低碳钢芯不锈钢焊条的配方设计

1、焊接原理课程设计任务书机电工程学院 专 业 课 程 设 计 任 务 书课题名称： 低碳钢芯不锈钢焊条的配方设计 学生姓名： 石明 学 号：20100601118 专 业：材料成型及控制工程 班 级： 10材控1班 成 绩： 指导教师： 杨 莉 目 录0 引言31 0cr18ni9不锈钢焊缝金属的性能及可焊性分析41.2 0cr18ni9不锈钢焊缝金属的性能5121 容易出现热裂纹61.22 晶间腐蚀61.23 应力腐蚀开裂61.24 焊缝金属的低温脆化61.25 焊接接头的 相脆化61.3 0cr18ni9不锈钢的可焊性分析72 焊条的制造工艺流程82.1 焊芯制备及原材料准备82.2药皮配料

2、及压涂82.3 烘焙93 焊条的配方设计93.1合金化方式103.2 焊芯的选定10 3.3 k值得确定.103.4 药皮组成物的配比的计算.113.5 药皮配方的初步拟定.114 试验的调整114.1药皮的类型和渣系的选择114.1.1药皮的类型114.1.2渣系的选择124.2 药皮配方的确定125 焊条配方的调试及工艺性能的测试135.1焊条配方的调试135.2 焊条的工艺性能测试结果135.3 焊条熔敷金属的化学成分测试136结论13参考文献141 0cr18ni9不锈钢焊缝金属的性能及可焊性分析1.1 0cr18ni9不锈钢的性能0cr18ni9不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢

3、，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。在大气中耐腐蚀，如果是工业性气氛或重污染地区，则需要及时清洁以避免腐蚀。 该钢适合用于食品的加工、储存和运输。具有良好的加工性能和可焊性。 0cr18ni9不锈钢是使用最多的一种奥氏体型不锈钢，该钢不能采用热处理得到强化，但经过冷加工变形可达到提高强度的目的。0cr18ni9不锈钢的化学成份如表1.1.1。表1.1.1 0cr18ni9不锈钢的化学成份名称csimnpscrni0cr18ni90.081.002.000.0350.03017.0-19.08.0-10.5 该钢具有良好的冷、热加工性能，无磁性，有很好的低温性能，并具有在氧化酸性（h

4、no3）中优良的耐蚀性。其焊接件有较好的耐晶间腐蚀性，在碱液、大部分无机酸和有机酸及大气、水、蒸汽中均有好的耐蚀性。该钢的冷、热加工性能良好，可生产锻件、棒材、板、带、丝，可用各种通过焊接方法焊接。0cr18ni9不锈钢因各种性能优良，因而在不锈钢中用量最大，使用面最广。适用于石油化工、轻工、纺织、核工业中，用于制造深冲成形件及输送腐蚀介质管道、容器、结构件，也可用于制造无磁、低温设备零件。0cr18ni10钢具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能，冲压弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象，无磁性。0cr18ni9不锈钢管的力学性能如表1.1.2。表1.1.2 0cr18ni9不锈钢的力学

5、性能母材屈服强度（mpa)抗拉强度（ mpa）伸长率（%）断面收缩率（%）硬度ocr18ni9 205 5204060187hbs1.2 0cr18ni9不锈钢焊缝金属的性能121 容易出现热裂纹防止措施：（1）尽量使焊缝金属呈双相组织，铁素体的含量控制在3- 5%以下。（2）尽量选用碱性药皮的优质焊条，以限制焊缝金属中s、p、c等的含量。1.22 晶间腐蚀根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到450- 850敏化温度区时在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，不足以抵抗腐蚀的程度。防止措施：（1）采用低碳或超低碳的焊材，如a002、a137、a132 等；（2）由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体

6、形成元素，使焊缝金属成为奥氏体+ 铁素体的双相；（3）减少焊接熔池过热，选用较小的焊接电流和较快的焊接速度，加快冷却速度；（4）对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件进行焊后稳定化退火处理。1.23 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。防止措施：（1）合理制定成形加工和组装工艺，尽可能减小冷作变形度，避免强制组装；（2）合理选择焊材，焊缝与母材应有良好的匹配，不产生任何不良组织；（3）采取合适的焊接工艺，保证焊缝成形良好，不产生任何应力集中或点蚀的缺陷；（4）消除应力处理，焊后热处理，如焊后完全退火，在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等；（5）生产

7、管理措施，介质中杂质的控制，如o2、n2、h2o 等；（6）防蚀处理，如涂层、衬里或阴极保护等。1.24 焊缝金属的低温脆化对于奥氏体不锈钢焊接接头，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时，焊缝组织中的铁素体的存在总是降低低温韧性。防止措施：通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝。1.25 焊接接头的 相脆化焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的 相，导致整个接头脆化，塑性和韧性显著下降。 相的析出温度范围650-850。在高温加热过程中， 相主要由铁素体转变而成。加热时间越长， 相析出越多。防止措施：（1）限制焊缝金属中的铁素体含量（小于15%）；（2

8、）采用小规范，以减小焊缝金属在高温下的停留时间；（3）对已析出的 相在条件允许时进行固溶处理，使 相溶入奥氏体。经过以上对0cr18ni9奥氏体不锈钢的性能分析，初步拟定焊缝金属的合金成分，如表1.2.1。表1.2.1 焊缝金属的合金成分名称csimnpscrni0cr18ni90.081.02.00.030.0218.09.02 0cr18ni9不锈钢的可焊性分析0cr18ni9属于奥氏体不锈钢，其组织为奥氏体（a)加3-5 铁素体（f ）。它具有良好的塑性和高温、低温性能。它在焊接热循环的作用下，主要显示出以下基本要求： 焊接过程中采用小的线能量输入，减小热影响区范围，加快焊缝及热影响区的

9、冷却速度对不锈钢的焊接是有益的。 用0cr18ni9焊接时导热系数小，存在过热区，也容易造成热影响区的晶粒长大。焊缝高温停留时间过长，在高温状态下cr和c形成化合物，在高温区就形成了贫铬层，也会导致焊缝的枝晶倾向加剧。因此要求尽量选择线能觉输入较小的焊接方法。 由于导热系数小而线膨胀系数大，自由焊态下焊接易产生较大的变形，选用能量集中，热影响区窄的焊接方法能在一定程度上减少焊接变形。0cr18ni9的含碳量很小，在加上它属于高合金钢碳当量法对它焊接性能的估算是不怎么准确的。因此我们不用碳当量对它的焊接性进行分析。 0cr18ni9属于奥氏体不锈钢，这类钢有具有交高的变形能力并不可淬硬，而且它的

10、含碳量又很底，所以总的来说焊接性还是不错的。但是由于热导率低，热膨胀系数大，局部加热时温度分布不均匀，收缩量大等都将使接头在焊接过程中产生交大的内应力。在焊接的时候应该注意这方面的问题，焊接时尽量避免或减少这种受热不均显现的发生，焊接的速度也应该适当的快点。为确保不锈钢焊缝的力学性能和耐腐蚀性能，首先要保证焊缝金属的化学成分。（1） c含量的控制 c在焊缝中存在时容易形成碳化铬，使奥氏体晶粒界面上贫cr，从而降低了金属的耐晶间腐蚀性能，破坏了晶粒间的连接作用，易形成腐蚀裂纹。因此，在配方设计过程中，将c含量控制得愈低愈好，一般控制在w(c)86.69%为宜。（2） si、cr含量的控制 si、

11、cr是铁素体形成元素，使焊缝形成（f+a）双相组织，可以防止热裂纹的产生。焊缝金属内w(si)含量一般控制在0.8%左右，既不影响新渣系的工艺性能，又不影响焊缝的耐腐蚀性能。当w（si）1.2%，对耐腐蚀性能（特别是在hno3介质中）会产生不利影响。焊缝金属的cr在氧化性介质中能很快生成一层富cr的氧化膜，提高金属的耐腐蚀能力。因此，cr是决定不锈钢耐腐蚀性能的主要元素，在调整配方中加入一定量的cr来补充焊接时焊芯中cr的烧损，w（cr）应控制在18.5%20.5%为宜。（3） mn，ni含量的控制mn能有效地稳定奥氏体不锈钢焊缝组织，在焊缝中一般将 w（mn）控制在1.1% 左右时，具有较好

12、的力学性能。含量过低，会使钢的强度偏低；过高使塑性降低，并会稍微降低焊缝金属的耐腐蚀性。ni是奥氏体形成元素，在不锈钢焊缝金属中能稳定奥氏体组织，提高耐腐蚀能力。在配方设计中要加入w（ni）10%左右，以保证焊缝金属中的ni含量。（4） nb含量的控制nb在不锈钢焊缝中与c的亲合力比cr大，常能与c生成稳定的nbc，因而对消除晶间腐蚀极为有利。在配方设计中，加入量应适当，w（nb）一般应大于w(c)8倍以上，即能大大改善耐晶间腐蚀性能和工艺性能。 众所周知，s、p是有害元素，其含量控制得愈低愈好。根据以上分析修定焊缝的合金系统，如表1.3.1。表1.3.1 修订后的焊缝合金系统名称csimnp

13、、snbcrni0cr18ni90.020.801.10.010.0419.69.83 焊条的配方设计电焊条设计原则是技术可行，符合相关国家规定的各项性能要求，能进行机械化生产，经济效益好，卫生指标先进，符合环保要求。电焊条设计的依据是被焊母材的化学成分、力学性能、被焊件的工作要求（如抗氧化性、耐热性、低温韧性、耐磨性、耐腐蚀性等）、现场施工条件（如交、直流焊接）、焊条制造成本、制造工艺及使用工艺要求等。3.1合金化方式合金化就是把所需要的合金元素，通过焊接材料过渡到焊缝金属(或堆焊金属)中。合金化的目的：(1)补偿焊接过程中由于氧化、蒸发等原因造成的合金元素的损失；(2)改善焊缝金属的组织和

14、性能；(3)获得具有特殊性能的堆焊金属。常用的合金化方式有：应用合金焊丝；应用药芯焊丝或药芯焊条；应用合金药皮或粘结焊剂；应用合金粉末；应用熔渣与金属之间的置换反应。3.2 焊芯的选定低碳钢芯不锈钢代用焊条的理论依据是:铬镍合金焊芯的成分中cr:17%19%,ni:8%11%,能焊接与之相近成分的奥氏体不锈钢如cr18ni9、cr18ni9nb等;而低碳钢焊芯(h08)不含铬、镍,要达到能焊接高铬镍成分不锈钢的要求,则必须从焊条药皮中过渡等含量的合金元素尤其是铬和镍,才能保障焊缝金属室温组织仍是单相奥氏体,使焊缝金属既满足力学性能要求,又能达到抗腐蚀的目的。使用低碳钢芯(h08e)代替铬镍合金

15、钢焊芯制造不锈钢焊条。为保障焊缝金属化学成分满足不锈钢要求,药皮厚度在正常的奥氏体不锈钢焊条(外径6.4 mm/4.0 mm焊芯)基础上以0.2 mm的厚度递增,即试验焊条外径分别为6.4、6.6、6.8、7.0、7.2、7.4mm。低碳钢h08e可以作为不锈钢代用焊条的焊芯,但药皮厚度应相应增加以提高合金的过渡系数。合金的过渡系数随焊条药皮厚度的增加而增加,但药皮厚度太大,会降低焊条的工艺性能,当焊芯直径为4.0mm时,药皮外径以7.00mm为适宜。使用低碳钢h08e作焊芯时,焊接工艺性能明显改善,药皮无发红和脱落现象,且代替了价格昂贵的不锈钢焊芯,焊条总的成本大约下降30%。3.3药皮的类

16、型0cr18ni9是典型的奥氏体不锈钢，不锈钢焊条的设计主要是保证熔敷金属的化学成分，而化学成分的获得以相应的不锈钢芯为主，以药皮过渡合金元素为辅。不锈钢焊条药皮类型一般都是沿用钛型、钛钙型和低氢型。钛型或钛钙型药皮由于电弧穿透力较弱，适于薄板平焊。不锈钢焊芯电阻系数大，交流弧焊比直流弧焊更易使焊条发红，因此在药皮配方设计上宜采用低氢型药皮，以适应全位置中厚度不锈钢板的焊接。3.4渣系的选择根据焊缝合金系统的特点及使用性能，我们采用如下五元渣系:caf2 :精选萤石粉, al2o3 :加入适量的al 粉;cao :精选优质石灰;mgo :电熔镁砂; tio2 。此五元渣系的熔点为1220 12

17、40 ,1550 时的粘度为0. 32 泊。在五元渣系中我们加入了mgo 和tio2 。渣中加入( tio2)是为了通过石墨电极化渣过程生成一定量的( ti3o5 ) 。( ti3o5) 是复合的大离子半径的原子团,难以扩散,对氧的传输起着阻碍作用。渣中加入mgo 可提高高温熔渣的粘度,在渣池表面形成一层半凝固膜。cao 作为去s 剂加入渣中,同时可降低caf2 的比电导。4 药皮配方的确定4.1药皮的参考配方采用h08e焊芯，靠药皮过渡大量合金元素的不锈钢焊条，是一种价格低、熔化速度快的新型不锈钢焊条，熔敷金属中的cr和ni主要靠在药皮中加入金属铬和金属镍来实现。为了减少合金元素在焊接过程中

18、的烧损，合金粉末的颗粒度宜选在60200目之间。低碳钢芯不锈钢焊条药皮的参考配方见表4表4 低碳钢芯不锈钢焊条药皮的参考配方药皮材料药皮配方设计范围/%药皮材料药皮配方设计范围/%cr18ni9焊条cr18ni9nb焊条cr18ni9焊条cr18ni9nb焊条金红石钛白粉大理石长石冰晶石金属锰202525249134634182225359134634金属铬镍粉氟化稀土低度铌铁纯碱其余25301013230.5152530101323240.5154.2 k值得确定 药皮厚度大小决定了焊条横截面焊芯与药皮所占面积之比（或焊芯体积与药皮体积之比），亦即药皮组成物在焊接过程中参加反应的数量，由于药

19、皮的密度取决于药皮组成物及其含量，通过药皮质量系数可以表示不同类型药皮在焊条中所占的比例： 公式1 k-焊条药皮质量系数（%）； m1-焊条药皮质量； m- 有药皮部分的焊芯的质量。一般来说，焊条药皮取k=0.40.6较适宜。主要靠药皮过渡的素的焊条药皮质量系数应高于一般焊条。同时焊条套筒长度和电弧吹力随药皮的增厚而增大，有利于提高焊接效率和焊接过程中的稳定性，但对全位置焊不利。 因为该渣系的配方主要是靠药皮过渡合金，所以k取大，取k=0.60-0.754.3 药皮组成物的配比的计算 药皮中合金剂的加入量范围可根据下面公式得到： 公式2式中 cc - 药皮中应加入的某合金元素量（%）； cw- 要求该元素在焊缝熔敷金属中的含量（%）； cr - 该元素在焊芯中的浓度（%）； k - 药皮质量系数 - 合金元素的过渡系数。表4.3 焊条熔敷金属的化学成分（%）碳 c(%)硅 si(%)锰 mn：(%) 硫 s (