ln低碳鋼芯不銹鋼焊條的配方設(shè)計(jì)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ln低碳鋼芯不銹鋼焊條的配方設(shè)計(jì)目 錄機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課題名稱： 低碳鋼芯不銹鋼焊條的配方設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 石明 學(xué) 號：20100601118 專 業(yè)：材料成型及控制工程 班 級： 10材控1班 成 績： 指導(dǎo)教師： 楊 莉 目 錄1 0Cr18Ni9不銹鋼焊縫金屬的性能及可焊性分析11.2 0Cr18Ni9不銹鋼焊縫金屬的性能2121 容易出現(xiàn)熱裂紋21.22 晶間腐蝕21.23 應(yīng)力腐蝕開裂21.24 焊縫金屬的低溫脆化21.25 焊接接頭的 相脆化22 0Cr18

2、Ni9不銹鋼的可焊性分析33 焊條的配方設(shè)計(jì)43.1合金化方式43.2 焊芯的選定43.3藥皮的類型43.4渣系的選擇44 藥皮配方的確定54.1藥皮的參考配方51 0Cr18Ni9不銹鋼焊縫金屬的性能及可焊性分析1.1 0Cr18Ni9不銹鋼的性能0Cr18Ni9不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種鉻-鎳不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性。在大氣中耐腐蝕，如果是工業(yè)性氣氛或重污染地區(qū)，則需要及時清潔以避免腐蝕。 該鋼適合用于食品的加工、儲存和運(yùn)輸。具有良好的加工性能和可焊性。 0Cr18Ni9不銹鋼是使用最多的一種奧氏體型不銹鋼，該鋼不能采用熱處理得到強(qiáng)化，但經(jīng)過冷加工變形可達(dá)到提高

3、強(qiáng)度的目的。0Cr18Ni9不銹鋼的化學(xué)成份如表1.1.1。表1.1.1 0Cr18Ni9不銹鋼的化學(xué)成份名稱CSiMnPSCrNi0Cr18Ni90.081.002.000.0350.03017.0-19.08.0-10.5 該鋼具有良好的冷、熱加工性能，無磁性，有很好的低溫性能，并具有在氧化酸性（HNO3）中優(yōu)良的耐蝕性。其焊接件有較好的耐晶間腐蝕性，在堿液、大部分無機(jī)酸和有機(jī)酸及大氣、水、蒸汽中均有好的耐蝕性。該鋼的冷、熱加工性能良好，可生產(chǎn)鍛件、棒材、板、帶、絲，可用各種通過焊接方法焊接。0Cr18Ni9不銹鋼因各種性能優(yōu)良，因而在不銹鋼中用量最大，使用面最廣。適用于石油化工、輕工、紡

4、織、核工業(yè)中，用于制造深沖成形件及輸送腐蝕介質(zhì)管道、容器、結(jié)構(gòu)件，也可用于制造無磁、低溫設(shè)備零件。0Cr18Ni10鋼具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能，沖壓彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象，無磁性。0Cr18Ni9不銹鋼管的力學(xué)性能如表1.1.2。表1.1.2 0Cr18Ni9不銹鋼的力學(xué)性能母材屈服強(qiáng)度（MPa)抗拉強(qiáng)度（ MPa）伸長率（%）斷面收縮率（%）硬度OCr18Ni9 205 5204060187HBS1.2 0Cr18Ni9不銹鋼焊縫金屬的性能121 容易出現(xiàn)熱裂紋防止措施：（1）盡量使焊縫金屬呈雙相組織，鐵素體的含量控制在3- 5%以下。（2）盡量選用堿性藥皮的

5、優(yōu)質(zhì)焊條，以限制焊縫金屬中S、P、C等的含量。1.22 晶間腐蝕根據(jù)貧鉻理論，焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450- 850敏化溫度區(qū)時在晶界上析出碳化鉻，造成貧鉻的晶界，不足以抵抗腐蝕的程度。防止措施：（1）采用低碳或超低碳的焊材，如A002、A137、A132 等；（2）由焊絲或焊條向焊縫熔入一定量的鐵素體形成元素，使焊縫金屬成為奧氏體+ 鐵素體的雙相；（3）減少焊接熔池過熱，選用較小的焊接電流和較快的焊接速度，加快冷卻速度；（4）對耐晶間腐蝕性能要求很高的焊件進(jìn)行焊后穩(wěn)定化退火處理。1.23 應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭在特定腐蝕環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時所產(chǎn)生的延遲開裂現(xiàn)象。防止措施：（1）

6、合理制定成形加工和組裝工藝，盡可能減小冷作變形度，避免強(qiáng)制組裝；（2）合理選擇焊材，焊縫與母材應(yīng)有良好的匹配，不產(chǎn)生任何不良組織；（3）采取合適的焊接工藝，保證焊縫成形良好，不產(chǎn)生任何應(yīng)力集中或點(diǎn)蝕的缺陷；（4）消除應(yīng)力處理，焊后熱處理，如焊后完全退火，在難以實(shí)施熱處理時采用焊后錘擊或噴丸等；（5）生產(chǎn)管理措施，介質(zhì)中雜質(zhì)的控制，如O2、N2、H2O 等；（6）防蝕處理，如涂層、襯里或陰極保護(hù)等。1.24 焊縫金屬的低溫脆化對于奧氏體不銹鋼焊接接頭，在低溫使用時，焊縫金屬的塑韌性是關(guān)鍵問題。此時，焊縫組織中的鐵素體的存在總是降低低溫韌性。防止措施：通過選用純奧氏體焊材和調(diào)整焊接工藝獲得單一的奧

7、氏體焊縫。1.25 焊接接頭的 相脆化焊件在經(jīng)受一定時間的高溫加熱后會在焊縫中析出一種脆性的 相，導(dǎo)致整個接頭脆化，塑性和韌性顯著下降。 相的析出溫度范圍650-850。在高溫加熱過程中， 相主要由鐵素體轉(zhuǎn)變而成。加熱時間越長， 相析出越多。防止措施：（1）限制焊縫金屬中的鐵素體含量（小于15%）；（2）采用小規(guī)范，以減小焊縫金屬在高溫下的停留時間；（3）對已析出的 相在條件允許時進(jìn)行固溶處理，使 相溶入奧氏體。經(jīng)過以上對0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的性能分析，初步擬定焊縫金屬的合金成分，如表1.2.1。表1.2.1 焊縫金屬的合金成分名稱CSiMnPSCrNi0Cr18Ni90.081.02

8、.00.030.0218.09.02 0Cr18Ni9不銹鋼的可焊性分析0Cr18Ni9屬于奧氏體不銹鋼，其組織為奧氏體（A)加3-5 鐵素體（F ）。它具有良好的塑性和高溫、低溫性能。它在焊接熱循環(huán)的作用下，主要顯示出以下基本要求： 焊接過程中采用小的線能量輸入，減小熱影響區(qū)范圍，加快焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度對不銹鋼的焊接是有益的。 用0Cr18Ni9焊接時導(dǎo)熱系數(shù)小，存在過熱區(qū)，也容易造成熱影響區(qū)的晶粒長大。焊縫高溫停留時間過長，在高溫狀態(tài)下Cr和C形成化合物，在高溫區(qū)就形成了貧鉻層，也會導(dǎo)致焊縫的枝晶傾向加劇。因此要求盡量選擇線能覺輸入較小的焊接方法。 由于導(dǎo)熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大，自由

9、焊態(tài)下焊接易產(chǎn)生較大的變形，選用能量集中，熱影響區(qū)窄的焊接方法能在一定程度上減少焊接變形。0Cr18Ni9的含碳量很小，在加上它屬于高合金鋼碳當(dāng)量法對它焊接性能的估算是不怎么準(zhǔn)確的。因此我們不用碳當(dāng)量對它的焊接性進(jìn)行分析。 0Cr18Ni9屬于奧氏體不銹鋼，這類鋼有具有交高的變形能力并不可淬硬，而且它的含碳量又很底，所以總的來說焊接性還是不錯的。但是由于熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)大，局部加熱時溫度分布不均勻，收縮量大等都將使接頭在焊接過程中產(chǎn)生交大的內(nèi)應(yīng)力。在焊接的時候應(yīng)該注意這方面的問題，焊接時盡量避免或減少這種受熱不均顯現(xiàn)的發(fā)生，焊接的速度也應(yīng)該適當(dāng)?shù)目禳c(diǎn)。為確保不銹鋼焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能

10、，首先要保證焊縫金屬的化學(xué)成分。（1） C含量的控制 C在焊縫中存在時容易形成碳化鉻，使奧氏體晶粒界面上貧Cr，從而降低了金屬的耐晶間腐蝕性能，破壞了晶粒間的連接作用，易形成腐蝕裂紋。因此，在配方設(shè)計(jì)過程中，將C含量控制得愈低愈好，一般控制在w(C)86.69%為宜。（2） Si、Cr含量的控制 Si、Cr是鐵素體形成元素，使焊縫形成（F+A）雙相組織，可以防止熱裂紋的產(chǎn)生。焊縫金屬內(nèi)w(Si)含量一般控制在0.8%左右，既不影響新渣系的工藝性能，又不影響焊縫的耐腐蝕性能。當(dāng)w（Si）>1.2%，對耐腐蝕性能（特別是在HNO3介質(zhì)中）會產(chǎn)生不利影響。焊縫金屬的Cr在氧化性介質(zhì)中能很快生成

11、一層富Cr的氧化膜，提高金屬的耐腐蝕能力。因此，Cr是決定不銹鋼耐腐蝕性能的主要元素，在調(diào)整配方中加入一定量的Cr來補(bǔ)充焊接時焊芯中Cr的燒損，w（Cr）應(yīng)控制在18.5%20.5%為宜。（3） Mn，Ni含量的控制Mn能有效地穩(wěn)定奧氏體不銹鋼焊縫組織，在焊縫中一般將 w（Mn）控制在1.1% 左右時，具有較好的力學(xué)性能。含量過低，會使鋼的強(qiáng)度偏低；過高使塑性降低，并會稍微降低焊縫金屬的耐腐蝕性。Ni是奧氏體形成元素，在不銹鋼焊縫金屬中能穩(wěn)定奧氏體組織，提高耐腐蝕能力。在配方設(shè)計(jì)中要加入w（Ni）10%左右，以保證焊縫金屬中的Ni含量。（4） Nb含量的控制Nb在不銹鋼焊縫中與C的親合力比Cr

12、大，常能與C生成穩(wěn)定的NbC，因而對消除晶間腐蝕極為有利。在配方設(shè)計(jì)中，加入量應(yīng)適當(dāng)，w（Nb）一般應(yīng)大于w(C)8倍以上，即能大大改善耐晶間腐蝕性能和工藝性能。 眾所周知，S、P是有害元素，其含量控制得愈低愈好。根據(jù)以上分析修定焊縫的合金系統(tǒng)，如表1.3.1。表1.3.1 修訂后的焊縫合金系統(tǒng)名稱CSiMnP、SNbCrNi0cr18ni90.020.801.10.010.0419.69.83 焊條的配方設(shè)計(jì)電焊條設(shè)計(jì)原則是技術(shù)可行，符合相關(guān)國家規(guī)定的各項(xiàng)性能要求，能進(jìn)行機(jī)械化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益好，衛(wèi)生指標(biāo)先進(jìn)，符合環(huán)保要求。電焊條設(shè)計(jì)的依據(jù)是被焊母材的化學(xué)成分、力學(xué)性能、被焊件的工作要求（如抗

13、氧化性、耐熱性、低溫韌性、耐磨性、耐腐蝕性等）、現(xiàn)場施工條件（如交、直流焊接）、焊條制造成本、制造工藝及使用工藝要求等。3.1合金化方式合金化就是把所需要的合金元素，通過焊接材料過渡到焊縫金屬(或堆焊金屬)中。合金化的目的：(1)補(bǔ)償焊接過程中由于氧化、蒸發(fā)等原因造成的合金元素的損失；(2)改善焊縫金屬的組織和性能；(3)獲得具有特殊性能的堆焊金屬。常用的合金化方式有：應(yīng)用合金焊絲；應(yīng)用藥芯焊絲或藥芯焊條；應(yīng)用合金藥皮或粘結(jié)焊劑；應(yīng)用合金粉末；應(yīng)用熔渣與金屬之間的置換反應(yīng)。3.2 焊芯的選定低碳鋼芯不銹鋼代用焊條的理論依據(jù)是:鉻鎳合金焊芯的成分中Cr:17%19%,Ni:8%11%,能焊接與之

14、相近成分的奧氏體不銹鋼如Cr18Ni9、Cr18Ni9Nb等;而低碳鋼焊芯(H08)不含鉻、鎳,要達(dá)到能焊接高鉻鎳成分不銹鋼的要求,則必須從焊條藥皮中過渡等含量的合金元素尤其是鉻和鎳,才能保障焊縫金屬室溫組織仍是單相奧氏體,使焊縫金屬既滿足力學(xué)性能要求,又能達(dá)到抗腐蝕的目的。使用低碳鋼芯(H08E)代替鉻鎳合金鋼焊芯制造不銹鋼焊條。為保障焊縫金屬化學(xué)成分滿足不銹鋼要求,藥皮厚度在正常的奧氏體不銹鋼焊條(外徑6.4 mm/4.0 mm焊芯)基礎(chǔ)上以0.2 mm的厚度遞增,即試驗(yàn)焊條外徑分別為6.4、6.6、6.8、7.0、7.2、7.4mm。低碳鋼H08E可以作為不銹鋼代用焊條的焊芯,但藥皮厚度

15、應(yīng)相應(yīng)增加以提高合金的過渡系數(shù)。合金的過渡系數(shù)隨焊條藥皮厚度的增加而增加,但藥皮厚度太大,會降低焊條的工藝性能,當(dāng)焊芯直徑為4.0mm時,藥皮外徑以7.00mm為適宜。使用低碳鋼H08E作焊芯時,焊接工藝性能明顯改善,藥皮無發(fā)紅和脫落現(xiàn)象,且代替了價格昂貴的不銹鋼焊芯,焊條總的成本大約下降30%。3.3藥皮的類型0Cr18Ni9是典型的奧氏體不銹鋼，不銹鋼焊條的設(shè)計(jì)主要是保證熔敷金屬的化學(xué)成分，而化學(xué)成分的獲得以相應(yīng)的不銹鋼芯為主，以藥皮過渡合金元素為輔。不銹鋼焊條藥皮類型一般都是沿用鈦型、鈦鈣型和低氫型。鈦型或鈦鈣型藥皮由于電弧穿透力較弱，適于薄板平焊。不銹鋼焊芯電阻系數(shù)大，交流弧焊比直流弧

16、焊更易使焊條發(fā)紅，因此在藥皮配方設(shè)計(jì)上宜采用低氫型藥皮，以適應(yīng)全位置中厚度不銹鋼板的焊接。3.4渣系的選擇根據(jù)焊縫合金系統(tǒng)的特點(diǎn)及使用性能，我們采用如下五元渣系:CaF2 :精選螢石粉, Al2O3 :加入適量的Al 粉;CaO :精選優(yōu)質(zhì)石灰;MgO :電熔鎂砂; TiO2 。此五元渣系的熔點(diǎn)為1220 1240 ,1550 時的粘度為0. 32 泊。在五元渣系中我們加入了MgO 和TiO2 。渣中加入( TiO2)是為了通過石墨電極化渣過程生成一定量的( Ti3O5 ) 。( Ti3O5) 是復(fù)合的大離子半徑的原子團(tuán),難以擴(kuò)散,對氧的傳輸起著阻礙作用。渣中加入MgO 可提高高溫熔渣的粘度,

17、在渣池表面形成一層半凝固膜。CaO 作為去S 劑加入渣中,同時可降低CaF2 的比電導(dǎo)。4 藥皮配方的確定4.1藥皮的參考配方采用H08E焊芯，靠藥皮過渡大量合金元素的不銹鋼焊條，是一種價格低、熔化速度快的新型不銹鋼焊條，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(shí)現(xiàn)。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。低碳鋼芯不銹鋼焊條藥皮的參考配方見表4表4 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(shè)計(jì)范圍/%藥皮材料藥皮配方設(shè)計(jì)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

18、金屬錳202525249134634182225359134634金屬鉻鎳粉氟化稀土低度鈮鐵純堿其余25301013230.5152530101323240.5154.2 K值得確定 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(yīng)的數(shù)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(zhì)量系數(shù)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(zhì)量系數(shù)（%）； m1-焊條藥皮質(zhì)量； m- 有藥皮部分的焊芯的質(zhì)量。一般來說，焊條藥皮取K=0.40.6較適宜。主要靠藥皮過渡的素的焊條藥皮質(zhì)量系數(shù)應(yīng)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?yàn)樵撛档呐浞街饕强克幤み^渡合金，所以K取大，取K=0.60-0.754.3 藥皮組成物的配比的計(jì)算 藥皮中合金劑的加入量范圍可根據(jù)下面公式得到： 公式2式中 Cc - 藥皮中應(yīng)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(zhì)量系數(shù) - 合金元素的過渡系數(shù)。表4.3 焊條熔敷金屬的化學(xué)成分（%）碳 C(%)硅 Si(%)錳 Mn：(%) 硫 S (%) 磷 P(%) 鉻 Cr(