焊剂铝衬垫法热固化衬垫焊剂的研究

焊剂铝衬垫法热固化衬垫焊剂的研究 分类号—— 密 级(,,, 学校代码 ～,垒窆, 劣滗程歹大穿 学位题 目 竖型堡煎垫鎏垫圈垡煎垫竖型鲍壁霾英文题目—,,,,,—,;, ,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,, ,,,, ,,,,,,,, ,,;,,,, ,,,,,,一研究生姓名 吴成圆 副教授——学位 硕士 指导教师 申请学位级别 论文提交日期 ～～～～生～～旦 论文答辩日期 学位授予单位 答辩委员会主 ,,,,年,,月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发或撰写过的研究 成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名:摹仑崖) 日期:幽,脚 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 (保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签鼽蕊龃翮。签鼽壹强期:避,明 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 焊剂铝衬垫法是一种应用于埋弧焊中单面焊双面成形的焊接方法。它是在铝槽中预置一层热固化衬垫焊剂，采用顶升装置或者其他措施使工件与背面的热固化衬垫焊剂紧密接触，然后在正面施焊，热固化衬垫焊剂在电弧前端迅速固化，固化的热固化衬垫焊剂衬托背面熔池，使背面焊缝强制成型。研究表明，焊剂铝衬垫法要获得高质量的背面焊缝，热固化衬垫焊剂至关重要。 热固化衬垫焊剂是由基础焊剂和热固化粘接剂组成。合适的渣系是获得背面焊缝良好脱渣性及成形性的条件之一。本文研制了一种,,,(,,,(,,,,(,,,,,,,,,,渣系，碱度为,(,，软化温度为,,,,?，终熔温度为,,,,?的烧结焊剂作为基础焊剂 找到一种合适的能够高温固化的粘接剂对于研制焊剂铝衬垫法热固化衬垫焊剂很重要。粘接剂要求在高温条件下能够迅速固化，将基础焊剂颗粒固结成块状，从而阻止背面熔池溢出，获得均匀的背面焊缝。 ,,,,树脂(对叔丁基酚甲醛树脂)是一种能够满足焊剂铝衬垫法热固化衬垫焊剂要求的粘接剂。本文研究了,,,,树脂、固化剂乌洛托品、硬脂酸钙三者的加入量及加入方式等问题，同时研究了树脂加入量、固化温度、固化时间三者之间的关系。最后得出采用热覆膜法加入基础焊剂质量,,左右的,,,,树脂，,,,树脂质量的乌洛托品及,,左右树脂质量的硬脂酸钙在,,,?以下，至少在,分钟内能够获得高达,,,以上的固化率，并采用红外光谱对热固化衬垫焊剂热固化过程中发生的化学反应进行了研究。 采用焊剂铝衬垫法焊接,,,,厚的,,,,钢板时，研究了背面焊缝的脱渣性与成形性，得出了焊接电流、焊接电压、焊接速度与背面焊缝成形性的关系。 最后，研究了焊剂铝衬垫法焊缝组织与堆焊焊缝组织的区别。关键词:焊剂铝衬垫法，单面焊双面成形，,,,,树脂，背面脱渣，背面成形 武汉理工大学硕士学位论文 ,, ,,,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,;,,,, ,,,,,, ,, ,,,—,,,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,; ,,,,,,,(,,,),,,;,,,(,,,,, ,,,,,,,, ,,,, ,, ,,,,,, ,,,, ,,;,,,,,,,, ,, , ,,,, ,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,;, ,, ,,,,, ,,,,,,,, ,,,;,,, ;,,,,;,,,,,,,,;, ;,,,,,, ,, ,,;,,,,,，,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,(,,,,,, ,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,, ,, ,,, ,,;，,,,,,,, ,,, ,,;,,,, ,,,, ,,,, , ,,,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,, ,,,, ,,,, ,,, ,,,;,, ,,,,,,,(,,,,,,, ,,,, ,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,, ;,,;,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,;,,,, 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要……………………………………………………………………………………………………………，,,,,,,, ,…………………………………………………………………………………………………。?第,章绪 论…………………………………………………………………………(, ,(,引言…………………………………………………………………………(, ,(,国内外研究现状……………………………………………………………(, ,(,(,衬垫的发展研究及应用现状…………………………………………, ,(,焊剂的发展状况简介………………………………………………………(, ,(,本课题研究的目的、内容…………………………………………………(, ,(,(,本课题研究的目的……………………………………………………, ,(,(,本课题研究的内容……………………………………………………,第,章粘结剂的选择………………………………………………………………(, ,(,引言………………………………………………………………………………………………(, ,(,粘结剂的定义及其分 类……………………………………………………(, ,(,无机粘结剂…………………………………………………………………,, ,(,(,硅酸盐类粘结剂……………………………………………………(,, ,(,(,磷酸盐类粘结剂……………………………………………………(,, ,(,有机粘结 剂…………………………………………………………………,, ,(,(,热固性高分子粘结剂………………………………………………(,, ,(,(,热塑性高分子粘结剂………………………………………………(,, ,(,热塑性酚醛树脂……………………………………………………………,, ,(,(,酚醛树脂简介………………………………………………………(,, ,(,(, ,,,,树脂……………………………………………………………(,, ,(,(, ,,,,树脂的合成反应…………………………:……………………(,, ,(,(, ,,,,的固化反应……………………………………………………(,,第,章焊剂铝衬垫法热固化衬垫焊剂渣系的选择及制备………………………,, ,(,焊剂种类的拟定……………………………………………………………,, ,(,基础焊剂碱度范围的确定…………………………………………………,, ,(,基础焊剂渣系的选择………………………………………………………,, ,(,基础焊剂的有关物理参数…………………………………………………,, ,(,基础焊剂成分范 ,(,焊剂铝衬垫法热固围的拟定…………………………………………………,, 化衬垫焊剂的试制……………………………………,, ,(,(,试验器材……………………………………………………………(,, ,(,(,基础焊剂的原料……………………………………………………,, ,(,(,基础焊剂的手工制作………………………………………………(,, ,(,(,焊剂粒度的检 武汉理工大学硕士学位论文 验……………………………………………………(,, ,(,(,基础焊剂的覆膜……………………………………………………(,,第,章焊剂铝衬垫法热固化衬垫焊剂的固化性能试验……………………………,, ,(,试验设备……………………………………………………………………,, ,(,固化试验参数………………………………………………………………,, ,(, ,,,,固化试验方法…………………………………………………………,, ,(,(,树脂含量、固化温度与固化率之间的关系………………………(,, ,(,(,树脂含量、固化时间与固化率之间的关系………………………(,, ,(,(,固化时间、固化温度与固化率之间的关系………………………(,, ,(,(,,,,,,对热固化衬垫焊剂固化热裂性的影响……………………(,, ,’,(,基础焊剂粒度、粒形因数对固化率影响…………………………(,, ,(,(,热固化衬垫焊剂热固化过程的红外光谱分析【,,】…………………(,, ,(,本章小结……………………………………………………………………,,第,章焊剂铝衬垫法热固化衬垫焊剂的工艺性试验……………………………,, ,(,焊前准备……………………………………………………………………,, ,(,热固化衬垫焊剂的工艺性试验……………………………………………,, ,(,(,热固化衬垫焊剂对背面熔池的衬托作用…………………………(,, ,(,(,热固化衬垫焊剂的脱渣性…………………………………………(,, ,(,(,焊剂熔渣的软化温度的测定………………………………………(,, ,。,。,热固化衬垫焊剂的固化……………………………………………(,, ,(,(,焊接参数对背面焊缝成形性的影响………………………………(,, ,(,背面焊缝缺欠及分析………………………………………………………,, ,(,焊缝金属显微组织分析…………………………………………………，((, , ,(,本章小结……………………………………………………………………,,第,章结论与展望…………………………………………………………………,, ,(,结 论…………………………………………………………………………………………………,, ,(,展 望…………………………………………………………………………,,致谢…………………………………………………………………………………………………………(,,参考文献………… ，………………………………………………………………一,, , 武汉理工大学硕士学位论文 第,章绪论,(,引言 埋弧焊的使用始于,,世纪,,年代，是一种自动化程度比较的高的焊接方法。由于具有生产效率高、焊缝质量好、熔深大、机械化程度高，并改善了劳动条件等特点，埋弧焊广泛应用于造船、锅炉与压力容器、化工、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造中【,】，尤其是造船业。 在船体建造中，焊接工时约占总工时的,,,,,，(,，,,,，焊接成本约占建造成本的,,,,(，,,,,到，由此可以看出，焊接技术对船体建造的重要?浴,孀糯 岸治坏拇笮突 褰ㄔ熘写罅坎捎闷矫娣侄谓ㄔ旆ā,捎诖笮痛 暗姆叫蜗凳 艽螅 叫恤碧宄ぃ 撞俊 濉?装濉?舨毡凇?貉瓜畎宓绕矫娣侄问 慷啵 萃臣疲 饧钢执 偷钠矫娣侄巫芏治痪 即 褰 矫娣侄谓峁沟暮苁屎喜捎米远 附樱 冉 〖 峁棺芏治坏模叮埃ヒ陨稀,庑? 赋山洗蟮暮讣 缓蠼 负玫拇蠹 倭 梢惶濉?,,世纪,,年代末,,年代初，欧洲和日本等造船发达国家在造船工艺上都采用了此工艺方法。但是欧洲和日本的焊接方法也是有区别的:欧洲的拼板采用的是双面焊，即先从一面焊接再将板材翻转过来焊接另一面。例如德国一船舶公司，他的焊接为:钢板上料一拼板一列板翻身,,’,,板水平转动一纵向构件装焊一分段吊运装置;日本拼板焊接采用的是单面焊双面成形技术，即采用一定的焊接材料，以特殊的操作方法，在坡口正面进行焊接后保证坡口正反两面都能得到双面成形焊缝的一种焊接方法。单面焊双面成形焊接可以使熔深达到,,,,。例如日本津船厂的焊接流程为:钢板定位焊,,”,板焊接(采用多丝单面焊机和衬垫装置)一号料切割一纵骨定位焊一肋骨安装定位一肋骨焊接一修补及货油管装焊一液压顶升运出分段【,】。其中列板焊接大都采用多丝单面焊，在焊接的过程中采用了衬垫装置。 单面焊双面成形法的出现大大提高了焊接效率，而衬垫在单面焊技术中的使用，使得单面焊双面成形技术在生产中得以稳定实现。单面焊双面成形省掉了双面焊对打底焊道的碳弧清根。单面焊技术由于只需进行单面焊接，不需要 武汉理工大学硕士学位论文翻转拼板，一方面可以减少起重设备的数量，可以节省厂房空间和降低劳生产成本。另一方面施焊可采用多丝，这样进一步提高了焊接效率。再者，可以改善了工人的工作环境，降低劳动强度等等【,’,】。 焊剂铜衬垫法(,,,)在近年来得到了广泛的应用。焊剂铜衬垫法中铜板主要作用起盛放衬垫焊剂及连接项升机构，另外一点是铜的热导率大，散热能力强，可以防止铜板过热。但是铜的价格很贵，会增加生产成本，铝板替代铜板即焊剂铝衬垫法的出现，很好地解决了这一矛盾。 焊剂铝衬垫法与焊剂铜衬垫法很相似，即把铜板换成了铝板。相比铜板，虽然铝的热导率比铜小(,,:,,,,,(,?,)，,,:,,, ,,(,?,))，但是铝的比热容却比 铜大(,,,,,,,,(,,?,)，,,,,,, ,,(,,?,))，单位质量的铝能够吸收更多的热量，所以采用铝板也能够有效防止焊接过程中的过热。通过试验发现，要获得高质量的背面焊缝，性能优异的热固化衬垫焊剂就显得至关重要。,(,国内外研究现状,(,(,衬垫的发展研究及应用现状 日本及欧美等国家一直很重视衬垫焊的研究和应用，,,世纪,,年代初，造船大国日本率先将衬垫焊引入船体建造中，并取得显著效果。 常见的衬垫有陶质衬垫、铜衬垫(,,)、热固化焊剂垫(,,)、焊剂铜衬垫 (,,,)、焊剂铝衬垫、玻璃纤维布衬垫等等。应用较多的有陶质衬垫法、铜衬垫法、热固化焊剂垫法、焊剂铜衬垫法。这几种焊接方法在焊接中厚板时，采。用大的焊接电流能够使熔深达到,,,,，实现单面焊双面成形【,。, ,,。 陶质衬垫是应用的比较广泛的衬垫之一，可以应用于埋弧焊、气保焊等。陶质衬垫焊是一种以特殊陶质材料为衬托，使焊缝成形的高效、优质、低成本的焊接方法，如图,所示。它是在铝箔带上涂有压敏胶，然后再贴上防粘纸带保护胶面，使用时撕下纸带。陶质衬垫焊的优点就是可以使仰焊操作变为平焊，并可免去碳刨、打磨、清渣、仰焊等工序，焊缝质量好、成本低、效率高，焊工劳动条件得到了大大的改善。 , 武汉理工大学硕士学位论文 图,,,陶质衬垫焊 陶质衬垫的一个典型的应用就是在单面焊双面成形。陶质衬垫有很多优点，比如使用比较方便，并且有很强的位置适应性等。通常，,,,气体保护焊和埋弧焊均能够采用陶质衬垫焊来实现单面焊双面成形。其中，,,,气体保护焊，通过摆动施焊，可以实现超大间隙的单面焊双面成形。采用了陶质衬垫的埋弧焊，开坡,:,小钝边的厚板，即使是不留间隙，也能够焊透保证背面焊缝成形。陶质衬垫在电弧热的作用下成形槽表面发生熔化，形成了一层薄薄的渣壳，这层渣壳能够润滑液态背面熔池，能够使熔敷金属的流动性得到增强，从而使背面焊缝光滑均匀成形。同时，陶质衬垫在烘干的条件下吸湿性比较小，这样能减小焊缝中的含氢量。 对于陶质衬垫焊来说，陶质衬垫的成分、耐火度、成形槽尺寸等对焊缝有影响，同时要求在施焊时有一个合适的焊接规范。陶质衬垫的化学成分要稳定，要求不与熔融金属浸润。陶质衬垫的耐火度应低于金属的熔点，这样能够获得良好的脱渣性能。成形槽尺寸对背面焊缝成形也起着重要的作用。,,,气体保护焊的熔池相对来说比较小，如果采用较大的焊接电流，焊接热输入增加，会产生飞溅，同时，对焊接操作的要求也会牝较高。在大的热输入时，会产生魏氏组织，恶化焊接接头性能。所以,,,单面焊的陶质衬垫焊一般采用较小的焊接电流。单面焊双面成形的一个重要焊接参数就是焊接速度，焊接速度也应选择合适，如果焊接速度过快，铺展在衬垫上的熔融金属的厚度会减小，衬垫会势必受到电弧热的直接冲击，衬垫的熔化深度会增大，这样会导致焊缝背面余高增大。 张建强、施雨湘、杜学铭等对,,,气体保护焊的陶质衬垫单面焊工艺进行了研究，得了最适宜的工艺参数【,,,。赵世雨则研究了埋弧单面焊的陶质衬垫，得出衬垫设计成方形槽为宜，并且研制出了一种背面焊缝成形美观、力学性能符合要求的陶质衬垫【, ,,。 铜衬垫法是用一定的顶升机构(如龙门压力架)使铜衬垫和焊件紧密贴合， 武汉理工大学硕士学位论文利用铜衬垫上的成形槽使焊缝强制成形。为了防止铜垫板过热，通常在铜板中开孔通以冷却水，其示意图如下图,(,所示。 图,—,铜衬垫法 江山、周理华、崔远良等将铜衬垫引入箱型梁的角焊缝焊接当中。原来在主筒内侧焊两层后，在主筒外侧打磨清根，然后再进行盖面焊，工作量大。改进工艺后，在主筒内 侧加铜垫板，可以不用清根直接进行下一层焊接。焊缝的探伤及力学性能实验表明断面成形良好，力学性能合格【,引。蔡锋，张忠利用铜衬垫技术，采用富氩气体保护焊和直缝焊接工装对机车总风缸纵缝进行焊接。研究表明成形槽的槽宽和槽深是影响焊缝背面成形尺寸及质量的两个参数。同时指出焊接参数的焊接电流和焊接速度对熔深的影响:熔深随着焊接电流的增大而增大，焊接速度与熔深不是简单的线性关系。如果铜衬垫的设计合理并且采用合适的工艺参数，铜衬垫法能够获背面成形良好的焊缝【,,,。铜衬垫能在大电流下焊接时，会导致焊缝渗铜，但是近年法国研究管道的内环缝时发现，铜衬垫渗铜现象可以由调整组对间隙和焊接电流来避免，即使恶劣条件下发生渗铜，对管道焊缝不存在明显不利影响【,,,。 焊剂垫法是将粉末状的衬垫焊剂用一定的压力装置压紧在焊缝背面，焊接时，粉末状的衬垫焊剂衬托背面熔池。其示意图如下图,(,所示。 衬 耐 图,(,焊剂垫法 刘维平、何少卿研制出了一种适用于热固化焊剂垫法的衬垫焊剂，渣系为,,,,，,,,,，,,,，,,,，,,,,,，,,,,，同时通过试验，摸索出了其合适的焊接规范【, ,,。张文栋、刘化龙、李新科将焊剂垫引入货车中梁对接接头的焊接，明显改善了焊缝质量，打底焊道成形光滑、均匀，消除了气孔及焊瘤等焊接缺陷， , 武汉理工大学硕士学位论文焊道的缺陷率也明显降低，并且在大间隙对接接头焊缝施焊时也能获得良好的背面焊缝【,,,。 , ,,,，,研究了采用了热固化焊剂垫法(，讧)的根部埋弧焊，分别研究了焊接变量(焊接电流、焊接电压、焊接速度、铁粉厚度)和接头的几何形状 (根部间隙、焊丝夹角、钝边、错边)对根部焊缝成形的影响，重点分析了各参数对背面焊缝余高的影响，并且对电弧力和定位焊对根部焊缝成形也进行了研究。其中的提到焊.