陶瓷与不锈钢的焊接
李淑华1，董丽红1，李树堂2，叶明惠1
(1.军械工程学院机械制造教研室，河北石家庄050003;
2.大庆建筑经济事务所，黑龙江大庆163700)
摘 要：用电弧焊方法焊接陶瓷与不锈钢，研究了焊接电流、电弧长度等工艺参数对焊接质量的影响。结果表明，在陶瓷金属复合材料的陶瓷层上焊接不锈钢，焊接加热不仅可以改善复合钢管中陶瓷与金属的结合方式，在焊接区实现陶瓷与金属的微冶金结合，而且焊接后的陶瓷内衬复合钢管的压 剪强度明显增加，焊缝为柱状枝晶组织，焊接熔合区的陶瓷受焊接热作用由原来的树枝晶改变为细小的等轴晶，陶瓷与母材呈现微冶金结合方式，焊接热影响区陶瓷仍保留树枝晶特征。
关键词：焊接；陶瓷；不锈钢；热影响区
中图分类号:T Q174.75;T G113.26+3 文献标识码:B 文章编号:1000 3738(2001)05 0029 03
The Welding of Ceramic/Stainless Steel
LI Shu hua1,DONG Li hong1,LI Shu tang2,YE Ming hui1
(1.Ordnance of Engineering College,Shijiazhuang050003,China;
2.Daqing Architectural Econom y Bureau,Daqing163700,China)
Abstract:T he cer amic and stainless steel w ere w elded by the arc w elding process.T he influence o f the w elding cur rent and ar c lengt h on the welding quality w as investig ated.T he results showed that the bond strength between t he ce ramic and metal in the ceramic lined pipes was improv ed by the w eld heating process.T he micrometallurg ical combinat ion between cer amic and metal in the welding zone w as realized.After w elding,the pressure shear str ength of composite steel pipe was incread obviously.T he structure of w eld line w as columnar dendr ite structure.T he dendrite structur e in the fusion welding zone was tr ansformed into mini equiax ed g rain structure owing to the effect of the weld heating process. M eanw hile,the ceramic of dendr ite structure kept up or iginal patterns in the heat affected zone and other zones.
Key words:welding;cer amic;stainless steel;heat affected zone
1 引 言
陶瓷以其比重小、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、隔热、绝缘等优异性能正倍受重视，如将其与塑性及韧
性高且抗温度冲击能力强的金属结合在一起，必将构成为一种具有潜力的新型材料[1]。但陶瓷和金属相互结合时在界面上存在着化学及物理性能差异，特别是化学键差异较大，一般情况下难下实现有效的连接[24]，因此陶瓷与金属的连接成为近几年来异种材料连接研究的重点[5,6]。本工作采用电弧焊方法，利用SH S铝热重力分离法制备的陶瓷金属复
收稿日期:2000 05 15；修订日期:2000 07 28
基金项目：学院科研基金项目(XYJ00005)
作者简介：李淑华(1966-)，女，军械工程学院讲师，硕士合材料，在Al2O3陶瓷表面与不锈钢表面的交界处进行焊接，研究了焊接工艺参数对陶瓷层以及焊接过程对陶瓷与金属界面反应的影响。笔记本电脑那种好
2 试验材料与试验方法
选用本院自蔓延课题组用SH S铝热重力分离法生产的 24mm 4.0mm 400mm的陶瓷内衬复合钢管，其中陶瓷层厚1.52.0mm，焊接试验前将陶瓷内衬复合钢管的外表面的不锈钢层用砂轮打磨掉，整个待焊表面为Al2O3陶瓷表面，焊接时从侧面不锈钢层上引弧，逐渐移弧焊至整个陶瓷层，为了控制焊接温度，焊接过程采用断续灭弧焊法。焊接材料选用天津大桥牌 2.0m m的奥102不锈钢焊条；焊接电流6065A，焊接电压1921V。
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第25卷第5期2001年5月
机 械 工 程 材 料
M aterials for Mechanical Engineering
Vol.25 No.5
May2001
3 焊接结果与讨论
3.1 焊接工艺参数对焊接质量的影响
试验中发现焊接温度对焊接质量有很大影响。电流又是影响焊接温度的主要因素。由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料，相互结合时在界面上存在化学及物理性能差异，焊接时陶瓷材料很难被润湿。当焊接电流过小时，熔化金属在接头上往往只形成球珠，或者熔渣夹杂在陶瓷与金属间，使陶瓷与金属不能焊在一起。而焊接电流过大时，又由于复合钢管和陶瓷层都比较薄，如焊接溶池温度控制不好，
容易使陶瓷层和复合钢管被烧穿形成废品。只有当焊接电流控制比较适宜时(本试验为6065A)，熔池中的熔渣被电弧吹出，熔化的金属在金属一侧形成溶池后逐渐在陶瓷上铺展开，陶瓷与金属由平面相连的机械结合转变为具有凹凸起伏的微冶金结合方式(见图1、图2)，使陶瓷与金属的结合强度明显增强(焊接前陶瓷内衬复合钢管压 剪强度为18.72MPa，焊接后为34.46M Pa)
。
图1 焊接前陶瓷与金属的界面状况 80 Fig.1 T he interfaci al conditi on of ceramic and
metal before w
elding
图2 焊接后陶瓷与金属的界面状况 150 Fig.2 T he interfaci al conditi on of ceramic
and metal after w eldi ng
焊接过程中还发现电弧长度对焊接质量也有很大影响。当采用长弧焊接时，其过程一方面对金属计算机实践报告
和陶瓷有一定的预热作用，有利于陶瓷金属的焊接，另一方面由于长弧时电弧对熔池的吹力减弱，使本来就不易产生润湿的陶瓷与金属之间的熔渣难以吹出而妨碍陶瓷与金属的结合；当短弧焊接时，电流适当增加，可以依靠电弧吹力吹出陶瓷与金属间的熔渣，当控制熔池铺展得比较好时，即可实现陶瓷与金属的焊接，这在某产品生产过程中得到了证实。3.2 试样的显微组织
图1为SHS 铝热重力分离法制备的陶瓷内衬复合钢管陶瓷与不锈钢的结合状况，可见陶瓷与金属结合界面清晰、平直，是一种机械结合方式。图2是焊接后焊接区陶瓷与金属界面的结合状况，可见陶瓷与金属界面已变成具有凸凹不平的微冶金结合方式。图3为焊接熔合区陶瓷与金属的结合状况。焊接区陶瓷受焊接热过程作用变为细小的等轴晶(图3左)，焊缝受定向散热影响为柱状树枝晶(图3右)，由奥氏体和铁素体构成，陶瓷与金属呈现出微冶金结合方式。图4为焊接后热影响区的陶瓷组织，可见热影响区陶瓷层的组织结构与其采用SH S 铝热重力分离法制备的原始复合材料显微组织基本相同，仍保留具有沿径向的树枝晶特征
[7]
。
图3 熔合区陶瓷与金属的结合 450 Fig.3 T he combi ne of ceramic and metal in the
fusion w eldind
zone
图4 焊接后热影响区陶瓷显微组织 200 Fig.4 The microsturcture of ceramic in the heat affected
zone after w elding
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4 结 论
(1)采用电弧焊方法焊接陶瓷与不锈钢时，焊接工艺参数对焊接质量影响至关重要。当焊接电流太大时，陶瓷与金属被击穿，难以实现有效焊接；当焊接电流过小时，陶瓷材料很难被润湿，熔化的金属在陶瓷层上只形成球珠，或者熔渣夹在陶瓷与金属界面间，使陶瓷与金属不能有效连接到一起。在本试验条件下，焊接电流6065A，电弧长度适中(约为1mm)时基本实现了陶瓷与金属的焊接。
(2)电弧焊方法焊接陶瓷与不锈钢基本不改变热影响区陶瓷层原始显微组织结构，但是可以使陶瓷与金属的结合方式发生变化，结合强度显著增强，焊缝金属为柱状树枝晶组织。参考文献:
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(上接第23页)
将 和(1/2)S2 sin2作图，则有:
!
=
, ((1
2
)S2sin2)
计算可以得到图3。按照最小二乘回归后得到此T iN薄膜中的应力为-4.2GPa。
社会环境分析
4 结 论
本文利用Voig t、Reuss和Kroner模型计算了具有丝织构的TiN薄膜在不同的应力测试方向上的弹性常数和X射线弹性常数。结果表明当薄膜具有较强的丝织构时会使弹性常数在不同测试方向上呈现不同的数值。计算的X射线弹性常数S1和(1/ 2)S2在低角区域发生较大程度弯曲，弯曲形式与实测的PVD T iN薄膜的X射线应力测试曲线非常近似，并利用得到的X射线弹性常数试求了PVD T iN薄膜的残余应力，应力值为-4.2GPa。
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森林报冬读后感
