工搪简讯2014-3 - 工搪分会资讯 - 中国搪瓷工业协会
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更新时间:2014-06-25    |     来源:中国万博体育manbetx地址工业协会
                                      影响搪玻璃设备焊制高颈法兰对接焊缝部位脱(爆)瓷的因素和对策
裘维平
(宁波明欣化工机械有限责任公司(退休))
 
        摘要: 搪玻璃设备焊制高颈法兰对接焊缝处脱(爆)瓷是搪玻璃设备制造行业常见的质量问题,本文从焊接和底
釉两方面对其发生的原因进行了分析,提出了解决的对策。对解决搪玻璃设备其他部位焊条电弧焊焊缝处的脱(爆)
瓷问题也有一定的借鉴和参考价值。
        关键词:搪玻璃设备  高颈法兰  对接焊缝  脱(爆)瓷
        0  引言
        搪玻璃设备无论是在制造中还是使用中,设备的焊制高颈法兰对接焊缝处是脱(爆)瓷的高发区,是高颈法兰生产企业和搪玻璃设备制造企业共同需要面对的质量问题。
        以下从焊接质量和底釉性能两方面对影响搪玻璃设备高颈法兰对接焊缝部位脱(爆)瓷的几个因素进行分析与探讨,并提出了相应的对策与办法。
        1  高颈法兰对接焊接接头焊接质量的影响
        由型钢轧制、焊接的高颈法兰,因高颈法兰截面的形状不规则,法兰部分的厚度又较厚,焊缝长度又很短,目前,还没有合适的自动或机械焊接的方法,通常由焊工采用焊条电弧焊进行焊接。由于高颈法兰生产企业在该对接接头的焊接施工中受质量控制水平、员工素质及工作责任性等人为因素的影响较大,质量既得不到可靠的保证,而又缺少有效的检测手段,使该焊缝的质量往往难以满足搪玻璃的要求,成为搪玻璃设备脱(爆)瓷的高发区。主要的影响因素为:
        1) 如所周知,焊道的起始与终了部位是焊道质量最差的部位,故焊接时需要采用引弧板和熄弧板,但因高颈法兰对接焊缝的特殊性,却又难以实施;
        2) 高颈法兰截面形状的不规则性,焊接坡口的质量较难达到图样和工艺规定的要求;
        3) 焊接施工
        笔者曾分别采用酸性和碱性焊条、交流和直流焊接电源、正常焊接电流和大焊接电流、正常弧长和长弧、正常焊接热输入和大焊接热输入等不同条件焊接试板、并进行涂搪试验,试验的结果证实:在焊条类别及质量、焊条烘干、电源及极性、焊接电流、电弧电压(电弧长度)、焊接速度、焊接热输入(线能量)等影响焊条电弧焊焊缝搪玻璃性能的诸多因素中,对脱(爆)瓷影响最大、最关键的因素是电弧电压(电弧长度)。
        焊条电弧焊时,如果电弧过长(即电弧电压过高),将削弱、甚至破坏焊接时焊条产生的保护气体对焊接区域的保护,使空气中的氧、氮、水蒸气等侵入焊接区域,熔入熔滴和熔池,从而将增加焊缝中的各种非金属夹杂物(氧化夹杂物,下同。)及焊缝表面肉眼不易发现的微小气孔。弧长越长,这种情况就越严重。在搪烧时使底釉与焊缝间的表面张力变大,直接影响到底釉对焊缝表面的浸润、流布及密着。
        电弧过长的情况有可能发生在焊接水平或工作责任性较差的焊工身上,也可能发生在一般焊工的引弧或熄弧时,或大电流焊接时,或在焊条熔化至接近焊条夹持端时。
        此外、焊接的操作手法是第二位的影响因素。在焊接时,如采用焊条横向摆动幅度过宽、焊道的熔敷金属厚度过厚等不正确的焊接操作手法,也会产生上述问题。
        4) 焊缝的外观质量
        焊缝是否有足够的余高,焊缝表面的弧坑是否填满,有无气孔、夹渣、未熔合、裂纹等缺陷,也是影响焊缝处脱(爆)瓷的极重要的因素。
        对焊缝的需搪玻璃面来讲,适当的焊缝余高并不是多余的,而是非常必要的。因为,焊缝靠近表面处往往是非金属夹杂物、缺陷及缺欠聚集较多的部位,如焊缝有足够的余高,经车削后可获得非金属夹杂、缺陷及缺欠都较少的表面,将会有利于搪玻璃。反之,如焊缝余高过低,虽经车削,其表面仍会残留较多的非金属夹杂物、缺陷及缺欠,而且有不少是暴露在表面的,就会影响瓷釉的密着,增加脱(爆)瓷的几率。
         5) 其他焊接固有特性对涂搪的影响(已在2009年分会的郑州会议上进行了介绍〔1〕,不再赘述)。
         2  底釉性能的影响
         底釉与焊缝是焊缝处瓷釉密着这一矛盾的两个方面,即使是没有任何缺陷的焊缝,如果没有合适的底釉,也不能保证焊接接头部位不发生脱(爆)瓷。那是因为焊缝金属具有不同于钢板等型材的固有特性。因而,对于底釉的性能,主要是对密着性、弹性和热膨胀系数等方面,也有不同于钢板等型材的要求。为此,好的搪玻璃底釉必须兼顾钢板等型材与焊缝的可涂搪性。
         近几年来,在瓷釉企业的不断努力下,搪玻璃釉的性能与质量都有了长足的进步,焊缝爆瓷的情况已有明显的减少,但还可以继续进行改进。
        1) 底釉的密着性
        底釉与基体金属的密着过程大致可分成浸润与密着两步。
        a) 底釉烧成时,在瓷粉熔化的同时,底釉中的B2O3开始与基体表面Fe的氧化物发生激烈的化学反应,生成易熔的硼酸盐、偏硼酸盐和其他复杂的化合物(如B2O3·Fe2O3·FeO等)〔2〕,并熔入底釉,实现了对基体表面Fe的氧化物的溶解和侵蚀。基体表面经此化学反应清理后,基体表面的Fe得到了充分的活化,成为活性表面。从而使熔化的底釉与基体表面间的表面张力大大降低,实现了充分的浸润,也为下一步的密着作好了准备。
        由于焊缝金属是一个特殊的铸态组织,其表面远没有钢板等轧制件那样来得致密,还存在不同程度的成分偏析、以偏析及弥散状分布的大量而细小的非金属夹杂物、焊接缺陷与缺欠(如:焊条电弧焊的焊缝表面都程度不同地存在肉眼不易发现的微小气孔,如将焊缝进行抛光后就能发现〔3〕。)等,这些因素都将影响底釉对焊缝表面的浸润及与Fe的氧化物的化学反应与溶解。为了保证底釉和焊缝表面能有效地密着,要求底釉必须具有满足焊缝要求的流动性和浸润性。
b) 底釉烧成时,底釉和基体金属在充分浸润的同时,底釉中的CoO、NiO与被活化的基体表面的Fe进行激烈的氧化还原反应:

Fe +〔CoO〕    〔FeO〕+ Co
Fe +〔NiO〕    〔FeO〕+ Ni
注:〔〕内为瓷釉中或熔入瓷釉中的化合物。
        因Fe、Co、Ni在元素周期表中的序号分别为26、27、28,同属第四周期、第Ⅷ类过渡族元素,物理性质和化学性质非常相似,化学活性为Fe>Co>Ni,故能发生上述氧化还原反应。被还原的Co和Ni沉淀在基体的表面,高温下,Fe、Co、Ni互相扩散形成固溶体(可无限固溶,当我们彻底去除底釉层后、即可看到基体表面的那层灰白色的合金层),如同披Ni和披Co一般,而生成的FeO则进入底釉的熔体之中。

        由于在搪烧高温下,经过上述两步,基体材料与熔融的瓷釉之间实现了化学键(离子键、共价键等)的键合,在随后缓慢冷却后形成了牢固的结合——密着。注1
         注1: “密着”是一个十分复杂的物理和化学过程,我国已故著名万博体育manbetx地址科学家芶文彬先生对古今中外的密着理论进行了系统、深入的研究,归纳为12种密着理论。虽然个别理论在今天看来并不成立,但绝大部分理论已从不同的角度诠释和揭示了瓷釉与基体的密着机理。笔者只是从另一个角度概要地对基体材料与瓷釉密着的本质进行解读。
        2) 底釉的弹性
        由于搪玻璃部件(或元件)绝大部分是单面搪,一般很少发生氢致爆瓷(使用中,搪玻璃背面一侧临H或酸性介质除外),发生搪玻璃层脱(爆)瓷的关键因素是搪玻璃层的热残余应力(膨差应力,下同。)过大。当其与工作应力叠加后超过它自身的强度(抗拉强度、抗压强度、抗弯强度)时就会发生脱(爆)瓷〔4〕。如果底釉具有良好的弹性,则能有效地缓解面釉搪烧后的热残余应力,从而有效地减少脱(爆)瓷的发生。
         3) 底釉的热膨胀系数
         搪玻璃设备基体材料(含焊缝)的线热膨胀系数,在不考虑温度的影响时约为13~14×10-6/℃〔4〕(体膨胀系数约为其3倍),要大于搪玻璃层(面釉)的线热膨胀系数(约为8.5~9.5×10-6/℃)〔4〕,两者相差较大。按照目前我国搪玻璃行业绝大多数企业的搪烧工艺,烧成后无缓冷措施,搪玻璃层必然会存在较大的热残余应力。为此,要求底釉具有适当的热膨胀系数,经过搪烧,底釉因FeO的大量熔入而热膨胀系数升高,能使之趋近于基体的热膨胀系数;而靠近面釉的一侧底釉的热膨胀系数能较接近于面釉的热膨胀系数,以有效地降低搪玻璃层的热残余应力。
        对于上述三方面要求,底釉中的B2O3的含量就显得十分重要了。因为,B2O3不仅是强大的助熔剂和侵蚀剂,而且还是形成搪玻璃骨架〔BO3〕、〔BO4〕的基体剂,合理的含量不仅能提高底釉烧成时的流动性、浸润性,有利于密着层的形成与增强,还可以有效地提高瓷层的弹性。虽然,B2O3含量的增减对底釉的热膨胀系数的直接影响并不大,但搪烧时它能有效地增加FeO形成及熔入底釉层的数量,从而,有效地增大了底釉层的热膨胀系数〔5〕
         3  对策与措施
         为有效地解决焊制高颈法兰对接焊缝部位脱(爆)瓷的问题,拟提出以下对策与措施:
        1) 焊接质量的控制
        a)  焊条宜采用碱性焊条,且应符合NB/T 47018.1~47018.2的规定,并严格按规定进行验收、烘干和使用;
        b)  坡口必须打磨干净,尽可能保证坡口的形状和尺寸要求;
        c)  焊接时,特别是需搪玻璃面的最后两层焊道的焊接,必须采用短弧焊接,焊接电流不能太大,并应十分重视引弧和熄弧处的焊道质量;
        d)  应采用多层多道焊,在焊到坡口较宽处时,不得采用焊条宽摆幅、一层焊道一次焊成的方法,应采用每层多道焊;
        e)  焊缝的两端(法兰的外缘及颈部与筒体或封头的连接端)应用气刨或砂轮去除端部的缺陷,确认无缺陷后再焊至规定的要求;
        f)  焊缝应有足够的余高,焊缝表面的最低处(包括弧坑)的余高宜不小于1.5mm;焊缝表面不得有裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷;
        g)  焊接接头除按规定进行射线检测合格外,还应在机械加工后对需搪玻璃面的焊缝进行表面无损检测,以彻底排除需搪玻璃面焊缝表面所有可能影响搪玻璃质量的缺陷或缺欠。
        2)对底釉性能的建议
建议底釉进一步提高以下三方面的性能:
        a)  兼顾钢板等型材与焊缝的要求,提高底釉的流布性、浸润性及溶解Fe2O3 Fe3O4的能力,以利于密着层的形成与增强;
        b)  提高底釉的弹性,以缓解搪玻璃层搪烧后的热残余应力;
        c)  调整底釉的热膨胀系数,以实现在搪烧后,靠近基体一侧的底釉层在因FeO的熔入而使热膨胀系数升高时能使之趋近于基体的热膨胀系数;靠近面釉层一侧的底釉层热膨胀系数能接近于面釉层的热膨胀系数,以有效地降低搪玻璃层的热残余应力。
        笔者认为,为兼顾焊缝(主要是焊条电弧焊焊缝)的涂搪性,如能适当地提高底釉(包括混合釉)中B2O3的含量,无疑对底釉上述性能的改善和提高、减少焊缝处的脱(爆)瓷起一定的积极作用。万博体育manbetx地址工作者通常认为底釉中B2O3的含量以不超过15%为宜〔5〕,但这是基于钢板基体的值。若要兼顾焊缝的涂搪,笔者认为有必要再提高1~3个百分点。当然,底釉组分的调整是一个复杂的系统问题,是必须全盘考虑的。B2O3含量的提高并不是指它单一含量的调整和提高,其他组分也应同时进行必要的调整。
         4  结语
        搪玻璃设备焊制高颈法兰对接焊缝处脱(爆)瓷的主要因素是焊接质量,但也与底釉的密着性、弹性和热膨胀系数有着密不可分的关系。通过高颈法兰制造企业加强对焊接质量的控制及瓷釉生产企业对底釉配方的适当调整、底釉性能的进一步优化,使之能兼顾钢板等型材与焊缝涂搪的不同要求,这个问题就完全可以得到解决。本文的一些对策和措施对解决搪玻璃设备其他焊条电弧焊焊缝处的脱(爆)瓷问题也有一定的借鉴和参考价值。
 
参考文献
〔1〕裘维平 . 焊接接头的可涂搪性 . 万博首页登录APP下载分会郑州会议资料 , 2009.3
〔2〕〔前苏〕Н.Ф.拉实柯,С.В. 拉实柯-阿瓦干 . 金属的钎接 . 庄鸿寿  邹  僖译 .北京:中国工业出版社,1963
〔3〕陈伯蠡编著 . 金属焊接性基础 . 北京: 机械工业出版社,1982
〔4〕沈亦鸣,黄振侃,徐贺文,陆介平 . 搪玻璃爆瓷的机理研究 . 北京工业大学学报 ,1993:Vol.19  No.2
〔5〕邵规贤,芶文彬,闻瑞昌编著 . 万博体育manbetx地址学 . 北京:轻工业出版社,1983
本文撰写过程中得到宁波明欣化工机械有限责任公司(退休)钱元龙高工的大力帮助,在此表示感谢!
 
 
                                                                                                                     2014年04月25日
 
 
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——厉益骏——
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                                                                                                   2014-4-26