超窄间隙焊接焊剂带的制作工艺及焊接接头性能.pdf

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1、学校代号：1 0 7 3 1学号：0 9 2 0 8 0 5 0 3 1 1 0密级：公开兰州理工大学硕士学位论文超窄间隙焊接焊剂带的制作工艺及焊接接头性能堂僮史遗厶丝名!潘艳亟昱垣丝名壁驱整!筮蠹熬攫墙羞墼僮!兰丛堡王太堂童些名鏊；挝挝加工工程诠塞握窒旦塑；2 Q 1 2 生垒且诠塞筌趱旦期；2 Q 1 2 生鱼月旦筌趱委基金圭显!毖揖里麴援F l u xS t r i p sP r o d u c t i o nP r o c e s sa n dP r o p e r t yo fW e l d e dJ o i n to fU l t r a n a r r o wG a pW e l

2、 d i n gP a nY a n l iB E(L a n z h o uU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y)2 0 0 9At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h eR e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo fM a s t e ro fS c i e n c ei nM a t e r i a l sP r o c e s s i n gi nt h eG r a d u a t

3、eS c h o o lo fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yS u p e r v i s o rP r o f e s s o rZ h uL i a n gM a y,2 0 1 2兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：

4、潘鞭翮日期：测2 年f 月7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：潘艳丽导师签名：侣彳(乙日期：)纠)年6 月7 日日期：弘1 1 年月7 日硕十学何论文目录摘要IA b s t r a c t I I插图索引附表索引V

5、I第l 章绪论11 1 超窄间隙焊接的研究意义。l1 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l1 1 3 超窄间隙焊接存在的问题21 1 4 超窄间隙焊接研究现状31 2 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法的发展与研究31 2 1 贴敷式焊剂片41 2 2 连续送进的焊剂带：51 2 3 金属支架式预置焊剂片71 2 4 铁丝网内芯式预置焊剂带71 2 5 金属丝网预置焊剂带91 3 焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法的特点1 01 3 1 焊剂带对电弧约束的影响1 11 3 2 焊接电压的影响：l l1 4 本文研究内容1 1第2 章焊剂带的制备。1 32 1 引言132 2

6、 焊剂带制作模具的设计1 32 2 1 设计思路132 2 2 模具的研制1 32 3 焊剂带的制备1 62 3 1 焊剂的颗粒度筛选1 62 3 2 金属丝网的处理1 62 3 3 焊剂带的制作工艺一1 72 4 本章小结2 0第3 章焊接工艺试验2 13 1 引言2 13 2 实验设备及装置2 13 3 焊接试验，2 23 3 1X 6 0 管线钢的焊接2 43 3 24 3 0 不锈钢的焊接2 6超窄问隙焊接焊剂带的制作T 艺及焊接接头性能3 4 本章小结2 7第4 章焊接接头组织与性能分析2 84 1 引言2 84 2X 6 0 管线钢焊接接头的组织性能2 84 2 1 焊接接头的组织

7、2 94 2 2 焊接接头的硬度测试314 2 3 焊接接头的拉伸性能试验3 14 2-4 焊接接头的低温冲击韧性实验3 34 34 3 0 不锈钢焊接接头组织性能3 44 4 本章小结3 6结论3 7参考文献。3 9致谢4 3附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录。4 4硕+学位论文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

8、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。首先在课题组前期实验基础上，开发出新的焊剂带制作方法，设计出新的焊剂带制作模具。该模具主要具备以下特点：模具小巧轻便，便于拆卸存放；利用硅胶带与模具基座上的梯度达到压紧金属丝网的目的；巧妙地借用发泡橡胶的弹性变形能力，使两侧用于控制焊剂量的黑橡胶迅速恢复到原来的位置，保证了焊剂带的厚度与致密度的一致。利用满足要求的焊剂带以及专门开发的焊枪进行焊接，可获得稳定的焊接过程和良好的焊缝成型。试验采用直径为Q 1 6 m m 的H 0 8 M n 2 S i 焊丝，焊件分别为1 4 5 m m 厚的X 6 0

9、 管线钢板和6 m m 厚的4 3 0 不锈钢板，焊接接头需要单道多层焊接来完成，焊前分析各种影响因素，得到每道焊的焊接工艺参数。两种钢材的焊接线能量均很低，分别在O 6 K J m m 和0 4 5 K J m m 左右；其热影响区宽度分别在1 0 m m 和0 6 5 m m 左右。对两种钢的接头组织与性能进行研究分析发现，X 6 0 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6 5 左右。焊缝具有高于母材的拉伸强度，且低温冲击韧性良好。4 3 0不锈钢粗晶区组织

10、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：超窄间隙焊接；焊剂带；焊剂带制作模具；接头组织与性能：A b s t r a c tU s eo ff l u xs t r i p st oc o n s t r i c ta r cc a nw e l ls o l v et h ee a s i l yo c c u r r e dp r o b l e m so fu l t r a n a r r o wg a pw e l d i n g，T h ef

11、 l u xs t r i p sc a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i na r c，p r e v e n tt h ea r cg o i n gu pa l o n gt h es i d e w a l l，m a k et h ea r ch e a to nt h es i d ew a l la n dg r o o V eb o t t o mc e n t r a l i z e d，a n dg e tt h ef u l lf u s i o n W i t har e l a t i v e l yn a r r o wg r

12、o v e1 1 1t h eu l t r a n a 仃o wg a pw e l d i n g，t h et h i c k n e s sr e q u i r e m e n t so ff l u xs t r i p si sh i g h A n dt h ef l u xs t r i p sm u s tb es u f f i c i e n t l yd e n s e A i m i n ga tt h ep r o b l e mo ff l u xs t r i pd e n s i t y,t h ep a p e rd e V e l o P e dn e

13、wn u Xs t r i p s，w e l d e dw o r k p i e c e sb yu l t r a n a r r o wg a pw e l d i n gw i t hc o n s t r a i n e da r cb yf l u xs t r i p s，a n da n a l y s e do r g a n i z a t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ew e l d e djo i n sa tl a s t F i r s t，t h en e wp r o d u c t i o nm o l do

14、ff l u xs t r i p si sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o nm e t h o d，b a s e do nt h ep r e-t e s t T h em o l dm a i n l yh a v et h ef o i l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s：T h em o l di ss m a l la n dp o r t a b l e，S Ot h a ti t sc o n v e n i e

15、n tt or e m o v ea n ds t o r a g e；T op r e s st h ew i r em e s h，t h es i l i c o n eb a n di su s e da n dg r a d i e n t sa r em a d eo nt h em o l db a s e；(耍)U s i n ge l a s t i cd e f o r m a t i o na b i l i t yo ff o a mr u b b e r，t h eb o t hs i d e so fb l a c kr u b b e ru s e dt oc o

16、 n t r o lt h ef l u xa m o u n tc a nq u i c k l yr e t u mt oo r i g i n a lp o s i t i o n，w h i c he n s u r et h ec o n s i s t e n c yo fs t r i p st h i c k n e s sa n dd e n s l t Y T 0w e l dw i t ht h ef l u xs t r i p sw h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n dt h es p e c i a l l

17、yd e v e l o p e dt o r c h，i tC a l lo b t a i nt h es t a b l ew e l d i n gp r o c e s sa n dg o o dw e l df o m i n g T h et e s tu s e sH 0 8 M n 2 S iw i r eo fd i a m e t e ro f1 6 m m，a n dw e l d m e n t sa r e14 5 r a mt h i c kX 6 0p i p e l i n es t e e lp l a t ea n d6 m mt h i c k4 3 0

18、s t a i n l e s ss t e e lp l a t e W e l d e dj o i n t sn e e dm u l t i 1 a y e ra n ds i n g l e p a s su l t r a n a r r o wg a pw e l d i n ge x p e r i m e n t st oc o m p l e t e B e f o r ew e l d i n g，v a r i o u sf a c t o r sm u s tb ea n a l y s i s e dt og e tt h ew e l d i n gp a r a

19、 m e t e r so fe V e r Yp a s sw e l d i n g B o t ho ft w ok i n d ss t e e lh a v ev e r yl o we n e r g yi n p u t，a n da r er e s p e c t i v e l ya b o u t0 6 K J m ma n d0 4 5 K J m m A n dt h ew i d t h so fh e a t a f f e c t e dZ O n e sa r ea b o u t1 0 r a ma n d0 6 5 m mr e s p e c t i v

20、 e l y T oa n a l y s i st h ew e l d e dj o i n t sm i c r o s t r u r ea n dp r o p e r t i e so ft w ok i n d so fs t e e l，i t sf o u n dt h a tH A Zo fX 6 0p i p e l i n es t e e lh a sm i c r o s t r u c t u r eo ff i n eg r a i n s，a n dt h eg r a l n sg r o 帆ho fc o a r s eg r a i nz o n ei

21、sn o ts e r i o u s W e l dh a r d n e s si sh i g h e rt h a nt h a to ft h eb a s em e t a l，a n dt h es o f t e n i n gz o n ei sv e r yn a r r o w,w h i c hw i l lr e d u c eu n f a v o r a b l ef a c t o r so nt h ew e l ds t r e n g t ha n dt o u g h n e s s A n dt h eh a r d n e s si n c r e

22、a s e s6 5 o rs o，c o m p a r e dw i t ht h a to fa d o p t i n gS A W T h ew e l dh a sh i g h e rt e n s i l es t r e n g t ht h a nb a s em e t a l a n de x c e l l e n tl o w t e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s s T h eg r a i n so f4 30s t a i n l e s sI I硕+学位论文皇曼曼曼量曼曼鼍曼皇曼皇量I 一一一i：m=

23、m=_=_=。=i=暑i m 曼s t e e lc o a r s eg r a i nz o n ea r er e l a t i v e l yc o a r s e，b u tb e c a u s eo fi t sv e r yl o wH A Z，t h ea d v e r s ee f f e c to fw h i c ho nt h ej o i n tw i l ln o tb et o om u c h A n dw h e ns t e c h i n g，t h es e l e c t e ds a m p l e sf r a c t u r e da l

24、li nt h eb a s em e t a l T h i sa l s oc a nb ep r o v e dt h a tt h es t r e g h t ho ft h ejo i n tw a sn o t r e d u c e dc o m p a r e d ew i t ht h a to fb a s em e t a l，b u th a dac e r t a i nd e g r e eo fi m p r o v e K e yW o r d s：U l t r a n a r r o wg a pw e l d i n g；F l u xs t r i p

25、 s；P r o d u c t i o nm o l do ff l u xs t r i p s；M i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fw e l d e dj o i n t sI I I超窄问隙焊接焊剂带的制作T 艺及焊接接头性能插图索引图1 1 贴敷式焊剂片结构4图1 2 实验装置5图1 3 连续送进式焊剂带结构6图1 4 连续送进式焊剂带约束电弧超窄间隙焊接实验装置6图1 5 金属支架式预置焊剂片约束电弧原理7图1 6 铁丝网内芯式预置焊剂带8图1 7 铁丝网内芯式预置焊剂带约束电弧原理8图1 8 焊剂带结构设计

26、9图1 9 实验装置9图1 10 拱形滚压模具10图2 1 焊剂带的制作模具1 4图2-2 模具基座15图2 3 加入不同量硅溶胶制作的焊剂带1 8图2 4 焊剂带滚压1 9图2 5 焊剂带样品2 0图3 1 焊枪2 2图3 2 坡口形状2 3图3 3 焊接过程2 4图3 4 烧损后的焊剂带2 4图3 5 根焊焊缝剖面2 5图3 6 填充焊焊道和焊缝剖面2 5图3 7 盖面焊后焊道形貌2 6图3 84 3 0 不锈钢焊缝形貌2 7图4 1X 6 0 管线钢焊缝剖面2 8图4 2X 6 0 管线钢母材显微组织2 9图4 3 粗晶区显微组织3 0图4 4 细晶区显微组织3 0图4 5 焊缝区显微组

27、织3 0图4 6 硬度分布3 1图4 7 拉伸试样3 2图4 8X 6 0 管线钢焊接接头拉伸断口3 2图4 gX 6 0 管线钢焊接接头拉伸试验载荷一位移曲线3 2硕十学佗论文图4 1 0 接头冲击功3 3图4 1 14 3 0 不锈钢焊缝剖面3 4图4 1 24 3 0 不锈钢母材显微组织3 4图4 1 34 3 0 不锈钢热影响区显微组织3 5图4 1 44 3 0 不锈钢拉伸试样断口图3 5图4 1 54 3 0 不锈钢焊接接头拉伸试验载荷一位移曲线3 6V超窄间隙焊接焊剂带的制作丁艺及焊接接头性能附表索引表3 1X 6 0 管线钢焊接工艺参数2 6表3 2 不锈钢焊接工艺参数2 7表

28、4 1 与埋弧焊接头冲击功比较3 3表4 24 3 0 不锈钢焊接接头拉伸试验结果3 5V I硕十学位论文第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。早在1 9 6 3 1 1 1，美国B a t t l e

29、 研究所就已经开发出窄间隙焊接方法，并于“铁时代”杂志上发表。此后，对这种先进的焊接方法，各国开展了大量的实验研究。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T I G 焊等。窄间隙焊接作为一种高效焊接技术，具有以下特础l】：(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。窄间隙焊接技术自从被开发以来，经过近半个世纪的研究和发展，人们对

30、其焊接方法和材料进行了大量的开发工作，目前已被各国广泛应用于压力容器、锅炉、大型机械、建筑、海洋结构、造船、压力水管等领域。1 1 2 超窄间隙焊接的特征超窄间隙焊接(U l t r a n a r r o wG a pW e l d i n g)是对常规窄间隙焊接的继承和发展，所用间隙宽度更小。由相关文献【2。5】总结可知，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6 m m(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 5 K J r a m；(6)有实现全位置焊接的可能性

31、。超窄间隙焊接焊剂带的制作T 艺及焊接接头性能与传统焊接方法相比，超窄间隙焊接有很大的优越性，主要表现在以下几方面：1 焊接接头性能优异超窄间隙焊接继承了窄间隙焊接的某些特性，例如与传统焊接方法相比，它更容易得到力学性能良好的焊接接头。超窄间隙焊接采用低热输入，在焊接厚板时，板的冷却速度也会较快，从而热影响区的宽度很窄，母材原始晶粒的粗晶脆化倾向和塑性损伤小。此外，超窄间隙采用多层焊接，焊层较薄，前一层焊缝受后一层焊缝的热处理作用就会更彻底，使焊缝金属的晶粒更为细小，进而提高了窄间隙焊接接头的力学性能【6 8】。厚板焊接的变形主要有横向收缩变形和角变形。超窄间隙焊接采用I 形坡口，焊接接头填充

32、面积较小，故焊缝金属的熔敷量较少，同时，在板厚方向焊缝金属较均匀，因此接头的横向收缩量就会较小；从而，焊接结构的残余应力和残余变形将会大幅度减少。2 生产成本低、效率高超窄间隙焊接采用I 形坡口，制作简单，填充面积小，所需的填充材料少，大大降低了焊接材料成本和人工费用。同时，由于坡口填充面积小，热输入低，尽管其熔敷速度不一定高于传统焊接方法，生产率也得到了大幅度提高。3 适用于热输入敏感材料的焊接上世纪末，世界各国陆续启动了旨在大幅度提高刚才强韧性和使用寿命的大型科研项目，超细晶粒钢作为一种超级钢被列入重点研究对象。利用生产工艺技术是获得超细晶粒的主要手段，是超细晶粒钢具有优良强韧综合性能的决

33、定因素，因此超细晶粒钢与传统钢所不同的是其化学成分不能用于预测钢种的强度。所以，焊接超细晶粒钢时，必须全面考虑。其中，由于其晶粒非常细小，较大热输入将会促进晶粒长大，导致热影响区严重脆化。目前可采用的通过降低热输入来解决这一问题的方法主要有：超窄间隙焊、脉冲M A G 焊和激光焊等。相比于后两者，超窄间隙焊接在较低成本下，就可以实现低热输入焊接。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；但由于坡口间隙的进一步减小，焊接过程中出现了一些与传统焊接方法不同的新问题。超窄间隙焊接存在的主要问题【9。1 l J：1 电弧沿侧壁攀升

34、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 9,1 0】。2硕十学位论文皇量曼曼曼皇曼曼曼舅曼曼i lii 曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼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6 m m 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

35、致两侧壁根部熔合不良J。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。2 0 世纪末，日本的中村照美等人利用脉冲电流、电压，通过使焊丝端头在间隙上下移动的方法 2 j，使电弧有效加热坡E l 两侧壁，同时防止电弧攀升。但此方法并不能保证间隙底部与侧壁之间完全熔合。2 0 0 2 年，张富巨等人公开了一种超窄间隙G M A 自动弧焊方法【4】。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

36、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B H W 3 5 低合金热强钢板和9 8 0 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。本课题组则从“电弧约束 这方面进行研究开发，考虑在超窄间隙焊接过程中如何把电弧约束在坡口两侧壁之间及其根部，使侧壁及间隙底部完全熔合。1 2 焊剂带约束电弧超窄间隙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

37、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。在这种情况下，电弧会自动增大其断面，以减少能量消耗。利用这个原理可以解释电弧过程中的许多现象。例如，当从外部向电弧吹入气体时，会发现电弧会自动地缩小其断面面积。同样当将电弧置于器壁之间时，若电弧自然燃烧状态下的弧柱截面比器壁间的距离大，为减小能量消耗，电弧的断面面积将会自动减小。此外，器壁与弧柱

38、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。比如，药皮焊条焊接时，电弧周围有时会形成超窄间隙焊接焊剂带的制作T 艺及焊接接头性能一个药皮套筒，电弧的上半部分就会受到套筒的固壁约束作用，使电弧更加集中，电弧吹力增大，有利于改善熔滴的过渡。再比如，埋弧焊时，电弧在焊剂层下燃烧，也会受到焊剂层的固壁约束作用，在较大电流下焊接时电弧也会有较高的稳定性。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

39、，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。这样，电弧就被约束在两侧壁与间隙底部之间，而未熔化的焊剂带将防止电弧沿侧壁向上攀升，有效控制了电弧的加热区域，保证了间隙侧壁和根部之间的熔合良好。这种焊接技术可使电弧热集中在间隙侧壁尤其是间隙根部，而且电弧受约束程度可调，同时在焊接过程中固壁约束效果明显，对解决超窄间隙根部熔合不良的问题具有独特的优势【2，4 1 2】。目前，本课题组开发出焊剂带约束电弧的方法，以及基本满足要求的焊剂

40、带的制作工艺。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 贴敷式焊剂片如文献 2，1 3 所述，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2 0 0 3 0 0，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【l 列图1 2 所示为实验装置简图。焊前，现实焊

41、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焊丝送入不同宽度的间隙中，且能保证电流传输稳定。4硕+学位论文图1 2 实验装置1 1 3J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；基本满足生产要求。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。例如，在烘干焊剂片时，需要将焊剂片粘在焊件坡口两侧壁后，连

42、同焊件一起放进烘干炉内加热烘烤，这就要求炉子的体积足够大，同时对焊件的尺寸有了很大程度的限制：另一方面，由于坡口间隙较窄，这就在无形中使焊剂片的贴敷变得困难。此外，该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，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

43、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 1 3 1 6 ，连续送进式焊剂带的结构如图1 3 所示，中间是一条两面涂有焊剂的钢带，钢带的厚度为0 1 m m，宽6 m m。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

44、，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。涂覆完成后，将焊剂带在特定环境下晾干：然后放入炉内烘干，使其完全失去固定水，增加凝胶强度。烘干后，卷起，存放于通风干燥处。A-A图1 3 连续送进式焊剂带结构【1 5】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，能量集中，使间隙侧壁和底部

45、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，使焊丝居中，防止焊丝发生偏移，或导电嘴与侧壁接触。氆售图1 4 连续送进式焊剂带约束电弧超窄间隙焊接实验装置1 1 5 1连续送进式焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法存在的不足之处主要有：(1)由于焊剂带是在焊接过程中被连续送入坡口，而焊剂带的刚度不足，无法保证焊剂带在电弧两侧，紧贴侧壁，导致电弧极不稳定甚至出现电弧攀升，使焊接过程中断；(2)焊剂带的制备工艺较为复杂，且在焊接过程中焊剂带及易受外界干扰，为焊剂带的准确送进增加了操作难度，比如粘附在侧壁两侧的飞溅颗粒不仅会阻碍焊剂带前进的速度，也会影响到焊剂带被送入的位置。6硕十学何论文

46、曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼III I-：I 皇曼曼曼曼皇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。如文献 1 4 1 7】所述，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 5。图1 5 金属支架式预置焊剂片约束电弧原理【l 卅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

47、置入金属支架；这样能够让焊丝顺利通过的通道就会很小，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。该方法提高了涂层与钢带间的粘接质量，能够较为准确地控制焊剂片的位置及其对电弧的约束程度；但仍存在一定的问题。首先金属支架对焊

48、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，钢带的处理太过复杂，且对装置的要求较高，操作不够灵活简便。1 2 4 铁丝网内芯式预置焊剂带由于上述焊剂片的不足之处，文献 1 4-1 8 对预置式焊剂带的定位方式进行了7超窄问隙焊接焊剂带的制作r 艺及焊接接头性能进一步探讨。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 6 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

49、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。两平行焊剂片之间的距离与坡口间隙的宽度决定了焊剂带对电弧的约束程度，改变其中一个值就可以改变电弧的约束程度。图f 6 铁丝网内芯式预置焊剂带1 5】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；

50、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。图1 7 铁丝网内芯式预置焊剂带约束电弧原理1 1 5】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8硕十学f )!论文是其制备过程复杂，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S i 0 2，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 1 6 所述，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，其结构如图1 8