CN1704378A - 电弧熔透焊陶质衬垫材料及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电弧熔透焊陶质衬垫材料及其制作方法。该陶质衬垫材料中各组份的重量百分比为：SiO2：40～60％、Al2O3：30～45％、Fe2O3：0～1.2％、MgO和/或CaO：3～18％、Na2O和/或K2O：1.5～5％，其孔隙率小于5％。其制作方法是按比例取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物原料粉末，混合造粒，加入无机粘接剂，使无机粘接剂均匀地覆盖在所形成的颗粒表面上；再将上述覆盖有无机粘接剂的颗粒在75～150N/mm2的压力条件下压制成衬垫坯料；最后将上述衬垫坯料在1300～1380℃的温度条件下烧结，即可制成所要求的陶质衬垫材料。该陶质衬垫材料孔隙率低、防水抗潮能力强、具有满足焊接要求的脱渣性及物理性能，无论在平焊或立焊位置，其焊缝成形均匀光滑、无气体压坑，可确保焊缝成形质量。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域中在焊缝背面强制成形的衬垫材料，具体地指一种电弧熔透焊陶质衬垫材料及其制作方法。
背景技术
传统的电弧熔透焊接，需在焊缝背面采用电弧气刨清根打磨，然后才能进行双面焊接。在工件不能进行翻转时，还要进行仰焊作业，不仅劳动强度大、工作效率低、材料消耗多，而且难以保证焊接质量。故目前焊接领域中多采用陶质衬垫衬托在焊缝背面强制成形，通过单面焊接双面成形来克服传统电弧熔透焊接所存在的问题。这样，陶质衬垫材料的性能将直接影响到焊接质量。而目前使用的陶质衬垫材料基本上都属于普通的耐火材料，其孔隙率一般在20％以上。这种高孔隙率的衬垫材料易吸潮、焊缝成形不稳、立焊成形不良、不能抵抗潮湿环境的影响，具体表现在其衬托焊接熔池熔融金属时会产生以下问题：其一，当熔池高温熔融金属与衬垫表面接触时，会使衬垫表面熔化，衬垫材料的孔隙率越大，熔化产生的体积收缩也越大，熔化就越不稳定，导致焊缝背面余高偏大且高低不平。其二，衬垫在存放、野外作业、潮湿天气使用、或偶然遇雨水等情况时，衬垫材料的孔隙会集储大量的水份，在焊接时发生熔池反应，会引起电弧不稳，产生大量飞溅及焊缝气孔，严重影响焊接质量。其三，正常情况下即使衬垫没有受潮，在焊接时衬垫表面熔化部分的孔隙中储存的气体、以及衬垫背面铝箔压敏胶分解挥发产生的气体，都有可能通过衬垫材料的孔隙通道到达衬垫的熔化表面，特别是在立焊或平焊收弧时，由于熔池结晶方向的变化，这些气体被排挤到焊缝金属与衬垫表面熔渣的界面上，在焊缝背面形成气体压坑，导致焊缝成形及表面质量欠佳。
发明内容
本发明的目的在于从根本上解决已有焊接衬垫材料由于高孔隙率所引起的各种缺陷，提供一种孔隙率低、防水抗潮能力强、可确保焊缝成形质量的电弧熔透焊陶质衬垫材料，以及该陶质衬垫材料的制作方法。
为实现上述目的，本发明所研制出的电弧熔透焊陶质衬垫材料，它以SiO2和Al2O3为基本组份，添加其他无机氧化物成份，经混合、压制、烧结而成。该陶质衬垫材料成品中各组份的重量百分比为：SiO2：40～60％、Al2O3：30～45％、Fe2O3：0～1.2％、MgO和/或CaO：3～18％、Na2O和/或K2O：1.5～5％，其孔隙率小于5％。
上述陶质衬垫材料成品中各组份较佳的重量百分比为：SiO2：40～50％、Al2O3：35～40％、Fe2O3：0.3～1.1％、MgO和/或CaO：7～15％、Na2O和/或K2O：1.5～3％，其孔隙率小于4％。
上述陶质衬垫材料成品中各组份最佳的重量百分比为：SiO2：45.72％、Al2O3：37.88％、Fe2O3：0.3％、MgO和/或CaO：13.4％、Na2O和/或K2O：2.02％，其孔隙率小于2％。
上述电弧熔透焊陶质衬垫材料的制作方法，包括以下步骤：
1)按最终成品材料中各氧化物组份的重量含量SiO2为40～60％、Al2O3为30～45％、Fe2O3为0～1.2％、MgO和/或CaO为3～18％、Na2O和/或K2O为1.5～5％的比例，取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物原料粉末、以及占整个粉末原料重量0.4～3％的无机粘接剂备用。
2)将所准备的氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物原料粉末混合造粒后，加入所准备的无机粘接剂，使无机粘接剂均匀地覆盖在所形成的颗粒表面上。
3)再将上述覆盖有无机粘接剂的颗粒置于模腔，在75～150N/mm2的压力条件下压制成衬垫坯料。若压力低于75N/mm2，则所形成衬垫坯料的孔隙率较大，若压力超过150N/mm2，由于粉料的内部摩擦作用，所形成衬垫坯料的孔隙率变化不大，但对模具的损伤较大。
4)最后将上述衬垫坯料置于窑炉中，在1300～1380℃的适当温度条件下烧结，即可制成孔隙率小于5％的陶质衬垫材料。若衬垫的孔隙率高于5％，就不能有效地避免衬垫吸潮而给焊接质量带来的影响，即使在没有吸潮的情况下，立焊时焊渣背面也会产生气体压坑，且随着衬垫孔隙率的增大，气体压坑也增多。
上述制作方法中，各种氧化物原料粉末混合后造粒所形成的颗粒粒径最好不大于4mm，以确保颗粒骨架之间的间隙适中。优选水玻璃硅酸钠作为颗粒之间的无机粘接剂，该无机粘接剂还可在烧结过程中封闭颗粒间的缝隙，确保最终成品陶质衬垫材料达到设计的孔隙率。同时，压制衬垫坯料的压力优选75～100N/mm2，烧结衬垫坯料的温度优选1330～1360℃，在这样的压力和温度条件下，可进一步确保所制成的陶质衬垫材料成品的孔隙率绝大多数都在2％以下。
陶质衬垫材料在焊接过程中，其表面会被焊缝熔融金属的热量熔化一部分而成为衬垫熔渣。由于熔池底部的熔融金属直接与该衬垫熔渣相接触，就要求衬垫熔渣必须具有良好的化学稳定性，以避免熔融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，衬垫熔渣与熔池金属发生冶金反应，不仅影响焊缝表面成形，还有可能影响背面焊缝的机械性能。当焊接电弧移开后，熔池底部冷却到金属熔点时熔融金属会开始结晶，如果衬垫的耐火度高于金属熔点，衬垫熔渣就会先于焊缝金属凝固，使熔渣和金属不能很好地分离，导致脱渣困难、焊缝高低不平。因此，陶质衬垫材料还应具有良好的物理性能，其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。在熔池金属凝固区间内，衬垫熔渣需具有合适的粘度和表面张力。粘度和表面张力太大，会引起夹渣及焊缝表面不光滑；粘度和表面张力太小，则熔渣不稳定，焊缝不平整。在温度一定时，粘度和表面张力直接受陶质衬垫材料成份配比的影响。在本发明的陶质衬垫材料组份中，氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)含量增加，衬垫的耐火度及熔渣粘度增加，氧化镁(MgO)和氧化钙(CaO)含量增加，衬垫的耐火度和熔渣粘度降低，氧化钾(K2O)和氧化钠(Na2O)含量增加，熔渣的表面张力及耐火度降低，氧化铁(Fe2O3)含量增加，熔渣表面张力增加。实践表明：在本发明规定范围之内的上述各组份，可相互协调、综合影响成就陶质衬垫材料特有的物理化学性能，满足电弧熔透焊的要求。
本发明的优点在于：通过优选材料配方，不仅可使衬垫材料具有满足焊接要求的脱渣性及物理性能，而且易于烧结成孔隙率低的材质；通过增加压制坯料的压力，可形成致密的坯件；通过适当的温度烧结，可形成孔隙率低的衬垫材料。使用本发明的衬垫材料进行熔透焊接，可以避免现有衬垫材料的缺陷，无论在平焊或立焊位置，其焊缝成形都均匀光滑、无气体压坑。同时，由于本发明的衬垫材料孔隙率低，相应地吸潮(水)率也极低，极为适应潮湿环境及野外施工，大大方便了衬垫材料的使用，并扩宽了其应用范围，这是传统衬垫材料无可比拟的。
附图说明
附图为本发明的陶质衬垫材料用于焊接钢板时的位置关系剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明的陶质衬垫材料及其制作方法：
实施例1：首先按最终成品材料中各氧化物组份的重量含量SiO2为45.72％、Al2O3为37.88％、Fe2O3为0.3％、MgO和CaO为13.4％、Na2O和K2O为2.02％的比例，取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物粉末如高岭土、云母，滑石粉等作为原料，以及占整个粉末原料重量2％的硅酸钠作为无机粘接剂；然后将各原料粉末混合造粒，形成粒径不大于4mm的颗粒，加入硅酸钠，使其均匀地覆盖在颗粒表面；再将混合有硅酸钠的颗粒置于模腔，在98N/mm2的压力条件下压制成衬垫坯料；最后将衬垫坯料置于窑炉，在1330～1360℃的温度条件下烧结，即可制成孔隙率为0.8％的陶质衬垫材料。
实施例2：首先按最终成品材料中各氧化物组份的重量含量SiO2为48.55％、Al2O3为37.50％、Fe2O3为1.08％、MgO和CaO为10.71％、Na2O和K2O为1.62％的比例，取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物粉末如高岭土、云母，滑石粉等作为原料，以及占整个粉末原料重量3％的硅酸钠作为无机粘接剂；然后将各原料粉末混合造粒，形成粒径不大于4mm的颗粒，加入硅酸钠，使其均匀地覆盖在颗粒表面；再将混合有硅酸钠的颗粒置于模腔，在96N/mm2的压力条件下压制成衬垫坯料；最后将衬垫坯料置于窑炉，在1360～1380℃的温度条件下烧结，即可制成孔隙率为1.2％的陶质衬垫材料。
实施例3：首先按最终成品材料中各氧化物组份的重量含量SiO2为49.57％、Al2O3为37.70％、Fe2O3为0.76％、MgO和CaO为8.93％、Na2O和K2O为1.68％的比例，取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物粉末如高岭土、云母，滑石粉等作为原料，以及占整个粉末原料重量0.8％的硅酸钠作为无机粘接剂；然后将各原料粉末混合造粒，形成粒径不大于4mm的颗粒，加入硅酸钠，使其均匀地覆盖在颗粒表面；再将混合有硅酸钠的颗粒置于模腔，在78N/mm2的压力条件下压制成衬垫坯料；最后将衬垫坯料置于窑炉，在1300～1330℃的温度条件下烧结，即可制成孔隙率为3.7％的陶质衬垫材料。
如附图所示，将上述实施例中所制得的陶质衬垫材料1的背面与铝箔压敏胶2粘贴在一起，再将铝箔压敏胶2连同陶质衬垫材料1装贴到焊接钢板3上，进行焊接试验，其试验条件如下：
试验钢板：板厚12mm，低碳钢板。
坡口形状：V型坡口，角度50～60°，坡口间隙6mm。
焊机：半自动二氧化碳气体保护焊机。
焊丝：Ф1.2mm，药芯焊丝。
焊接规范：平焊200～210A，27V。
立焊160～180A，24V。
陶质衬垫材料的组成、成形压力、孔隙率、饱吸潮(水)率如表1所示，其饱吸潮(水)时平焊试验结果如表2所示，其未吸潮(水)时立焊试验结果如表3所示。
表1 陶质衬垫材料组成及制造条件
| 陶质衬垫材料组成(重量％) | 成形压力N/mm2 | 孔隙率％ | 饱吸水率％ | |||||||
| SiO2 | Al2O3 | MgO | K2O | Na2O | Fe2O3 | CaO | ||||
| 实施例1 | 45.72 | 37.88 | 11.51 | 1.53 | 0.49 | 0.30 | 1.89 | 98 | 0.8 | 0.34 |
| 实施例2 | 48.55 | 37.50 | 9.00 | 1.22 | 0.40 | 1.08 | 1.71 | 96 | 1.2 | 0.57 |
| 实施例3 | 49.57 | 37.70 | 7.50 | 1.32 | 0.36 | 0.76 | 1.43 | 78 | 3.7 | 1.80 |
| 比较例1 | 54.70 | 29.90 | 10.10 | 1.07 | 0.35 | 2.42 | 0.58 | 16 | 24.3 | 12.50 |
| 比较例2 | 65.40 | 26.10 | 0.98 | 2.67 | 0.72 | 0.77 | 0.31 | 16 | 31.6 | 16.30 |
注：陶质衬垫材料组成中不可避免的杂质重量含量小于1％
表2 饱吸潮(水)时平焊试验结果
| 电弧稳定性 | 脱渣性 | 飞溅 | 气孔 | 背面焊缝均匀性 | |
| 实施例1 | 好 | 好 | 小 | 无 | 好 |
| 实施例2 | 好 | 好 | 小 | 无 | 好 |
| 实施例3 | 好 | 好 | 小 | 无 | 好 |
| 比较例1 | 差 | 差 | 大 | 大量 | 差 |
| 比较例2 | 差 | 差 | 大 | 大量 | 差 |
表3 未吸潮(水)时立焊试验结果
| 电弧稳定性 | 脱渣性 | 飞溅 | 气孔 | 背面焊缝气体压坑 | |
| 实施例1 | 好 | 好 | 小 | 无 | 无 |
| 实施例2 | 好 | 好 | 小 | 无 | 无 |
| 实施例3 | 好 | 好 | 小 | 无 | 少量 |
| 比较例1 | 好 | 好 | 小 | 无 | 大量 |
| 比较例2 | 好 | 好 | 小 | 无 | 大量 |
由表2、表3可以看出：本发明的实施例1～2，在饱吸潮(水)平焊和未吸潮(水)立焊时，背面焊缝成形良好，焊接过程稳定，无任何焊接缺陷。本发明的实施例3，其成形压力偏下限，其孔隙率中偏上，在饱吸潮(水)平焊时，成形良好，未吸潮(水)立焊时焊缝背面仅出现少量气体压坑。而比较例1～2是使用的现有普通陶质材料组合，不在本发明范围内，在饱吸潮(水)平焊时电弧不稳定，飞溅很大，产生大量气孔，无法进行正常焊接；在未吸潮(水)立焊时，焊接过程稳定，焊缝成形较好，但背面焊缝表面存在大量微小气体压坑。
综上所述，具有本发明组份范围的陶质衬垫材料具有极好的抗潮(水)性能，能适应野外作业及潮湿环境，在背面焊缝成形方面，尤其是在立焊时，本发明具有比目前陶质衬垫材料更为优异的性能。
Claims (9)
1.一种电弧熔透焊陶质衬垫材料，它以SiO2和Al2O3为基本组份，添加其他无机氧化物成份，经混合、压制、烧结而成，其特征在于：该陶质衬垫材料中各组份的重量百分比为：SiO2：40～60％、Al2O3：30～45％、Fe2O3：0～1.2％、MgO和/或CaO：3～18％、Na2O和/或K2O：1.5～5％，其孔隙率小于5％。
2.根据权利要求1所述的电弧熔透焊陶质衬垫材料，其特征在于：该陶质衬垫材料中各组份的重量百分比为：SiO2：40～50％、Al2O3：35～40％、Fe2O3：0.3～1.1％、MgO和/或CaO：7～15％、Na2O和/或K2O：1.5～3％，其孔隙率小于4％。
3.根据权利要求1所述的电弧熔透焊陶质衬垫材料，其特征在于：该陶质衬垫材料中各组份的重量百分比为：SiO2：45.72％、Al2O3：37.88％、Fe2O3：0.3％、MgO和/或CaO：13.4％、Na2O和/或K2O：2.02％，其孔隙率小于2％。
4.一种权利要求1所述的电弧熔透焊陶质衬垫材料的制作方法，包括以下步骤：
1)按最终成品材料中各氧化物组份的重量含量SiO2为40～60％、Al2O3为30～45％、Fe2O3为0～1.2％、MgO和/或CaO为3～18％、Na2O和/或K2O为1.5～5％的比例，取这些氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物原料粉末、以及占整个粉末原料重量0.4～3％的无机粘接剂备用；
2)将所准备的氧化物的粉末或是含有这些氧化物的矿物原料粉末混合造粒后，加入所准备的无机粘接剂，使无机粘接剂均匀地覆盖在所形成的颗粒表面上；
3)再将上述覆盖有无机粘接剂的颗粒置于模腔，在75～150N/mm2的压力条件下压制成衬垫坯料；
4)最后将上述衬垫坯料置于窑炉，在1300～1380℃的温度条件下烧结，即可制成孔隙率小于5％的陶质衬垫材料。
5.根据权利要求4所述的电弧熔透焊陶质衬垫材料的制作方法，其特征在于：所选用的无机粘接剂为水玻璃硅酸钠。
6.根据权利要求4所述的电弧熔透焊陶质衬垫材料的制作方法，其特征在于：所说的原料粉末混合后形成的颗粒粒径不大于4mm。
7.根据权利要求4所述的电弧熔透焊陶质衬垫材料的制作方法，其特征在于：所采用的压制衬垫坯料的压力为75～100N/mm2。
8.根据权利要求4所述的电弧熔透焊陶质衬垫材料的制作方法，其特征在于：所采用的烧结衬垫坯料的温度为1330～1360℃。
9.根据权利要求7所述的电弧熔透焊陶质衬垫材料的制作方法，其特征在于：所采用的烧结衬垫坯料的温度为1330～1360℃。
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