超窄間隙焊接焊劑帶的制作工藝及接頭性能的研究

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：超窄間隙焊接焊劑帶的制作工藝及焊接接頭性能 學(xué)生姓名： 系 別： 機(jī)械與電氣工程系 專業(yè)年級(jí)： 指導(dǎo)教師： 2014 年 6 月 15 日摘要利用焊劑帶約束電弧可以很好地解決超窄間隙焊接中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，焊劑帶可有效約束電弧，阻止電弧攀升，同時(shí)使電弧對(duì)側(cè)壁及坡口底部集中加熱，使其完全熔合。由于超窄間隙焊接方法坡口較窄，因此對(duì)焊劑帶的厚度要求較高；所以要使電弧能夠受到很好的約束，焊劑帶必須足夠致密。本文針對(duì)原有焊劑帶致密度不足的問(wèn)題，研制出新的焊劑帶，并通過(guò)焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接的方法對(duì)工件進(jìn)行焊接，最后對(duì)焊接接頭進(jìn)行組織與性能的分析。對(duì)兩種鋼的接頭組織與性能

2、進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，X60管線鋼的熱影響區(qū)組織晶粒細(xì)小，粗晶區(qū)晶粒長(zhǎng)大并不嚴(yán)重；焊縫硬度高于母材，軟化區(qū)非常窄，大大降低了對(duì)焊縫強(qiáng)度及韌性的不利因素，且與傳統(tǒng)焊接方法焊接接頭相比較，其硬度值要高出65左右。焊縫具有高于母材的拉伸強(qiáng)度，且低溫沖擊韌性良好。430不銹鋼粗晶區(qū)組織晶粒較為粗大，但由于其熱影響區(qū)很窄，對(duì)整個(gè)接頭的不良影響并不是特別大。在拉伸時(shí)，所選用的試樣均在母材處斷裂，由此也可證明接頭的強(qiáng)度相對(duì)于母材并沒(méi)有降低，反而有一定程度的提升。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：超窄間隙焊接；焊劑帶；接頭組織與性能；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目錄第 1 章 緒論 .11.1 超窄間隙焊接的研究意義 .11.1.1 窄間隙焊接的分類及特征 .11.1.2 超窄間隙焊接的特征 .11.1.3 超窄間隙焊接存在的問(wèn)題 .11.1.4 超窄間隙焊接研究現(xiàn)狀 .21.2 焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法的發(fā)展與研究 .21.2.1 貼敷式焊劑片 .31.2.2 連續(xù)送進(jìn)的焊劑帶

8、 .41.2.3 金屬支架式預(yù)置焊劑片 .51.2.4 鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑帶 .51.2.5 金屬絲網(wǎng)預(yù)置焊劑帶 .61.3 焊劑帶約束電弧超窄間隙焊 .71.3.1 焊劑帶對(duì)電弧約束的影響 .71.3.2 焊接電壓的影響 .81.4 本文研究?jī)?nèi)容 .8第 2 章 焊劑帶的制備 .102.1 引言 .102.2 焊劑帶制作模具的設(shè)計(jì) .102.2.1 設(shè)計(jì)思路 .102.2.2 模具的研制 .102.3 焊劑帶的制備 .122.3.1 焊劑的顆粒度篩選 .122.3.3 焊劑帶的制作工藝 .132.4 本章小結(jié) .13第 3 章 焊接工藝試驗(yàn) .153.1 引言 .153.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置

9、 .153.3 焊接試驗(yàn) .163.3.1 X60 管線鋼的焊接.173.3.2 430 不銹鋼的焊接.183.4 本章小結(jié) .18第四章 焊接接頭組織與性能分析 .194.1 引言 .194.2 X60 管線鋼焊接接頭的組織性能 .194.2.1 焊接接頭的組織 .204.2.2 焊接接頭的硬度測(cè)試 .214.2.3 焊接接頭的拉伸性能試驗(yàn) .224.2.4 焊接接頭的低溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn) .234.4 本章小結(jié) .24第五章 結(jié)論 .26參考文獻(xiàn) .27致 謝 .291第 1 章 緒論1.1 超窄間隙焊接的研究意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)逐漸趨于大型化，厚鋼板用量逐漸增多。而在生產(chǎn)過(guò)程中既

10、要保證焊接質(zhì)量，又要降低成本，同時(shí)還要保證較高的效率；傳統(tǒng)的焊接方法不僅開(kāi)坡口困難、焊接速度慢，而且焊后變形大，已無(wú)法滿足要求；一些新的高效的焊接方法則逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)中。1.1.1 窄間隙焊接的分類及特征窄間隙焊接方法由于可以大幅度地減少坡口面積，在較低焊接線能量下，實(shí)現(xiàn)高效焊接，而被廣泛應(yīng)用于各種大型重要結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)資料，窄間隙焊接方法有如下幾種：窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊，窄間隙埋弧焊，窄間隙電渣焊，窄間隙手工電弧焊，窄間隙激光焊，窄間隙TIG焊等。窄間隙焊接作為一種高效焊接技術(shù)，以下特征：(1)多采用I形坡口，間隙窄，坡口截面積小，所需填充材料少；(2)多層焊接，后層焊道對(duì)前層焊道起到焊后

11、熱處理作用；(3)熱輸入小，采用小或中等的焊接線能量，殘余應(yīng)力較小，焊件變形??；(4)熱影響區(qū)較窄，接頭力學(xué)性能良好。1.1.2 超窄間隙焊接的特征超窄間隙焊接是對(duì)常規(guī)窄間隙焊接的繼承和發(fā)展，所用間隙寬度更小。超窄間隙焊接具有如下特征：(1)采用熔化極電弧焊接方法而且電弧無(wú)須擺動(dòng)；(2)采用“I”形坡口，間隙寬度一般不超過(guò)6mm；(3)多層單道焊接；(4)自下而上的焊接；(5)采用比常規(guī)窄間隙焊接更小的線能量，最小可達(dá)0.5KJmm；(6)有實(shí)現(xiàn)全位置焊接的可能性。1.1.3 超窄間隙焊接存在的問(wèn)題超窄間隙焊接是一種經(jīng)濟(jì)的、能夠得到優(yōu)良機(jī)械性能且變形小的優(yōu)質(zhì)焊接接頭的焊接方法；但由于坡口間隙的

12、進(jìn)一步減小，焊接過(guò)程中出現(xiàn)了一些與傳統(tǒng)焊接方法不2同的新問(wèn)題。1.電弧沿側(cè)壁攀升超窄間隙焊接主要是為了能在電弧不擺動(dòng)的情況下，通過(guò)減小坡口間隙使兩側(cè)壁都位于電弧的高溫加熱區(qū)域，保證兩側(cè)壁的熔合。但是，當(dāng)I形坡口的間隙減小到一定程度時(shí)，焊絲熔化端頭到熔池的距離大于焊絲熔化端頭到側(cè)壁的距離，電弧無(wú)法通過(guò)自調(diào)節(jié)作用維持自身穩(wěn)定性，會(huì)沿側(cè)壁攀升出來(lái)，導(dǎo)致焊接過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。這種不穩(wěn)定的電弧現(xiàn)象叫做“電弧攀升。2.焊縫成形過(guò)程中，側(cè)壁根部熔合不良在超窄間隙焊接過(guò)程中，由于電弧的攀升，電弧高溫加熱區(qū)上移：當(dāng)坡口間隙減小到6mm以下時(shí)，電弧斑點(diǎn)極易攀爬上側(cè)壁，反而會(huì)使側(cè)壁根部不能被加熱，導(dǎo)致兩側(cè)壁根部熔合不良

13、。除此之外，超窄間隙焊接與窄間隙焊接一樣，還存在其它有待改進(jìn)的地方；如焊接修補(bǔ)困難，焊前需要調(diào)整焊絲對(duì)準(zhǔn)位置，裝配時(shí)間長(zhǎng)等。1.1.4 超窄間隙焊接研究現(xiàn)狀電弧攀升是超窄間隙焊接中首要解決的問(wèn)題。目前已開(kāi)發(fā)了多種防止電弧攀升的超窄間隙焊接方法。2002年，張富巨等人公開(kāi)了一種超窄間隙GMA自動(dòng)弧焊方法。該方法使用特定的焊槍，采用單絲居中無(wú)電弧側(cè)偏的工藝，利用超低飛濺率脈沖控制脈沖逆變電源，使電流、電壓的波形輸出與熔滴空間狀態(tài)接近完全對(duì)應(yīng)，并對(duì)BHW35低合金熱強(qiáng)鋼板和980鋼厚鋼板進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，基本解決了超窄間隙焊接中電弧攀升的問(wèn)題，并能得到質(zhì)量較高的焊接接頭。1.2 焊劑帶約束電弧超窄間隙

14、焊接方法的發(fā)展與研究根據(jù)電弧的最小電壓原理，在電流和周圍條件一定的情況下，穩(wěn)定燃燒的電弧將自動(dòng)選擇一適當(dāng)?shù)臄嗝?，以保證電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度具有較小的數(shù)值，即在固定弧長(zhǎng)上的電壓最小。根據(jù)這個(gè)原理，在電流和周圍條件一定時(shí)，電弧的斷面大了，電弧與周圍介質(zhì)的接觸面將增大，電弧向周圍介質(zhì)散失的熱量要增加，必須增加電場(chǎng)強(qiáng)度，以產(chǎn)生更多的熱量才能與其相平衡。在這種情況下，電弧會(huì)自動(dòng)縮小其斷面面積，以減小能量消耗；若斷面小了，電弧的電流密度增加，即在較小的斷面里通過(guò)相同數(shù)量的帶3電粒子，使電阻率增加，若維持相同的電流就必須增加電場(chǎng)強(qiáng)度。此外，器壁與弧柱接觸，器壁將會(huì)吸收一部分的電弧熱：同時(shí)器壁表面為電子和陽(yáng)離子的結(jié)

15、合提供了有利條件，二者的結(jié)合也需要吸收熱量，這都會(huì)促使電弧截面收縮，電流密度增加。其實(shí)，固壁約束電弧在一些焊接方法中都有不同程度的體現(xiàn)。結(jié)合超窄間隙焊接的特點(diǎn)，本課題采用焊劑帶約束電弧的方法以實(shí)現(xiàn)超窄間隙焊接。利用焊劑帶約束電弧的方法，是將涂覆有絕緣作用焊劑的焊劑帶或焊劑片貼敷在坡口兩側(cè)壁或者由機(jī)構(gòu)送入坡口間隙，從而被焊劑帶覆蓋的側(cè)壁與電極之間絕緣。焊接過(guò)程中，電弧在焊縫底部與焊劑帶端頭被熔化部分之間燃燒；當(dāng)焊劑帶熔化后電弧才能加熱并熔化側(cè)壁。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊劑帶在焊接過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，所以其制備工藝不容忽視。本課題組經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)創(chuàng)新，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種焊劑帶，同時(shí)研制出與之對(duì)應(yīng)的適合超窄間

16、隙焊接的焊槍及相關(guān)裝置，并進(jìn)行了相關(guān)的工藝試驗(yàn)。1.2.1 貼敷式焊劑片這種焊劑片是將研磨成絮狀的焊劑壓涂在鐵絲網(wǎng)上，使焊劑牢固地填充鐵絲網(wǎng)格。然后將焊劑片分別粘在坡口兩側(cè)壁，再把粘有焊劑片的焊件放入爐內(nèi)加熱，加熱溫度為200300，以清除焊劑片內(nèi)殘余水分，并加快粘結(jié)劑的固化速度。如下圖1-1所示為焊劑片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 1-1 貼敷式焊劑片結(jié)構(gòu) 1131焊前，現(xiàn)實(shí)焊槍居于坡口中間，保證導(dǎo)電嘴沿著間隙的中線運(yùn)動(dòng)。焊接過(guò)程中，焊絲通過(guò)校直機(jī)構(gòu)被送絲輪送入導(dǎo)電嘴。導(dǎo)電嘴由兩塊連在彈簧上的銅片構(gòu)成；焊絲被送入后，即被導(dǎo)電銅片上的凹槽夾緊并送入間隙中。使用該焊接裝置，可以在不借助外力的情況下將非常直的

17、焊絲送入不同寬度的間隙中，且能保證電流傳輸穩(wěn)定。 利用此方法焊接基本解決了電弧攀升的問(wèn)題，得到的焊縫表面光滑，無(wú)宏觀缺陷，硬度高，沒(méi)有寬大的粗晶區(qū)，并且熱影響區(qū)較窄，接頭力學(xué)性能良好。但在使用過(guò)程中，貼敷式焊劑片約束電弧超窄間隙焊接方法仍存在一些問(wèn)題。該4方法在清理焊渣時(shí)極易使焊劑片從側(cè)壁剝離；而超窄間隙焊接采用多層單道焊，要求每焊完一道就要清理一次焊渣；若在清理焊渣時(shí)，將焊劑片從側(cè)壁上剝離開(kāi)來(lái)，無(wú)疑會(huì)影響后續(xù)焊接的正常進(jìn)行，因而限制了該方法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。最后，該方法中焊劑的量不易控制且易造成央渣等缺陷。實(shí)踐證明，焊劑片越厚，對(duì)電弧的約束效果越好，但是在焊接時(shí)產(chǎn)生的熔渣量也就較多；另一方面，

18、由于兩側(cè)壁之間間隙很窄，熔渣較為集中。進(jìn)行焊接時(shí)，容易導(dǎo)致熔渣隨熔池向前流動(dòng)，從而使電弧在前流的熔渣表面上燃燒，以至于電弧不能有效加熱熔渣覆蓋的間隙底部而形成夾渣以及熔合不良。由此可知，此種焊劑帶約束電弧的方式應(yīng)用于生產(chǎn)仍存在很多問(wèn)題，故需要研究開(kāi)發(fā)出新的可用于實(shí)際生產(chǎn)的焊劑帶。1.2.2 連續(xù)送進(jìn)的焊劑帶根據(jù)文獻(xiàn)13-16，連續(xù)送進(jìn)式焊劑帶的結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，中間是一條兩面涂有焊劑的鋼帶，鋼帶的厚度為0.1mm，寬6mm。焊劑的主要成分是大理石、螢石、鈦白粉和純堿，其中大理石主要用于造氣、造渣、穩(wěn)弧，螢石的主要作用是脫氫，鈦白粉可以穩(wěn)弧及改善脫渣性，而純堿的作用主要是穩(wěn)弧。為了使焊劑牢固地

19、粘在鋼帶表面，需要對(duì)剛帶進(jìn)行表面處理；首先用電解的方法除去鋼帶表面的油污，超窄間隙焊接焊劑帶的制作T藝及焊接接頭性能然后選擇具有合適大小沙粒的磨輪對(duì)鋼帶進(jìn)行打磨。將配置好的焊劑與硅溶膠攪拌均勻后涂覆在鋼帶表面。焊劑帶的厚度通過(guò)改變硅溶膠的濃度和涂覆次數(shù)來(lái)孔子。圖1-2連續(xù)送進(jìn)式焊劑帶結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，焊劑帶從焊槍的倒帶槽上端入口穿入，經(jīng)過(guò)送帶輪和夾緊裝置，被連續(xù)送入間隙內(nèi)的電弧兩側(cè)，焊劑帶緊貼坡口的兩側(cè)壁。由于焊劑帶絕緣性能良好，可將電弧與側(cè)壁隔離，防止電弧攀升。電弧被約束在焊劑帶熔化端頭與間隙底部之間，能5量集中，使間隙側(cè)壁和底部得到充分加熱。在焊接過(guò)程中，必須要確保導(dǎo)電嘴始終在合適的位置，使焊絲

20、居中，防止焊絲發(fā)生偏移，或?qū)щ娮炫c側(cè)壁接觸。1.2.3 金屬支架式預(yù)置焊劑片為了解決連續(xù)送入式焊劑帶工藝可靠性不高，對(duì)電弧約束程度不能精確控制等缺點(diǎn)，課題組又研究開(kāi)發(fā)出一種新的焊劑帶送入方式。該方法預(yù)先將焊劑片沿間隙長(zhǎng)度方向排布防置在坡口中，并利用特制的金屬支架將焊劑片固定。通過(guò)調(diào)節(jié)金屬支架，可以改變焊劑片下邊緣與間隙底部的距離及焊劑片的預(yù)置高度，未被焊劑帶覆蓋的側(cè)壁金屬的范圍也會(huì)因此而得到調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)焊劑片對(duì)電弧的約束程度。如圖1-3所示：圖1-3金屬支架式預(yù)置焊劑片約束電弧原理超窄間隙焊接的坡口，間隙本身就很小，而此方法還要在窄小的破口中置入金屬支架；這樣能夠讓焊絲順利通過(guò)的通道就會(huì)很小

21、，原來(lái)使用的導(dǎo)氣管因不能通過(guò)間隙而不能再使用，從而對(duì)電弧和熔池金屬的氣體保護(hù)就需要通過(guò)加大焊劑產(chǎn)氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。如此，焊劑片所涂覆的焊劑厚度就必須增加，而涂料層越厚，干燥時(shí)的收縮就越大，很容易發(fā)生干裂，甚至脫落；這就要求焊劑和鋼帶之間有更高的結(jié)合強(qiáng)度。該實(shí)驗(yàn)采用無(wú)機(jī)膠中分散無(wú)機(jī)焊劑的方法制作涂料，提高了鋼帶與涂料的結(jié)合強(qiáng)度。焊接前，將幾個(gè)金屬支架分散放入間隙，使焊劑片夾在支架與側(cè)壁之間。另外金屬支架的一些必要部位須做絕緣處理。首先金屬支架對(duì)焊劑帶的夾緊力不夠大，這就導(dǎo)致焊接過(guò)程中，未燃燒的焊劑帶在電弧力和其他外力的作用下偏離原來(lái)的位置，致使焊接電弧不穩(wěn)定，以及對(duì)電弧的約束程度的控制不精確；其次，鋼

22、帶的處理太過(guò)復(fù)雜，且對(duì)裝置的要求較高，操作不6夠靈活簡(jiǎn)便。1.2.4 鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑帶預(yù)置式焊劑帶需滿足的基本要求是：需要穩(wěn)定有效地約束電弧，且焊劑帶定位必須精確。據(jù)此，課題組開(kāi)發(fā)出了鐵絲網(wǎng)預(yù)置內(nèi)芯式焊劑帶。如圖1-4所示鐵絲網(wǎng)預(yù)置內(nèi)芯式焊劑帶以鐵絲網(wǎng)作為骨架，將涂有焊劑的玻璃絲網(wǎng)利用硅溶膠粘在鐵絲網(wǎng)兩側(cè)。其制作工藝如下：首先對(duì)玻璃絲網(wǎng)進(jìn)行熱處理和酸堿刻蝕處理，其中熱處理的作用是除去玻璃纖維表面具有抗摩擦作用的膠料，而酸堿刻蝕處理則是通過(guò)酸堿在玻璃纖維表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成一些凹陷或微孔，以此增加玻璃纖維與焊劑的結(jié)合強(qiáng)度：將配置好的焊劑均勻涂抹在處理過(guò)的玻璃絲網(wǎng)上，并加以擠壓、干燥、裁剪后

23、待用。然后將鐵絲網(wǎng)進(jìn)行退火處理以便于彎折，最后將兩片預(yù)先準(zhǔn)備好的涂有焊劑的玻璃絲網(wǎng)粘在鐵絲網(wǎng)兩側(cè)。 圖1-4鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑帶焊接時(shí)先將干燥好的焊劑帶折成U形，如上圖，再放入坡口底部；焊絲通過(guò)導(dǎo)電嘴被送入坡口，形成電弧，是焊劑帶熔化；同時(shí)焊劑帶對(duì)電弧產(chǎn)生一定的約束作用。實(shí)驗(yàn)證明，鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑片可有效地約束電弧，能夠精確控制約束程度和作用范圍，焊接過(guò)程穩(wěn)定，并可獲得成型好，無(wú)任何宏觀缺陷的焊縫。但是其制備過(guò)程復(fù)雜，步驟繁多，需要考慮的因素較多，不適合大批生產(chǎn)；且焊劑帶使用了玻璃絲網(wǎng)，引入了較多的Si02，為焊接材料的匹配帶來(lái)了不確定因素。1.2.5 金屬絲網(wǎng)預(yù)置焊劑帶如文獻(xiàn)16所述，

24、該方法需要先剪裁一規(guī)則形狀的金屬絲網(wǎng)，然后將焊劑直接壓涂在金屬絲網(wǎng)兩側(cè)，中間空余，該方法需要先剪裁一規(guī)則形狀的金屬絲網(wǎng)，然后將焊劑直接壓涂在金屬絲網(wǎng)兩側(cè)，中間空余。圖1-5鐵絲網(wǎng)內(nèi)芯式預(yù)置焊劑帶7圖1-5焊劑帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊劑帶的具體制作步驟如下：(1)金屬絲網(wǎng)的處理。首先將鐵絲網(wǎng)按合適的尺寸剪裁好，經(jīng)過(guò)校直后，利用配置好的膠液對(duì)金屬絲網(wǎng)進(jìn)行絕緣處理，并晾干。(2)將配好的焊劑與硅溶膠攪拌均勻后涂覆在金屬絲網(wǎng)上，并保證厚度均勻一致。(3)將涂有焊劑的金屬絲網(wǎng)放在特制的滾壓模具上滾壓，以確保焊劑的緊實(shí)致密以及與金屬絲網(wǎng)的結(jié)合強(qiáng)度。(4)將壓好的焊劑帶放進(jìn)烘箱中，加熱至一定溫度，并保溫一段時(shí)間，以確保

25、焊劑帶中的水分被完全去除，同時(shí)還要避免焊劑再過(guò)高溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而變質(zhì)。(5)將焊劑帶折成U形。該焊劑帶制備方法關(guān)鍵在于滾壓模具的研制。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)比較幾種滾壓模具的優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題，最終選用了拱形滾壓模具。其中，鋼條和橡膠設(shè)計(jì)成拱形的目的主要是固定金屬絲網(wǎng)；滾壓時(shí)，焊劑帶放于鋼帶之下，轉(zhuǎn)動(dòng)拉緊器的蝸桿軸使鋼帶被拉緊。鋼帶、金屬絲網(wǎng)、鋼條在鉛直方向的分力的作用下，摩擦增大，三者間相對(duì)滑動(dòng)則變得困難，從而使金屬絲網(wǎng)得到緊固。同時(shí)該方法還利用鋼帶的剛性，以其為基準(zhǔn)面涂抹、滾壓焊劑，基本做到焊劑帶的厚度保持一致，解決了如何較精確控制焊劑帶厚度的問(wèn)題。但是在滾壓時(shí)，由于模具尺寸及受力程度所限，所使用的滾

26、壓工具不能太重，這樣焊劑帶所受的力不夠大，致密度就不夠；實(shí)驗(yàn)已證明，同一種方法做出的焊劑帶越厚，對(duì)電弧的約束能力越好，這也就說(shuō)明了焊劑的量影響了焊劑帶對(duì)電弧的約束程度；所以在某些情況下，當(dāng)焊劑帶不夠致密時(shí)，要達(dá)到更好地約束電弧的目的，就只能增加焊劑帶的厚度，這無(wú)疑就限制了超窄間隙焊接時(shí)坡口的尺寸，阻礙了焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接向更小的間隙發(fā)展。同時(shí)在滾壓過(guò)程中，需要用人力來(lái)操控滾子前進(jìn)，這就要求人在豎直方向完全不施力，這對(duì)于操作者來(lái)說(shuō)難度較高。綜合幾種焊劑帶的特點(diǎn)，還需要進(jìn)一步改進(jìn)，完善焊劑帶的不足之處，使其對(duì)電8弧的約束加強(qiáng)，更適用于超窄間隙焊接。1.3 焊劑帶約束電弧超窄間隙焊實(shí)踐證明，

27、焊劑帶約束電弧的方法適用于超窄間隙焊接，并且有很大的發(fā)展空間；作為超窄間隙焊接的一種，它具有自身的特點(diǎn)。1.3.1 焊劑帶對(duì)電弧約束的影響首先，焊劑帶的預(yù)置高度直接控制著電弧的約束程度。由于焊劑帶主要是靠其上涂覆的絕緣性焊劑對(duì)電弧起到固壁約束的作用，因此當(dāng)焊劑帶的裸露高度較大時(shí)，電弧就會(huì)較長(zhǎng)，電弧的作用范圍半徑大，擴(kuò)張至坡口側(cè)壁，電流密度比較小，電弧加熱不夠集中；若裸露高度大至一定程度可能會(huì)導(dǎo)致間隙底部熔合不良，起不到約束電弧的目的。隨著焊劑帶預(yù)置高度逐漸減小，弧長(zhǎng)逐漸縮短，電弧的作用范圍逐漸由側(cè)壁過(guò)渡到間隙底部，其熔滴過(guò)渡類型也隨之而改變。要使側(cè)壁和間隙底部均得到良好的加熱效果，需要選擇合適

28、的焊劑帶預(yù)置高度。其次，焊劑帶的厚度影響電弧的約束程度及焊縫的質(zhì)量。同一種情況下的焊劑帶越厚，越不易燒損，電弧前端所接觸到的焊劑帶面積越大，這就使得焊劑帶對(duì)電弧的固壁約束能力越強(qiáng)，焊接過(guò)程中電弧燃燒越穩(wěn)定。電弧在焊劑帶固壁約束的作用下，集中對(duì)側(cè)壁的根部及間隙底部加熱，使得側(cè)壁的熔化高度顯著降低，而間隙底部的熔化寬度卻增大；同時(shí)母材的熔化量增加，使側(cè)壁根部更容易完全熔合，獲得良好的焊縫形態(tài)。1.3.2 焊接電壓的影響在焊接過(guò)程中，焊接電壓是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著電壓的增加，弧長(zhǎng)增大，電弧的作用范圍增大，電弧加熱的區(qū)域由一開(kāi)始只在坡口底部逐漸擴(kuò)張至側(cè)壁。電弧對(duì)焊劑帶的加熱區(qū)域也

29、逐漸增大，焊劑帶熔化量增多。由于焊劑帶的熔化是一個(gè)吸收熱量的過(guò)程，電弧受到冷卻作用而收縮，加強(qiáng)了電弧約束，使電弧較為集中。在一定的電壓范圍內(nèi)，電弧的加熱區(qū)域被控制在側(cè)壁和坡口底部；同時(shí)，電壓的增大也使電弧熱增加，所以母材和側(cè)壁及坡口底部的熔化量都在一定程度上有所增加。因此，使用較大的焊接電壓，也可得到形態(tài)良好的焊縫。1.4 本文研究?jī)?nèi)容超窄間隙焊接能源消耗小，生產(chǎn)效率高，并且能得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，對(duì)超細(xì)晶粒鋼的焊接有很大的適用性，引起焊接界的興趣，并逐漸被認(rèn)可。9在焊劑帶約束電弧的方法中，焊劑帶的制備工藝至關(guān)重要，要求設(shè)計(jì)出的焊劑帶不僅能夠滿足超窄間隙焊接要求，同時(shí)還要保證焊接接頭的安全性。本

30、課題針對(duì)原有方法制備的焊劑帶不夠致密等問(wèn)題研制出新的焊劑帶，并對(duì)X60鋼及430不銹鋼的材質(zhì)特點(diǎn)及焊接性進(jìn)行了深入了解，研究這兩種鋼材利用焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法得到的焊接接頭的組織、性能，本課題研究的主要內(nèi)容如下：(1)設(shè)計(jì)新的焊劑帶制作模具，研究分析相關(guān)因素對(duì)其影響，制備實(shí)驗(yàn)所用的焊劑帶。(2)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，并確定合理的工藝參數(shù)。(3)制備相關(guān)試樣，對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊后力學(xué)性能測(cè)試，并觀察焊縫、熱影響區(qū)等顯微組織，進(jìn)行焊后工藝評(píng)定。10第 2 章 焊劑帶的制備2.1 引言焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法中，焊劑帶的制作是最為關(guān)鍵的。它不僅要能夠滿足焊接生產(chǎn)要求，解決

31、超窄間隙焊接中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，還要制作簡(jiǎn)單、儲(chǔ)存方便、適于批量生產(chǎn)；所以在研制過(guò)程中，必須要精益求精。目前設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的焊劑帶存在的主要問(wèn)題是焊劑的致密度不夠，對(duì)電弧的約束程度還沒(méi)有達(dá)到理想的狀態(tài)；當(dāng)要求對(duì)電弧約束較好時(shí)，需要的焊劑帶厚度比較大，如此一來(lái)，焊絲能夠通過(guò)的間隙就會(huì)變得相對(duì)更窄，對(duì)焊槍、坡口尺寸等要求就更高，為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行帶來(lái)一定程度上的不便。因此需要設(shè)計(jì)出一種新的焊劑帶制作方法，通過(guò)增加焊劑帶滾壓時(shí)所受的力來(lái)提高焊劑帶的致密度。2.2 焊劑帶制作模具的設(shè)計(jì)2.2.1 設(shè)計(jì)思路要通過(guò)增加焊劑帶滾壓時(shí)所受的力來(lái)提高焊劑的致密度，首先不能單純依靠人力，這是因?yàn)槿肆Σ荒鼙ＷC用力均勻，焊劑帶的薄厚

32、程度也就不一致，并且人力不能達(dá)到足夠大，所以焊劑帶的滾壓可以用揉面壓皮機(jī)來(lái)完成。但是由于揉面機(jī)兩個(gè)滾子之間的力非常大，涂覆好的焊劑帶并不能直接在機(jī)器上滾壓，否則就會(huì)將金屬絲網(wǎng)上涂覆的焊劑擠壓出來(lái)，而不能粘在金屬絲網(wǎng)上。因此，設(shè)想連同焊劑帶制備模具一起放進(jìn)機(jī)器進(jìn)行滾壓。這就要求模具的體積不能過(guò)大，強(qiáng)度足夠高；放置焊劑帶的地方還要有一定的彈性，擠壓時(shí)可收縮，滾壓完成后還能夠恢復(fù)原狀；并且還要保證焊劑不會(huì)被擠出模具。根據(jù)這個(gè)思路，我們?cè)O(shè)計(jì)出焊劑帶制作模具，并進(jìn)行了焊劑帶的制作。2.2.2 模具的研制本課題參考以前拱形式滾壓模具研制出的焊劑帶制作模具如下圖2-1所示。從圖中可以看出，焊劑帶制作時(shí)，首先

33、要把剪裁好且經(jīng)過(guò)處理的金屬絲網(wǎng)放置在硅膠帶下，然后再進(jìn)行焊劑的涂覆。模具的主體是基座部分；考慮滾壓時(shí)模具所受的擠壓力非常大，為使模具使用壽命長(zhǎng)且不易變形，選用強(qiáng)度、硬度較高的工具鋼來(lái)制作模具基座。本文選用的是450388mm的工具鋼，并且，為防止工具鋼加工變形，預(yù)先對(duì)其進(jìn)行了退火處理。11圖2-1焊劑帶的制作模具因?yàn)橐樌M(jìn)行焊劑帶的涂覆，首先就要保證金屬絲網(wǎng)不能輕易被移動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)首先要思考的就是如何固定金屬絲網(wǎng)。模具基座的兩端各開(kāi)了一個(gè)深度為1.5毫米的鍵槽，然后又在槽的外側(cè)各開(kāi)了一個(gè)方孔出來(lái)用于穿引硅膠帶，其中一個(gè)方孔一定要較長(zhǎng)。再將切好的硅膠帶穿過(guò)兩個(gè)方孔及背面的黑橡膠墊板，拉緊并

34、于背面開(kāi)槽處打結(jié)。當(dāng)金屬絲網(wǎng)被放置在硅膠帶下時(shí)，由于鍵槽與基座上表面之間有一個(gè)1.5mm高的梯度，硅膠帶被拉緊后，它的兩端就會(huì)與水平面之間形成一個(gè)坡度，如此一來(lái)硅膠帶就會(huì)對(duì)基座上表面產(chǎn)生一個(gè)向下的力的作用，使硅膠帶與金屬絲網(wǎng)間的摩擦增大，金屬絲網(wǎng)在被刮擦?xí)r將不會(huì)輕易移動(dòng)。其中，硅膠帶的寬度是根據(jù)坡口間隙的寬度與焊劑帶要預(yù)置的高度來(lái)定，同時(shí)還要考慮硅膠帶被拉緊時(shí)由于變形產(chǎn)生的誤差。需要注意的是，硅膠帶彈性較大，在切割時(shí)其尺寸并不容易精確控制，形狀上也會(huì)切出呈鋸齒狀的參差不起的小牙。所以，我們先將一整條的硅膠帶利用雙面膠固定在一剛性物體上，例如尺寸足夠的紙張、表面平整的鋼板等，然后再利用標(biāo)尺劃線壓

35、緊切割；切好后很容易直接將硅膠帶揭下，雙面膠并不會(huì)留在硅膠帶上。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硅膠帶有兩種規(guī)格，分別為寬12mm、厚1.1mm的和寬120mm、厚2mm的，根據(jù)試驗(yàn)要求，經(jīng)過(guò)處理要使硅膠帶變?yōu)閷挾葹?mm，長(zhǎng)度為32mm?？紤]到硅膠帶在拉緊時(shí)寬度減小，其初始寬度定位4.5mm。其中，2mm厚的硅膠帶可用于制各較厚的1.5mm左右的焊劑帶，以便在根焊時(shí)使用。除了固定金屬絲網(wǎng)，硅膠帶還可以限制焊劑帶的厚度；若想改變焊劑帶厚度，可通過(guò)在硅膠帶上貼鋼帶的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在硅膠帶的下方也開(kāi)了一個(gè)與硅膠帶寬度相同的槽，其作用是，當(dāng)焊劑帶被送入揉面機(jī)進(jìn)行滾壓時(shí)，由于中間硅膠帶所覆蓋的金屬絲網(wǎng)下方是空的，如此一來(lái)硅

36、膠帶受到擠壓就會(huì)連同金屬絲網(wǎng)一起下移，而硅膠帶厚度、寬度并不會(huì)產(chǎn)生太大變化，這12樣既能保證焊劑帶中間裸露部分的寬度一定，還可達(dá)到使焊劑帶更致密的目的。2.3 焊劑帶的制備根據(jù)超窄間隙焊接的特點(diǎn)，要求制作的焊劑帶不能太厚，金屬絲網(wǎng)裸露部分根據(jù)間隙寬度而定。2.3.1 焊劑的顆粒度篩選在焊劑帶的制備工藝中，必須要保證焊劑與金屬絲網(wǎng)的結(jié)合強(qiáng)度，否則在進(jìn)行焊接時(shí)，焊劑顆粒脫落，將會(huì)造成焊縫夾渣，影響焊接質(zhì)量由課題組前期工作經(jīng)驗(yàn)可知，焊劑與金屬絲網(wǎng)的結(jié)合強(qiáng)度與焊機(jī)的顆粒度有關(guān)。焊劑的顆粒度可以用細(xì)度模數(shù)這個(gè)參數(shù)來(lái)表征；細(xì)度模數(shù)與顆粒的粗細(xì)成正比，反映的是顆粒的總體平均粗細(xì)程度。當(dāng)焊劑的細(xì)度模數(shù)在l2之

37、間時(shí)，制作出的焊劑帶成型好，表面光滑，焊劑不易脫落。因此根據(jù)細(xì)度模數(shù)與方孔篩孔的尺寸大小的關(guān)系，選用180目也即篩孔尺寸為0.088mm的方孔篩來(lái)篩取焊劑。然后將篩好的焊劑收藏好，備用。2.3.2 金屬絲網(wǎng)的處理選用30目的金屬絲網(wǎng)來(lái)制作焊劑帶，成形會(huì)較好。根據(jù)焊劑帶制備模具兩側(cè)黑橡膠之間的寬度，將金屬絲網(wǎng)剪成寬20mm的條狀。在剪切時(shí)必須保證邊緣的縱向金屬絲不斷開(kāi)、不脫落，因此盡量從兩根金屬絲的中間剪開(kāi)，可最大程度保證金屬絲的完整。金屬絲網(wǎng)的平整還有利于焊劑的涂覆，并進(jìn)一步保證其與焊劑的結(jié)合強(qiáng)度。而金屬絲網(wǎng)經(jīng)剪切后不僅縱向彎扭，橫向上也出現(xiàn)兩邊翹起、中間凹陷的現(xiàn)象。所以必須要對(duì)剪裁后的金屬絲

38、網(wǎng)進(jìn)行校直處理。根據(jù)文獻(xiàn)16，首先選用半徑約為18mm的鋼管對(duì)金屬絲網(wǎng)進(jìn)行縱向校直。即將金屬絲網(wǎng)套在鋼管上，雙手持兩端來(lái)回拉拔，用力適中的情況下來(lái)回兩三次即可將金屬絲網(wǎng)拉直。然后再用半徑8mm的鋼管進(jìn)行橫向校直，經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金屬絲網(wǎng)兩端在鋼管軸向錯(cuò)開(kāi)的角度越大，越容易將金屬絲網(wǎng)橫向的拱形彎曲拉平。由于金屬絲較為細(xì)軟，校直后很容易錯(cuò)位，且邊緣的縱向的金屬絲更容易脫落；因此，必須使金屬絲網(wǎng)邊緣部分固定，使其不能隨意扭動(dòng)。使用圖釘將金屬絲網(wǎng)拉緊固定在一木板上，并保證其沒(méi)有扭曲變形；將金屬絲網(wǎng)兩側(cè)邊緣金屬絲涂上環(huán)氧樹(shù)脂膠。其中，環(huán)氧樹(shù)脂膠是用體積比為4：1的環(huán)氧樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂固化劑攪拌均勻，然后用適量丙

39、酮將其溶解而成。13由于這種膠的固化速度比較慢，需將木板放于通風(fēng)處待其晾干，至少24小時(shí)。這樣不僅可以使金屬絲網(wǎng)被固定，避免其在涂覆焊劑時(shí)錯(cuò)位扭曲；同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂膠還可起到絕緣的作用；焊劑涂完后，邊緣可能會(huì)有部分沒(méi)有完全粘上焊劑，在焊接的時(shí)候金屬絲網(wǎng)與焊槍導(dǎo)電嘴接觸導(dǎo)電，引起電弧攀升，影響焊接的正常進(jìn)行，而涂上環(huán)氧樹(shù)脂膠后剛好可以避免此種情況發(fā)生。2.3.3 焊劑帶的制作工藝針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的目的，主要是利用新的滾壓模具制作出不同厚度的焊劑帶以及它們對(duì)超窄間隙焊縫成型的影響。故在該試驗(yàn)中所用焊劑的成分是大理石和螢石，用硅溶膠作為粘結(jié)劑。焊劑帶的制作過(guò)程中需要較多的紙條，要預(yù)先剪裁好寬20mm的普通的紙

40、條，以及寬25mm左右的不易吸水的紙(實(shí)驗(yàn)室用水砂紙)，備用。利用上述模具制作焊劑帶的步驟如下：(1)將裁好的寬20mm的紙條平鋪在模具兩側(cè)黑橡膠之間，硅膠帶的下方：(2)將實(shí)驗(yàn)前期處理準(zhǔn)備好的金屬絲網(wǎng)剪開(kāi)，其長(zhǎng)度稍短于黑橡膠，然后將金屬絲網(wǎng)放置在紙條與硅膠帶之間；并確保硅膠帶足夠緊，金屬絲網(wǎng)不能移動(dòng)；(3)將用硅溶膠攪拌好的焊劑利用刮板快速均勻地涂抹在金屬絲網(wǎng)上，并保證硅膠帶上表面能夠完全露出，不被焊劑覆蓋，否則在焊劑帶滾壓完后取出時(shí)，容易帶動(dòng)硅膠帶兩側(cè)的焊劑，影響焊劑帶對(duì)電弧的約束效果；需要注意的是，在涂抹焊劑時(shí)，刮板應(yīng)盡量與水平面保持較小的夾角，以免焊劑隨刮板的移動(dòng)往后堆積，影響焊劑的涂

41、抹速度，使焊劑凝固；(4)在涂好的焊劑表面用毛筆均勻地撒上一層干粉，干粉的成分比例與焊劑相同；(5)將剪好的水砂紙鋪在焊劑帶表面，然后用膠帶粘住，放入揉面機(jī)滾壓。(6)取下水砂紙，把模具平放在桌面上，先輕輕水平扯動(dòng)硅膠帶，然后放開(kāi)，如此反復(fù)兩三次；將硅膠帶挑起，取出焊劑帶；(7)將制作好的一批焊劑帶先晾上片刻，然后放入烘箱中烘干，溫度設(shè)定為400左右，保溫時(shí)間大約為兩個(gè)小時(shí)。2.4 本章小結(jié)為了獲得致密度較以往焊劑帶更高、能夠滿足超窄間隙焊接要求，且能進(jìn)行大批14量生產(chǎn)的焊劑帶，需要設(shè)計(jì)加工出新的焊劑帶生產(chǎn)模具，同時(shí)在制作焊劑帶過(guò)程中，還須考慮影響焊劑帶質(zhì)量的因素。(1)硅溶膠對(duì)焊劑的凝固燒結(jié)

42、影響很大，在配制焊劑時(shí)，一定要嚴(yán)格控制硅溶膠的加入量；(2)在進(jìn)行焊劑帶的涂覆工作時(shí)，注意刮板的施力方向；(3)焊劑帶涂覆完成后，在其上覆蓋的紙必須要防水，否則在滾子的大力擠壓下，紙片將會(huì)與焊劑粘連，影響焊劑帶外觀質(zhì)量；(4)滾壓時(shí)，兩個(gè)滾子之間的間隙寬度，直接決定了焊劑帶的致密度，因此要嚴(yán)格調(diào)控；(5)取出焊劑帶時(shí)，注意操作方法，避免因操作不當(dāng)，將焊劑粘掉。15第 3 章 焊接工藝試驗(yàn)3.1 引言超窄間隙焊接作為一種新的焊接方法，焊接過(guò)程的穩(wěn)定性與可操作性的好壞將決定著該焊接方法能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。針對(duì)其焊接過(guò)程中易發(fā)生電弧攀升等現(xiàn)象，已開(kāi)發(fā)了多種解決方法，如脈沖電流使電弧沿間隙側(cè)壁上下移動(dòng)

43、，或通過(guò)旋轉(zhuǎn)、彎曲焊絲使電弧做周期性的擺動(dòng)等。本章主要介紹焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接的主要試驗(yàn)裝置及相關(guān)的焊接工藝試驗(yàn)。3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置焊槍的作用是輸送焊絲、傳導(dǎo)焊接電流和輸送并噴出保護(hù)氣體。而在焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法中，還要求焊槍能夠?qū)⒑附z準(zhǔn)確地送入坡口中，并保證焊絲垂直不彎曲，以免電弧對(duì)兩側(cè)壁加熱不均勻；在進(jìn)行厚板焊接時(shí)，由于焊絲干伸長(zhǎng)有限，無(wú)形中會(huì)限制板的厚度，因此應(yīng)盡量使焊槍精簡(jiǎn)，且厚度小于坡口間隙，使焊槍能夠深入坡口。設(shè)計(jì)出新的焊槍如圖3-1所示。圖3-1焊槍焊槍的主要零部件的功能：送帶盤(pán)1：用于焊劑帶的盤(pán)放，保證焊劑帶在焊接過(guò)程中持續(xù)供給。拉伸彈簧3通過(guò)擺桿(5)給壓

44、帶輪作用力。橫向連接桿4：保證焊劑帶的送進(jìn)與焊接小車的行走保持同步。擺桿5：連接拉伸彈簧(3)和壓帶輪(6)，給壓帶輪向前滾動(dòng)的動(dòng)力。壓帶輪6：由于焊接過(guò)程中焊絲干伸長(zhǎng)度的限制以及彈簧的拉伸作用力，壓帶輪對(duì)焊劑帶有向下16的壓力和向后的摩擦力，保證焊劑帶順利進(jìn)入電弧區(qū)。調(diào)節(jié)螺栓10-通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓的進(jìn)給量，調(diào)整板式導(dǎo)電嘴(11)對(duì)焊絲的夾緊力。板式導(dǎo)電嘴11：由于采用的焊絲直徑為1.6mm，所以板式導(dǎo)電嘴厚度選為2mm厚度的銅板且開(kāi)有V形槽，板式導(dǎo)電嘴主要用于向焊絲傳導(dǎo)電流并利用與調(diào)節(jié)螺栓之間的作用力將焊絲緊緊夾在V形槽內(nèi)。壓縮彈簧14-調(diào)節(jié)螺栓、導(dǎo)絲管及底座之間產(chǎn)生相互作用力是由彈簧的壓縮產(chǎn)生

45、的。3.3 焊接試驗(yàn)本課題主要對(duì)兩種鋼材進(jìn)行焊，分別是厚度為14.5mm的X60管線鋼板和厚度為6mm的430不銹鋼板，采用直流反接，焊絲采用H08Mn2Si，直徑為1.6mm的盤(pán)絲，焊劑帶厚度為0.60.8mm。焊接試樣采用I型坡口，如圖3-2所示，坡口的標(biāo)準(zhǔn)間隙為4mm，考慮到X60管線鋼較厚，需要進(jìn)行單道多層焊接，焊接過(guò)程中坡口間隙減小，影響后一道焊接的正常進(jìn)行，因此為了消除這種焊接殘余變形帶來(lái)的影響，要預(yù)先設(shè)置一個(gè)反變形角；但是由于超窄間隙焊接熱輸入低，變形很小，固所需的反變形角角度不應(yīng)太大，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的反變形角為20；焊接施工中，當(dāng)坡口間隙比標(biāo)準(zhǔn)值寬時(shí)，可將焊接速度減小，以保證坡13

46、兩側(cè)的熔深和焊道表面形狀。選用的墊板最好比焊接試樣長(zhǎng)，這樣墊板起到了引弧板和息弧板的作用，使起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)都可以落在墊板上，避免弧坑落在焊縫上，而產(chǎn)生合金粉熔合不良、氣孔、夾渣和裂紋等缺陷；同時(shí)還可在焊接接頭始末兩端獲得正常尺寸的焊縫截面，使鋼材得到充分利用。圖3-2坡口形狀焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接過(guò)程，如下圖所示：17圖3-3焊接過(guò)程3.3.1 X60 管線鋼的焊接由于實(shí)驗(yàn)所用的X60鋼板稍厚，需進(jìn)行多層焊接；并且?guī)讓雍傅赖暮附迎h(huán)境略有差別，因此在焊接時(shí)，需要進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整。根焊是管道焊接的基礎(chǔ)，根焊的質(zhì)量和效率直接影響著整個(gè)焊接的質(zhì)量和效率，因此，它是管道焊接的關(guān)鍵。填充焊時(shí)，為了保

47、證坡口兩側(cè)壁的熔深，同時(shí)獲得較多的熔敷金屬，可適當(dāng)將焊接電流較根焊時(shí)有所提高，焊接電流值在240255A范圍內(nèi)。焊接電壓的影響與根焊時(shí)一樣，因此同樣選用2324V范圍內(nèi)的焊接電壓；焊接速度為1010.5mms。蓋面焊時(shí)，由于蓋面焊坡口淺，焊縫金屬主要來(lái)自焊絲的熔化，希望熔深淺、熔合比小，因此不宜采用大電流，選用電流范圍與根焊基本一致，為205215A之間。但是又因?yàn)樗玫暮竸л^厚，需要增大電弧熱，提高焊接電壓至2425V范圍內(nèi)。電壓增加，弧長(zhǎng)增加，電弧的作用范圍增大，焊縫寬度也會(huì)明顯增加，同時(shí)對(duì)減小熔深也有一定的作用。由于此時(shí)焊接電壓大，電流小，焊接熔池寬而淺，若采用較大的焊接速度，將會(huì)使熔

48、池明顯拉長(zhǎng)，而寬度減小，當(dāng)熔池被拉長(zhǎng)到一定程度時(shí)，熔池中的液體金屬發(fā)生頸縮破斷，形成駝峰。因此，在蓋面焊時(shí)，應(yīng)選用較小的焊接速度，在88.5mm之間。焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接各層焊道的焊接工藝參數(shù)參見(jiàn)表3-1所示，計(jì)算可知其焊接線能量低于0.7KJ衄，線能量非常低。18表3-1 X60管線鋼焊接工藝參數(shù)3.3.2 430 不銹鋼的焊接試驗(yàn)所用430不銹鋼是一種中鉻鐵素體不銹鋼，與奧氏體不銹鋼相比，它具有良好的耐腐蝕性能，導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小，耐熱疲勞，并且價(jià)格低廉，沖壓加工性能好，表面光亮；因此被廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、家用器具、家電、化工設(shè)備、日用辦公設(shè)備等。430不銹鋼在焊接時(shí)的主要問(wèn)題

49、是，由于它對(duì)熱輸入非常敏感，熱影響區(qū)晶粒容易急劇長(zhǎng)大而嚴(yán)重脆化，這種晶粒粗大的鐵素體鋼熱影響區(qū)室溫下的韌性很低，容易產(chǎn)生裂紋；所以在焊接時(shí)要盡量降低熱輸入。焊接接頭共有兩道焊完成，即一道根焊和一道蓋面焊。跟焊時(shí)，所需考慮的因素與X60管線鋼一樣，同時(shí)由于鐵素體不銹鋼的熱敏性，因此焊接時(shí)應(yīng)采用小電流、高焊接速度3.4 本章小結(jié)焊劑帶約束電弧的方法應(yīng)用于超窄間隙焊接是可行的，焊槍的精度對(duì)焊接過(guò)程有一定程度的影響，同時(shí)對(duì)焊絲在坡口中的位置要求嚴(yán)格，在焊前必須仔細(xì)調(diào)整。對(duì)于每一道焊的工藝參數(shù)都要結(jié)合超窄間隙焊接的特點(diǎn)，借鑒傳統(tǒng)焊接方法總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行分析評(píng)定后，再進(jìn)行焊接。(1)焊劑帶約束電弧超窄間

50、隙焊接一般是多層單道焊，接頭由根焊、填充焊及蓋面焊完成，焊縫成形好；(2)焊劑帶約束電弧超窄間隙線能量低，對(duì)電弧的約束效果好，焊接過(guò)程中電弧燃燒穩(wěn)定。19第四章 焊接接頭組織與性能分析4.1 引言由于某些元素的添加往往會(huì)使鋼材的焊接性變差，焊接接頭的安全性成為評(píng)定焊接工藝的重中之重。焊接接頭尤其是焊接熱影響區(qū)的性能是影響焊接安全性的重要方面。不同鋼種所出現(xiàn)的焊接性問(wèn)題不同，在合金結(jié)構(gòu)鋼中，隨著合金元素種類以及含量的增多，勢(shì)必會(huì)引起接頭裂紋及脆化傾向增大；而對(duì)于鐵素體不銹鋼來(lái)說(shuō)，高溫脆化成為其與焊接有關(guān)的最嚴(yán)重的問(wèn)題之一，高溫脆化可能會(huì)導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)的韌性和延性相對(duì)于母材劇烈降低。這些焊接問(wèn)

51、題的出現(xiàn)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行的可靠性降低，造成焊接結(jié)構(gòu)的早期破壞。因此一種焊接方法能否應(yīng)用于某種鋼材的焊接，必須要通過(guò)對(duì)焊接接頭進(jìn)行組織和性能的評(píng)定分析。而超窄間隙焊接，線能量非常低，可降低熱輸入對(duì)熱影響區(qū)的不良影響，減小晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)，降低HAZ脆化傾向：且接頭熱影響區(qū)窄，也將在一定程度上減小熱影響區(qū)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)可靠性的影響。本章主要討論利用焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法，得到的X60管線鋼和430不銹鋼焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)的組織演變和力學(xué)性能。4.2 X60 管線鋼焊接接頭的組織性能根據(jù)上章中表3-1所給出的工藝參數(shù)，對(duì)14.5mm厚的X60管線鋼進(jìn)行焊接，得到的焊接接頭焊縫剖面圖

52、如下圖4-1所示。焊接接頭由多層單道焊完成，包括兩道填充焊，以及蓋面焊和根焊各一道。填充焊焊道的熱影響區(qū)寬度為0.61.Omm，焊道寬度為5.6mm，焊道高度為4.5mm；根焊的熱影響區(qū)寬度為1.01.2mm，焊道寬度為5mm，焊道高度為4mm；蓋面焊焊道熱影響區(qū)寬度為1.01.4mm，焊道寬度為7mm，焊道高度為4mm。由此可知，焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法應(yīng)用于X60管線鋼，所得到的焊接接頭熱影響區(qū)非常窄，平均寬度在1.0mm左右。圖4.1 X60管線鋼焊縫剖面204.2.1 焊接接頭的組織本文通過(guò)光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察 X60 鋼焊接接頭的顯微組織，為下一步研究工作做準(zhǔn)備。試樣設(shè)備：(1)金

53、相試樣拋光機(jī)(PG-1A 型)；(2)光學(xué)顯微鏡；(3)腐蝕劑：4的硝酸酒精。利用光學(xué)顯微鏡觀察拋光、腐蝕后的試樣，觀察其顯微組織，并拍攝金像照片。 如圖 4-2 所示為實(shí)驗(yàn)材料 X60 管線鋼的母材金相組織。該鋼材屬于典型的針狀鐵素體不銹鋼，母材組織多為細(xì)小的塊狀鐵素體和針條狀鐵素體。針狀鐵素體是一種典型的低碳鋼貝氏體組織，其形態(tài)與低碳鋼中的無(wú)碳貝氏體類似，只是由于形成溫度稍高，板條狀特征不如無(wú)碳貝氏體發(fā)達(dá)。與珠光體比較，組織中形成的針狀鐵素體對(duì)強(qiáng)度和韌性是有益的，強(qiáng)化原因是轉(zhuǎn)變溫度降低引起晶粒細(xì)化以及亞境界強(qiáng)化和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，韌化的原因除了細(xì)化晶粒外，還由于消除了大塊珠光體，組織中硬質(zhì)相

54、似.A 組元)的尺寸更小，分布更為均勻。但是，在焊接熱循環(huán)的作用下，材料的組織越細(xì)小，其長(zhǎng)大趨勢(shì)越明顯，焊接熱影響區(qū)尤其是粗晶區(qū)出現(xiàn)組織惡化和韌性下降的問(wèn)題。 圖 4-2 X60 管線鋼母材顯微組織 圖 4-3 粗晶區(qū)顯微組織 圖 4-4 細(xì)晶區(qū)顯微組織 圖 4-5 焊縫區(qū)顯微組織21在熱影響區(qū)中，粗晶區(qū)最易出現(xiàn)淬硬組織，是焊接接頭性能最差、最薄弱的區(qū)域。如圖 4-3 所示為利用焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法，得到的 X60 管線鋼焊接接頭熱影響區(qū)的粗晶區(qū)顯微組織，組織中有細(xì)小而均勻分布的 M.A 組元、粒狀貝氏體和一定數(shù)量的針狀鐵素體。圖中原奧氏體晶界較為完整，可看出該區(qū)在焊接熱循環(huán)條件下發(fā)

55、生了明顯的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象。由文獻(xiàn)10可知，高溫停留時(shí)間對(duì)奧氏體尺寸影響不是很大。在冷卻過(guò)程中，部分奧氏體由于在過(guò)冷條件下碳和合金元素的擴(kuò)散受到抑制，以切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w和細(xì)小的針狀鐵素體；剩余奧氏體內(nèi)碳逐漸富集，使相變溫度升高，相變驅(qū)動(dòng)力小，轉(zhuǎn)變不能完全進(jìn)行，一部分奧氏體殘留下來(lái)形成 M.A 組元，并被粒狀貝氏體分割成一個(gè)個(gè)小島。盡管 M.A 組元很硬，與周圍的鐵素體受力時(shí)變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致熱影響區(qū)脆化，但是由于 M-A 小島組織細(xì)小，對(duì)韌性影響并不大。同時(shí)細(xì)小的針狀鐵素體組織以及大量彌散分布的粒狀貝氏體的形成也使其韌性有所回升。圖 4-4 為接頭的細(xì)晶區(qū)顯微組織，在細(xì)晶區(qū)組織中有珠光體和細(xì)小

56、的針條狀鐵素體，母材組織高溫時(shí)發(fā)生相變重結(jié)晶完全奧氏體化且生成的奧氏體晶粒非常細(xì)小，在其后的冷卻過(guò)程中得到細(xì)小而均勻的珠光體和鐵素體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織，因此，其塑性和韌性都很好。如圖 4-5 所示為焊縫區(qū)顯微組織，組織中主要有針狀鐵素體。由帶有高密度位錯(cuò)的板條貝氏體晶體組成，若干貝氏體呈連續(xù)長(zhǎng)條狀，近于平行地排列在鐵素體基體上構(gòu)成板條束，此外，板條間有條狀分布的 M.A 島。這種板條狀貝氏體組織對(duì)強(qiáng)度和韌性都是有益的，同時(shí)由于 M.A 組元分布均勻不連續(xù)且尺寸較小，消除了它自身的淬硬傾向?qū)附咏宇^的不良影響。從圖中可以看出，焊縫中柱狀晶的生長(zhǎng)趨勢(shì)，這種柱狀晶的晶界由先共析鐵素體組成，晶

57、粒內(nèi)部是塊狀鐵素體向晶內(nèi)生長(zhǎng)出來(lái)的細(xì)針及隨后凝固結(jié)晶的珠光體組成。4.2.2 焊接接頭的硬度測(cè)試課題硬度測(cè)試采用小負(fù)荷維氏硬度計(jì)來(lái)度量焊縫、熱影響區(qū)及母材的硬度，選定測(cè)量點(diǎn)后加載載荷 5 千克，保載時(shí)間 15 秒。移動(dòng)一定點(diǎn)距測(cè)量下一個(gè)點(diǎn)的硬度。測(cè)量完畢依次讀出壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，并換算出維氏硬度；根據(jù)需要和試驗(yàn)儀器的精度測(cè)量若干點(diǎn)硬度加以分析比較。如圖 4-6 所示為超窄間隙焊接焊接接頭硬度分布曲線，從圖中可以看出，焊縫區(qū)的硬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊接熱影響區(qū)和母材區(qū)。同時(shí)與常規(guī)埋弧22焊相比，在使用相同規(guī)格的焊絲 H08Mn2Si 條件下，超窄間隙焊接接頭焊縫區(qū)的硬度提高了 65左右。圖 4.6 硬度分

58、布熱影響區(qū)硬度較焊縫有所降低，但與埋弧焊比較其平均硬度分布仍有所提高；并且硬度值在熱影響區(qū)的不同區(qū)域逐漸發(fā)生變化，其中在粗晶區(qū)明顯高于母材，而其他區(qū)域相對(duì)較低，甚至低于母材。這是由于焊接熱循環(huán)的影響，在粗晶區(qū)域形成了貝氏體組織，硬度較高，而細(xì)晶區(qū)由于發(fā)生相變?cè)俳Y(jié)晶而軟化，硬度相對(duì)較低，稱之為軟化區(qū)。軟化區(qū)較窄時(shí)，由于母材和粗晶區(qū)熱影響區(qū)的約束作用，試樣都斷在母材處；當(dāng)軟化區(qū)較寬時(shí)，試樣斷在軟化區(qū)的幾率大大增加。由圖中可以看出，本實(shí)驗(yàn)所得到的焊接接頭的軟化區(qū)僅有 0.6mm 左右，由此可以推測(cè)試樣將不會(huì)斷在接頭處。4.2.3 焊接接頭的拉伸性能試驗(yàn)靜拉伸是最基本的材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法，根據(jù)得到的

59、載荷一位移曲線，如圖 4-8 所示，可獲得很多重要的性能指標(biāo)。板狀拉伸試樣取自焊件的中心部位，并使焊縫位于試樣正中。取樣后，先把焊縫下面的墊板切除掉，試樣按照(GB2282002 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行加工，試樣的標(biāo)距為 50mm，標(biāo)距內(nèi)尺寸為 15mm10mm，在 30t 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，試驗(yàn)速度 1.0mm/mim。試樣尺寸如下圖 4-7 所示。23圖 4-7 拉伸試樣拉伸過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：(1)曲線的起始部分為直線，對(duì)應(yīng)試樣的彈性變形階段；(2)超出試樣的彈性變形范圍后，試樣由彈性變形逐漸過(guò)渡為塑性變形，進(jìn)入均勻變形階段；(3)當(dāng)試樣承受的拉力達(dá)到最大時(shí)，試樣開(kāi)始在頸縮部位

60、發(fā)生局部變形，隨變形的逐漸增大，載荷反而下降，產(chǎn)生不均勻變形，直至試樣斷裂。圖 4-8 X60 管線鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)載荷位移曲線4.2.4 焊接接頭的低溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)中按照國(guó)標(biāo) GBT 229.1994金屬夏比缺 121 沖擊試驗(yàn)方法的規(guī)定加工試樣，缺口方向沿焊縫橫截面方向，缺口位置分別取在焊縫中心和熱影響區(qū)，采用10mmxl0mmx55mm 尺寸標(biāo)準(zhǔn)，分別在 20、O、-20、-40、-60溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，采用的控溫介質(zhì)為酒精加液氨，使試樣在規(guī)定溫度下的溶液中保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)間以保證試樣表面與內(nèi)部溫度一致，本實(shí)驗(yàn)中采用的保溫時(shí)間均為 5min，測(cè)溫工具為熱電偶溫度計(jì)，試樣從液體中取出