢带进行打磨。将配置好的焊剂与硅溶胶搅拌均匀后涂覆在钢带表面。焊剂带的厚度通过改变硅溶胶的浓度和涂覆次数来孔子。图1-2连续送进式焊剂带结构焊接时，焊剂带从焊枪的倒带槽上端入口穿入，经过送带轮和夹紧装置，被连续送入间隙内的电弧两侧，焊剂带紧贴坡口的两侧壁。由于焊剂带绝缘性能良好，可将电弧与侧壁隔离，防止电弧攀升。电弧被约束在焊剂带熔化端头与间隙底部之间，能5量集中，使间隙侧壁和底部得到充分加热。在焊接过程中，必须要确保导电嘴始终在合适的位置，使焊丝

20、居中，防止焊丝发生偏移，或导电嘴与侧壁接触。1.2.3 金属支架式预置焊剂片为了解决连续送入式焊剂带工艺可靠性不高，对电弧约束程度不能精确控制等缺点，课题组又研究开发出一种新的焊剂带送入方式。该方法预先将焊剂片沿间隙长度方向排布防置在坡口中，并利用特制的金属支架将焊剂片固定。通过调节金属支架，可以改变焊剂片下边缘与间隙底部的距离及焊剂片的预置高度，未被焊剂带覆盖的侧壁金属的范围也会因此而得到调节，从而调节焊剂片对电弧的约束程度。如图1-3所示：图1-3金属支架式预置焊剂片约束电弧原理超窄间隙焊接的坡口，间隙本身就很小，而此方法还要在窄小的破口中置入金属支架；这样能够让焊丝顺利通过的通道就会很小

21、，原来使用的导气管因不能通过间隙而不能再使用，从而对电弧和熔池金属的气体保护就需要通过加大焊剂产气量来实现。如此，焊剂片所涂覆的焊剂厚度就必须增加，而涂料层越厚，干燥时的收缩就越大，很容易发生干裂，甚至脱落；这就要求焊剂和钢带之间有更高的结合强度。该实验采用无机胶中分散无机焊剂的方法制作涂料，提高了钢带与涂料的结合强度。焊接前，将几个金属支架分散放入间隙，使焊剂片夹在支架与侧壁之间。另外金属支架的一些必要部位须做绝缘处理。首先金属支架对焊剂带的夹紧力不够大，这就导致焊接过程中，未燃烧的焊剂带在电弧力和其他外力的作用下偏离原来的位置，致使焊接电弧不稳定，以及对电弧的约束程度的控制不精确；其次，钢

22、带的处理太过复杂，且对装置的要求较高，操作不6够灵活简便。1.2.4 铁丝网内芯式预置焊剂带预置式焊剂带需满足的基本要求是：需要稳定有效地约束电弧，且焊剂带定位必须精确。据此，课题组开发出了铁丝网预置内芯式焊剂带。如图1-4所示铁丝网预置内芯式焊剂带以铁丝网作为骨架，将涂有焊剂的玻璃丝网利用硅溶胶粘在铁丝网两侧。其制作工艺如下：首先对玻璃丝网进行热处理和酸碱刻蚀处理，其中热处理的作用是除去玻璃纤维表面具有抗摩擦作用的胶料，而酸碱刻蚀处理则是通过酸碱在玻璃纤维表面进行化学反应形成一些凹陷或微孔，以此增加玻璃纤维与焊剂的结合强度：将配置好的焊剂均匀涂抹在处理过的玻璃丝网上，并加以挤压、干燥、裁剪后

23、待用。然后将铁丝网进行退火处理以便于弯折，最后将两片预先准备好的涂有焊剂的玻璃丝网粘在铁丝网两侧。 图1-4铁丝网内芯式预置焊剂带焊接时先将干燥好的焊剂带折成U形，如上图，再放入坡口底部；焊丝通过导电嘴被送入坡口，形成电弧，是焊剂带熔化；同时焊剂带对电弧产生一定的约束作用。实验证明，铁丝网内芯式预置焊剂片可有效地约束电弧，能够精确控制约束程度和作用范围，焊接过程稳定，并可获得成型好，无任何宏观缺陷的焊缝。但是其制备过程复杂，步骤繁多，需要考虑的因素较多，不适合大批生产；且焊剂带使用了玻璃丝网，引入了较多的Si02，为焊接材料的匹配带来了不确定因素。1.2.5 金属丝网预置焊剂带如文献16所述，

24、该方法需要先剪裁一规则形状的金属丝网，然后将焊剂直接压涂在金属丝网两侧，中间空余，该方法需要先剪裁一规则形状的金属丝网，然后将焊剂直接压涂在金属丝网两侧，中间空余。图1-5铁丝网内芯式预置焊剂带7图1-5焊剂带结构设计焊剂带的具体制作步骤如下：(1)金属丝网的处理。首先将铁丝网按合适的尺寸剪裁好，经过校直后，利用配置好的胶液对金属丝网进行绝缘处理，并晾干。(2)将配好的焊剂与硅溶胶搅拌均匀后涂覆在金属丝网上，并保证厚度均匀一致。(3)将涂有焊剂的金属丝网放在特制的滚压模具上滚压，以确保焊剂的紧实致密以及与金属丝网的结合强度。(4)将压好的焊剂带放进烘箱中，加热至一定温度，并保温一段时间，以确保

25、焊剂带中的水分被完全去除，同时还要避免焊剂再过高温度下发生化学反应而变质。(5)将焊剂带折成U形。该焊剂带制备方法关键在于滚压模具的研制。经过设计比较几种滚压模具的优点及存在的问题，最终选用了拱形滚压模具。其中，钢条和橡胶设计成拱形的目的主要是固定金属丝网；滚压时，焊剂带放于钢带之下，转动拉紧器的蜗杆轴使钢带被拉紧。钢带、金属丝网、钢条在铅直方向的分力的作用下，摩擦增大，三者间相对滑动则变得困难，从而使金属丝网得到紧固。同时该方法还利用钢带的刚性，以其为基准面涂抹、滚压焊剂，基本做到焊剂带的厚度保持一致，解决了如何较精确控制焊剂带厚度的问题。但是在滚压时，由于模具尺寸及受力程度所限，所使用的滚

26、压工具不能太重，这样焊剂带所受的力不够大，致密度就不够；实验已证明，同一种方法做出的焊剂带越厚，对电弧的约束能力越好，这也就说明了焊剂的量影响了焊剂带对电弧的约束程度；所以在某些情况下，当焊剂带不够致密时，要达到更好地约束电弧的目的，就只能增加焊剂带的厚度，这无疑就限制了超窄间隙焊接时坡口的尺寸，阻碍了焊剂带约束电弧超窄间隙焊接向更小的间隙发展。同时在滚压过程中，需要用人力来操控滚子前进，这就要求人在竖直方向完全不施力，这对于操作者来说难度较高。综合几种焊剂带的特点，还需要进一步改进，完善焊剂带的不足之处，使其对电8弧的约束加强，更适用于超窄间隙焊接。1.3 焊剂带约束电弧超窄间隙焊实践证明，

27、焊剂带约束电弧的方法适用于超窄间隙焊接，并且有很大的发展空间；作为超窄间隙焊接的一种，它具有自身的特点。1.3.1 焊剂带对电弧约束的影响首先，焊剂带的预置高度直接控制着电弧的约束程度。由于焊剂带主要是靠其上涂覆的绝缘性焊剂对电弧起到固壁约束的作用，因此当焊剂带的裸露高度较大时，电弧就会较长，电弧的作用范围半径大，扩张至坡口侧壁，电流密度比较小，电弧加热不够集中；若裸露高度大至一定程度可能会导致间隙底部熔合不良，起不到约束电弧的目的。随着焊剂带预置高度逐渐减小，弧长逐渐缩短，电弧的作用范围逐渐由侧壁过渡到间隙底部，其熔滴过渡类型也随之而改变。要使侧壁和间隙底部均得到良好的加热效果，需要选择合适

28、的焊剂带预置高度。其次，焊剂带的厚度影响电弧的约束程度及焊缝的质量。同一种情况下的焊剂带越厚，越不易烧损，电弧前端所接触到的焊剂带面积越大，这就使得焊剂带对电弧的固壁约束能力越强，焊接过程中电弧燃烧越稳定。电弧在焊剂带固壁约束的作用下，集中对侧壁的根部及间隙底部加热，使得侧壁的熔化高度显著降低，而间隙底部的熔化宽度却增大；同时母材的熔化量增加，使侧壁根部更容易完全熔合，获得良好的焊缝形态。1.3.2 焊接电压的影响在焊接过程中，焊接电压是一个重要的工艺参数。当其他条件不变时，随着电压的增加，弧长增大，电弧的作用范围增大，电弧加热的区域由一开始只在坡口底部逐渐扩张至侧壁。电弧对焊剂带的加热区域也

29、逐渐增大，焊剂带熔化量增多。由于焊剂带的熔化是一个吸收热量的过程，电弧受到冷却作用而收缩，加强了电弧约束，使电弧较为集中。在一定的电压范围内，电弧的加热区域被控制在侧壁和坡口底部；同时，电压的增大也使电弧热增加，所以母材和侧壁及坡口底部的熔化量都在一定程度上有所增加。因此，使用较大的焊接电压，也可得到形态良好的焊缝。1.4 本文研究内容超窄间隙焊接能源消耗小，生产效率高，并且能得到优质的焊接接头，对超细晶粒钢的焊接有很大的适用性，引起焊接界的兴趣，并逐渐被认可。9在焊剂带约束电弧的方法中，焊剂带的制备工艺至关重要，要求设计出的焊剂带不仅能够满足超窄间隙焊接要求，同时还要保证焊接接头的安全性。本

30、课题针对原有方法制备的焊剂带不够致密等问题研制出新的焊剂带，并对X60钢及430不锈钢的材质特点及焊接性进行了深入了解，研究这两种钢材利用焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法得到的焊接接头的组织、性能，本课题研究的主要内容如下：(1)设计新的焊剂带制作模具，研究分析相关因素对其影响，制备实验所用的焊剂带。(2)调节焊接工艺参数，进行焊接工艺试验，并确定合理的工艺参数。(3)制备相关试样，对焊接接头进行焊后力学性能测试，并观察焊缝、热影响区等显微组织，进行焊后工艺评定。10第 2 章 焊剂带的制备2.1 引言焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法中，焊剂带的制作是最为关键的。它不仅要能够满足焊接生产要求，解决

31、超窄间隙焊接中容易出现的问题，还要制作简单、储存方便、适于批量生产；所以在研制过程中，必须要精益求精。目前设计开发的焊剂带存在的主要问题是焊剂的致密度不够，对电弧的约束程度还没有达到理想的状态；当要求对电弧约束较好时，需要的焊剂带厚度比较大，如此一来，焊丝能够通过的间隙就会变得相对更窄，对焊枪、坡口尺寸等要求就更高，为实验进行带来一定程度上的不便。因此需要设计出一种新的焊剂带制作方法，通过增加焊剂带滚压时所受的力来提高焊剂带的致密度。2.2 焊剂带制作模具的设计2.2.1 设计思路要通过增加焊剂带滚压时所受的力来提高焊剂的致密度，首先不能单纯依靠人力，这是因为人力不能保证用力均匀，焊剂带的薄厚

32、程度也就不一致，并且人力不能达到足够大，所以焊剂带的滚压可以用揉面压皮机来完成。但是由于揉面机两个滚子之间的力非常大，涂覆好的焊剂带并不能直接在机器上滚压，否则就会将金属丝网上涂覆的焊剂挤压出来，而不能粘在金属丝网上。因此，设想连同焊剂带制备模具一起放进机器进行滚压。这就要求模具的体积不能过大，强度足够高；放置焊剂带的地方还要有一定的弹性，挤压时可收缩，滚压完成后还能够恢复原状；并且还要保证焊剂不会被挤出模具。根据这个思路，我们设计出焊剂带制作模具，并进行了焊剂带的制作。2.2.2 模具的研制本课题参考以前拱形式滚压模具研制出的焊剂带制作模具如下图2-1所示。从图中可以看出，焊剂带制作时，首先

33、要把剪裁好且经过处理的金属丝网放置在硅胶带下，然后再进行焊剂的涂覆。模具的主体是基座部分；考虑滚压时模具所受的挤压力非常大，为使模具使用寿命长且不易变形，选用强度、硬度较高的工具钢来制作模具基座。本文选用的是450388mm的工具钢，并且，为防止工具钢加工变形，预先对其进行了退火处理。11图2-1焊剂带的制作模具因为要顺利进行焊剂带的涂覆，首先就要保证金属丝网不能轻易被移动，所以在设计时首先要思考的就是如何固定金属丝网。模具基座的两端各开了一个深度为1.5毫米的键槽，然后又在槽的外侧各开了一个方孔出来用于穿引硅胶带，其中一个方孔一定要较长。再将切好的硅胶带穿过两个方孔及背面的黑橡胶垫板，拉紧并

34、于背面开槽处打结。当金属丝网被放置在硅胶带下时，由于键槽与基座上表面之间有一个1.5mm高的梯度，硅胶带被拉紧后，它的两端就会与水平面之间形成一个坡度，如此一来硅胶带就会对基座上表面产生一个向下的力的作用，使硅胶带与金属丝网间的摩擦增大，金属丝网在被刮擦时将不会轻易移动。其中，硅胶带的宽度是根据坡口间隙的宽度与焊剂带要预置的高度来定，同时还要考虑硅胶带被拉紧时由于变形产生的误差。需要注意的是，硅胶带弹性较大，在切割时其尺寸并不容易精确控制，形状上也会切出呈锯齿状的参差不起的小牙。所以，我们先将一整条的硅胶带利用双面胶固定在一刚性物体上，例如尺寸足够的纸张、表面平整的钢板等，然后再利用标尺划线压

35、紧切割；切好后很容易直接将硅胶带揭下，双面胶并不会留在硅胶带上。实验室现有的硅胶带有两种规格，分别为宽12mm、厚1.1mm的和宽120mm、厚2mm的，根据试验要求，经过处理要使硅胶带变为宽度为4mm，长度为32mm。考虑到硅胶带在拉紧时宽度减小，其初始宽度定位4.5mm。其中，2mm厚的硅胶带可用于制各较厚的1.5mm左右的焊剂带，以便在根焊时使用。除了固定金属丝网，硅胶带还可以限制焊剂带的厚度；若想改变焊剂带厚度，可通过在硅胶带上贴钢带的方法来实现。在硅胶带的下方也开了一个与硅胶带宽度相同的槽，其作用是，当焊剂带被送入揉面机进行滚压时，由于中间硅胶带所覆盖的金属丝网下方是空的，如此一来硅

36、胶带受到挤压就会连同金属丝网一起下移，而硅胶带厚度、宽度并不会产生太大变化，这12样既能保证焊剂带中间裸露部分的宽度一定，还可达到使焊剂带更致密的目的。2.3 焊剂带的制备根据超窄间隙焊接的特点，要求制作的焊剂带不能太厚，金属丝网裸露部分根据间隙宽度而定。2.3.1 焊剂的颗粒度筛选在焊剂带的制备工艺中，必须要保证焊剂与金属丝网的结合强度，否则在进行焊接时，焊剂颗粒脱落，将会造成焊缝夹渣，影响焊接质量由课题组前期工作经验可知，焊剂与金属丝网的结合强度与焊机的颗粒度有关。焊剂的颗粒度可以用细度模数这个参数来表征；细度模数与颗粒的粗细成正比，反映的是颗粒的总体平均粗细程度。当焊剂的细度模数在l2之

37、间时，制作出的焊剂带成型好，表面光滑，焊剂不易脱落。因此根据细度模数与方孔筛孔的尺寸大小的关系，选用180目也即筛孔尺寸为0.088mm的方孔筛来筛取焊剂。然后将筛好的焊剂收藏好，备用。2.3.2 金属丝网的处理选用30目的金属丝网来制作焊剂带，成形会较好。根据焊剂带制备模具两侧黑橡胶之间的宽度，将金属丝网剪成宽20mm的条状。在剪切时必须保证边缘的纵向金属丝不断开、不脱落，因此尽量从两根金属丝的中间剪开，可最大程度保证金属丝的完整。金属丝网的平整还有利于焊剂的涂覆，并进一步保证其与焊剂的结合强度。而金属丝网经剪切后不仅纵向弯扭，横向上也出现两边翘起、中间凹陷的现象。所以必须要对剪裁后的金属丝

38、网进行校直处理。根据文献16，首先选用半径约为18mm的钢管对金属丝网进行纵向校直。即将金属丝网套在钢管上，双手持两端来回拉拔，用力适中的情况下来回两三次即可将金属丝网拉直。然后再用半径8mm的钢管进行横向校直，经验发现，金属丝网两端在钢管轴向错开的角度越大，越容易将金属丝网横向的拱形弯曲拉平。由于金属丝较为细软，校直后很容易错位，且边缘的纵向的金属丝更容易脱落；因此，必须使金属丝网边缘部分固定，使其不能随意扭动。使用图钉将金属丝网拉紧固定在一木板上，并保证其没有扭曲变形；将金属丝网两侧边缘金属丝涂上环氧树脂胶。其中，环氧树脂胶是用体积比为4：1的环氧树脂与环氧树脂固化剂搅拌均匀，然后用适量丙

39、酮将其溶解而成。13由于这种胶的固化速度比较慢，需将木板放于通风处待其晾干，至少24小时。这样不仅可以使金属丝网被固定，避免其在涂覆焊剂时错位扭曲；同时环氧树脂胶还可起到绝缘的作用；焊剂涂完后，边缘可能会有部分没有完全粘上焊剂，在焊接的时候金属丝网与焊枪导电嘴接触导电，引起电弧攀升，影响焊接的正常进行，而涂上环氧树脂胶后刚好可以避免此种情况发生。2.3.3 焊剂带的制作工艺针对该实验的目的，主要是利用新的滚压模具制作出不同厚度的焊剂带以及它们对超窄间隙焊缝成型的影响。故在该试验中所用焊剂的成分是大理石和萤石，用硅溶胶作为粘结剂。焊剂带的制作过程中需要较多的纸条，要预先剪裁好宽20mm的普通的纸

40、条，以及宽25mm左右的不易吸水的纸(实验室用水砂纸)，备用。利用上述模具制作焊剂带的步骤如下：(1)将裁好的宽20mm的纸条平铺在模具两侧黑橡胶之间，硅胶带的下方：(2)将实验前期处理准备好的金属丝网剪开，其长度稍短于黑橡胶，然后将金属丝网放置在纸条与硅胶带之间；并确保硅胶带足够紧，金属丝网不能移动；(3)将用硅溶胶搅拌好的焊剂利用刮板快速均匀地涂抹在金属丝网上，并保证硅胶带上表面能够完全露出，不被焊剂覆盖，否则在焊剂带滚压完后取出时，容易带动硅胶带两侧的焊剂，影响焊剂带对电弧的约束效果；需要注意的是，在涂抹焊剂时，刮板应尽量与水平面保持较小的夹角，以免焊剂随刮板的移动往后堆积，影响焊剂的涂

41、抹速度，使焊剂凝固；(4)在涂好的焊剂表面用毛笔均匀地撒上一层干粉，干粉的成分比例与焊剂相同；(5)将剪好的水砂纸铺在焊剂带表面，然后用胶带粘住，放入揉面机滚压。(6)取下水砂纸，把模具平放在桌面上，先轻轻水平扯动硅胶带，然后放开，如此反复两三次；将硅胶带挑起，取出焊剂带；(7)将制作好的一批焊剂带先晾上片刻，然后放入烘箱中烘干，温度设定为400左右，保温时间大约为两个小时。2.4 本章小结为了获得致密度较以往焊剂带更高、能够满足超窄间隙焊接要求，且能进行大批14量生产的焊剂带，需要设计加工出新的焊剂带生产模具，同时在制作焊剂带过程中，还须考虑影响焊剂带质量的因素。(1)硅溶胶对焊剂的凝固烧结

42、影响很大，在配制焊剂时，一定要严格控制硅溶胶的加入量；(2)在进行焊剂带的涂覆工作时，注意刮板的施力方向；(3)焊剂带涂覆完成后，在其上覆盖的纸必须要防水，否则在滚子的大力挤压下，纸片将会与焊剂粘连，影响焊剂带外观质量；(4)滚压时，两个滚子之间的间隙宽度，直接决定了焊剂带的致密度，因此要严格调控；(5)取出焊剂带时，注意操作方法，避免因操作不当，将焊剂粘掉。15第 3 章 焊接工艺试验3.1 引言超窄间隙焊接作为一种新的焊接方法，焊接过程的稳定性与可操作性的好坏将决定着该焊接方法能否实现工业化应用。针对其焊接过程中易发生电弧攀升等现象，已开发了多种解决方法，如脉冲电流使电弧沿间隙侧壁上下移动

43、，或通过旋转、弯曲焊丝使电弧做周期性的摆动等。本章主要介绍焊剂带约束电弧超窄间隙焊接的主要试验装置及相关的焊接工艺试验。3.2 实验设备及装置焊枪的作用是输送焊丝、传导焊接电流和输送并喷出保护气体。而在焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法中，还要求焊枪能够将焊丝准确地送入坡口中，并保证焊丝垂直不弯曲，以免电弧对两侧壁加热不均匀；在进行厚板焊接时，由于焊丝干伸长有限，无形中会限制板的厚度，因此应尽量使焊枪精简，且厚度小于坡口间隙，使焊枪能够深入坡口。设计出新的焊枪如图3-1所示。图3-1焊枪焊枪的主要零部件的功能：送带盘1：用于焊剂带的盘放，保证焊剂带在焊接过程中持续供给。拉伸弹簧3通过摆杆(5)给压

44、带轮作用力。横向连接杆4：保证焊剂带的送进与焊接小车的行走保持同步。摆杆5：连接拉伸弹簧(3)和压带轮(6)，给压带轮向前滚动的动力。压带轮6：由于焊接过程中焊丝干伸长度的限制以及弹簧的拉伸作用力，压带轮对焊剂带有向下16的压力和向后的摩擦力，保证焊剂带顺利进入电弧区。调节螺栓10-通过调节螺栓的进给量，调整板式导电嘴(11)对焊丝的夹紧力。板式导电嘴11：由于采用的焊丝直径为1.6mm，所以板式导电嘴厚度选为2mm厚度的铜板且开有V形槽，板式导电嘴主要用于向焊丝传导电流并利用与调节螺栓之间的作用力将焊丝紧紧夹在V形槽内。压缩弹簧14-调节螺栓、导丝管及底座之间产生相互作用力是由弹簧的压缩产生

45、的。3.3 焊接试验本课题主要对两种钢材进行焊，分别是厚度为14.5mm的X60管线钢板和厚度为6mm的430不锈钢板，采用直流反接，焊丝采用H08Mn2Si，直径为1.6mm的盘丝，焊剂带厚度为0.60.8mm。焊接试样采用I型坡口，如图3-2所示，坡口的标准间隙为4mm，考虑到X60管线钢较厚，需要进行单道多层焊接，焊接过程中坡口间隙减小，影响后一道焊接的正常进行，因此为了消除这种焊接残余变形带来的影响，要预先设置一个反变形角；但是由于超窄间隙焊接热输入低，变形很小，固所需的反变形角角度不应太大，实验中设置的反变形角为20；焊接施工中，当坡口间隙比标准值宽时，可将焊接速度减小，以保证坡13

46、两侧的熔深和焊道表面形状。选用的垫板最好比焊接试样长，这样垫板起到了引弧板和息弧板的作用，使起弧点和收弧点都可以落在垫板上，避免弧坑落在焊缝上，而产生合金粉熔合不良、气孔、夹渣和裂纹等缺陷；同时还可在焊接接头始末两端获得正常尺寸的焊缝截面，使钢材得到充分利用。图3-2坡口形状焊剂带约束电弧超窄间隙焊接过程，如下图所示：17图3-3焊接过程3.3.1 X60 管线钢的焊接由于实验所用的X60钢板稍厚，需进行多层焊接；并且几层焊道的焊接环境略有差别，因此在焊接时，需要进行工艺参数的调整。根焊是管道焊接的基础，根焊的质量和效率直接影响着整个焊接的质量和效率，因此，它是管道焊接的关键。填充焊时，为了保

47、证坡口两侧壁的熔深，同时获得较多的熔敷金属，可适当将焊接电流较根焊时有所提高，焊接电流值在240255A范围内。焊接电压的影响与根焊时一样，因此同样选用2324V范围内的焊接电压；焊接速度为1010.5mms。盖面焊时，由于盖面焊坡口浅，焊缝金属主要来自焊丝的熔化，希望熔深浅、熔合比小，因此不宜采用大电流，选用电流范围与根焊基本一致，为205215A之间。但是又因为所用的焊剂带较厚，需要增大电弧热，提高焊接电压至2425V范围内。电压增加，弧长增加，电弧的作用范围增大，焊缝宽度也会明显增加，同时对减小熔深也有一定的作用。由于此时焊接电压大，电流小，焊接熔池宽而浅，若采用较大的焊接速度，将会使熔

48、池明显拉长，而宽度减小，当熔池被拉长到一定程度时，熔池中的液体金属发生颈缩破断，形成驼峰。因此，在盖面焊时，应选用较小的焊接速度，在88.5mm之间。焊剂带约束电弧超窄间隙焊接各层焊道的焊接工艺参数参见表3-1所示，计算可知其焊接线能量低于0.7KJ衄，线能量非常低。18表3-1 X60管线钢焊接工艺参数3.3.2 430 不锈钢的焊接试验所用430不锈钢是一种中铬铁素体不锈钢，与奥氏体不锈钢相比，它具有良好的耐腐蚀性能，导热性能好，热膨胀系数小，耐热疲劳，并且价格低廉，冲压加工性能好，表面光亮；因此被广泛应用于建筑装饰、家用器具、家电、化工设备、日用办公设备等。430不锈钢在焊接时的主要问题

49、是，由于它对热输入非常敏感，热影响区晶粒容易急剧长大而严重脆化，这种晶粒粗大的铁素体钢热影响区室温下的韧性很低，容易产生裂纹；所以在焊接时要尽量降低热输入。焊接接头共有两道焊完成，即一道根焊和一道盖面焊。跟焊时，所需考虑的因素与X60管线钢一样，同时由于铁素体不锈钢的热敏性，因此焊接时应采用小电流、高焊接速度3.4 本章小结焊剂带约束电弧的方法应用于超窄间隙焊接是可行的，焊枪的精度对焊接过程有一定程度的影响，同时对焊丝在坡口中的位置要求严格，在焊前必须仔细调整。对于每一道焊的工艺参数都要结合超窄间隙焊接的特点，借鉴传统焊接方法总结出的经验，进行分析评定后，再进行焊接。(1)焊剂带约束电弧超窄间

50、隙焊接一般是多层单道焊，接头由根焊、填充焊及盖面焊完成，焊缝成形好；(2)焊剂带约束电弧超窄间隙线能量低，对电弧的约束效果好，焊接过程中电弧燃烧稳定。19第四章 焊接接头组织与性能分析4.1 引言由于某些元素的添加往往会使钢材的焊接性变差，焊接接头的安全性成为评定焊接工艺的重中之重。焊接接头尤其是焊接热影响区的性能是影响焊接安全性的重要方面。不同钢种所出现的焊接性问题不同，在合金结构钢中，随着合金元素种类以及含量的增多，势必会引起接头裂纹及脆化倾向增大；而对于铁素体不锈钢来说，高温脆化成为其与焊接有关的最严重的问题之一，高温脆化可能会导致焊缝和热影响区的韧性和延性相对于母材剧烈降低。这些焊接问

51、题的出现，经常会导致焊接结构安全运行的可靠性降低，造成焊接结构的早期破坏。因此一种焊接方法能否应用于某种钢材的焊接，必须要通过对焊接接头进行组织和性能的评定分析。而超窄间隙焊接，线能量非常低，可降低热输入对热影响区的不良影响，减小晶粒长大的趋势，降低HAZ脆化倾向：且接头热影响区窄，也将在一定程度上减小热影响区对焊接结构可靠性的影响。本章主要讨论利用焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法，得到的X60管线钢和430不锈钢焊接接头焊缝和热影响区的组织演变和力学性能。4.2 X60 管线钢焊接接头的组织性能根据上章中表3-1所给出的工艺参数，对14.5mm厚的X60管线钢进行焊接，得到的焊接接头焊缝剖面图

52、如下图4-1所示。焊接接头由多层单道焊完成，包括两道填充焊，以及盖面焊和根焊各一道。填充焊焊道的热影响区宽度为0.61.Omm，焊道宽度为5.6mm，焊道高度为4.5mm；根焊的热影响区宽度为1.01.2mm，焊道宽度为5mm，焊道高度为4mm；盖面焊焊道热影响区宽度为1.01.4mm，焊道宽度为7mm，焊道高度为4mm。由此可知，焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法应用于X60管线钢，所得到的焊接接头热影响区非常窄，平均宽度在1.0mm左右。图4.1 X60管线钢焊缝剖面204.2.1 焊接接头的组织本文通过光学显微镜来观察 X60 钢焊接接头的显微组织，为下一步研究工作做准备。试样设备：(1)金

53、相试样抛光机(PG-1A 型)；(2)光学显微镜；(3)腐蚀剂：4的硝酸酒精。利用光学显微镜观察抛光、腐蚀后的试样，观察其显微组织，并拍摄金像照片。 如图 4-2 所示为实验材料 X60 管线钢的母材金相组织。该钢材属于典型的针状铁素体不锈钢，母材组织多为细小的块状铁素体和针条状铁素体。针状铁素体是一种典型的低碳钢贝氏体组织，其形态与低碳钢中的无碳贝氏体类似，只是由于形成温度稍高，板条状特征不如无碳贝氏体发达。与珠光体比较，组织中形成的针状铁素体对强度和韧性是有益的，强化原因是转变温度降低引起晶粒细化以及亚境界强化和位错亚结构强化，韧化的原因除了细化晶粒外，还由于消除了大块珠光体，组织中硬质相

54、似.A 组元)的尺寸更小，分布更为均匀。但是，在焊接热循环的作用下，材料的组织越细小，其长大趋势越明显，焊接热影响区尤其是粗晶区出现组织恶化和韧性下降的问题。 图 4-2 X60 管线钢母材显微组织 图 4-3 粗晶区显微组织 图 4-4 细晶区显微组织 图 4-5 焊缝区显微组织21在热影响区中，粗晶区最易出现淬硬组织，是焊接接头性能最差、最薄弱的区域。如图 4-3 所示为利用焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法，得到的 X60 管线钢焊接接头热影响区的粗晶区显微组织，组织中有细小而均匀分布的 M.A 组元、粒状贝氏体和一定数量的针状铁素体。图中原奥氏体晶界较为完整，可看出该区在焊接热循环条件下发

55、生了明显的晶粒长大现象。由文献10可知，高温停留时间对奥氏体尺寸影响不是很大。在冷却过程中，部分奥氏体由于在过冷条件下碳和合金元素的扩散受到抑制，以切变方式转变为粒状贝氏体和细小的针状铁素体；剩余奥氏体内碳逐渐富集，使相变温度升高，相变驱动力小，转变不能完全进行，一部分奥氏体残留下来形成 M.A 组元，并被粒状贝氏体分割成一个个小岛。尽管 M.A 组元很硬，与周围的铁素体受力时变形不协调导致热影响区脆化，但是由于 M-A 小岛组织细小，对韧性影响并不大。同时细小的针状铁素体组织以及大量弥散分布的粒状贝氏体的形成也使其韧性有所回升。图 4-4 为接头的细晶区显微组织，在细晶区组织中有珠光体和细小

56、的针条状铁素体，母材组织高温时发生相变重结晶完全奥氏体化且生成的奥氏体晶粒非常细小，在其后的冷却过程中得到细小而均匀的珠光体和铁素体，相当于热处理时的正火组织，因此，其塑性和韧性都很好。如图 4-5 所示为焊缝区显微组织，组织中主要有针状铁素体。由带有高密度位错的板条贝氏体晶体组成，若干贝氏体呈连续长条状，近于平行地排列在铁素体基体上构成板条束，此外，板条间有条状分布的 M.A 岛。这种板条状贝氏体组织对强度和韧性都是有益的，同时由于 M.A 组元分布均匀不连续且尺寸较小，消除了它自身的淬硬倾向对焊接接头的不良影响。从图中可以看出，焊缝中柱状晶的生长趋势，这种柱状晶的晶界由先共析铁素体组成，晶

57、粒内部是块状铁素体向晶内生长出来的细针及随后凝固结晶的珠光体组成。4.2.2 焊接接头的硬度测试课题硬度测试采用小负荷维氏硬度计来度量焊缝、热影响区及母材的硬度，选定测量点后加载载荷 5 千克，保载时间 15 秒。移动一定点距测量下一个点的硬度。测量完毕依次读出压痕对角线长度，并换算出维氏硬度；根据需要和试验仪器的精度测量若干点硬度加以分析比较。如图 4-6 所示为超窄间隙焊接焊接接头硬度分布曲线，从图中可以看出，焊缝区的硬度要远远高于焊接热影响区和母材区。同时与常规埋弧22焊相比，在使用相同规格的焊丝 H08Mn2Si 条件下，超窄间隙焊接接头焊缝区的硬度提高了 65左右。图 4.6 硬度分

58、布热影响区硬度较焊缝有所降低，但与埋弧焊比较其平均硬度分布仍有所提高；并且硬度值在热影响区的不同区域逐渐发生变化，其中在粗晶区明显高于母材，而其他区域相对较低，甚至低于母材。这是由于焊接热循环的影响，在粗晶区域形成了贝氏体组织，硬度较高，而细晶区由于发生相变再结晶而软化，硬度相对较低，称之为软化区。软化区较窄时，由于母材和粗晶区热影响区的约束作用，试样都断在母材处；当软化区较宽时，试样断在软化区的几率大大增加。由图中可以看出，本实验所得到的焊接接头的软化区仅有 0.6mm 左右，由此可以推测试样将不会断在接头处。4.2.3 焊接接头的拉伸性能试验静拉伸是最基本的材料力学性能试验方法，根据得到的

59、载荷一位移曲线，如图 4-8 所示，可获得很多重要的性能指标。板状拉伸试样取自焊件的中心部位，并使焊缝位于试样正中。取样后，先把焊缝下面的垫板切除掉，试样按照(GB2282002 金属材料室温拉伸试验方法进行加工，试样的标距为 50mm，标距内尺寸为 15mm10mm，在 30t 试验机上进行拉伸，试验速度 1.0mm/mim。试样尺寸如下图 4-7 所示。23图 4-7 拉伸试样拉伸过程大致可分为三个阶段：(1)曲线的起始部分为直线，对应试样的弹性变形阶段；(2)超出试样的弹性变形范围后，试样由弹性变形逐渐过渡为塑性变形，进入均匀变形阶段；(3)当试样承受的拉力达到最大时，试样开始在颈缩部位

60、发生局部变形，随变形的逐渐增大，载荷反而下降，产生不均匀变形，直至试样断裂。图 4-8 X60 管线钢焊接接头拉伸试验载荷位移曲线4.2.4 焊接接头的低温冲击韧性实验试验中按照国标 GBT 229.1994金属夏比缺 121 冲击试验方法的规定加工试样，缺口方向沿焊缝横截面方向，缺口位置分别取在焊缝中心和热影响区，采用10mmxl0mmx55mm 尺寸标准，分别在 20、O、-20、-40、-60温度下进行冲击试验，采用的控温介质为酒精加液氨，使试样在规定温度下的溶液中保温足够长的时间以保证试样表面与内部温度一致，本实验中采用的保温时间均为 5min，测温工具为热电偶温度计，试样从液体中取出