焊条配方设计材控专业课程设计.docx
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焊条配方设计材控专业课程设计
目录
1焊接材料行业现状…………………………………………………………………………3
22205双相不锈钢焊缝金属的性能及可焊性分析…………………………………………3
32205双相不锈钢的焊接性…………………………………………………………………4
4合金化方式及焊芯的选取…………………………………………………………………5
4.1合金化的方式……………………………………………………………………………5
4.2焊芯的选取………………………………………………………………………………6
5药皮的类型和渣系的选择…………………………………………………………………6
6药皮配方的设计
6.1药皮的组成………………………………………………………………………………7
6.2药皮配方中各组成成分的作用…………………………………………………………7
6.3K值的确定………………………………………………………………………………8
6.4药皮组成物的配比的计算………………………………………………………………9
6.5焊条配方…………………………………………………………………………………10
7结语…………………………………………………………………………………………10
1焊接材料行业现状
2010年，我国焊接材料总产量445万t左右，年产5万t以上的有10余家。
近几年，我国主要焊接材料产量统计结果见表1和图1。
从表1和图1可以看出，我国的电焊条产量有所
下降、气体保护实心焊丝及药芯焊丝均得到较快发展，埋弧焊接材料的发展趋于稳定。
我国焊接材料经过近几年快速发展，焊接自动化率已突破50%。
表1近几年我国主要焊接材料产量及结构。
图1近几年我国主要焊接材料产量
我国的焊接材料在“十五”和“十一五”期间保持了高速增长，2001年焊接材料总量122万t，2005年达到272万t，“十五”5年间增长了123%。
2006年焊接材料总量320万t，2010年445万t，“十一五”5年间增长了45%，整体增长速度已呈现放缓趋势，2010年仅比2009年增长了不足5%。
在今后的一段时期内，随着国家工业化进程的加快和钢材产量的增加，焊接材料的总量还将继续有所提高，但增长的幅度不会很大，虽然不能准确预测焊接材料的峰值，但目前离峰值将不会太远。
2011年是“十二五”开局之年，按照国家总体规划制定支持企业技术改造的政策，加快应用新技术、新材料、新工艺、新装备改造，提升传统产业，提高市场竞争能力。
支持企业提高装备水平、优化生产流程，加快淘汰落后工艺技术和设备，提高能源资源综合利用水平。
鼓励企业增强新产品开发能力，提高产品技术含量和附加值，加快产品升级换代。
推动研发设计、生产流通、企业管理等环节信息化改造升级，推行先进质量管理，促进企业管理创新。
推动一批产业技术创新服务平台建设要求。
同时结合制造业的人力成本、能源成本和物流成本的提高，焊接材料行业在“十二五”期间必将进入一个深入结构调整时期。
“十二五”期间不具备技术优势、市场优势、管理优势，仅仅依靠低端产品的企业生存空间将越来越小，关停并转和资产兼并重组已再所难免。
综合以上，企业的管理者必须清醒地认识到国家的宏观政策和行业面临的深刻调整，探寻出自身发展之路。
1．1国内焊条行业发展现状
“十二五”期间国家将加快发展和培育战略性新兴产业的步伐，其中包含了“高端装备制造产业”、“新能源产业”、“节能环保产业”及“新材料产业”。
近几年我国冶金行业取得了长足的进步，钢铁冶炼技术水平逐年提升，以高洁净度、高均匀度、超细组织及高精度为特点的高强度、高韧性、长寿命钢铁材料，是先进钢铁材料发展的主要方向。
作为在焊接材料领域中最传统的手工电焊条必须适应我国钢材发展的新要求，逐步向高强高韧、低硫磷、低杂质和超低氢方向发展。
中国目前已成为全球最大的焊接材料生产基地，特别是国外知名品牌企业相继在中国建厂生产，对带动提升本土生产企业的产品品质、生产经营等诸多方面起到了积极的推动作用。
但是，不容置疑的是国内焊条虽然产量很高，而且一些企业的整体实力和产品品质已与国外先进水平相当，但大部分中小企业的实力和水平较差，不少焊条普遍存在着外观粗糙，产品内在质量不稳定等问题。
在一些重要场合如核电用焊条、超超临界锅炉用焊条、管道纤维素焊条、镍基焊条等，国产焊条还不能完全满足要求。
1.2新产品研发情况及前景展望
随着国内核电、超（超）临界锅炉、海洋工程、长输管线等制造产业的不断发展及新钢种产品质量的不断提升，各类压力容器、海上采油平台等已向高参数、高温、高压（或低温）方向发展，工作条件越来越苛刻，对焊接材料的产品质量提出了更加严格的要求。
核电工程用焊条、超超临界耐热钢焊条、海洋工程用焊条、石化行业用等特种焊条已成为国内外焊材企业的发展重点，一些企业更在上述方面推出了专门产品样本和新产品介绍资料。
22205双相不锈钢焊缝金属的性能及可焊性分析
2.12205双相不锈钢的性能
2205双相不锈钢是一种Cr的质量分数为22%的双相不锈钢,其化学成分为:
表2.12205不锈钢的化学成分
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
N
≦0.030
≦1.00
≦2.00
≦0.030
≦0.015
4.50~6.50
21.00~23.00
2.90~3.50
0.14~0.20
其力学性能与钢板的回火温度有关,回火温度越高,强度越低。
回火温度为600℃时,屈服强度为400MPa,抗拉强度为650MPa。
其力学性能为表2.2
表2.22205双相不锈钢的力学性能
母材
屈服强度（MPa）
抗拉强度（MPa）
断面收缩率（%）
OCr18Ni9
≥450
≥620
≥25
图2.1为2205双相不锈钢的金相组织（腐蚀剂30gKOH+30gK3Fe（CN）6+100mlH2O）,双相不锈钢的金相组织由铁素体（黑色）和奥氏体（白色）二相组成,具有体积分数大体相等的特征。
因此,双相不锈钢兼有奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的双重特征。
与铁素体不锈钢相比,其韧性高,韧脆转变温度低,耐晶间腐蚀性能和焊接性能显著提高,同时保留了铁素体不锈钢导热系数高、膨胀系数小、具有超塑性等特性;而与奥氏体不锈钢相比,屈服强度和抗疲劳强度显著提高,约为奥氏体不锈钢的2倍,且耐晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等性能有明显改善。
氮在强化2205双相不锈钢中起着重要的作用,但当氮的质量分数超过0.2%时,由于氮的间隙固溶强化使得奥氏体的强度大于铁素体。
增加铁素体的含量,会导致冲击韧性降低,也导致氮在铁素体中的析出,生成氮化铬,因为氮在铁素体中比在奥氏体中的溶解度低。
冷加工能降低2205双相不锈钢的冲击韧性,提高韧脆转变温度。
而在280~350℃区间过渡时效也会导致韧性降低。
图2.12205双相不锈钢金相组织500%
经过以上对2205双相不锈钢的性能分析，初步拟定焊缝金属的合金成分，如表2.3。
表2.3初步拟定的2205双相不锈钢的合金系统（%）
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
N
≦0.030
≦1.00
≦2.00
≦0.030
≦0.010
4.50~6.50
24
2.90~3.50
0.14~0.20
32205双相不锈钢的焊接性
双相不锈钢的焊接性兼有奥氏体钢和铁素体钢各自的优点，并减少了其各自的不足之处。
①热裂纹的敏感性比奥氏体钢小得多。
②冷裂纹的敏感性比一般低合金高强钢也小得多。
③双相不锈钢焊接时主要问题不在焊缝，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（脆化）的敏感性。
④双相不锈钢焊接接头有析出。
相脆化的可能，σ相是Cr和Fe的金属间化合物，它的形成温度范围600-1000℃，不同钢种形相的温度不同，如000r18Ni5Mo3Si2钢在800-900℃，而双相不锈钢000r25Ni7Mo3CuN的在750-900℃，850℃时最敏感。
形成σ相需经一定的时间，一般1-2min萌生，3--5minv相增多并长大，因此，焊接时应采用小热
输人，快速冷却，消应力处理时应采用较低的温度，在550-600℃为宜。
⑤双相不锈钢含有50%的铁素体，同样也存在475℃脆性，但不如铁素体不锈钢那样敏感，双相钢中的铁素体在300-525℃之间长期保温会析出高铬。
’相，而在475℃最敏感，使双相钢发生脆化，由于α’相析出时间较长，故对一般焊接影响不大，但应限制双相不锈钢的工作温度不高于250℃。
双相不锈钢的焊接件，由于工艺不当，一旦产生。
相或析出α’相引起475℃脆性，则可采用固溶处理使之消除。
双相不锈钢的扩散氢含量不及奥氏体不锈钢，因此焊材中或周围环境中氢的质量浓度较高时，则会在焊接双相不锈钢时出现氢致裂纹和脆化。
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。
2205双相不锈钢的化学成分均含Cr、Ni、Mo、N组织且都处于δ相和γ相各占50%的有利条件,故双相不锈钢2205正是适合耐点蚀的钢种。
下面对可提高点腐蚀能力的元素进行分析:
（1）Cr。
主要使钢易钝化,成为耐点腐蚀的基础。
（2）Mo。
在钢中加入2%~5%的Mo能显著提高耐点蚀性能,它主要在溶液中形成MoO2-4,极易优先被钝化膜破坏区吸附,阻止与Cl-的接触。
（3）N。
在钢中加入N后,N溶入介质中形成NH4,被钝化膜破坏处的MoO2-4吸附,从而起稳定MoO2-4的作用,达到提高耐点蚀性。
（4）Ni。
在钢中加入的量要适当,其作用是保证钢中的和各占50%左右,是以金属组织来保证耐点蚀性。
以上4种元素是2205双相不锈钢赖以提高耐点蚀性的主要元素,而C、N、P、S等则是对耐点性有害的元素,应加以控制。
根据以上分析修定焊缝的合金系统，如表3.1
表3.1修订后的2205双相不锈钢的合金系统（%）
C
Cr
Ni
Mo
Mn
Si
Cu
0.15
24
13
0.75
1.0
0.9
0.75
4合金化方式及焊芯的选取
4.1合金化的方式
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。
4.2焊芯的选取
焊芯的作用主要是导电，并在焊条端部形成具有一定成分的熔敷金属。
焊芯可用各种不同的钢材制造。
焊芯的成分直接影响熔敷金属的成分和性能，因此，要求焊芯尽量减少有害元素的含量，除了限制S、P外，有些焊条已要求焊芯控制As、Sb、Sn等元素。
焊芯的设计主要考虑焊条直径和焊条技术要求。
焊条技术要求包括理化性能和合金元素的过渡等。
当前国内焊材有数百种，其中大多数品种系选用H08A焊芯，借助焊条药皮过渡合金元素，以获得各种不同用途的焊条。
表4.2.1H08A的化学成份
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Cu
≤0.10
0.3~0.55
≤0.03
≤0.03
≤0.03
≤0.20
≤0.30
≤0.20
5药皮的类型和渣系的选择
此焊条主要用于广泛应用有的铬镍奥氏体钢的焊接,因此确定熔敷金属的合金系统为ＦｅＣｒＮｉＭｎ.本文所设计的焊缝熔敷金属化学成分范围为:
Ｃ:
0.04%～0.08%,Ｃｒ:
18%～23%,Ｎｉ:
9%～11%,Ｍｎ:
0.5%～1.5%,Ｓｉ:
0.5%～1%,Ｐ≤0.040%,Ｓ≤0.030%.焊条药皮配方经过优化设计,焊条的工艺性能已比较令人满意,但为了满足焊缝熔敷金属成分设计要求,以改善焊缝的组织和性能,必须在原最优配方基础上对焊条药皮中的合金元素的含量进行调整.对于不锈钢焊条来说,主要是调整Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ的含量以使焊缝能够与母材化学成分匹配并满足力学性能及耐蚀性要求,为达到设计成分要求,要对药皮中合金元素的含量调整。
2205双向不锈钢用的焊材，其特色是焊缝安排为奥氏体占优的双相安排，首要耐蚀元素（铬、钼等）含量与母材恰当，然后包管与母材恰当的耐蚀性。
为了包管焊缝中奥氏体的含量，一般是进步镍和氮的含量，也就是进步约2％~4％的镍当量。
在双相不锈钢母材中，一般都有必定量的氮含量，在焊材中也期望有必定的含氮量，但一般不宜太高，不然会发生气孔。
这样镍含量较高就成了焊材与母材的一个首要差异。
依据耐腐蚀性、接头耐性的需求不同来挑选与母材化学成分相匹配的焊条，如焊接Cr22型双相不锈钢，可选用Cr23Ni13型焊条，如E309-16焊条。
选用酸性焊条时脱渣优秀，焊缝成形漂亮，但冲击耐性较低本文采用Ｈ08Ａ做焊芯,在焊条药皮中加入合金元素铬镍锰等,通过药皮向焊缝中过渡合金.为了提高焊条对交直流电源的适应性,所以采用酸性药皮,确定药皮的渣系为TiO2-CaO2-SiO2。
6药皮配方的设计
6.1药皮的组成
TiO2-CaO2-SiO2渣系药皮配方的设计，根据该渣系的性能，查阅大量的资料，并经过实践的调查，选取以下原矿物质和铁合金作为配方的组成成分：
金红石、钛白粉、钛铁矿、大理石、长石、白泥、云母、低碳锰铁、水玻璃。
6.2药皮配方中各组成成分的作用
金红石：
主要用于造渣，并有稳弧的作用。
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。
钛白粉：
稳弧，使熔池平静，少飞溅，有导电性，操作方便；形成短渣，对立、仰焊有显著效果；能产生活泼的熔渣，均匀覆盖在焊缝上保护焊缝，TiO2在高温下熔渣粘度很低；脱渣方便，TiO2结晶速度快。
并且能使焊波细致；能与氧化铁结合成为钛酸盐进入熔渣起脱氧作用。
钛铁：
主要用于造渣，可增加焊条熔化速度，提高焊接生产率。
其主要成分为TiO2>45%，Fe+FeO3≈40%，较多的FeO使熔渣氧化性增强，流动性增大，飞溅有所增加，且不利于脱渣，所以，当加入量增大时，会改变熔渣特性而影响焊条的工艺性能。
大理石：
主要用用于造气造渣，兼带稳弧、氧化的作用。
白泥：
白泥作用是改善焊条的压涂性能和造渣，也有一定的稳弧作用，由于白泥中含有一定数量的结晶水，可以主要用在酸性焊条药皮中，加入量在3~15%之间，对于要求含氢量较低的碱性焊条则不适用。
长石：
主要起造渣作用，另外也有稳弧的作用。
云母：
稳弧、造渣。
并且富于弹性，有利于焊条生产。
另外可增加药皮透气性，故对药皮易干裂和发红有防止作用。
低碳锰铁：
脱氧、脱硫。
并且放热并加快焊接反应速度。
还可以补充焊缝中的锰量。
水玻璃：
主要用作粘结剂。
水玻璃可使涂料具有良好的塑性，是药皮具有较高的机械强度和防潮性能。
在焊接过程中可提高电弧稳定性和防止某些低熔点物质的早期烧损。
因此，电焊条的质量及使用性能在很大程度上取决于所用水玻璃性能和质量。
6.3K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=0.4~0.6较适宜。
靠药皮过渡合金元素的焊条（如堆焊焊条）药皮质量系数应高于一般焊条（常为0.60~1.30）[5]。
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。
根据现在焊条厂的普遍规范，我们取K=0.70~0.80。
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；
η----合金元素的过渡系数。
TiO2-CaO-SiO2渣系药皮组成物的配比的计算
在该渣系中C的过渡系数为η=0.44~0.55，Mn的过渡系数为η’=0.44~0.55。
那么焊条熔敷金属相关参数的理论取值范围及实际取值如表6.1所示：
表6.1焊条熔敷金属相关参数的理论取值范围及实际取值
名称
Cr（%）
Ni（%）
Mo（%）
Mn（%）
范围
取值
范围
取值
范围
取值
范围
取值
η
62~67
60
70~75
70
62~67
65
40~53
50
CR
≤20
20
30
30
0
0
30~55
40
Cw
22~24
24
11.0~13.0
12.0
0.75
0.75
0.8~1.2
1.0
K
70~80
80
70~80
80
70~80
80
70~80
80
Cc
50
16.1
1.5
1.5
名称
Si（%）
Cu（%）
范围
取值
范围
取值
η
45~55
50
67~72
70
Cr
≤3
3
≤20
20
Cw
0.90~1.30
0.9
0.7~0.9
0.75
K
70~80
80
70~80
80
Cc
2.0
1.7
6.5焊条配方
通过计算可知低碳锰铁中Mn的含量为85%左右，低碳锰铁在药皮中含量为2.1%；而Si在白泥和云母中的含量分别为13.7%、15.2%左右。
白泥和云母的含量，通过计算可得在药皮中白泥的含量为9.1%，云母的含量为6.8%。
得出焊条配方如图所示。
表6.2焊条的配方
原料
金红石
钛白粉
钛铁
大理石
含量/%
18～22
5～8
6～8
6.5～7.5
原料
长石
白泥
低碳锰铁
云母
含量/%
9～13
8.0～10.0
1.9～2.4
4.2～4.7
原料
Cr粉
铜粉
Ni粉
水玻璃
含量/%
45～48
1.3～1.7
15.0～17.0
2.8～3.2
7结语
（1）焊条药皮配方是焊条综合性能的决定性因素，必须通过多次试验、调整，才有可能获得满意的结果。
（2）扎实的理论知识和较强的实践能力缺一不可。
（3）必须在性能和成本之问找到平衡点，在满足性能的前提下，尽量少用或不用稀缺和贵重材料。
（4）焊条药皮压涂时，压力的掌握是关键。
压力过大，易导致涂料尚未涂敷到焊芯上便从料缸端口挤射出来，或导致焊条上药皮局部突起；压力过小，涂料难以压涂到焊芯上或涂敷不均。
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