不銹鋼焊條的配方設計課程設計

1、機電工程學院課程設計說 明 書課題名稱： E309-16焊條的配方設計 學生姓名： 學號： 專 業(yè)： 材料成型及控制工程 班級： 成 績： 指導教師簽字： 20 年 月 日專業(yè)課程設計任務書題目：E309-16焊條的配方設計學生姓名： 班級： 設計依據：1、母材為2205雙相不銹鋼 2、制造電焊條生產工藝：壓涂機壓涂 設計步驟： 1、根據焊縫金屬的使用性能要求，初步擬定焊縫金屬的合金系統(tǒng)。 2、根據工件的焊接性（例如：抗裂性如何）修訂焊縫的合金系統(tǒng) 3、根據實際的生產條件，確定合金化的方式，并且選擇焊芯。 4、根據焊縫合金系統(tǒng)的特點及使用性能要求，確定藥皮的類型和焊條配方的渣系。 5、估算合金

2、的損失，從而確定藥皮合金劑的種類和數量。 6、根據焊縫的性能，焊條的工藝性能和制造方面的要求，考慮原材料的來源及經濟合理性等方面的情況，確定焊條藥皮的最初配方。 指導教師： 目錄1、國內外焊條的現狀2、雙相不銹鋼及焊材的成份及性能分析3、雙相不銹鋼的焊接性分析4、焊芯的選定5、藥皮類型及渣系的確定6、藥皮配方的設計 6.1藥皮的組成 6.2 藥皮配方中各組成成分的作用 6.3 K值的確定 6.4 藥皮組成物的配比的計算 6.5 焊條配方1、 國內外焊條的現狀 我國從五十年代開始研制和生產不銹鋼焊條，1997年我國不銹鋼焊條的總產量為7000多噸。近年來我國不銹鋼的消費量快速增長，2004年國產

3、不銹鋼焊條已超過35000噸，預計2006年國產不銹鋼焊條將達50000噸左右。自五十年代開始研制的不銹鋼焊條，主要是沿襲原蘇聯的鈦鈣渣系及原料體系，它具有成本低，易壓涂，抗氣孔好，機械性能好等優(yōu)點，但與歐洲名牌同類不銹鋼焊條相比焊條發(fā)紅嚴重、飛濺大、脫渣及成形差、焊接效率低、浪費大、因此自七十年代中期到八十年代前期，針對國內進口的瑞典AVESTA公司綠P5焊條國內一些科研院校與焊條生產企業(yè)共同合作，就不銹鋼焊條藥皮發(fā)紅脫落原因及解決途徑進行了研究。到八十年代，人們一方面認為他們的研究工作很有意義，獲得很多進展；另一方面經對這幾家研制的焊條實際測試后，也認為仍與國外產品存在明顯差距。但從那時起

4、，國內這方面的研究工作就處于踏步不前的狀況，從80年代前期到九十年代前期的十年間因內尚無有份量的不銹鋼焊條研究文獻。從九十年代初期開始，國內不銹鋼焊條研究漸趨活躍。先是太原工大王寶、孫咸等人在前期工作的基礎上研究了不銹鋼焊條工藝設計的基本原則和途徑，在不銹鋼焊條設計理論上取得了重要突破，并因此獲得2000年國家科技進步二等獎；后是冶金部建筑研究總院唐伯鋼在九十年代中期消化吸收國外的先進技術，成功完成國產不銹鋼新型焊條的系列化改進提高，并成功興辦北京金威焊材有限公司，做到理論與實踐的完美結合，自1994年始生產至今，其不銹鋼焊條生產已達年產3000噸以上。 九十年代后期到本世紀初期，國內不銹鋼焊

5、條研究如雨后春筍般集中開展，雖就其水平本身未超過上述兩家現有水平，但對于活躍學術氣氛，加強學習交流仍有益處。 國外不銹鋼的工業(yè)化生產始于二十年代初期，隨后出現相應的不銹鋼焊條，成熟的不銹鋼焊條產品出現于1965年左右，以歐洲國家為代表，尤其是西歐的瑞典，人口僅800萬左右，且集中產生了ESAB、AVESTA和SANDVIK等世界級的不銹鋼焊材企業(yè)，其中AVESTA的野牛牌不銹鋼焊條更是世界不銹鋼焊條的典范。日本、臺灣及有南亞國家的不銹鋼焊條其技術根基在歐洲。國內不銹鋼焊條整體上與國外先進水平相比存在六大問題，急待解決和研究：1、 發(fā)紅問題及抗發(fā)紅焊條。2、氣孔問題及抗氣孔性能的提高，一般認為不

6、銹鋼氣孔屬氫氣孔，在焊后最后一段或焊縫前部或多層焊時易發(fā)生可見氣孔。3、效率問題及高效焊條。4、滲碳問題及超低碳系列焊條，超低碳焊條是國內外不銹鋼焊條發(fā)展的重點，為獲得超低碳焊縫必須要求藥皮不增碳及焊芯超低碳。5、特種焊條。a、具有高溫耐腐蝕性能的專用焊能(抗蠕變斷裂強度和延伸率高)b、耐晶間腐蝕性極好且-196沖擊韌性高的尿素級不銹鋼焊條。c、耐汽蝕堆焊用不銹鋼焊條。d、焊接性差的鉻不銹鋼專用焊條。e、耐吸潮不銹鋼焊條。f、定向下焊專用不銹鋼焊條如AVESTAVDX330，PHILIPSBM316-V。g、定位焊專用不銹鋼焊條如PHILIPSBM316L。 2、 雙相不銹鋼及焊材的成份及性能

7、分析 雙相不銹鋼化學成分雙相鋼的最主要合金元素是Cr、Ni、Mo和N。其中Cr、Mo為增加鐵素體含量，而Ni、N為奧氏體穩(wěn)定元素。有些鋼種還有Mn、Cu、W等元素。Cr、Ni、Mo能改進抗腐蝕性。在含氯化物的環(huán)境中其抗點蝕及裂縫腐蝕的性能特別好。 CSiMnPSNiCrMoN0.0301.002.000.0300.0154.506.5021.0023.002.903.500.140.20 雙相不銹鋼機械性能在-50度280度溫度范圍時，雙相不銹鋼具有很好的機械性能，當雙相鋼長期承受300度以上高溫時，其微機組織會發(fā)生變化。含量的奧氏體鋼種相比，雙相鋼和超級雙相鋼基體材料具有類心抗點蝕和裂紋腐蝕

8、性能，但一般具有極好的抗應力腐蝕有機酸腐蝕的能力。在工業(yè)界按照孔蝕抗力當量值PREN來表示抗點蝕等級是眾所周知的。 機械切削性 在高速的機床上,2205 合金的進給率和切削速度和316L 是一樣的。如果采用炭化刀,切割速度與316L 相比降低了大約20%,機器設備及其部件的性能在此起著關鍵性的作用。 熱處理性能 2205 合金應在最低為1900°F 的溫度下進行退火處理,然后迅速冷卻,進行水淬火。這項處理應用于固熔退火及應力解除。應力解除處理如在低于1900°F 的溫度下進行,容易導致有害的金屬或非金屬相位的析出。 3、 雙相不銹鋼的焊接性分析 雙相不銹鋼在溫室下固溶體中奧

9、氏體和鐵素體約各占半數，兼有兩相組織特征。它保留了鐵素體不銹鋼導熱系數小、耐點蝕、縫隙及氯化物應力腐蝕的特點、又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學性能和焊接性能好的優(yōu)點。 在性能上的突出表現屈服強度和耐應力腐蝕、雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼的屈服強度高近1倍，同樣的壓力等級條件下，可以節(jié)約材料。比奧氏體不銹鋼的線性熱膨脹系數低，與低碳鋼接近。使得雙相不銹鋼與碳鋼的連接較為合適，這有很大的工程意義。鍛壓及冷沖成型不如奧氏體不銹鋼。 焊接性：雙相不銹鋼2205具有良好的焊接性，焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性都較小。通常焊前不預熱，焊后不熱處理。由于有較高的氮含量，熱影響區(qū)的單相鐵素

10、體化傾向較小，當焊接材料選擇合理，焊接線能量控制當時，焊接頭具有良好的綜合性能。熱裂紋：熱裂紋的敏感性比奧氏體不銹鋼小的多。這是由于含鎳量不高，易形成低熔點共晶的雜質極少，不易產生低熔點液膜。另外，晶粒在高溫下沒有急劇長大的危險。熱影響區(qū)脆化：雙相不銹鋼焊接的主要問題不在焊縫，而在熱影響區(qū)。因為在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài)，冷卻后總是保留更多的鐵素體，從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋（脆性）敏感性。焊接頭的氫致裂紋：雙相不銹鋼焊接接頭的氫脆通常發(fā)生于相，且氫脆的敏感性隨焊接時峰值溫度的升高而增加。其微觀組織的變化為：峰值溫度增加，相含量減少，相含量增加，同時由相邊界和內部析出的Cr

11、2N 量增加，故極易發(fā)生氫脆。 接頭的應力腐蝕開裂：母材和焊縫金屬中的裂紋都起始于/界面的相一側，并在相內擴展。奧氏體（）由于其固有的低氫脆敏感性，因此，可起到阻擋裂紋擴展的作用。由于DSS 中含有一定量的奧氏體，所以其應力腐蝕開裂傾向性較小。 焊接冶金：雙相不銹鋼焊接過程中，在熱循環(huán)的作用下、焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織發(fā)生著一系列的變化。在高溫下，所有的雙相不銹鋼的金相組織全部由鐵素體組織，奧氏體是在冷卻過程中析出的。奧氏體析出的多少受諸多因素的影響。4、 焊芯的選定 焊芯的選擇原則上要和母材的化學成分相近，這樣是熔合后的焊縫成分與母材相近，從而提高焊接構件的使用性能。不銹鋼焊條施過程中焊條熔

12、化至整根長度2/3時，焊條尾部會發(fā)紅（甚至藥皮開裂）、飛濺增大、焊縫凸起、焊縫成形惡化、脫渣困難。產生上述現象的主要原因是由于奧氏不銹鋼焊芯的電阻率大、導熱性差；不銹鋼焊接多數采用短弧焊接，所以熔摘過濾形式以大熔滴短路過渡較多，而短路過渡期間焊接電流很大，焊芯電阻產生的熱量占電弧熱份額很大，奧氏體導熱很慢，隨著焊接時間的增加，奧氏體不銹鋼焊芯的電阻不斷上升，致使焊至整根焊條長約2/3時，焊條尾部便會發(fā)紅。又由于不銹鋼焊芯線脹系數較大（比H08A焊芯的線脹系數大50），當焊接尾部發(fā)紅時，焊芯尺寸有較大的申長和擴展，使藥皮強度承受極大的擴張力（藥皮線脹系數與焊芯想線脹不一致，且藥皮強度低于焊芯的強

13、度）而導致藥皮開裂，使焊條工藝性急劇下降。為了減少或避免不銹鋼焊條的尾部發(fā)紅和藥皮開裂現象，一般改變焊芯材質，采用鉻不銹鋼或低碳鋼焊芯。例如以H08A為焊芯。在藥皮中加入鐵粉和鉻、鎳的原材料，通過藥皮過度合金元素方式而獲得提高熔敷效率的不銹鋼焊條。該焊條施焊時電弧穩(wěn)定，熔渣流動良好，脫渣容易且藥皮不發(fā)紅，無藥開裂現象。H08A焊芯化學成分（%)牌號成分C Mn Si S Ni Cu Cr含量 0.10 0.30-0.55 0.030.030 0.30 0.20 0.20 5、 藥皮類型及渣系的確定不銹鋼焊條的設計主要是保證熔敷金屬的化學成分，由于采用H08A焊芯，因此需要通過藥皮過渡大量合金元

14、素，這是一種價格低、熔化速度快的方案，熔敷金屬中的Cr和Ni主要靠在藥皮中加入金屬鉻和金屬鎳來實現。為了減少合金元素在焊接過程中的燒損，合金粉末的顆粒度宜選在60200目之間。不銹鋼焊條藥皮類型一般都是沿用鈦型、鈦鈣型和低氫型。由于鈦鈣型藥皮具有熔渣流動性良好,脫渣容易,電弧穩(wěn)定,熔深適中,飛濺少,焊波整齊,適用于全位置焊接和焊接電源為交流或直流正、反接等優(yōu)點，因此選擇鈦鈣型藥皮。6、 藥皮配方的設計 6.1藥皮的組成 焊條熔敷金屬的化學成分如下表所示。結果表明，熔敷金屬的化學成分和2205不銹鋼母材的化學成分接近。根據母材的化學成分確定熔敷金屬的化學成分如下： 熔敷金屬化學成分(%)化學成分

15、CMnSiSPCuNiMoCr保證值0.150.52.50.900.0300.0400.7512.014.00.7522.025.0低碳鋼芯不銹鋼焊條藥皮的參考配方藥皮材料藥皮配方設計范圍/%藥皮材料藥皮配方設計范圍/%Cr18Ni9焊條Cr18Ni9Nb焊條Cr18Ni9焊條Cr18Ni9Nb焊條金紅石鈦白粉大理石長石冰晶石金屬錳202525249134634182225359134634金屬鉻鎳粉氟化稀土低度鈮鐵純堿其余25301013230.5152530101323240.515 6.2 藥皮配方中各組成成分的作用 焊條藥皮是由各種礦物類、鐵合金有機物和化工產品（水玻璃類）等原料組成。

16、焊條藥皮的組成成分相當復雜，一種焊條藥皮的配方中，組成物有七八種之多。 焊條藥皮的成分比較復雜，根據不同用途，有下列數種： 1） 穩(wěn)弧劑。是一種容易電離的物質，多采用鉀、鈉、鈣的化合物 ，如碳酸鉀、長石、白堊、水玻璃等，能提高電弧燃燒穩(wěn)定性，并使電弧易于引燃， 2） 造渣劑。都是些礦物質，如大理石、錳礦、赤鐵礦、金紅石、高嶺土、花崗石、長石、石英等。造成熔渣后，主要是一些氧化物，其中有酸性的二氧化硅、二氧化銻、五氧化二硫等，也有堿性的氧化鈣、氧化錳。一氧化鐵等。 3） 造氣劑。有機物，如淀粉、糊精、木屑等；無機物，如碳酸鈣等。，這些物質在焊條融化時能產生大量的一氧化碳、二氧化碳、氫氣等，包圍電

17、弧，保護金屬不被氧化和氮化。 4） 脫氧劑。常用的又錳鐵、硅鐵、鈦鐵等。 5） 合金劑。常用有錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、釩鐵等鈦合金。 6） 稀渣劑。常用螢石或二氧化鈦來稀釋熔渣，以增加其活性。 7）粘接劑。用水玻璃，起作用使藥皮各組成粘結起來并粘結于焊芯周圍。 6.3 K值的確定 藥皮厚度大小決定了焊條橫截面焊芯與藥皮所占面積之比（或焊芯體積與藥皮體積之比），亦即藥皮組成物在焊接過程中參加反應的數量，由于藥皮的密度取決于藥皮組成物及其含量，通過藥皮質量系數可以表示不同類型藥皮在焊條中所占的比例： 公式1 K- 焊條藥皮質量系數（%）； m1-焊條藥皮質量； m- 有藥皮部分的焊芯的質量。一般來說，焊

18、條藥皮取K=0.40.6較適宜。主要靠藥皮過渡的素的焊條藥皮質量系數應高于一般焊條。同時焊條套筒長度和電弧吹力隨藥皮的增厚而增大，有利于提高焊接效率和焊接過程中的穩(wěn)定性，但對全位置焊不利。 因為該渣系的配方主要是靠藥皮過渡合金，所以K取大，取K=0.60-0.75 6.4 藥皮組成物的配比的計算 藥皮中合金劑的加入量范圍可根據下面公式得到： 公式2式中 Cc - 藥皮中應加入的某合金元素量（%）； Cw- 要求該元素在焊縫熔敷金屬中的含量（%）； CR - 該元素在焊芯中的濃度（%）； K - 藥皮質量系數； - 合金元素的過渡系數。熔敷金屬化學成分(%)化學成分CMnSiSPCuNiMoCr保證值0.150.52.50.900.0300.0400.7512.014.00.7522.025.0 焊條熔