2)衬垫块外形外形的设计主要考虑宽度、长度和厚度，如图8、9，同时考虑铝铂胶带装贴的方便性及降低重量和材料消耗。衬垫块宽度应随装配间隙的增加而增大，对于一定的装配间隙，陶质块的宽度越大，铝铂胶的粘贴部位离焊缝越远，温度也越低，铝铂胶就不会脱落，可保证焊接过程的稳定性。陶质块的长度对于直缝来说没关系，主要由陶质块的生产设备条件决定，对于曲面焊缝或环焊缝来说，陶质块的长度应减小，以便弯曲，如图10。陶质块的厚度应能保证不被烧穿，此外考虑到一定的强度，应适当加厚一点。2.3.2成分设计衬垫块的成分不仅直接影响焊接过程的稳定性及焊缝质量，而且对陶质块的制作流程与工艺也有很大影响。成分设计应考虑以下几个方面:焊缝表面成形、脱渣性、烧结点、耐火度、表面上的质量、尺寸稳定性、焊缝性能要求等。一般都会采用国内资源丰富的矿物原材料，不同的原材料来源，对衬垫块的配方影响很大。随着陶质衬垫焊应用场景范围的扩大，对配方也提出了更高的要求。不同的焊接方法如CO2气体保护焊、埋弧焊、手工焊;不同的焊缝金属如碳钢、不锈钢等;不同的焊丝如实芯焊丝、药芯焊丝;不相同的型号的药芯焊丝如普通型药芯(0℃冲击)，低温型(-20℃以下冲击);不同的焊剂如熔炼、烧结、酸性、碱性等，都需要有不同的衬垫装配方才能得到好的焊接效果。2.4衬垫块的制造工艺衬垫决的制造工艺与陶瓷和耐火材料的制造工艺大体相同，但在原材料的选用、处理、成形方法及烧结工艺等方面都具有很多特殊性。衬垫块采用压制成形法，其制造工艺流程如下:2.5典型陶质衬垫焊工艺剖析采用衬垫的根本目的是要使焊缝背面成形，从原理上讲必须焊透才能实现焊缝背面成形，在实际焊接过程中，要达到焊透的目标可从两方面考虑:一是加大焊接电流;二是增加装配间隙。焊接电流的增加要受到焊接方法、接头性能的限制;装配间隙的增加要受到焊材消耗、焊接变形及焊接效率的制约。因此对于一个实际的焊接工艺的确定，必须考虑各方面因素的影响。2.5.1CO2气体保护焊CO2气体保护焊陶质衬垫如图11。陶质衬垫CO2焊为保证焊透及根部熔合良

  好，必须要有3mm以上的间隙，如图12。间隙增大，能够使用摆动施焊的操作方法，摆动过程中在坡口根部两边电弧应作适当停留，以保证根部熔透。即使间隙很大，通过适当的摆动操作，也能得到良好的焊缝成形，图13所示为超大间隙陶质衬垫CO2焊反面成形情况。对于异形件如球扁钢对接立焊，衬垫需特殊设计外型，如图14，其焊接操作应根据坡口及间隙的变化调整。从焊接效率的角度考虑，CO2气体保护焊应该采用大电流，但由于CO2焊熔池小，电流增大，飞溅增加，送丝速度增加，焊接操作困难，熔池难以控制，而目热输入增加，对接头性能也不利，故一般都会采用中下限电流，非常容易获得良好的焊缝背面成形。

  1前言陶质衬垫焊是一种以特殊陶质材料为衬托，使焊缝强制成形的高效、优质、低成本的焊接方法。这种焊接方法避免了清根、仰焊及狭窄封闭环境内作业，减轻了焊工劳动强度，使焊接生产效率成倍提高，焊接质量得到保障，同时对人体及环境不会造成危害，与传统焊接方法相比，是一种适应可持续发展潮流的绿色焊接方法。日本、韩国、美国、德国、英国、前苏联、瑞典、挪威、比利时等国家一直都很重视衬垫焊的研究和应用。二十世纪六十年代初，造船大国日本率先将衬垫焊应用于船体建造中，并取得显著效果。衬垫焊材料种类非常之多，有水冷铜块、焊剂、黄砂、玻纤布、水玻璃粘结固化材料和耐高温的陶质材料，其中陶质衬垫以其优良的成形性能和工艺适应性，在衬垫焊技术中占主导地位。陶质衬垫焊在中国工业生产里出现始于二十世纪八十年代，一些大的船厂为了更好的提高焊接效率，缩短造船周期，大力投入技术改造，依靠进口设备和材料在船体建造中逐步推广应用。进入九十年代，CO2焊陶质衬垫完全国产化，相配套的设备和工艺日趋完善，陶质衬垫焊方法在船厂大范围的应用。据我国造船业一九九九年度统计，陶质衬垫耗量达六十五万米以上。造船业的大规摸应用促进了陶质衬垫焊方法在其它行业的推广。目前，在钢箱结构桥梁、能承受压力的容器、管道工程、建筑结构、化工机械、冶金机械等制造业中，陶质衬垫需求呈节节上涨的趋势。为帮助更多的焊接工作者了解和掌握陶质衬垫焊方法，本公司依据多年来研究开发陶质衬垫的体会和大量用户的反馈信息，总结整理出这篇论文。我们大家都希望本论文有助于用户选用合适的衬垫产品，也为广大焊接同仁在进行工艺方案设计和质量分析时提供有益的参考;同时，为了开发更多更好的焊接新工艺新产品，我们更期望在同行中起到抛砖引玉的作用，共同为我国的高效焊接事业做出贡献。2天高系列陶质衬垫天高焊接有限责任公司与广大新老用户一起努力，在生产实践中培育了许多成熟的陶质衬垫焊工艺方法，如何选用不一样的规格型号的衬垫材料，最好是了解衬垫焊的基本知识，再结合自己焊接生产的特点，触类旁通。2.1陶质衬垫焊基础原理2.1.1背面焊缝缩孔的产生陶质衬垫焊熔池周边是由母村金属和衬垫所组成的一个模体。由于陶质衬垫与母材金属的导热性相差很大(导热系数比钢小两个数量级)，熔池的散热处于极不均匀的状态，熔池两边(与母材相连)散热很快，底部(与陶质衬垫接触)散热慢，在正常焊接时，随着电弧的移动，熔池冷却开始结晶，熔池上部受电弧的加热作用温度高于底部，熔池液态金属的结晶是自下而上结晶，与钢板上堆焊相比，其熔池的结晶方向更会直于焊缝中心线。当电弧中断(如收弧等)，熔池上部的加热被去掉，由于陶质衬垫的保持温度的作用，熔池底部的温度会高于上部，这时熔池是自上而下结晶或结晶方向垂直于焊缝中心线，这就是陶质衬垫焊熄弧时易产生背面缩孔和弧坑裂纹的最终的原因。CO2焊采用返烧(20mm左右)熄弧，熔池上部保持高温使其自下而上结晶，熄弧点移至焊缝边缘母材上，这样能消除焊缝背面缩孔。2.1.2母材熔透焊缝熔深主要受焊接电流和焊接速度的影响，图1为熔池形成示意图，当电流图1普通熔池形成示意图增加时，电弧力(电磁力，等离子流力等)增加，熔深h随之增加。焊接速度与熔深不是简单的线性关系，某一焊接电流达到最大熔深时对应有一个焊接速度，在这个速度以下熔深随速度的增加而增加，在这个速度以上熔深随速度的增加而减小。焊接速度较慢时，单位长度焊缝的熔敷金属增多，焊缝厚度增加，熔池底部受电弧直接的热冲击作用减弱，熔深减小，当焊速很大时线能量降低，母村受到的热作用减弱及母材的散热作用，熔深也会减小。薄板对接埋弧焊有时采用大电流快速焊也不可能会发生烧穿现象，相反在电流不是很大，焊速漫时反而去烧穿，这是由于熔池底部母材金属受热作用处于高温塑性状态，不能有效的衬托熔池，这时如果背面有衬垫托住会发现此时的熔深远小子板厚而无法焊透。在背面无衬托的情况下，实际生产中会出现焊漏或者焊不透的情况，很难控制。陶质衬垫焊在无间隙时必须要有足够的电流以及速度的配台才能焊透，当电流受到限制无法增大时，应配合装配间隙而达到充分焊透的目的。如陶质衬垫CO2焊必须有大于3mm间隙才可能正真的保证根部焊透。2.1.3背面焊缝余高形成陶质衬垫焊熔池形成示意图如图2，在有间隙焊时一定要保持电弧下有一定厚度图2陶质衬垫焊熔池形成示图增加时，电弧力(电磁力，等离子流力等)增加，熔深h随之增加。焊接速度与熔熔融金属(即a)，当焊速较快时，a逐渐减小，衬垫受电弧直接热冲击作用增加，衬垫熔化深度(即d)增加。如果衬垫熔渣保持原位不动，熔池底部的空间不会有太大的变化，焊缝余高也不会增加，但实际上凝固后衬垫表面熔渣的厚度(即c)在表面张力的作用下变化不大，一般在2mm左右，衬垫熔渣由于电弧的直接热冲击及熔池的搅拌作用，多余的熔渣被带到焊缝表面，使熔池底部空间增大，焊缝余高增加，严重时焊缝背面形成脊背。即当a很小时，衬垫直接受电弧热冲击作用，其熔化形状反映了电弧的热能分布。若焊速更快，a接近于零，这时电弧直接与衬垫作用，由于衬垫不导电，将会引起电弧不稳定，焊丝拽到衬垫上，使焊缝背面高低不平或断弧。上分析可知，背面焊缝余高主要由衬垫熔化深度决定。当衬垫熔深大于衬垫熔渣厚度时，随d的增加，余高增大。图3为衬垫厚度方向温度分布状态，电弧图3衬垫厚度方向温度分布状态底部熔融金属厚度a受焊接电流和速度影响，当a增大肘，熔池底部受电弧直接热冲击作用减弱，熔池底部温度低，反之熔池底部温度高，由图3所示，熔池底部温度增加，曲线上移，d增大;衬垫耐火度增加，d减小。因此提高衬垫耐火度对降低焊缝余高是有益的，但衬垫耐火度的提高要受到金属熔点的限制，否则焊缝成形很难保证。因此在一定的装配条件下，焊缝余高受焊接规范和衬垫耐火度的综合影响，最好是能使衬垫熔化深度小于或等于衬垫熔渣厚度，焊缝余高就可直接由衬垫成形槽控制。2.1.4背面焊缝成形质量焊接过程中熔池底部金属与衬垫熔渣接触，衬垫熔渣一定要有化学稳定性，避免熔化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液态金属发生冶金反应，不仅影响焊缝表面成形，还请可能会影响背面焊缝的冲击韧性;衬垫应拥有非常良好的物理性能，当电弧移开，熔池底部冷却到金属熔点时开始结晶，如果衬垫的耐火度高于金属熔点，衬垫熔渣先于焊缝金属凝固，熔渣和金属不能很好的分离，导致脱渣困难，焊缝高低不平。因此衬垫的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，在熔池金属凝固温度区间内，衬垫熔渣需具有合适的粘度和表面张力，熔渣在焊缝表面均匀铺展，冷却凝固后表面十分光滑。由于陶质衬垫焊是由焊接方法、焊接材料(焊丝、焊剂、药芯著)与衬垫组成的一个相关联的工艺方法，对应于不同的焊接方法和焊接材料需要有合适的陶质衬垫相配台。从陶质衬垫的角度考虑，能够最终靠有明确的目的性的优化配方，提高烧结温度等手段以改善其物理化学稳定性来满足个例要求。2.2陶质衬垫的组成陶质衬垫主要由衬垫块和铝铂胶带组成如图4，其中衬垫块是影响陶质衬垫焊接性能的关键，应该要依据不一样的要求进行设计。图4陶质衬垫的组成2.3.1形状设计陶质块的形状主要考虑焊缝成形槽的形状及尺寸，其次还有其外形。1)衬垫块成形槽成形槽是影响焊缝背面成形尺寸及质量的主要的因素。成形槽主要有两个重要参数，即槽宽和槽深，从理论上来讲槽宽大于装配间隙时，如图5，对焊缝成形尤其图5成形槽与间隙是焊根的焊透及焊缝边缘的过渡是有好处的，但由于衬垫块在焊接熔池的高温下具有一定的退让性，实际焊接中即使装配间隙等于或稍大于槽宽尺寸也能得到好的成形。一般来说装配间隙增大，槽宽也应相应增加。槽深是影响背面焊缝成形高度的一个因素，决定焊缝成形高度的还有其它因素，如焊接电流、焊接速度、操作方式、衬垫块耐火度等。这一些因素对于控制焊缝成形高度方面在某些特定的程度上具有互补性。通常情况下都不希望焊缝余高过大，因此槽深不能太大。当装配间隙较小时，槽深应适当增加，这对于根部熔透及焊缝边缘过渡是有利的。如果装配间隙较大，即使槽深为零，由于衬垫块在熔池高温下的退让性也能得到一定余高的焊缝，但很容易出现焊缝边缘熔合不良或咬边等缺陷。因此槽深的确定应考虑焊接电流、衬垫块耐火度、装配间隙、操作方式及对焊缝余高的要求等因素。衬垫块成形槽的形状在某些特定的程度上也会影响焊缝成形，对于对接平焊和立焊，目前比较流行的是采用对称的圆弧槽，在某些情况也可采用方形槽，如图6。方形槽对于防止咬边，根部熔合不良及控制余高是有益的。对于对接横焊及某些角焊缝等情况可采用不对称的成形槽，如图7。

  2.5.2埋弧焊埋弧焊陶质衬垫如图15。陶质衬垫埋弧焊的焊接规范可调范围大，一次焊透能力强，在厚板开坡口且钝边较小或薄板的对接焊中，采用大电流在不留间隙的情况下，也能焊透使焊缝背面成形。但电流太大，热输入增加，对接头性能不利，无间隙时焊丝对中要求高，稍请偏离非常容易造成背面熔合不良。为满足接头性能要求，采用适宜的焊接电流，配合一定的装配间隙，如图16，可得到良好的背面焊缝成形如图17。实际装配过程中，要严控间隙一致是很困难的，埋弧焊小车自动行走，不能像CO2焊一样依靠摆动施焊来弥补间隙的变化。只可以通过调整焊接规范以适应间隙的变化。调整规范的一个根本原则是在保证焊透及电弧稳定的情况下，取一下限电流，再根据间隙大小调整电压和焊接速度，一般电压要受电流的影响，调整幅度不宜太大。焊接速度的调整在间隙变化时将起关键作用，当间隙增大时填充金属需要量增加，焊接速度应降低，否则燎地跟不上，焊丝与不导电的陶质衬垫块接触，焊接过程不稳定。当间隙较小时，焊接速度要增加，否则坡口根部熔合不良。对于陶质衬垫埋弧焊，除对陶质衬垫的成分，耐火度，烧结温度，成形槽尺寸及形状面特别的条件外，对不同的间隙及坡口条件还需要有一个合适的焊接规范配合。2.5.3不清根双面焊在实际焊接生产的全部过程中，随着工件板厚的增加，单面焊接术的应用受到限制。中厚板如果采用V形坡口单面焊，需要切削掉大量金属，增加填充金属量，焊接变形也难以控制。因此，一般中厚板对接采用X形式双U形坡口，角接采用K形或双J形坡口进行双面焊。而双目焊的打底焊道由于焊接熔池的结晶特性及熔池保护不良会产生各种缺陷，必须用碳弧气刨清根及打磨，然后再进行填充焊。这种传统双面焊工艺存在的主体问题如下:①生产效率低、成本高。打底焊焊接规范参数变动范围小，若发生烧穿和未焊透等缺陷则会给清根带来更大的工作量。对于重要结构，为防止碳弧气刨过程增碳给焊缝带来的不良影响，还要用砂轮将清根表面层打磨掉，工作量大，效率低。清根同时去掉一部分熔敷金属及母材，需重新施焊，消耗大量焊接材料及碳捧，从而增加焊接成本。③工件变形大，质量难保证。用碳弧气刨清根后，该区域的焊接应力得到释放，但碳弧又输入了新的热量，引起新的变形。因而使得焊前无法预测工件的变形，从而给变形控制带来困难。清根时易造成清根不净，屡屡返修。③工人劳动强度大，环境差。碳弧气刨清根以及砂轮打磨，烟尘多、噪音大、环境恶劣、劳动强度大，影响焊工的身体健康。以上问题，主要是由于打底焊缝的质量没办法保证引起的。如果采用陶质衬垫不清根双面焊，取消碳弧气创工序，既可提高生产效率，保证打底焊缝质量，降低生产所带来的成本，同时又改善了焊工劳动条件，具有非常好的经济效益与社会效益。陶质衬垫不清根双面焊可采用CO2气体保护焊、埋弧焊和手工焊，不同坡口的衬垫安装如图18:对CO2气体保护焊及手工焊，需要3mm以上的间隙才可能正真的保证熔透及背面成形，对于埋弧焊可不留间隙。衬垫强制成形的必要条件是必须熔透，熔池在衬垫的衬托下强制成形。在合适的衬垫形状及焊接规范配合下，可保证打底焊道的焊缝质量和良好的背面凹成形，焊缝表面光亮，与母材过渡圆滑。衬垫的表面形状和熔化量直接影响焊缝的背面形状与尺寸，打底焊缝背面凹形的形成与衬垫块上表面的不均匀熔化有关，由图18(a)能够准确的看出，衬垫块与钢板接触，焊接时