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1、焊接原理课程设计任务书第 1 页 共 14 页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， 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C Si Mn P S Cr Ni 0Cr1
2、8Ni9 0.08 1.00 2.00 0.0 35 0.03017.0-19.0 8.0-10.5 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 （HNO3 ）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。0Cr18N
3、i10 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 205 520 40 60 187HBS2 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，
4、减小热影响区范围，加快焊缝及热影响区的冷却 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
5、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
6、好，一般控制在w(C) 86.69%为宜。焊接原理课程设计任务书第 2 页 共 14 页（ 2） Si 、Cr 含量的控制 Si、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（C
7、r）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
8、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C Si Mn P、S Nb Cr Ni 0cr18ni9 0.02 0.80 1.1 0.01 0.04 19.6 9.8 3 焊芯的选定 焊芯中各合金元素对焊接的影响1) 碳(C) 碳是钢中的主要合金元素，当含碳量增加时，钢的强度、硬度明显提高， 而塑性降低。 在焊接过程中， 碳起到一定的脱氧作用，在电弧高温作用下与氧发生化合作用， 生成一氧化碳和二氧化碳气体，将电弧区和熔池周围空气排除
9、，防止空气中的氧、氮等有害气体对熔池产生不良影响，减少焊缝金属中氧和氮的含量。但若含碳量过高， 还原作用剧烈， 会引起较大的飞溅和气孔。考虑到碳对钢的淬硬性及其对裂纹敏感性增加的影响，低碳钢焊芯的含碳量一般在0. 1 左右。 锰 (Mn) 锰在钢中是一种较好的合金剂，随着锰含量的增加，其强度和韧性会有所提高。在焊接过程中，锰也是一种较好的脱氧剂，能减少焊缝中氧的含量。锰与硫化合形成硫化锰 浮于熔渣中，从而减少焊缝热裂纹倾向。因此一般碳素结构钢焊芯的含锰量为0. 30 0. 55，焊接某些特殊用途的钢丝，其含锰量高达1 70一 2. 10 。 3) 硅(Si ) 硅也是一种较好的合金剂，在钢中加
10、入适量的硅能提高钢的屈服强度、弹 性及抗酸性能； 若含量过高， 则降低塑性和韧性。在焊接过程中， 硅也具有较好的脱氧能力， 与氧形成二氧化硅，但它会提高渣的粘度，易促进非金属夹杂物生成。4) 铬(Cr ）铬能够提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。对于低碳钢来说，铬便是一种 偶然的杂质。铬的主要冶金特征是易于急剧氧化，形成难熔的氧化物三氧化二铬(Cr203) 。 不锈钢焊条主要选择H08E 钢丝，通过药皮掺合金，且H08E 钢丝作焊芯价格低廉。因 此选择 H08A作焊芯。其化学成份如表2 所示表 2 H08E 的化学成份C Mn Si S P Cr Ni 0.100.30.55 0.03 0.0 2
11、 0.0 2 0.20 0.304、药皮类型及渣系的确定焊接原理课程设计任务书第 3 页 共 14 页4.1 药皮的类型 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。4.2 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
12、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 1240 ,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。5 药皮配方的确定 5.1 药皮的组成 根据该渣系的
13、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：碳酸钾、大理石、水玻璃、萤石、金属铬、硅铁、钛铁、锰矿、钼铁、石 墨等。5.2 药皮配方中各组成成分的作用1）稳弧一般含低电离位元素的物质都有稳弧作用，主要作用是改善焊条的引弧性 能和提高电弧燃烧的稳定性，这种药皮材料常称为稳弧剂。常用稳弧剂有碳酸钾、大理石、 水玻璃等。2）造渣药皮中某些原材料受焊接热源的作用而熔化，形成具有一定物理、化学性 能的熔渣，从而保护熔滴金属和焊接熔池，并改善焊缝成形，这种原材料被称为造渣剂，常 用造渣剂有：大理石、萤石等。3）造气药皮中的有机物和碳酸盐在焊接时产生气体，从而起到隔离
14、空气、保护焊 接区的作用，这种材料称为造气剂，常用造气剂有：木粉、淀粉、大理石等。 4）脱氧降低药皮或熔渣的氧化性和脱除金属中氧的材料被称为脱氧剂，常用的有锰铁、硅铁、钛铁等。 5）合金化其作用是补偿焊缝金属中有益元素的烧损和获得必要的合金成分，常用合金剂采用铁合金或金属粉，如锰铁、硅铁，钼铁等。 6）粘结把药批材料敷在焊芯上，并使焊条药皮有一定强度，必须在药皮中加入粘结力强的物质，常用粘结剂有钠水玻璃，钾钠水玻璃等。 7）成形加入某些物质是药皮具有一定塑性，弹性和流动性。以便焊条旳压制，使焊条表面光滑不开裂，常用成形剂有白泥、云母、钛白粉等5.3 K 值得确定药皮厚度大小决定了焊条横截面焊芯
15、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：1mK100%m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。焊接原理课程设计任务书第 4 页 共 14 页一般来说， 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
16、，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：w-R cCCC100%K 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。渣系 CaF2-Al2O3-CaO- MgO-TiO2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=0.440.55 ，Mn 的过渡系数为=0.440.55 。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3 所示：表 3 焊条熔敷金属相关参数的理论取值范围及实际取值名称C(%) Cr(%) 项目范围取值范围取值44 55 45 4455 45 Cr 0.10 0.10 0.300.55
