專利名稱：電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域中在焊縫背面強(qiáng)制成形的襯墊材料，具體地指一種電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料及其制作方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電弧熔透焊接，需在焊縫背面采用電弧氣刨清根打磨，然后才能進(jìn)行雙面焊接。在工件不能進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)，還要進(jìn)行仰焊作業(yè)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、材料消耗多，而且難以保證焊接質(zhì)量。故目前焊接領(lǐng)域中多采用陶質(zhì)襯墊襯托在焊縫背面強(qiáng)制成形，通過(guò)單面焊接雙面成形來(lái)克服傳統(tǒng)電弧熔透焊接所存在的問(wèn)題。這樣，陶質(zhì)襯墊材料的性能將直接影響到焊接質(zhì)量。而目前使用的陶質(zhì)襯墊材料基本上都屬于普通的耐火材料，其孔隙率一般在20％以上。這種高孔隙率的襯墊材料易吸潮、焊縫成形不穩(wěn)、立焊成形不良、不能抵抗潮濕環(huán)境的影響，具體表現(xiàn)在其襯托焊接熔池熔融金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題其一，當(dāng)熔池高溫熔融金屬與襯墊表面接觸時(shí)，會(huì)使襯墊表面熔化，襯墊材料的孔隙率越大，熔化產(chǎn)生的體積收縮也越大，熔化就越不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊縫背面余高偏大且高低不平。其二，襯墊在存放、野外作業(yè)、潮濕天氣使用、或偶然遇雨水等情況時(shí)，襯墊材料的孔隙會(huì)集儲(chǔ)大量的水份，在焊接時(shí)發(fā)生熔池反應(yīng)，會(huì)引起電弧不穩(wěn)，產(chǎn)生大量飛濺及焊縫氣孔，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。其三，正常情況下即使襯墊沒(méi)有受潮，在焊接時(shí)襯墊表面熔化部分的孔隙中儲(chǔ)存的氣體、以及襯墊背面鋁箔壓敏膠分解揮發(fā)產(chǎn)生的氣體，都有可能通過(guò)襯墊材料的孔隙通道到達(dá)襯墊的熔化表面，特別是在立焊或平焊收弧時(shí)，由于熔池結(jié)晶方向的變化，這些氣體被排擠到焊縫金屬與襯墊表面熔渣的界面上，在焊縫背面形成氣體壓坑，導(dǎo)致焊縫成形及表面質(zhì)量欠佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于從根本上解決已有焊接襯墊材料由于高孔隙率所引起的各種缺陷，提供一種孔隙率低、防水抗潮能力強(qiáng)、可確保焊縫成形質(zhì)量的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料，以及該陶質(zhì)襯墊材料的制作方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所研制出的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料，它以SiO2和Al2O3為基本組份，添加其他無(wú)機(jī)氧化物成份，經(jīng)混合、壓制、燒結(jié)而成。該陶質(zhì)襯墊材料成品中各組份的重量百分比為SiO240～60％、Al2O330～45％、Fe2O30～1.2％、MgO和/或CaO3～18％、Na2O和/或K2O1.5～5％，其孔隙率小于5％。
上述陶質(zhì)襯墊材料成品中各組份較佳的重量百分比為SiO240～50％、Al2O335～40％、Fe2O30.3～1.1％、MgO和/或CaO7～15％、Na2O和/或K2O1.5～3％，其孔隙率小于4％。
上述陶質(zhì)襯墊材料成品中各組份最佳的重量百分比為SiO245.72％、Al2O337.88％、Fe2O30.3％、MgO和/或CaO13.4％、Na2O和/或K2O2.02％，其孔隙率小于2％。
上述電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料的制作方法，包括以下步驟1)按最終成品材料中各氧化物組份的重量含量SiO2為40～60％、Al2O3為30～45％、Fe2O3為0～1.2％、MgO和/或CaO為3～18％、Na2O和/或K2O為1.5～5％的比例，取這些氧化物的粉末或是含有這些氧化物的礦物原料粉末、以及占整個(gè)粉末原料重量0.4～3％的無(wú)機(jī)粘接劑備用。
2)將所準(zhǔn)備的氧化物的粉末或是含有這些氧化物的礦物原料粉末混合造粒后，加入所準(zhǔn)備的無(wú)機(jī)粘接劑，使無(wú)機(jī)粘接劑均勻地覆蓋在所形成的顆粒表面上。
3)再將上述覆蓋有無(wú)機(jī)粘接劑的顆粒置于模腔，在75～150N/mm2的壓力條件下壓制成襯墊坯料。若壓力低于75N/mm2，則所形成襯墊坯料的孔隙率較大，若壓力超過(guò)150N/mm2，由于粉料的內(nèi)部摩擦作用，所形成襯墊坯料的孔隙率變化不大，但對(duì)模具的損傷較大。
4)最后將上述襯墊坯料置于窯爐中，在1300～1380℃的適當(dāng)溫度條件下燒結(jié)，即可制成孔隙率小于5％的陶質(zhì)襯墊材料。若襯墊的孔隙率高于5％，就不能有效地避免襯墊吸潮而給焊接質(zhì)量帶來(lái)的影響，即使在沒(méi)有吸潮的情況下，立焊時(shí)焊渣背面也會(huì)產(chǎn)生氣體壓坑，且隨著襯墊孔隙率的增大，氣體壓坑也增多。
上述制作方法中，各種氧化物原料粉末混合后造粒所形成的顆粒粒徑最好不大于4mm，以確保顆粒骨架之間的間隙適中。優(yōu)選水玻璃硅酸鈉作為顆粒之間的無(wú)機(jī)粘接劑，該無(wú)機(jī)粘接劑還可在燒結(jié)過(guò)程中封閉顆粒間的縫隙，確保最終成品陶質(zhì)襯墊材料達(dá)到設(shè)計(jì)的孔隙率。同時(shí)，壓制襯墊坯料的壓力優(yōu)選75～100N/mm2，燒結(jié)襯墊坯料的溫度優(yōu)選1330～1360℃，在這樣的壓力和溫度條件下，可進(jìn)一步確保所制成的陶質(zhì)襯墊材料成品的孔隙率絕大多數(shù)都在2％以下。
陶質(zhì)襯墊材料在焊接過(guò)程中，其表面會(huì)被焊縫熔融金屬的熱量熔化一部分而成為襯墊熔渣。由于熔池底部的熔融金屬直接與該襯墊熔渣相接觸，就要求襯墊熔渣必須具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，以避免熔融金屬與襯墊熔渣相互浸潤(rùn)，保證脫渣性及焊縫穩(wěn)定成形。否則，襯墊熔渣與熔池金屬發(fā)生冶金反應(yīng)，不僅影響焊縫表面成形，還有可能影響背面焊縫的機(jī)械性能。當(dāng)焊接電弧移開(kāi)后，熔池底部冷卻到金屬熔點(diǎn)時(shí)熔融金屬會(huì)開(kāi)始結(jié)晶，如果襯墊的耐火度高于金屬熔點(diǎn)，襯墊熔渣就會(huì)先于焊縫金屬凝固，使熔渣和金屬不能很好地分離，導(dǎo)致脫渣困難、焊縫高低不平。因此，陶質(zhì)襯墊材料還應(yīng)具有良好的物理性能，其耐火度應(yīng)不高于金屬的熔點(diǎn)。對(duì)于金屬和襯墊來(lái)說(shuō)，一般沒(méi)有特定的熔點(diǎn)，而是一個(gè)熔化區(qū)間。在熔池金屬凝固區(qū)間內(nèi)，襯墊熔渣需具有合適的粘度和表面張力。粘度和表面張力太大，會(huì)引起夾渣及焊縫表面不光滑；粘度和表面張力太小，則熔渣不穩(wěn)定，焊縫不平整。在溫度一定時(shí)，粘度和表面張力直接受陶質(zhì)襯墊材料成份配比的影響。在本發(fā)明的陶質(zhì)襯墊材料組份中，氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)含量增加，襯墊的耐火度及熔渣粘度增加，氧化鎂(MgO)和氧化鈣(CaO)含量增加，襯墊的耐火度和熔渣粘度降低，氧化鉀(K2O)和氧化鈉(Na2O)含量增加，熔渣的表面張力及耐火度降低，氧化鐵(Fe2O3)含量增加，熔渣表面張力增加。實(shí)踐表明在本發(fā)明規(guī)定范圍之內(nèi)的上述各組份，可相互協(xié)調(diào)、綜合影響成就陶質(zhì)襯墊材料特有的物理化學(xué)性能，滿足電弧熔透焊的要求。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)優(yōu)選材料配方，不僅可使襯墊材料具有滿足焊接要求的脫渣性及物理性能，而且易于燒結(jié)成孔隙率低的材質(zhì)；通過(guò)增加壓制坯料的壓力，可形成致密的坯件；通過(guò)適當(dāng)?shù)臏囟葻Y(jié)，可形成孔隙率低的襯墊材料。使用本發(fā)明的襯墊材料進(jìn)行熔透焊接，可以避免現(xiàn)有襯墊材料的缺陷，無(wú)論在平焊或立焊位置，其焊縫成形都均勻光滑、無(wú)氣體壓坑。同時(shí)，由于本發(fā)明的襯墊材料孔隙率低，相應(yīng)地吸潮(水)率也極低，極為適應(yīng)潮濕環(huán)境及野外施工，大大方便了襯墊材料的使用，并擴(kuò)寬了其應(yīng)用范圍，這是傳統(tǒng)襯墊材料無(wú)可比擬的。


附圖為本發(fā)明的陶質(zhì)襯墊材料用于焊接鋼板時(shí)的位置關(guān)系剖視圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的陶質(zhì)襯墊材料及其制作方法實(shí)施例1首先按最終成品材料中各氧化物組份的重量含量SiO2為45.72％、Al2O3為37.88％、Fe2O3為0.3％、MgO和CaO為13.4％、Na2O和K2O為2.02％的比例，取這些氧化物的粉末或是含有這些氧化物的礦物粉末如高嶺土、云母，滑石粉等作為原料，以及占整個(gè)粉末原料重量2％的硅酸鈉作為無(wú)機(jī)粘接劑；然后將各原料粉末混合造粒，形成粒徑不大于4mm的顆粒，加入硅酸鈉，使其均勻地覆蓋在顆粒表面；再將混合有硅酸鈉的顆粒置于模腔，在98N/mm2的壓力條件下壓制成襯墊坯料；最后將襯墊坯料置于窯爐，在1330～1360℃的溫度條件下燒結(jié)，即可制成孔隙率為0.8％的陶質(zhì)襯墊材料。
實(shí)施例2首先按最終成品材料中各氧化物組份的重量含量SiO2為48.55％、Al2O3為37.50％、Fe2O3為1.08％、MgO和CaO為10.71％、Na2O和K2O為1.62％的比例，取這些氧化物的粉末或是含有這些氧化物的礦物粉末如高嶺土、云母，滑石粉等作為原料，以及占整個(gè)粉末原料重量3％的硅酸鈉作為無(wú)機(jī)粘接劑；然后將各原料粉末混合造粒，形成粒徑不大于4mm的顆粒，加入硅酸鈉，使其均勻地覆蓋在顆粒表面；再將混合有硅酸鈉的顆粒置于模腔，在96N/mm2的壓力條件下壓制成襯墊坯料；最后將襯墊坯料置于窯爐，在1360～1380℃的溫度條件下燒結(jié)，即可制成孔隙率為1.2％的陶質(zhì)襯墊材料。
實(shí)施例3首先按最終成品材料中各氧化物組份的重量含量SiO2為49.57％、Al2O3為37.70％、Fe2O3為0.76％、MgO和CaO為8.93％、Na2O和K2O為1.68％的比例，取這些氧化物的粉末或是含有這些氧化物的礦物粉末如高嶺土、云母，滑石粉等作為原料，以及占整個(gè)粉末原料重量0.8％的硅酸鈉作為無(wú)機(jī)粘接劑；然后將各原料粉末混合造粒，形成粒徑不大于4mm的顆粒，加入硅酸鈉，使其均勻地覆蓋在顆粒表面；再將混合有硅酸鈉的顆粒置于模腔，在78N/mm2的壓力條件下壓制成襯墊坯料；最后將襯墊坯料置于窯爐，在1300～1330℃的溫度條件下燒結(jié)，即可制成孔隙率為3.7％的陶質(zhì)襯墊材料。
如附圖所示，將上述實(shí)施例中所制得的陶質(zhì)襯墊材料1的背面與鋁箔壓敏膠2粘貼在一起，再將鋁箔壓敏膠2連同陶質(zhì)襯墊材料1裝貼到焊接鋼板3上，進(jìn)行焊接試驗(yàn)，其試驗(yàn)條件如下試驗(yàn)鋼板板厚12mm，低碳鋼板。
坡口形狀V型坡口，角度50～60°，坡口間隙6mm。
焊機(jī)半自動(dòng)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)。
焊絲Ф1.2mm，藥芯焊絲。
焊接規(guī)范平焊200～210A，27V。
立焊160～180A，24V。
陶質(zhì)襯墊材料的組成、成形壓力、孔隙率、飽吸潮(水)率如表1所示，其飽吸潮(水)時(shí)平焊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其未吸潮(水)時(shí)立焊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表1 陶質(zhì)襯墊材料組成及制造條件

注陶質(zhì)襯墊材料組成中不可避免的雜質(zhì)重量含量小于1％表2 飽吸潮(水)時(shí)平焊試驗(yàn)結(jié)果

表3 未吸潮(水)時(shí)立焊試驗(yàn)結(jié)果

由表2、表3可以看出本發(fā)明的實(shí)施例1～2，在飽吸潮(水)平焊和未吸潮(水)立焊時(shí)，背面焊縫成形良好，焊接過(guò)程穩(wěn)定，無(wú)任何焊接缺陷。本發(fā)明的實(shí)施例3，其成形壓力偏下限，其孔隙率中偏上，在飽吸潮(水)平焊時(shí)，成形良好，未吸潮(水)立焊時(shí)焊縫背面僅出現(xiàn)少量氣體壓坑。而比較例1～2是使用的現(xiàn)有普通陶質(zhì)材料組合，不在本發(fā)明范圍內(nèi)，在飽吸潮(水)平焊時(shí)電弧不穩(wěn)定，飛濺很大，產(chǎn)生大量氣孔，無(wú)法進(jìn)行正常焊接；在未吸潮(水)立焊時(shí)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形較好，但背面焊縫表面存在大量微小氣體壓坑。
綜上所述，具有本發(fā)明組份范圍的陶質(zhì)襯墊材料具有極好的抗潮(水)性能，能適應(yīng)野外作業(yè)及潮濕環(huán)境，在背面焊縫成形方面，尤其是在立焊時(shí)，本發(fā)明具有比目前陶質(zhì)襯墊材料更為優(yōu)異的性能。
權(quán)利要求
1.一種電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料，它以SiO2和Al2O3為基本組份，添加其他無(wú)機(jī)氧化物成份，經(jīng)混合、壓制、燒結(jié)而成，其特征在于該陶質(zhì)襯墊材料中各組份的重量百分比為SiO240～60％、Al2O330～45％、Fe2O30～1.2％、MgO和/或CaO3～18％、Na2O和/或K2O1.5～5％，其孔隙率小于5％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料，其特征在于該陶質(zhì)襯墊材料中各組份的重量百分比為SiO240～50％、Al2O335～40％、Fe2O30.3～1.1％、MgO和/或CaO7～15％、Na2O和/或K2O1.5～3％，其孔隙率小于4％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料，其特征在于該陶質(zhì)襯墊材料中各組份的重量百分比為SiO245.72％、Al2O337.88％、Fe2O30.3％、MgO和/或CaO13.4％、Na2O和/或K2O2.02％，其孔隙率小于2％。
4.一種權(quán)利要求1所述的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料的制作方法，包括以下步驟1)按最終成品材料中各氧化物組份的重量含量SiO2為40～60％、Al2O3為30～45％、Fe2O3為0～1.2％、MgO和/或CaO為3～18％、Na2O和/或K2O為1.5～5％的比例，取這些氧化物的粉末或是含有這些氧化物的礦物原料粉末、以及占整個(gè)粉末原料重量0.4～3％的無(wú)機(jī)粘接劑備用；2)將所準(zhǔn)備的氧化物的粉末或是含有這些氧化物的礦物原料粉末混合造粒后，加入所準(zhǔn)備的無(wú)機(jī)粘接劑，使無(wú)機(jī)粘接劑均勻地覆蓋在所形成的顆粒表面上；3)再將上述覆蓋有無(wú)機(jī)粘接劑的顆粒置于模腔，在75～150N/mm2的壓力條件下壓制成襯墊坯料；4)最后將上述襯墊坯料置于窯爐，在1300～1380℃的溫度條件下燒結(jié)，即可制成孔隙率小于5％的陶質(zhì)襯墊材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料的制作方法，其特征在于所選用的無(wú)機(jī)粘接劑為水玻璃硅酸鈉。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料的制作方法，其特征在于所說(shuō)的原料粉末混合后形成的顆粒粒徑不大于4mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料的制作方法，其特征在于所采用的壓制襯墊坯料的壓力為75～100N/mm2。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料的制作方法，其特征在于所采用的燒結(jié)襯墊坯料的溫度為1330～1360℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料的制作方法，其特征在于所采用的燒結(jié)襯墊坯料的溫度為1330～1360℃。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電弧熔透焊陶質(zhì)襯墊材料及其制作方法。該陶質(zhì)襯墊材料中各組份的重量百分比為SiO
文檔編號(hào)C04B35/14GK1704378SQ20041001322
公開(kāi)日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者汪小根, 肖詩(shī)祥 申請(qǐng)人:武漢天高熔接材料有限公司