单面二氧化碳气体保护焊用陶瓷垫板材料 【技术领域】
本发明涉及单面二氧化碳气体保护焊中使用的陶瓷垫板材料，特别是涉及可以适用于提高陶瓷的耐火度(SK)、使用高焊接电流的单面二氧化碳气体保护焊的陶瓷垫板材料。背景技术
以往，作为单面二氧化碳气体保护焊中使用的陶瓷垫板材料，使用以MgO 13.8重量％、Al2O3 34.8重量％、SiO2 51.4重量％作为代表性组成的所谓堇青石(Cordierite)类陶瓷垫板材料。这种堇青石类陶瓷垫板材料的特征是虽然在背焊缝部分的焊接性能方面具有优秀的效果，但由其组成造成熔点低，在约1460℃下完全熔解。
因此为了提高焊接金属的焊接效率，如果将焊接电流提高至例如300～600A进行焊接，则连接焊接金属的陶瓷垫板材料的温度容易超过其熔点，这样由于陶瓷垫板材料被熔损或烧穿，因而不能保持垫板材料的功能。因此，对于堇青石类陶瓷垫板材料，为了使其温度在熔点以下，就必须将焊接电流控制在180～280A的范围内进行二氧化碳气体保护焊。
因此，例如焊接厚度为20mm的钢板时，由于焊接电流必须控制在180～280A的范围内，因而每1焊层的熔覆量变小，必须至少进行6～8层的多层焊接。另外，这样控制焊接电流的场合，为了使背焊缝维持适当的形状，就必须将焊接钢板的根部缝隙设为5～6mm，这样就使焊丝的消耗量增大。而且由于进行多层焊接，使焊接钢板反复进行升温—冷却的热过程，因此也容易引起伴随焊接地热变形。这样，在使用以往的堇青石类陶瓷垫板材料时，就变得无效率、生产率降低，而且焊丝的消耗量也变得过大，这成为生产成本上升的主要原因。
本发明的目的在于根本解决上述现有堇青石类陶瓷垫板材料的熔点低而引起的各种问题，提供一种陶瓷垫板材料，即使提高焊接电流，将垫板材料暴露于高温的条件下，也可以进行单面二氧化碳气体保护焊，从而能够大幅减少焊接层数，例如能够通过2层焊接厚度为22mm的焊接钢板。另外，本发明的目的还在于提供一种陶瓷垫板材料，不仅效率高，而且在背焊缝形状和熔渣的剥离性等焊接品质方面也具有与现有陶瓷垫板材料同等以上的性能。通过实现这种高效率焊接的适用，在焊接时可以不必在焊接钢板上设置根部缝隙，能够减少焊丝的消耗量，同时也能够将焊接变形抑制到最小。发明内容
本发明的单面二氧化碳气体保护焊用陶瓷垫板材料，其特征在于，含有SiO2 65～95重量％、Al2O3 3～20重量％、MgO 1～10重量％、1种以上选自Na2O和K2O的氧化物2～15重量％、以及1种以上选自Fe2O3、TiO2与CaO的氧化物0.5～5重量％。另外，将各种组分混合，压制成型，烧制而成的陶瓷垫板材料具有20～45％的孔隙率。而且，本发明的陶瓷垫板材料能够在其上面层合厚度为0.05～1.5mm的玻璃纤维，和/或能够在其下面设置具有排气孔的铝粘接带。附图说明
图1是本发明陶瓷垫板材料的剖面图。
图2是在焊接钢板上安装本发明陶瓷垫板材料的剖面图。
其中，1：陶瓷垫板材料；2：铝粘接带；3：玻璃纤维；4：断焊丝；5：焊丝；6：焊接钢板；7：双面胶带。具体实施方式
对构成上述本发明的陶瓷垫板材料的各种组分产生的作用效果进行的说明如下所示。
氧化硅(SiO2)是构成单面二氧化碳气体保护焊用陶瓷垫板材料的主要成分，本发明的陶瓷垫板材料含有氧化硅的范围为65～95重量％。如果氧化硅的含量低于65重量％，则垫板材料的耐热性降低，且焊丝的消耗量过多，同时在300～600A高焊接电流的条件下，焊接时由于垫板烧穿而导致焊接不良，从而不能实现垫板材料的作用。另外，如果氧化硅的含量超过95重量％，焊接时生成的熔渣的流动性降低，且熔渣易于固化，由于这样难于放出气体，背焊缝易于形成深凹状，在焊接质量方面不理想。
氧化铝(Al2O3)具有提高陶瓷垫板材料的耐热性，并且使焊接时生成的焊渣剥离性良好的作用，本发明的陶瓷垫板材料含有氧化铝的范围为3～20重量％。如果氧化铝的含量低于3重量％，则陶瓷的熔点降低，难以适用高焊接电流，同时也难以控制背焊缝的形状。另外，生成的焊渣的粘性也降低，焊渣的剥离性降低。另一方面，如果氧化铝的含量超过20重量％，则陶瓷的耐火度过高，因此生成的焊渣的粘性也过高，容易出现飞溅、咬边、焊瘤等焊接缺陷。
氧化镁(MgO)与氧化铝同时具有调节陶瓷垫板材料耐火度的作用，本发明的陶瓷垫板材料含有氧化镁的范围为1～10重量％。如果氧化镁的含量低于1重量％，则熔融金属的粘性过低，焊渣的剥离性降低，这样容易出现咬边、焊瘤等焊接缺陷。另一方面，如果含量超过10重量％，由于熔融金属的粘性过高，因而焊接时产生的焊接气体难于放出，伴随着气泡的出现或深凹状背焊缝的产生，容易出现焊接缺陷。
氧化钠(Na2O)和/或氧化钙(K2O)是具有使陶瓷的物性变化最小、增加机械强度或扩大烧成温度范围作用的必须组分。本发明中，以2～15重量％的范围含有1种以上选自Na2O和K2O的氧化物。如果这些组分的含量低于2重量％，则焊渣的粘性变低，出现形成的焊缝固化的现象，易于出现咬边等焊接缺陷。另一方面，如果含量超过15重量％，则陶瓷垫板材料的熔点降低，易于出现龟裂，同时对伴随焊接后快速冷却的热冲击的抗性降低。而且，生成的焊渣的粘性变得过高，难于放出气体。因此，易于使背焊缝的形状变成深凹状，另外大量产生气泡，多处出现焊接缺陷。
三氧化二铁(Fe2O3)、氧化钛(TiO2)和氧化钙(CaO)的金属氧化物具有在高温下调节陶瓷垫板材料构成组分的耐火度的助熔剂(Flux)的作用，与Na2O、K2O相同，能够增加陶瓷垫板材料的机械强度。本发明中，含有1种以上选自其中的氧化物0.5～5重量％。如果这些成分低于0.5重量％，则含量过少，不能在陶瓷垫板材料中发挥助熔剂的作用，另一方面，如果含量超过5重量％，则陶瓷垫板材料的耐火度显著降低，易于产生龟裂，或者在焊接后快速冷却时使对热冲击的抗性降低。
本发明的陶瓷垫板材料例如可以通过下述方法进行制备。首先将氧化硅、氧化铝、氧化镁粉末、或含有这些氧化物的例如高岭土、滑石、氧化铝的粉末作为原料，调整原料使其在本发明陶瓷垫板材料的组成范围内进行混合，接着压制成型，在约1300℃下烧结，形成具有所需形状的垫板材料。此时可以向陶瓷粉末中添加聚乙烯醇(PVA)或硬脂酸等有机粘接剂。
在这样形成的陶瓷垫板材料中，孔隙率优选20～45％。焊接垫板材料受到伴随焊接时骤热、骤冷的热冲击循环，产生非常大的热应力。如果垫板材料中的孔隙率在这个范围内，则具有缓和所产生的热应力的作用，能够提高对龟裂的产生和热冲击的抗性，结果能够防止陶瓷垫板材料对于热应力的破损，能够保护熔融金属。在本发明中，如果陶瓷垫板材料的孔隙率低于20％，则垫板材料的密度过于致密，由于热应力垫板材料易于破损。另一方面，如果孔隙率超过45％，则陶瓷垫板材料的机械强度过小，恐怕由于来自外部的冲击或搬运过程中陶瓷垫板材料会破损，同时在大气中放置时易于吸收大气中的水分，因此存在陶瓷垫板材料的熔点不稳定的缺点。
在本发明中，为了提高陶瓷垫板材料和焊接钢板的粘接性，另一方面发挥放出焊接时产生的气体并保护生成的熔融金属的作用，如图1所示，可以在陶瓷垫板材料的上面层合玻璃纤维后使用。玻璃纤维可以使用公知的物质，层合的玻璃纤维优选厚度在0.05～1.5mm的范围内。这是由于如果在该范围内，能够实现陶瓷垫板材料与焊接钢板的粘接性以及对熔融金属的保护。此时如图1所示，在玻璃纤维上面的一部分设置双面胶带，从而能够确实地固定玻璃纤维和焊接钢板。而且，如图1所示，为了用焊接钢板支撑垫板材料，可以在陶瓷垫板材料的下面设置由具有排气孔的粘接剂层与铝箔组成的铝粘接带。实施例
如图2所示，在焊接钢板上安装如上所述制备的单面二氧化碳气体保护焊用陶瓷垫板材料，进行焊接试验。试验中使用的陶瓷垫板材料的组成如表1所示，试验结果如表2所示。另外，本试验中，用2电极进行1层焊接后评价各种焊接性能。另外，与使用现有垫板材料的单面二氧化碳气体保护焊相比，显著提高了焊接电流，因此可以采用使断焊丝散布至焊接坡口内提高焊接效率的方法，但是也可以增加焊丝直径代替使用断焊丝，提高焊接效率。
表1 陶瓷垫板材料的组成(重量％) 孔隙率 (％)SiO2 Al2O3 MgO Na2O K2O CaO Fe2O3 TiO2实施例 1 73.6 17.9 3.1 3.26 1.34 0.34 0.31 0.15 33实施例 2 78.2 12.3 2.8 3.83 1.57 0.55 0.50 0.25 35实施例 3 83.4 7.2 1.8 4.61 1.89 0.47 0.42 0.21 36实施例 4 87.1 3.6 1.6 4.82 1.98 0.38 0.35 0.17 39实施例 5 90.3 3.3 1.4 2.98 1.22 0.34 0.31 0.15 41比较例 1 50.8 33.7 13.6 0.57 0.23 0.47 0.42 0.21 28比较例 2 65.4 25.7 5.3 0.85 0.35 0.59 0.54 0.27 31比较例 3 68.9 23.3 4.7 1.35 0.55 0.51 0.46 0.23 31
表2 区分 焊接试验结果 备注 咬边 焊渣的 剥离性 焊瘤 飞溅 气孔 陶瓷破 损背焊缝的形成实施例 1 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○：良好 △：普通 ×：不好实施例 2 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○实施例 3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○实施例 4 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○实施例 5 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○比较例 1 ( 不 能 焊 接 )比较例 2 × × × × × × ×比较例 3 △ ○ △ × △ ○ △
焊接条件如下。供试钢板：板厚22mm坡口形状：V坡口，角度50～60°，坡口宽度0～5mm焊接机：2电极单面二氧化碳气体保护焊接机焊丝：L极，1.6mmΦ，YM-55H(新日本制铁株式会社制)
T极，1.6mmΦ，SF-71(现代综合金属株式会社制)断焊丝：1.0mmΦ×2mm，YK-CM(新日本制铁株式会社制)焊接电流：320～580(A)焊接电压：33～47(V)焊接速度：22～53cpm密封气体：CO2，L极25升/分钟，T极30升/分钟焊接位置：向下焊接层数：2层
焊接性的评价通过用肉眼检查咬边、焊渣的剥离性、焊瘤、飞溅、陶瓷的破损状况以及背焊缝的形状，采用RT检查(放射线透过检查)和UT检查(超声波检查)检查气孔和气泡。
由表1和表2可以看出，具有本发明范围内的陶瓷垫板材料组成和孔隙率的实施例1～5背焊缝的形状良好，另外完全没有出现咬边、焊瘤、气孔等焊接缺陷。
另一方面，具有堇青石类陶瓷垫板材料组成的比较例1由于熔点低，因此在本焊接试验的电流值为320～580(A)的高电流焊接中，垫板材料溶损、烧穿，不能作为垫板材料使用。另外，增加Al2O3的含量并减少Na2O和K2O总量的为本发明范围外的陶瓷材料组合物—比较例2和3均由于耐火度过高，产生了许多焊接缺陷。
这就意味着增加Al2O3的含量等使陶瓷垫板材料的耐火度过高，产生的焊渣就不能在陶瓷垫板材料的表面(垫板材料与熔融金属的界面)稳定地生成，不能保护熔融金属，因此焊渣剥离性降低，易于出现咬边、飞溅、焊瘤等多种焊接缺陷。
按照本发明可以在高焊接电流条件下进行单面二氧化碳气体保护焊，例如能够通过2层焊接厚度为22mm的焊接钢板。这样可高效率地进行焊接作业，降低制造成本的效果也显著。另外，在背焊缝形状和焊渣剥离性等焊接品质方面，本发明也具有与现有陶瓷垫板材料同等以上的性能。而且，焊接时不必在焊接钢板上设置根部缝隙，能够减少焊丝的消耗量，同时也能够将焊接热变形抑制到最小。