不锈钢焊条的配方设计课程设计.doc

机电工程学院课程设计说 明 书课题名称： E309-16焊条的配方设计 学生姓名： 学号： 专 业： 材料成型及控制工程 班级： 成 绩： 指导教师签字： 20 年 月 日专业课程设计任务书题目：E309-16焊条的配方设计学生姓名： 班级： 设计依据：1、母材为2205双相不锈钢 2、制造电焊条生产工艺：压涂机压涂 设计步骤： 1、根据焊缝金属的使用性能要求，初步拟定焊缝金属的合金系统。 2、根据工件的焊接性（例如：抗裂性如何）修订焊缝的合金系统 3、根据实际的生产条件，确定合金化的方式，并且选择焊芯。 4、根据焊缝合金系统的特点及使用性能要求，确定药皮的类型和焊条配方的渣系。 5、估算合金的损失，从而确定药皮合金剂的种类和数量。 6、根据焊缝的性能，焊条的工艺性能和制造方面的要求，考虑原材料的来源及经济合理性等方面的情况，确定焊条药皮的最初配方。 指导教师： 目录1、国内外焊条的现状2、双相不锈钢及焊材的成份及性能分析3、双相不锈钢的焊接性分析4、焊芯的选定5、药皮类型及渣系的确定6、药皮配方的设计 6.1药皮的组成 6.2 药皮配方中各组成成分的作用 6.3 K值的确定 6.4 药皮组成物的配比的计算 6.5 焊条配方1、 国内外焊条的现状 我国从五十年代开始研制和生产不锈钢焊条，1997年我国不锈钢焊条的总产量为7000多吨。近年来我国不锈钢的消费量快速增长，2004年国产不锈钢焊条已超过35000吨，预计2006年国产不锈钢焊条将达50000吨左右。自五十年代开始研制的不锈钢焊条，主要是沿袭原苏联的钛钙渣系及原料体系，它具有成本低，易压涂，抗气孔好，机械性能好等优点，但与欧洲名牌同类不锈钢焊条相比焊条发红严重、飞溅大、脱渣及成形差、焊接效率低、浪费大、因此自七十年代中期到八十年代前期，针对国内进口的瑞典AVESTA公司绿P5焊条国内一些科研院校与焊条生产企业共同合作，就不锈钢焊条药皮发红脱落原因及解决途径进行了研究。到八十年代，人们一方面认为他们的研究工作很有意义，获得很多进展；另一方面经对这几家研制的焊条实际测试后，也认为仍与国外产品存在明显差距。但从那时起，国内这方面的研究工作就处于踏步不前的状况，从80年代前期到九十年代前期的十年间因内尚无有份量的不锈钢焊条研究文献。从九十年代初期开始，国内不锈钢焊条研究渐趋活跃。先是太原工大王宝、孙咸等人在前期工作的基础上研究了不锈钢焊条工艺设计的基本原则和途径，在不锈钢焊条设计理论上取得了重要突破，并因此获得2000年国家科技进步二等奖；后是冶金部建筑研究总院唐伯钢在九十年代中期消化吸收国外的先进技术，成功完成国产不锈钢新型焊条的系列化改进提高，并成功兴办北京金威焊材有限公司，做到理论与实践的完美结合，自1994年始生产至今，其不锈钢焊条生产已达年产3000吨以上。 九十年代后期到本世纪初期，国内不锈钢焊条研究如雨后春笋般集中开展，虽就其水平本身未超过上述两家现有水平，但对于活跃学术气氛，加强学习交流仍有益处。 国外不锈钢的工业化生产始于二十年代初期，随后出现相应的不锈钢焊条，成熟的不锈钢焊条产品出现于1965年左右，以欧洲国家为代表，尤其是西欧的瑞典，人口仅800万左右，且集中产生了ESAB、AVESTA和SANDVIK等世界级的不锈钢焊材企业，其中AVESTA的野牛牌不锈钢焊条更是世界不锈钢焊条的典范。日本、台湾及有南亚国家的不锈钢焊条其技术根基在欧洲。国内不锈钢焊条整体上与国外先进水平相比存在六大问题，急待解决和研究：1、 发红问题及抗发红焊条。2、气孔问题及抗气孔性能的提高，一般认为不锈钢气孔属氢气孔，在焊后最后一段或焊缝前部或多层焊时易发生可见气孔。3、效率问题及高效焊条。4、渗碳问题及超低碳系列焊条，超低碳焊条是国内外不锈钢焊条发展的重点，为获得超低碳焊缝必须要求药皮不增碳及焊芯超低碳。5、特种焊条。a、具有高温耐腐蚀性能的专用焊能(抗蠕变断裂强度和延伸率高)b、耐晶间腐蚀性极好且-196冲击韧性高的尿素级不锈钢焊条。c、耐汽蚀堆焊用不锈钢焊条。d、焊接性差的铬不锈钢专用焊条。e、耐吸潮不锈钢焊条。f、定向下焊专用不锈钢焊条如AVESTAVDX330，PHILIPSBM316-V。g、定位焊专用不锈钢焊条如PHILIPSBM316L。 2、 双相不锈钢及焊材的成份及性能分析 双相不锈钢化学成分双相钢的最主要合金元素是Cr、Ni、Mo和N。其中Cr、Mo为增加铁素体含量，而Ni、N为奥氏体稳定元素。有些钢种还有Mn、Cu、W等元素。Cr、Ni、Mo能改进抗腐蚀性。在含氯化物的环境中其抗点蚀及裂缝腐蚀的性能特别好。 CSiMnPSNiCrMoN0.0301.002.000.0300.0154.506.5021.0023.002.903.500.140.20 双相不锈钢机械性能在-50度280度温度范围时，双相不锈钢具有很好的机械性能，当双相钢长期承受300度以上高温时，其微机组织会发生变化。含量的奥氏体钢种相比，双相钢和超级双相钢基体材料具有类心抗点蚀和裂纹腐蚀性能，但一般具有极好的抗应力腐蚀有机酸腐蚀的能力。在工业界按照孔蚀抗力当量值PREN来表示抗点蚀等级是众所周知的。 机械切削性 在高速的机床上,2205 合金的进给率和切削速度和316L 是一样的。如果采用炭化刀,切割速度与316L 相比降低了大约20%,机器设备及其部件的性能在此起着关键性的作用。 热处理性能 2205 合金应在最低为1900F 的温度下进行退火处理,然后迅速冷却,进行水淬火。这项处理应用于固熔退火及应力解除。应力解除处理如在低于1900F 的温度下进行,容易导致有害的金属或非金属相位的析出。 3、 双相不锈钢的焊接性分析 双相不锈钢在温室下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半数，兼有两相组织特征。它保留了铁素体不锈钢导热系数小、耐点蚀、缝隙及氯化物应力腐蚀的特点、又具有奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。 在性能上的突出表现屈服强度和耐应力腐蚀、双相不锈钢比奥氏体不锈钢的屈服强度高近1倍，同样的压力等级条件下，可以节约材料。比奥氏体不锈钢的线性热膨胀系数低，与低碳钢接近。使得双相不锈钢与碳钢的连接较为合适，这有很大的工程意义。锻压及冷冲成型不如奥氏体不锈钢。 焊接性：双相不锈钢2205具有良好的焊接性，焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小。通常焊前不预热，焊后不热处理。由于有较高的氮含量，热影响区的单相铁素体化倾向较小，当焊接材料选择合理，焊接线能量控制当时，焊接头具有良好的综合性能。热裂纹：热裂纹的敏感性比奥氏体不锈钢小的多。这是由于含镍量不高，易形成低熔点共晶的杂质极少，不易产生低熔点液膜。另外，晶粒在高温下没有急剧长大的危险。热影响区脆化：双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝，而在热影响区。因为在焊接热循环作用下，热影响区处于快冷非平衡态，冷却后总是保留更多的铁素体，从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹（脆性）敏感性。焊接头的氢致裂纹：双相不锈钢焊接接头的氢脆通常发生于相，且氢脆的敏感性随焊接时峰值温度的升高而增加。其微观组织的变化为：峰值温度增加，相含量减少，相含量增加，同时由相边界和内部析出的Cr2N 量增加，故极易发生氢脆。 接头的应力腐蚀开裂：母材和焊缝金属中的裂纹都起始于/界面的相一侧，并在相内扩展。奥氏体（）由于其固有的低氢脆敏感性，因此，可起到阻挡裂纹扩展的作用。由于DSS 中含有一定量的奥氏体，所以其应力腐蚀开裂倾向性较小。 焊接冶金：双相不锈钢焊接过程中，在热循环的作用下、焊缝金属和热影响区的组织发生着一系列的变化。在高温下，所有的双相不锈钢的金相组织全部由铁素体组织，奥氏体是在冷却过程中析出的。奥氏体析出的多少受诸多因素的影响。4、 焊芯的选定 焊芯的选择原则上要和母材的化学成分相近，这样是熔合后的焊缝成分与母材相近，从而提高焊接构件的使用性能。不锈钢焊条施过程中焊条熔化至整根长度2/3时，焊条尾部会发红（甚至药皮开裂）、飞溅增大、焊缝凸起、焊缝成形恶化、脱渣困难。产生上述现象的主要原因是由于奥氏不锈钢焊芯的电阻率大、导热性差；不锈钢焊接多数采用短弧焊接，所以熔摘过滤形式以大熔滴短路过渡较多，而短路过渡期间焊接电流很大，焊芯电阻产生的热量占电弧热份额很大，奥氏体导热很慢，随着焊接时间的增加，奥氏体不锈钢焊芯的电阻不断上升，致使焊至整根焊条长约2/3时，焊条尾部便会发红。又由于不锈钢焊芯线胀系数较大（比H08A焊芯的线胀系数大50），当焊接尾部发红时，焊芯尺寸有较大的申长和扩展，使药皮强度承受极大的扩张力（药皮线胀系数与焊芯想线胀不一致，且药皮强度低于焊芯的强度）而导致药皮开裂，使焊条工艺性急剧下降。为了减少或避免不锈钢焊条的尾部发红和药皮开裂现象，一般改变焊芯材质，采用铬不锈钢或低碳钢焊芯。例如以H08A为焊芯。在药皮中加入铁粉和铬、镍的原材料，通过药皮过度合金元素方式而获得提高熔敷效率的不锈钢焊条。该焊条施焊时电弧稳定，熔渣流动良好，脱渣容易且药皮不发红，无药开裂现象。H08A焊芯化学成分（%)牌号成分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、 药皮类型及渣系的确定不锈钢焊条的设计主要是保证熔敷金属的化学成分，由于采用H08A焊芯，因此需要通过药皮过渡大量合金元素，这是一种价格低、熔化速度快的方案，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的烧损，合金粉末的颗粒度宜选在60200目之间。不锈钢焊条药皮类型一般都是沿用钛型、钛钙型和低氢型。由于钛钙型药皮具有熔渣流动性良好,脱渣容易,电弧稳定,熔深适中,飞溅少,焊波整齐,适用于全位置焊接和焊接电源为交流或直流正、反接等优点，因此选择钛钙型药皮。6、 药皮配方的设计 6.1药皮的组成 焊条熔敷金属的化学成分如下表所示。结果表明，熔敷金属的化学成分和2205不锈钢母材的化学成分接近。根据母材的化学成分确定熔敷金属的化学成分如下： 熔敷金属化学成分(%)化学成分CMnSiSPCuNiMoCr保证值0.150.52.50.900.0300.0400.7512.014.00.7522.025.0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25301013230.5152530101323240.515 6.2 药皮配方中各组成成分的作用 焊条药皮是由各种矿物类、铁合金有机物和化工产品（水玻璃类）等原料组成。焊条药皮的组成成分相当复杂，一种焊条药皮的配方中，组成物有七八种之多。 焊条药皮的成分比较复杂，根据不同用途，有下列数种： 1） 稳弧剂。是一种容易电离的物质，多采用钾、钠、钙的化合物 ，如碳酸钾、长石、白垩、水玻璃等，能提高电弧燃烧稳定性，并使电弧易于引燃， 2） 造渣剂。都是些矿物质，如大理石、锰矿、赤铁矿、金红石、高岭土、花岗石、长石、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、二氧化锑、五氧化二硫等，也有碱性的氧化钙、氧化锰。一氧化铁等。 3） 造气剂。有机物，如淀粉、糊精、木屑等；无机物，如碳酸钙等。，这些物质在焊条融化时能产生大量的一氧化碳、二氧化碳、氢气等，包围电弧，保护金属不被氧化和氮化。 4） 脱氧剂。常用的又锰铁、硅铁、钛铁等。 5） 合金剂。常用有锰铁、铬铁、钼铁、钒铁等钛合金。 6） 稀渣剂。常用萤石或二氧化钛来稀释熔渣，以增加其活性。 7）粘接剂。用水玻璃，起作用使药皮各组成粘结起来并粘结于焊芯周围。 6.3 K值的确定 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=0.60-0.75 6.4 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。熔敷金属化学成分(%)化学成分CMnSiSPCuNiMoCr保证值0.150.52.50.900.0300.0400.7512.014.00.7522.025.0 焊条熔敷