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晶 间 腐 蚀随着现代工业的快速发展，不锈钢在现代机械生产加工中得到广泛应用。通常不锈钢指空气中能够抵抗腐蚀的钢。它有两种分类法：一种是按化学成分，分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种则按正火状态下钢的组织状态，分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体一铁素体不锈钢等。奥氏体不锈钢是目前应用最广的不锈钢：它以铬、镍为主要合金元素，因具有优良的耐蚀性、力学性能等综合性能，导致它在生产中需求快速地增长，并占据重要的地位。奥氏体不锈钢化学成分类型有Crl8％一Ni9％ (18— 8型不锈钢)、C T1 8％一Ni1 2％、C T2 3％一Ni13％、Cr25％一Ni20％等。常用的有1CT18Ni9Ti。奥氏体不锈钢的焊接性从理论上讲，与铁素体、马氏体不锈钢相比，被认为是较好的，它不因温度变化发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下接头也有较好的塑性和韧性。但这并不意味着在所有的情况下该钢的焊接质量都能达到较高的使用要求。在役的奥氏体不锈钢焊接结构中，焊后接头出现晶间腐蚀破坏的时有发生，这不仅影响了结构的正常使用和安全性，还给企业造成经济损失。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题归根结底是与其焊接性相关，然而人们往往对它的认识不足，对它焊接性能不甚了解，选用不当的焊接工艺，而产生晶问腐蚀缺陷，导致具有寿命优势的奥氏体不锈钢早期失效。为此，通过查阅资料将对铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀缺陷的产生机理进行探讨，并据此开展预防不锈钢晶间腐蚀，提高耐蚀性的初步探讨。2 晶间腐蚀的形成条件 机理典型的18—8 型不锈钢(1C T1 8Ni9Ti)一般是在固溶处理状态下使用，于常温下腐蚀介质中工作，它的耐蚀性能是基于钝化作用：奥氏体不锈钢含有较高的铬，铬易氧化形成致密的氧化膜，能提高钢的电极电位，因此具有良好的耐蚀性能。当含铬量1 8％ 、镍量8％时，能得到均匀的奥氏体组织，且含铬和镍量越高，奥氏体组织越稳定，耐蚀性能就越好，故通常没有晶间腐蚀现象。但如经再次加热到450～850℃或在此温度区间工作，并且钢中含碳量超过0．02～0．03％ ，又缺少Ti、Nb等能控制碳的元素时，处于腐蚀介质中往往就可以见到晶间腐蚀现象。这说明，晶间腐蚀和钢的成分(碳和碳化物形成元素)有关，还与加热条件有关。现已有一些学说对晶问腐蚀现象做了解释，其中以碳化铬在晶界沉淀为前提的“贫铬理论” 较普遍为人们所接受。铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，有效含量应超过12％。以含碳量为0．03％的普通18—8型钢为例。室温时的碳的溶解度只有0．02～0．03％ ，固溶处理后奥氏体必为碳过饱和，而呈不稳定状态。若经再次中温加热(在450～850℃ 之间)， 则过饱和的碳将向晶界扩散，与铬结合而形成Cr23C6或(Cr、Fe)23 C6沉淀于晶界。这时，由于铬的原子半径较大，在晶粒内部的扩散速度较慢，来不及向晶界扩散，故在形成铬的碳化物时，晶界处可能发生铬的“供不应求”现象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺铬(铬的有效含量低于1 2％)。当有腐蚀介质作用时，这一缺铬区域将产生明显腐蚀，即晶间腐蚀。Ti、Nb的有利作用在于，可优先与碳结合形成TiC或NbC，消耗掉晶界过饱和的碳，从而防止碳与铬结合，避免缺铬现象发生。所以，含有Ti或Nb的钢一般不具有晶间腐蚀倾向。超低碳不锈钢由于不存在碳的过饱和，就无所谓碳的过饱和析出，因此也不发生晶间腐蚀。加热条件的影响主要是与合金元素的扩散相联系。加热温度低(<450℃)或加热时间短，不利于扩散而难以形成铬的碳化物，不致产生缺铬现象；加热温度较高(> 8 5 0℃)，铬的扩散速度加快， “供铬” 条件得到改善， 晶粒表层缺铬现象可以逐步消失；加热时间充分长时，也有利于铬的均匀扩散而不致形成贫铬层。3 晶间腐蚀的预防在了解奥氏体不锈钢晶间腐蚀的形成机理后，据此提出以下几条预防措施：(1)严格控制含碳量碳是造成晶间腐蚀的主要元素，碳含量在0．08％以下时，能够析出碳的数量少；碳含量在0．08％以上时，则析出碳的数量迅速增加。所以常控制母材金属和焊条的含碳量在0．0 8％以下，如0Cr1 8Ni9Ti、A107等。另外，奥氏体钢中含碳量小于0．02％ ～0．03％时，全部碳都溶解在奥氏体中，不会产生晶间腐蚀。超低碳不锈钢(如00 Cr 1 8Ni 1 0，A002)的大量应用就是此原理。(2)采用双相组织钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素。奥氏体化元素有Ni、C、Mn、N、C U等；而铁素体化元素则有C r、Nb、Ti、M O、V、W 、Si等。当不锈钢中铬与镍的质量分数之比大干1．8时，就会出铁素体组织。调整钢的化学成分，在焊缝中加入铁素体形成元素，就可促使焊缝形成奥氏体加少量铁素体的双相组织。形成双相组织的优势在于，双相组织中的奥氏体，其碳的浓度较大，碳有向铁素体扩散的趋势；而铁素体中铬的浓度较大，铬就有向奥氏体扩散的趋势。奥氏体中的碳和铁素体中的铬都向两相交界处扩散， 由于碳的扩散速度很大，有可能碳首先从奥氏体越过边界与铬形成碳化铬；又由于铬在铁素体里的扩散速度要比在奥氏体中快得多，所以一旦在晶界处出现贫铬层，铬能够较快地从铁素体内部得到补充，而使贫-铬层消失，使奥氏体晶界上析出的碳化铬数量减少、分布不连续，并打乱单一奥氏体柱状晶的方向性，从而避免贫铬层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的集中通道，降低了晶间腐蚀倾向。形成双相组织有利于防止晶间腐蚀，但也应注意铁素体含量的控制。铁素体含量超过5％时，o相(FeC r金属间化合物)很快形成。o相硬而脆(H RC>6 8)，分布在晶界，不仅使焊缝冲击韧性和塑性急剧下降，还将增大晶间腐蚀倾向。因此综合考虑，奥氏体不锈钢焊缝的铁素体数量为4～12％较适宜。实践表明，5％左右的铁素体能获得较满意的抗晶阃腐蚀性能。 (3)添加稳定剂焊接材料中加入钛、铌等与碳的亲和力比铬强的元素，能提高抗晶间腐蚀能力。因此常用焊接材料1Cr18Ni9Ti、A137、A302等，都含有钛或铌。(4)进行固溶处理在焊后把接头加热到1050～1150℃，保温1 h后水淬(图3)。此时晶界碳化铬被全部溶解，部分钛和铌的碳化物也被溶解，使碳重新溶入奥氏体中，然后迅速冷却，使碳来不及析出，形成稳定均一的奥氏体组织，消除晶界处的贫铬层，避免产生晶阃腐蚀。(5)进行均匀化处理将奥氏体不锈钢加热到850～900℃，保温2 h，使晶粒内部的铬也扩散到晶粒边界，使晶界铬的质量分数重新恢复到大于1 2％，从而消除晶界贫铬层。(6)减小焊接线能量在焊接工艺方面，采用小电流，大焊速，短弧，直道焊接。多层多道焊时，层间温度不宜过高，应待先焊的一层完全冷却后(<6 0℃)，再进行下一层焊接，且层间接头错开。奥氏体钢的电阻率大(约为碳钢的5倍)，导热系数小，焊接电流应比同样直径的低碳钢焊条小1 0～20％ 。以手弧焊为例，平焊的焊接电流为焊芯直径的2 5～3 5倍，在立焊或仰焊时，焊接电流还要再减小1 0～30％ 。小线能量、小电流、快速焊，冷却速度快，在敏化温度区停留时间短，有利于防止晶间腐蚀；短弧，焊丝或焊条芯中所含对氧亲和力大的合金元素T i、Nb、C r、Al等烧损少，有利于防止晶间腐蚀。 (7)Jjn快接头的冷却焊件焊前不预热，焊后应尽可能加快接头的冷却，如使用铜垫板等，甚至条件允许还可用水冷等强制措施，来减少接头在危险温度的停留时间，防止晶间腐蚀产生。(8)合理安排焊接顺序多层焊和双面焊时，后一条焊缝的热作用可能对先焊焊缝的过热区起到敏化温度加热的作用。为此，双面焊缝中与腐蚀介质接触的一面应尽可能最后焊接。焊缝布局上应尽量避免交叉焊缝，减少焊缝接头。与腐蚀介质接触的焊缝若无法安排最后焊接，则应调整工艺参数，使后焊焊缝的敏化区不与第一面焊缝表面的过热区重合。进一步提高 锈钢焊缝的耐蚀性，则还应严格控制以下几项：(1)为避免损伤不锈钢表面，在坡口两侧刷涂石灰水或商品化的专用防飞溅剂，并在焊后彻底清除飞溅物、残渣；(2)禁止在坡口之外的焊件上随处任意打弧；(3)焊接电缆卡头在工件上要卡紧，以免发生打弧或过烧现象；(4)焊接前、后的处理对产品耐蚀性影响很大：①钢材的贮存及运输应与一般结构钢分开，以免被铁锈等污染；②钢材表面光滑平整，避免碰撞或摩擦损伤，划线下料时不要打冲眼和不用划针；③尽可能用机械加工或等离子弧切割下料，避免用碳弧切割；④封头等零件最好冷压成形，热压 1ooo度 ≈ 6O0度成形时应检查耐蚀性变化，并做相应的热处理；⑤焊接前后热处理时，加热前必须将钢材表面污物洗净，以免加热时产生渗碳。⑥表面处理(磨平、抛光、酸洗、钝化)必须严格遵守操作规程，以表面呈均匀的银白色为宜。奥氏体不锈钢焊接易出现晶间腐蚀缺陷，且存在导热性能差、线膨胀系数大、熔池的流动性差等不利因素，因此只有选择合适的焊接方法、焊接材料，遵循相关的焊接工艺，才能保证奥氏体不锈钢的焊接质量，使其寿命优势得到充分发挥，让它的应用范围进一步扩大。
引言 随着现代科学技术的发展和工农业对钢材质量要求的提高,钢厂普遍采用了炉外精炼工艺流程,它已成为现代炼钢工艺中不可缺少的重要环节。由于这种技术可以提高炼钢设备的生产能力,改善钢材质量,降低能耗,减少耐材、能源和铁合金消耗,因此,炉外精炼技术已成为当今世界钢铁冶金发展的方向。对于炉外精炼技术存在的问题及发展方向有必要进行探讨。 1 国内外炉外精炼技术的发展历程和现状 随着炼钢技术的不断进步,炉外精炼在现代钢铁生产中已经占有重要地位,传统的生产流程(高炉→炼钢炉(电炉或转炉)→铸锭),已逐步被新的流程(高炉→铁水预处理→炼钢炉→炉外精炼→连铸)所代替。已成为国内外大型钢铁企业生产的主要工艺流程,尤其在特殊钢领域,精炼和连铸技术发展得日趋成熟。精炼工序在整个流程中起到至关重要的作用,一方面通过这道工序可以提高钢的纯净度、去除有害夹杂、进行微合金化和夹杂物变性处理;另一方面,精炼又是一个缓冲环节,有利于连铸生产均衡地进行。 日本在20世纪70年代为了降低炼钢成本,提高钢的纯净度和质量,率先将炉外精炼技术应用于特殊钢生产中,随后西欧的钢铁企业也加入到推广和使用这项技术的行列中。据资料报道,日本早在1985年精炼率达到年上升到,特殊钢的精炼率达到94%,新建电炉短流程钢厂100%采用炉外精炼技术。80年代连铸技术发展迅速,原有的炼钢炉难以满足连铸的技术要求,更加促进了炉外精炼技术的发展,到1990年为止世界各主要工业国家拥有1000多台(套)炉外精炼设备。 我国早在20世纪50年代末,60年代中期就在炼钢生产中采用高碱度合成渣在出钢过程中脱硫冶炼轴承钢、钢包静态脱气等初步精炼技术,但没有精炼的装备。60年代中期至70年代有些特钢企业(大冶、武钢等)引进一批真空精炼设备。80年代我国自行研制开发的精炼设备逐渐投入使用(如LF炉、喷粉、搅拌设备),黑龙江省冶金研究所等单位联合研制开发了喂线机、包芯线机和合金芯线,完善了炉外精炼技术的辅助技术。现在这项技术已经非常成熟,以炉外精炼技术为核心的“三位一体”短流程工艺广泛应用于国内各钢铁企业,取得了很好的效果。初炼(电炉或转炉)→精炼→连铸,成了现代化典型的工艺短流程。 2 炉外精炼技术的特点与功能 炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程,是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。这些工作只有在精炼炉上进行,其特点与功能如下: 1)可以改变冶金反应条件。炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空条件下进行,有利于反应的正向进行,通常工作压力≥50Pa,适于对钢液脱气。 2)可以加快熔池的传质速度。液相传质速度决定冶金反应速度的快慢,精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使系统内的熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。 3)可以增大渣钢反应的面积。各种精炼设备均有搅拌装置,搅拌过程中可以使钢渣乳化,合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应,通常1吨钢液的渣钢反应面积为～,当渣量为原来的6%时,钢渣乳化后形成半径为的渣滴,反应界面会增大1000倍。微合金化、变性处理就是利用这个原理提高精炼效果。 4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用,精炼炉具有灵活性,使作业时间、温度控制较为协调,与连铸形成更加通畅的生产流程。 3 炉外精炼技术在生产中的应用目前得到公认并被广泛应用的炉外精炼方法有:LF法、RH法、VOD法。 LF法(钢包精炼炉法) 它是1971年由日本大同钢公司发明的,用电弧加热,包底吹氩搅拌。 工艺优点 1)电弧加热热效率高,升温幅度大,控温准确度可达±5℃; 2)具备搅拌和合金化的功能,吹氩搅拌易于实现窄范围合金成份控制,提高产品的稳定性; 3)设备投资少,精炼成本低,适合生产超低硫钢、超低氧钢。 LF法的生产工艺要点 1)加热与控温LF采用电弧加热,热效率高,钢水平均升温1℃耗电～·h,LF升温速度决定于供电比功率(kVA/t),而供电的比功率又决定于钢包耐火材料的熔损指数。因采用埋弧泡沫渣技术,可减少电弧的热辐射损失,提高热效率10%～15%,终点温度的精确度≤±5℃。 2)采用白渣精炼工艺。下渣量控制在≤5kg/t,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣,包渣碱度R≥3,以避免炉渣再氧化。吹氩搅拌时避免钢液裸露。 3)合金微调与窄成份范围控制。据试验报道,使用合金芯线技术可提高金属回收率,齿轮钢中钛的回收率平均达到,硼的回收率达,钢包喂碳线回收率高达90%,ZG30CrMnMoRE喂稀土线稀土回收率达到68%,高的回收率可实现窄成份控制。 LF法在生产实践中的应用 2000年6月,鞍钢第一炼钢厂新建的连铸车间正式投产,精炼设备由两座LF钢包精炼炉,年处理钢水200万t;一座VD钢水真空处理装置,年处理钢水80万t组成。LF炉最大升温速度为4℃,LF炉平均处理周期≤28min;处理效果:平均[H]≤;最低[H]≤。 我国现有家重轨生产厂(攀钢、包钢、鞍钢和武钢)生产典型的工艺路线如下:LD→LF→VD→WF→CC,钢包吊到LF处理线的钢包车上后,由人工接通钢包底吹氩的快速接头,根据要求的钢水成分及温度确定物料的投入量(含喂丝)重轨钢含碳量较高,因而增碳显得很重要,转炉出钢时钢水含碳量控制为～(wt),炉后增碳至～(wt),在LF炉处理时再增～(wt)个碳至标准成份的中上限,经VD处理后即可达到钢种成分要求。 RH法(真空循环脱气法)这种方法是1958年西德发明的,其基本原理是利用气泡将钢水不断的提升到真空室内进行脱气、脱碳,然后回流到钢包中。 RH法的优点 1)反应速度快。真空脱气周期短,一般10分钟可以完成脱气操作,5分种能完成合金化及温度均匀化,可与转炉配合使用。 2)反应效率高。钢水直接在真空室内反应,钢中可达到[H]≤×10-6,[N]≤25×10-6,[C]≤10×10-6,的超纯净钢。 3)可进行吹氧脱碳和二次燃烧热补偿,减少精炼过程的温降。 RH法工艺参数 1)RH循环量。循环量是指单位时间内通过上升管或下降管的钢水量,单位是t/min。有关资料给出的计算公式为: Q=×·,式中:Q———循环流量,t/min;Du———上升管直径,cm;G———上升管内氩气流量,L/min。 2)循环因数。他是指在RH处理过程中通过真空室的钢水与处理量之比,其公式为:μ=w·t/v式中:μ———循环因数,次;w———循环量,t/min;t———循环时间,min;v———钢包容量,t。 3)供氧强度与含碳量的关系。向RH内吹氧可以提高脱碳速度,即RH-OB法。当[C]/[O]>时钢包内氧的传质速度决定脱碳速度,其计算公式为: QO2=×Q·[C]式中:QO2———氧气强度,Nm3/min;Q———钢水循环量,t/min;[C]———含碳量,Nm3/t。 RH法在生产实践中的应用 日本的山阳钢厂将LF与RH配合生产轴承钢形成EF-LF-RH-CC轴承钢生产线,钢中总氧量达到×10-6。LF-RH法首先利用LF炉将钢水升温,利用LF搅拌和渣精炼功能进行还原精炼,是钢水脱硫和预脱氧,然后将钢水送入RH中进行脱氢和二次脱氧。经过这样处理大大的提高了钢水的清洁度,同时钢水的温度达到连铸需要的温度。 宝钢炉外精炼设备有RH-OB、钢包喷粉装置、CAS精炼装置,RH-OB的冶炼效果较理想,脱氢率为50%～70%,脱氮率为20%～40%,一般情况下,经RH-OB处理后[H]≤×10-6,[C]≤30×10-6,去除钢中非金属夹杂物一般能达到70%,钢中总氧量≤25×10-6,而且在RH中合金处理可以提高合金的收得率和控制的精确度,[C]、[Si]、[Mn]的控制精度能达到±,铝的精确度可达到×10-3,取得了较好的炉外精炼效果。 VOD法(真空罐内钢包吹氧除气法) VOD的特点VOD法是1965年西德首先开发应用的,它是将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳,同时从钢包底部向上吹氩搅拌。此方法适合生产超低碳不锈钢,达到保铬去碳的目的,可与转炉配合使用。他的优点是实现了低碳不锈钢冶炼的必要的热力学和动力学的条件-高温、真空、搅拌。 VOD法在生产实践中的应用 20世纪90年代初,上海大隆铸锻厂从德国莱宝(leybold)公司进口1台15tVODC的关键设备和技术软件。采用电炉初炼钢水经VODC炉外精炼的工艺方法,精炼了超低碳不锈钢、中低合金钢和碳钢,取得了很好的冶金效果,钢中非金属夹杂物减少,氢含量小于3×10-6氧含量小于×10-6,不锈钢中铬回收率达98%～99%,精炼后的钢具有十分优越的性能。VODC精炼工艺成熟,控制容易,适应中小型钢厂和铸钢厂的多钢种、小吨位精炼生产需要,对发展铸钢行业的精炼生产会起到很大积极作用,具有广阔的发展前景10。 抚顺特殊钢有限公司有30tVOD炉,采用EAF+VOD技术精炼不锈钢,可使[H]≤×10-6,T[O]≤×10-6,铬回收率达到,脱硫率,精炼高碳铬轴承钢T[O]≤×10-6 。 4 发展炉外精炼技术需解决的问题及发展方向炉外精炼技术已经应用40年,对提高钢的纯净度、精确控制成分含量及细化组织结构等方面都起了重要作用,使冶炼成本大幅降低,同时提高了钢的品质和性能。但在发展的过程中也出现了一些问题,有待于解决,使这项技术更加完美。 1)实现炉外精炼工艺的智能化控制,根据来料钢水的各种技术参数,利用信息技术,制定最佳的精炼工艺方案,并通过计算机控制各精炼工序。精炼工位配备快速分析设备,实现数据网络化,减少热停等待时间。 2)炉外处理设备将实现“多功能化”。在水钢精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。 3)开发高纯度、高密度、高强度的优质碱性耐火材料,以适应不同精炼炉的需要,注重产品质量的稳定性。耐火材料的使用条件应尽可能与炉渣相适应,最大限度地降低侵蚀速度。要根据精炼设备的实际情况形成不同层次的配套材料,研究开发保温和修补技术,提高炉衬的使用寿命。 4)减少精炼过程的污染排放,精炼过程会产生大量废气,其中含SO2、Pb、金属氧化物、悬浮颗粒等,在真空脱气冷却水中含有固态悬浮物、Pb、Zn等,这些污染物须经企业内部的相关处理,把污染程度降低到符合排放标准后再排放,加强环境保护意识。 5 结束语 炉外精炼技术是一项提高产品质量,降低生产成本的先进技术,是现代化炼钢工艺不可缺少的重要环节,具有化学成分及温度的精确控制、夹杂物排除、顶渣还原脱S、Ca处理、夹杂物形态控制、去除H、O、C、S等杂质、真空脱气等冶金功能。只有强化每项功能的作用,才能发挥炉外精炼的优势,生产出高品质纯净钢种。
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16、方钢管混凝土柱卡扣机械连接试验及有限元分析
17、机械电子工程与人工智能的关系
18、机械法与机械-酶消化法制备大鼠膈肌组织单细胞悬液的比较
19、机械制造工艺及精密加工技术研究
20、腐蚀减薄对X80钢管机械损伤凹陷过程中应力应变的影响
21、基于驻极体材料的机械天线式低频通信系统仿真研究
22、基于"J型锁芯"的机械锁芯结构创新分析
23、浅析我国烟草机械技术的发展现状和趋势
24、液滴分析仪的机械结构设计
25、化工机械密封件损伤数值模拟及维修对策探讨
26、一种镍基单晶高温合金的反相热机械疲劳行为
27、浅谈机械数控技术的应用现状和发展趋势
28、数控机械加工进刀工艺优化措施分析
29、基于STM32六自由度机械臂发展前景
30、机械工程自动化技术存在的问题及对策探析
31、机械设计制造的智能化发展趋势综述
32、RFID在机械加工中的应用探究
33、试论船舶机械设备维修保养中的常见故障及排除方法
34、探讨港口流动机械预防性维护保养
35、关于端盖零件机械加工工艺的设计要点分析
36、关于机械加工工艺对零件加工精度的影响研究
37、现代机械制造及加工技术分析
38、论机械设计加工中需要注意的问题
39、基于机械设计制造中零件毛坯选择的研究与应用
40、机械零件加工精度影响因素探析
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不锈钢薄壁管全位置焊的焊接工艺、16MnR钢管固定对接单面焊双面成型CO2气保焊技术、耐热钢1Cr5Mo炉管与ZG25弯头的焊接、15MnVR钢在水电站压力钢管中的焊接技术、CO 2 焊焊接工艺及工程机械中应用、CO2焊与手工电弧焊优缺点对比分析、板厚为6mm的0Cr18Ni9钢板采用焊条电弧焊的焊接工艺评定（拉伸）、新型奥氏体耐热钢的焊接、关于单面焊双面成形质量差的原因及防止措施等这些
杨柯， 1961 年 2 月出生于辽宁省抚顺市， 1982 年毕业于大连理工大学材料学院金属材料专业， 1985 年和 1989 年在中国科学院金属研究所分别获得工学硕士 和工学 博士学位， 1991-1993 年获英国皇家学会奖学金在英国牛津大学材料系工作。 1993 年在中科院金属所破格晋升为研究员， 1996 年被评为博士生导师，已培 养 博士研究生毕业 30 余名。承担科研项目情况：多年来一直从事先进钢铁结构材料、生物医用材料与器件、贮氢合金及应用等领域中的研究与开发工作，主持或参与完成多项包括国家 973 、国家 863 、国家自然科学基金等国家级科研课题以及工业和地方科研课题，取得了一系列科研成果，包括低成本 X80 级高强高韧管线钢、系列超高强度马氏体时效钢、抗菌不锈钢、医用无镍奥氏体不锈钢、不锈钢心血管支架、稀土型储氢合金等。目前带领课题组正在进行高氮不锈钢、新型火电用钢、高速列车用弹簧钢、可降解镁合金骨植入材料及器件、以储氢合金为介质的高压加氢站等课题的研究工作。获奖及荣誉：曾获中科院科技进步一等奖、中科院自然科学二等奖、辽宁省科技进步一等奖、辽宁省科技进步二等奖（2次）等多项奖励，以及国务院政府特别津贴、中科院院长奖学金、中科院青年科学家奖等多项荣誉奖励。代表论著：现已发表期刊学术论文 250 余篇，会议论文 30 余篇，申报专利 60 余项（已授权 30 余项），出版和翻译专著 3 部 。
常州工程学院毕 业 设 计（论文）、题 目 板厚为6mm的0Cr18Ni9钢板采用焊条电弧焊 的焊接工艺评定（拉伸） 专 业 焊接技术及自动化 班级学号 姓 名 指导教师 2008 年 6 月 5 日摘要钢是我们现代社会中不可缺少的一种材料，它可以看作一个国家工业化水平的标志。钢的产量越高就代表这个国家的工业化水平越高。不锈钢是钢中非常重要的一种，由于不锈钢具有特殊的使用性能和力学性能，在现在的各行各业中已经被越来越多的使用。在不锈钢中奥氏体不锈钢又是其中非常重要的一种，在发达国家每年消耗的不锈钢中有70％的是不锈钢，在我过也达到了65％左右。因此开发和使用好奥氏体不锈钢对我过的工业话来说已经越来越重要了。0cr18ni9就是奥氏体不锈钢，我做的这个课题就是探讨0cr18ni9在低温贮罐制造中的性能。低温贮罐是用来储存液N液Ar液态的CO2等低温液体的容器，液态介质的特殊性能就决定了制造材料需要特殊性能，而奥氏体不锈钢0cr18ni9就具有这样的性能。低温贮罐在现在的生活、生产中使用已经越来越广泛，因此对0cr18ni9的探讨就显得越来越重要。在这篇论文中我会着重为大家阐述0cr18ni9在低温压力容器制造中的焊接性能，力学性能，使用性能和焊接工艺。在这篇论文中我会通过一个焊接性试验来探讨0gr18ni9在低温压力容器中的各项性能。我的这个试验就是规格为6×150×300mm的两块0cr18ni9扳水平对接焊接方法就是手工电弧焊。针对这个试验做出完整的焊接工艺评定，并且根据评定要求对式样做相应的无损检验和力学性能的检验，从而来判定0cr18ni9的各项性能。关键词: 焊接性能 力学性能 使用性能 焊接工艺AbstractSteel our modern society is indispensable to a material, it can be seen as a sign of the level of industrialized countries. The higher the output of steel on behalf of this country the higher the level of industrialization. Stainless steel is a very important one, because of the use of stainless steel with special performance and mechanical properties, in all walks of life in the present have been increasingly used. Austenitic stainless steel in the stainless steel is a very important one, in the developed world consumption of stainless steel annually in 70% of the stainless steel is, I have also reached about 65 percent. Thus the development and use of austenitic stainless steel good to me over the words of the industry has become increasingly is austenitic stainless steel, I do on this subject is 0 cr18ni9 in low-temperature storage tank manufacturer in the performance. Cryogenic storage tank is used to store liquid N Ar of liquid CO2 and other low-temperature liquid containers, liquid medium decision on the special properties of the material needs of a special performance, and austenitic stainless steel 0 cr18ni9 on with this performance. Cryogenic storage tank in the present life, has been used in the production of more extensive, therefore 0 cr18ni9 of it is beco Steel our modern society is indispensable to a material, it can be seen as a sign of the level of industrialized countries. The higher the output of steel on behalf of this country the higher the level of industrialization. Stainless steel is a very important one, because of the use of stainless steel with special performance and mechanical properties, in all walks of life in the present have been increasingly used. Austenitic stainless steel in the stainless steel is a very important one, in the developed world consumption of stainless steel annually in 70% of the stainless steel is, I have also reached about 65 percent. Thus the development and use of austenitic stainless steel good to me over the words of the industry has become increasingly is austenitic stainless steel, I do on this subject is 0 cr18ni9 in low-temperature storage tank manufacturer in the performance. Cryogenic storage tank is used to store liquid N Ar of liquid CO2 and other low-temperature liquid containers, liquid medium decision on the special properties of the material needs of a special performance, and austenitic stainless steel 0 cr18ni9 on with this performance. Cryogenic storage tank in the present life, has been used in the production of more extensive, therefore 0 cr18ni9 of it is becoming increasingly important. In this paper I will focus on as we set out in the cold 0 cr18ni9 pressure vessel manufacture of welding performance, mechanical properties, the use of performance and welding this paper I will pass a welding test to explore 0 gr18ni9 in low-temperature pressure vessel in the performance. This is my test specifications for the 6 × 150 × 300mm 2 0 cr18ni9 pull the butt welding method is the level of manual arc welding. For the pilot to complete the welding technology assessment and assessed in accordance with the requirements of the design accordingly mechanical properties of non-destructive testing and inspection, to determine 0 cr18ni9 the increasingly important. In this paper I will focus on as we set out in the cold 0 cr18ni9 pressure vessel manufacture of welding performance, mechanical properties, the use of performance and welding this paper I will pass a welding test to explore 0 gr18ni9 in low-temperature pressure vessel in the performance. This is my test specifications for the 6 × 150 × 300mm 2 0 cr18ni9 pull the butt welding method is the level of manual arc welding. For the pilot to complete the welding technology assessment and assessed in accordance with the requirements of the design accordingly mechanical properties of non-destructive testing and inspection, to determine 0 cr18ni9 the word:Welding performance Mechanics performance Welding craft Operational performance目 录1 绪论 ………………………………………………………………………2 课题的背景 ………………………………………………………………3 材料介绍 …………………………………………………………………4 0Cr18Ni9的焊接 ……………………………………………………………… 0Cr18Ni9焊接性分析 …………………………………………………… 0Cr18Ni9的焊接工艺 ……………………………………………………… 0Cr18Ni9的焊接工艺思路分析 ………………………………………… 0Cr18Ni9的焊接工艺应用 ……………………………………………5 结论 ……………………………………………………………………6 参考文献 ………………………………………………………………7 致谢 ……………………………………………………………………绪论机械工业是为所有的工业，农业，国防以及交通运输业提供机器和装备的工业。在实现我国四个现代化的过程中，必须贯彻党的总路线精神，不断解决自行设和制造效能高、寿命长、重量轻、体积小、容量大、成本低的机器和设备的问题。为了完成这一光荣而艰巨的任务，使机械设计与制造能力在短时间内超世界水平，除了必须解决设计与制造和使用的科学。而机械制造中的材料问题，一部分是属于金属材料本身的成分与质量问题，另一部分是属于材料的选用是否适当，在加工处理的工艺上是否发挥了材料的最大潜力的问题。因此，在提高金属材料的产量和质量的同时，还要提高和发挥材料的各种性能，充分挖掘潜力，做到既合实用又节省，只有这样才能达到多，快，好，省建设社会主义的目的。我国解放前合金钢的科学和生产几乎完全是空白点。解放后，我国机械工业的发展速度是世界上前所罕见的。在近20~30年间，不锈钢的出现和大量的使用，推动了不锈钢工业的进程。不锈钢由于具有优良的耐蚀性、耐磨性、强韧性和良好的可加工性，外观的精美性，以及无毒无害性，广泛地应用与宇航、海洋、军工、化工、能源等方面，以及日用家具、建筑装潢、交通车辆的装饰上。合金元素多、组织结构复杂且多变给不锈钢及耐蚀耐热合金焊接带来很大的困难。焊接接头的性能好坏，直接关系着设备使用的安全性。国内外对不锈钢及耐蚀耐热合金的焊接做了大量的研究工作，其焊接性、焊接材料及焊接工艺的研究几乎与母材的研究同步，促进了不锈钢及耐蚀耐热合金的发展。有关这方面的研究成果和文献资料虽然很多，但较为系统的还是寥寥无几，在实际工作中，一部分有关的焊接技术人员和焊工，对不锈钢及耐蚀耐热合金的焊接知识了解不多，有的甚至直接照搬低合金钢的工艺和方法。虽然我国在这几年在不锈钢上的努力有目共睹，但与世界先进国家相比，差距还是很大的。为了尽快弥补这一差距，需要我们现代化的科技人才而我们也需要付出更多。随着社会主义革命和现代化建设事业的迅猛发展以及人们对高品质的生活的要求，不锈钢极其相关的技术科学将得到不断地发展和完善。在世界上45 ％的钢的连接是用焊接方法来完成的，手工电弧焊又是我们生活生而中不可缺少的一部分，目前我用的越来越多的钢就奥氏体不锈钢，所以对于奥氏体不锈钢的焊接的研究已经越来越迫在眉睫。我做这篇论文就是从手工电弧焊方面来研究奥氏体不锈钢的焊接。主要从材料的力学性能化学成分，和通过焊接性的分析来讨论奥氏体不锈钢的焊接性能。最能直观表现奥氏体不锈钢焊接性能的就是焊接工艺知道书，我们通过焊接工艺指导书的编制来反应奥氏体不锈钢的焊接性能。课题背景由于奥氏体不锈钢的特殊的焊接性能，在现代社会中越来越多的地方使用到这种钢，现在奥氏体不锈钢也是我们发展研究的一个方向。未来的时间里对奥氏体不锈钢的开发研究也越来越引起专家们的注意，我们对奥氏体不锈钢焊接的了解也应该越来越重视。焊接奥氏体不锈钢的方法有很多，国内在中厚板奥氏体不锈钢的焊接中，主要采用埋弧焊（SAW）。手工电弧焊由于其操作灵活、方便，设备投资少，因而被广泛用于奥氏体不锈钢结构的生产中这也是一种典型的、传统焊接方法。在手工电弧焊中起关键作用的不锈钢焊条经过我国焊接工作者多年努力，已取得了如下进展：⑴ 品种 基本上覆盖了各种常规不锈钢钢种，如308、316、309、347、317等等，通常包括酸性、碱性两个渣系。对于超低C不锈钢焊条，如308L、316L、309L国内也能生产，所以从品种上基本可满足工业部门的使用。⑵ 质量 对于常规不锈钢焊条而言，从不锈钢焊条的发红、电弧稳定性、飞溅大小、焊缝成型、颜色、波纹细腻程度、全位置焊接适应性、焊工施焊的舒适性、焊接力学性能、抗腐蚀性等方面，国产不锈钢焊条质量参差不齐。但基本可以满足国内用户的要求。对于一些特殊品种如310MoL、347L、309L仍有许多工厂愿意使用进口焊材。这也表明我国整体不锈钢焊条的工艺质量与国外还有差距，在一些特殊品种上差距较大。不锈钢埋弧焊大多使用在不锈钢筒体的环缝和纵缝。通常是开X型坡口，先焊内焊缝，然后反面砂轮打磨（甚至气刨）。随后焊正面，现行工艺是标准中要求和认可的。存在问题有：① 对母材损伤较大，对腐蚀性能不利、影响美观。② 埋弧不锈钢焊丝品种少，质量较差，配用的260和431、350焊剂，往往使焊后缝残留有横向熔渣。焊工需要用砂轮打磨。③ 因而不锈钢埋弧焊接效率低、成本高、质量粗糙。（3）、CO2不锈钢药芯焊丝电弧焊采用CO2气保护不锈钢药芯焊丝焊接不锈钢是近二三十年的事。该方法使用常规CO2焊机或MIG焊机，采用100%CO2或80%Ar+20%O2作为保护气体，和普通结构钢实心焊丝焊接相似，即可得到美观的焊缝。在3种方法中，CO2保护不锈钢药芯焊丝有取代前两种焊接方法的趋势。这三种焊接方法的对比，见表1。不锈钢手工电弧焊、MIG实心焊丝和CO2气保护不锈钢药芯焊丝电弧焊的对比对比项目 不锈钢手工电弧焊 MIG实心焊丝 CO2不锈钢药芯焊丝效率 低 高 高成本 高 较高 低操作工艺性 好 较高 好焊缝美观 好 较高 好焊缝性能 好 好 好全位置适应性 好 一般 好焊丝品种 多 少 多对焊工技术要求 较多 高 一般从上面的数据分析手工电弧焊接将会渐渐被CO2气体保护焊接所替代，但是目前这个阶段手工电弧焊接应用还是很普遍的！奥氏体不锈钢已具备建筑、化工设备材料所要求的许多理想性能，它在金属中可以说是独一无二的，而其发展仍在继续。为使不锈钢在传统的应用中性能更好，一直在改进现有的类型，而且，为了满足高级建筑应用的严格要求，正在开发新的不锈钢。由于生产效率不断提高，质量不断改进，不锈钢已成为建筑师们选择的最具有成本效益的材料之一。上面的分析可以看出目前不锈钢的焊接性是很好的，使用也是越来越广泛的。对于这种不锈钢的焊接技术也越来越成熟起来，但在目前这个阶段我们应用最广泛的还是手工电弧焊。在这样的背景下我选择做这样的课题，既有利于了解目前0Cr18Ni9焊接，又有利于了解0Cr18Ni9焊接的发展方向。OCr18Ni的焊接性分析 对于什么是焊接性，GB/T3375-94《焊接术语》中注明：“材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力”。它包括两方面的内容：其一是焊成的构件符合设计要求；其二是满足预定的使用条件，能够安全运行。 根据讨论问题的着眼点不同，焊接性可分为：（1） 工艺焊接性（2） 使用焊接性影响焊接性的因素主要有以下几点：（1） 材料因素（2） 焊接方法（3） 构件类型（4） 使用要求 金属的焊接性与材料成分、焊接方法、构件类型、使用要求都有密切的关系，所以不应脱离这些因素而单纯的从材料本身的性能来评价焊接性。从上述分析可以看出，很难找出一项技术指标可以概括焊接性，只有通过综合多方面的因素才能分析焊接性问题。 分析金属的焊接性我们在不要求做非常准确的情况下我们可以根据碳当量、材料的化学性能、材料的物理性能来判断，如果要求需要很准确的话我们可以通过焊接性试验来判定。0cr18ni9的焊接性能我们就从这方面来判定：1、0Cr18Ni9的焊接要求 1）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： ① 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冷却速度对不锈钢的焊接是有益的。 ② 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。 ③ 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。 2）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。 3） 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。 上面我们已经从它的化学成分和物理性能对0cr18ni9的焊接性能进行了分析，但是根据这些判断出的焊接性是不够准确的，我们需要准确的判断它的焊接性我们就必须通过焊接性试验来完成。焊接性的试验是很多的，我在这里就用斜Y型坡口焊接裂纹试验方法。板材的规格是6×150×200mm焊接方法是手工电弧焊焊材型号A132，规格¢坡口形式是斜Y型焊接参数是电流：90-120A，电压20-24V，速度15-20cm/min斜Y型坡口裂纹试验图如下：焊完的试件需要经过48H时效后再作裂纹的检测和解剖。裂纹可以分为表面裂纹、跟部裂纹、断面裂纹三种形式。首先用放大镜目测或莹光粉检查焊缝表面裂纹，然后用机械方法切开六个等长度横向试片，检查五个片面上的裂纹情况。一般用裂纹率作为评定标准。根部裂纹率=∑LR/L×100％表面裂纹率=∑Lf/L×100％端面裂纹率=∑h/5H×100％试验焊缝的总长度是80mm而我们焊接裂纹的总长度通过试验测得为试件的裂纹率小于20％因此在实际生产中如果按要求来做的话是不会产生裂纹的，此种钢的焊接性能还是可以的。综上所述0cr18ni9钢是具有良好的焊接性能的，在生产中按标准来做的话是应该可以生产出合格的产品，它的使用性能还是可以的。0Cr18Ni9的焊接工艺表Ⅰ-1焊接工艺评定指导书（任务书）编 制 指导书编号 HJ0511-29审 核 评定理由 批 准 完成日期 评 定 标 准 JB4708-2000 验收机关 母 材 厚度 , mm 尺寸,mm 接头形式简图0Cr18Ni9 6mm 6*150*300 0Cr18Ni9 6mm 6*150*300 焊 接 位 置 1G 焊接方向 右焊法 保 护 气 体 / 层间温度 / 预 热 / 机械化程度 手工焊 焊后热处理 / 后 热 处 理 / 衬垫材料/规格 / 清 根 方 法 / 层道 焊接方法 焊材型号/牌号 焊材规格 电流种类及极性 电流(A) 电压(V) 焊接速度(cm/min) 热输入（kJ/cm） 钨极直径 喷嘴直径1 SMAW A102 反接 90-110 15~18 / /2 SMAW A102 反接 100-120 20~22 18~20 / /检验项目、评定指标及试样数量检 验 项 目 检验标准 评定指标 检验项目 检验标准 评定指标 试样数量外观检查 GB150 JB4708 拉伸试验 GB/T228 JB4708 2无损检测 射线(RT) JB4730 JB4708 弯曲试验 面弯 GB/T232 JB4708 2 超声(UT) / / 背弯 JB4708 2 渗透(PT) / / 侧弯 / / 磁粉(MT) / / 冲击试验 焊缝 GB/T229 JB4708 /焊缝化学成分 / / 热影响区 JB4708 /金相 宏观 / / 腐蚀试验 / / / 微观 / / 硬度检验 / / /焊接工艺评定指导书编号：HJ0511-29名称：板厚为6mm的0Cr18Ni9钢板手工电弧焊的焊接工艺评定（拉伸） 编制： 审核： 批准： 表Ⅰ-2焊 接 工 艺 评 定 指 导 书单位名称 常州博朗低温有限公司 焊接工艺指导书编号 HJ0511-29 日期 焊接工艺评定报告编号 HJ0511-29-1 焊接方法 焊条电弧焊 机械化程度（手工、半自动、自动） 手动 焊接接头：坡口形式 带钝边的V型 衬垫（材料及规格） / 其它 / 简图：（接头形式、坡口形式与尺寸焊条、焊道布置及顺序）母材：类别号 VII 组别号 VII-1 与类别号 VII 组别号VII-1 相焊及标准号 / 钢 号 / 与标准号 / 钢 号 / 相焊厚度范围： 母材：对接焊缝 角焊缝 不限 管子直径、壁厚范围：对接焊缝 角焊缝 不限 焊缝金属厚度范围： 对接焊缝 《12 角焊缝 不限 其它： 焊接材料：焊材类别 焊条 焊材标准 GB/T983 填充金属尺寸 焊材型号 E307-16 焊材牌号 A132 其 他 / 耐蚀堆焊金属化学成分（%）C Si Mn P S Cr Ni Mo V Ti Nb
杨柯，男，1961年2月5日生，中共党员，1982年8月毕业于大连工学院机械系金属材料及热处理专业，同年考入中国科学院金属研究所攻读硕士学位，1989年在本所获工学博士学位，导师为中国科学院院士师昌绪先生。 现任中国科学院金属研究所所长助理；中国科学院金属研究所第一发展部副主任；高性能均质合全国家工程研究中心常务副主任；中国机械工程学会热处理分会理事；中国材料学会青年工作委员会理事；沈阳市青年联合会副主席。 杨柯自1982年考入中科院金属研究所攻读硕士学位以来，一直从事“金属中氢”领域中的应用基础研究工作，取得了多项优异成果。在硕士论文工作期间，他参加了一项国家重大基金项目的子课题工作，成功地采用离子探针微分析测量技术获得了氢对b 型钛合金原子间结合力的影响规律，是国际上为数不多的从实验上直接验证金属氢脆弱键理论的研究结果，并在此基础上提出了b 型钛合金的氢脆机制。 杨柯的博士论文工作也是该项子课题的内容之一，即氢在金属中的扩散及氢陷阱效应的研究。针对过去氢在纯铁中扩散系数的测量结果分散性很大的事实，杨柯通过对大量实验结果的分析和研究，提出了一种处理氢扩散实验结果的简单数学方法，从而可以方便地采用一般纯度的金属样品准确获得氢在金属晶格中的扩散系数。在上述研究基础上，建立了氢在含氢陷阱效应金属中的扩散数学模型，通过对氢扩散过程的理论模拟发现与实验结果符合较好，并能够很好地解释实验中出现的一些现象。上述工作的完成不仅丰富了金属氢脆研究理论，而且对以氢脆为主的金属断裂过程研究具有重要的理论指导意义，这些工作作为主要内容之一获得了一项中科院自然科学二等奖。以上述工作为主要内容发表在《金属学报》、《Scripta Metallurgica》等杂志上的多篇文章受到了国内外同行的高度重视，从国外发来索要文章的函件就有30多份，并多次被他人引用。杨柯负责的“氢在金属中的扩散及其氢陷阱效应的研究”课题工作通过了中科院沈阳分院组织的成果鉴定。 从1989年起，杨柯博士作为主要研究人员，参加了从“七五”到“八五”的2项国家攻关课题，即为我国核工业研制高强度抗氢脆钢（合金）。他带领的课题小组通过对氢在Inc907合金中行为的深入研究，发现合金的显微组织特征是影响合金氢脆敏感性的重要因素，通过改变沉淀强化相在合金组织中的尺寸和分布就可以显著提高合金的抗氢脆性能。该项研究成果为国家攻关课题的顺利完成奠定了理论基础，通过了由中科院等三家单位主持的成果联合鉴定。杨柯博士参加的国家七五攻关课题获得了中科院科技进步一等奖（所内排名第5）。 1991年杨柯博士作为英国皇家学会访问学者到英国牛津大学材料系工作，开展氢在金属材料加工制备中的应用方面的研究工作。其中利用氢作为临时性合金化元素，在较低温度下制备钛基复合材料，从而有效地降低复合材料中的界面反应这一工作属国际首创，并在国内申请了发明专利。杨柯博士领导的科研小组利用氢来改善钛铝化合物和NdFeB永磁材料的显微组织，从而有效提高材料性能方面的工作也为材料研究工作的发展增添了新的内容。 从1993年起，杨柯博士作为主要负责人参与了世界银行贷款支持的“高性能均质合金国家工程研究中心”的建设和运行工作，积极组织和负责了多项具有市场应用背景的应用研究与开发课题，并面向市场需求，成功地开发了多项新技术和新产品，有些已经获得了一定的经济和社会效益。由杨柯博士负责开展的“无缝变形合金精密管材的新型生产工艺”课题研究，发展出具有自主知识产权的电磁离心铸造制备无缝变形合金管材的新型短流程工艺技术，并申请了多项发明专利，由于该项技术可显著降低生产成本，在高合金无缝管材的生产中具有重要的推广应用价值。由杨柯博士负责的“11号工程用合 由杨柯博士负责在中科院金属研究所建设的高性能镍氢电池用储氢合金粉中试基地，已为国内外市场提供了国际一流水平的产品，他同时参与的“角形Ni-MH电池的研制（排名第2）”和“储氢材料的表面改性与超高压高纯氢压缩装置（排名第9）”两项科研课题分别通过了辽宁省科委和中科院沈阳分院主持的成果鉴定。 目前杨柯博士正在主持的“高性能管线钢的重大基础研究”是国家重大基础研究规划项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”专题之一，该项目的完成预计会为我国发展出新一代高性能管线钢材料。杨柯博士为国家工程研究中心的建设倾注了心血，现在工程中心已经进入了年收入近600万元的良性循环阶段，为下一步的飞跃奠定了基础。 在十多年的科研及开发工作中，杨柯已发表了56篇学术论文，其中第一作者20篇，共被他人引用53次（不完全统计），撰写了10多份研究报告，申请了12项专利，翻译了1部专著。－至今中科院金属研究所，副所长、所长助理。－中科院金属研究所，所长助理，国家工程研究中心常务副主任。－中科院金属研究所，研究员(1993年破格晋升)，第一发展部副主任，博士导师。－英国牛津大学材料系，英国皇家学会访问学者。－中科院金属研究所第15研究室，助研，副研究员(1990年破格晋升)，室主任助理。－中科院金属研究所博士研究生，获博士学位。－中科院金属研究所第10研究室，研究实习员。－中科院金属研究所硕士研究生，获硕士学位。－大连工学院机械系金属材料及热处理专业学生，获学士学位。
渗析不锈钢焊接工艺，行的同学，给你一份要求有相同的
中国知网上面太多了你这个类型的，有条件的话从你们学校的电子阅览室下载，是免费的
好宽的范围，就只讲转炉炼钢的发展也不止5000字啊
不锈钢点焊技术是是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,这是我为大家整理的不锈钢点焊技术论文，仅供参考!
不锈钢车体点焊表面化学除黑工艺探讨
摘要：文章对不锈钢车体试制项目原有除黑工艺进行介绍，重点描述原工艺方法造成的缺陷;利用实验手段对原工艺方法造成的缺陷进行重现和分析，确定解决方案;对原有工艺进行改进，确定出一套完整的不锈钢车体点焊表面化学除黑工艺规程。
关键词：不锈钢点焊;除黑工艺;不锈钢车体点焊;表面化学
中图分类号：U271 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2014)09-0047-02
上世纪60年代初，为了车辆的轻量化与免维修，日本对车辆结构使用不锈钢问题进行了研究分析。同时，研究了以点焊方法进行不锈钢结构制造，于1962年完成了除底架的一部分(端底架)之外，其他结构或外板等均采用不锈钢制造的东急电铁7000系，这就是当今称为全不锈钢车的首辆车。
不锈钢车辆的特征有：免维修、轻量化与车体结构的无涂装，但是这就对车体外板的表面状态提出了要求。电阻点焊结束后会在不锈钢外板表面造成黑色或淡黄色的氧化皮，严重影响车体美观，同时由于氧化导致基材结构发生改变，焊点位置可能会发生电化学腐蚀，因此需要对不锈钢外板表面焊点位置进行除黑处理。
1 电化学除黑基本原理
焊点位置的氧化皮即过烧现象主要是由于焊接时间太长、焊后冷却时间过短造成的。过高的温度导致在焊钳电极与外墙板接触位置发生氧化反应，形成一层黑色或淡黄色的氧化皮。
电化学除黑主要是利用电解池原理分解氧化皮来达到除黑效果，同时在表面形成一层钝化膜，起到美观、提升防腐性能的作用。
2 原有工艺介绍
设备介绍
由于电解池反应需要在通电形成闭合回路且有电解液存在的条件下才可进行，所以在实际操作中需要通过设备来满足这一要求。
现使用设备为进口除黑机，该设备由除黑机主体、接地线、电源线、电极棒、棉布及可适用不同部位的电极头组成，同时操作过程中，需要配合专用的清洗液和中和液使用。
原有工艺介绍
根据设备厂家培训内容，以及验证性实验确定了最初的工艺方法。主要对设备使用方法与输出电流强度进行要求，其他方面没有具体规范，处理效果一般。
3 原有工艺不足之处及改进方法
原有工艺不足之处
在按照原有工艺对第一个端墙进行除黑之后，发现除黑效果很不理想主要表现在以下几点：(1)部分焊点位置出现与原氧化皮不同色泽的黑色印记，继续重复除黑操作也无法清除;(2)部分焊点经过除黑操作后出现过蚀现象，与周围焊点色差较大，极不美观;(3)焊点位置周围出现大面积水印，反复清洗也无法清除;(4)整体清洁后将端墙板挂起远观，墙板光泽度不佳。
缺陷分析及改进方法
(1)布料的影响。经过反复实验，发现部分焊点位置出现的与原氧化皮不同色泽的黑色印记是由于裹在电极头上的布料过脏导致的。重复除黑操作无法清除，由于现阶段缺少实验设备，无法确定该黑色印记的组成以及表层是否还有其他膜，对于该缺陷，目前最有效的处理手段为物理打磨，但不锈钢外墙板为机械拉丝板，整体纹路一致，打磨后影响外观效果，因此目前对于该缺陷，最好的处理手段为经常更换裹电极头的布料，杜绝此缺陷的出现。
原电池反应需要在电解液环境中进行。除黑操作中的棉布就是电解液的载体，电解液过少导致被清除下来的氧化皮没有被完全分解而直接粘附在棉布表面，造成布料污染，棉布的吸水量是一定的。因此在不影响除黑效果的前提下尝试多层布料充分蘸取清洗液，经过多次实验，最终确定双层布料既可以保存足够量的清洗液又不影响除黑效果，同时要求经常观察布料污染情况，布料表面完全变黑后进行更换。
实验证明，通过这种方式可以有效杜绝黑色印记的出现。
(2)电流的影响。按照设备厂家的建议，在输出电流为7的情况下进行除黑作业，颜色较深的焊点位置清除效果比较理想，但是颜色较浅的部位清除结束后出现由于过蚀导致的焊点位置发白的现象，与周围焊点色差较大，极不美观。同时原操作方法中对电极棒与墙板的接触时间没有做具体规定，这也是造成这一现象的原因之一。
在实验过程中，将电流的输出强度调节为5，同时控制电极棒与墙板的接触时间在2秒以内。
实验证明，降低后的电流强度对除黑效果没有影响，同时不再出现过蚀现象。
(3)清洗液使用方法的影响。在原操作过程中，发现起初几个点的除黑效果很不好，在电极棒与墙板接触5秒以上才可完全去除氧化皮颜色，但接触时间过长又会出现过蚀现象，因此在实验过程中对于清洗液的使用方法进行着重研究。
在除黑作业中，由于通电，在操作时间过长的情况下电极棒会发热，造成布料上蘸取的清洗液蒸发过快，严重影响除黑效果。因此在实验中尝试让电极棒充分蘸取清洗液，然后进行除黑，除黑效果显著，但是由于清洗液蘸取过多，在墙板上接触面积过大，造成除黑后焊点周围有明显水印，与周围墙板色差过大，极不美观。
因此，最终调整操作方法为：将裹好布料的电极棒放入盛有清洗液的烧杯中充分浸润棉布，然后在烧杯壁沥干至不再滴水;对于一次清洁不彻底的焊点可以在重新蘸取清洗液后进行二次操作。
(4)中和液使用方法的影响。中和液的作用是清除残留的清洗液。残留中和液清洁不彻底会严重影响墙板的光泽度，原操作中使用的中和液为原液，由于浓度过高，造成残留中和液清洁困难，因此需降低中和液
浓度。
为了在中和液的使用浓度和清洗效果上找到一个平衡点，经过多次实验，最终确定了中和液：水=1：4的稀释比例;同时为了便于对残留中和液进行清洁，在操作过程中，在使用清洗液清洗后立即用蘸取稀释后的中和液的无纺布清洁残留的清洗液，然后用蘸取清水的无纺布擦掉残留的中和液;在整个墙板除黑操作结束后再用清水整体清洁墙板。
4 结语
在通过实验方法对缺陷进行分析后，最终确定出一套完整的除黑工艺。新的工艺中对电流强度、棉布用法、清洗液以及中和液的用法进行了重新规定。
按照新版工艺方法处理后的墙板整体光泽度良好，焊点位置无过蚀、水印、无法去除的黑色印记等缺陷，满足对除黑效果的要求。
参考文献
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[2] 刘永刚，韩晓辉，马明菊，王素环.轨道车辆不锈
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机，2012，42(4).
[3] 张淼玲.原电池电解池的区别与判断[J].教育教
学论坛，2011年，(7).
作者简介：韩鹏程，男，天津北车轨道装备有限公司助理工程师，研究方向：轨道车辆涂装体系与涂装
不锈钢点焊结构车体FEA建模方法
摘要:针对不锈钢车体点焊结构的“点传力”特性,提出了位移主-从约束关系建模思想,并通过数值试验验证了采用位移主-从约束关系来模拟焊核比现有其它的模拟 方法 具有更高的精度.以城市轻轨动车组不锈钢点焊车体为 应用 对象,基于位移主-从约束关系建立了该车车体的有限元模型, 计算 结果与试验测试结果基本一致,证明了模型的正确性,为今后该类车型的设计与开发打下了良好的技术基础.
关键词:FEA,位移耦合,点焊结构
点焊是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,分布于车身各部位,数量达上万个.点焊结构主要特点是:结构紧凑、重量轻、强度高、耐腐蚀.同时,它的制造工艺比较复杂,技术要求高,因此,尽管点焊结构车辆在国外已经获得了广泛应用,在国内则刚刚开始研制[1-2].如何把握点焊结构的力学特性,建立高精度的车体FEA计算模型已成为不锈钢点焊车研制过程中计算人员极为关注的 问题 .
当前点焊结构常采用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)来模拟焊核[3-4].从 理论 上说,点焊结构用适当高度的块体元模拟时,则可获得较高的精度,但对于大量均布、密集排列的焊点的不锈钢车体结构来说这将导致单元/结点数量急剧增加而不可行,因此,必须抓住不锈钢点焊车传力的主要特征创建FEA模型.
与车辆结构尺寸相比,点焊焊核自身的尺寸可以忽略不计,在有限元模型中,可以将它们视为仅是整体坐标系下的一个“点”,在外载荷作用下,结构依靠这些“点”传递内力,这类结构可称为“点传力结构”.基于位移主-从控制关系原理[5],本文认为对于不锈钢点焊车体这类典型的“点传力结构”,用位移的主-从约束关系来模拟焊核(即等价于在计算模型中被焊接连接的两点之间位移完全一致)是更为合理的,并通过数值试验证明了主-从约束关系比其它建模方法具有更高的精度.基于位移主-从约束关系建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的FEA模型,根据相关标准进行加载计算,通过与物理试验的比较,验证了计算模型的合理性和有效性.
1 主-从控制关系的正则方程
主-从关系(位移耦合),指的是当一个结点被定义为另一个结点的从结点后,该从结点就失去了位移的独立性,它的位移只能且必须从属于主结点.主结点上的位移处理为独立位移,从结点上的位移为相关位移.
在应用最小总势能原理求基于位移法的结构正则方程时,相关位移对总势能的贡献是通过与之有关的独立位移和指定位移表达的.结构的总势能为
2 各种方法对比 分析
本文提出用位移主—从约束关系描写不锈钢点焊车体的点焊传力,这意味着模型中的每一点焊的焊核均被凝聚成一点,那么,这种简化与其它建模方法相比精度到底多高?以下用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)为点焊结构建模来讨论各种方法的精确性.
假设薄板A与B用点焊方式焊接,其厚度分别为t1与t2,t1薄板右端均匀作用有F吨拉力,t2薄板左端被约束住.焊核为三维椭球,其最大剖面的直径为d.在各方法的计算模型中,板的中心为焊点位置,也为坐标原点,梁单元的物理属性取决于板材,单元直径为d,单元长度为(t1+t2)/2;刚性单元,无物理属性,单元长度为(t1+t2)/2;实体单元物理属性取决于板材,单元尺寸取决于t1,t2;位移主-从约束不需要定义材料属性,只需指定六个自由度之间位移主-从约束关系.
以实体元计算结果为标准,t1薄板上载荷方向的应力误差比列入附表.表中方法1为采用梁单元;方法2为采用刚性单元;方法3为采用位移耦合.表中位置点1至点8依次为t1薄板上过原点与载荷方向一致的坐标轴上等距离的点;位置点9至点16依次为t1薄板上过原点与载荷方向垂直的坐标轴上等距离的点.表中应力误差比的定义为(σ-σ0)/σ0,其中σ0为实体元计算结果.由附表可以看出:位移主—从约束建模方法的误差较小,刚性单元和梁元的较大.
实体单元和位移耦合的两个模型沿外载荷方向的应力值比较如图1所示.结果表明:两种模型高应力区域一致;焊核附近,位移耦合模型的应力值要大于实体单元模型的,稍离开焊核,两种模型应力值几乎相同.
3 工程验证
城市轻轨动车组不锈钢点焊车体是典型的点传力结构,全部采用高强度车辆专用的冷弯或轧压工艺制造的不锈钢型材.除车顶、地板的波纹板之间的连接采用缝焊,其余板与梁、柱及部件与部件之间的连接均采用接触点焊.由于板薄,板与板、板与梁(柱)和柱与柱之间只能采用搭接接头,除2层、3层搭接外,最多还有5层板搭接.该不锈钢车体大约有4万个焊点,该车典型的焊接示意图如图2所示.
不锈钢点焊车体在承受外载后,载荷通过数万焊点将力传递到车体各部,并由此产生车体各处的变形与应力,这一特点,在建模时必须真实体现,否则, 计算 模型将会失真,并将导致计算结果失真.假定车体构件的每一“点对”之间,一旦形成点焊,尽管这一点焊事实上占有一很小的面积,但相对车体构件尺寸而言,有理由视这两点被“焊成一点”,因此,在变形的过程中,点焊可以用位移主—从关系来描述.
城市轻轨动车组不锈钢点焊车体有限元建模的关键 问题 是每一个焊点位置处必须要有结点生成.因此,在I-DEAS软件()中创建真实地反映不锈钢车体构件之间的相互关系的、用于划分有限元网格的三维几何时,根据点焊位置,要一一创建“锚点”[6],因为“锚点”一经生成,在随后的单元网格生成过程中,“锚点”将自动转化为单元的结点,这样就为点焊的“点对”准确位置的确定创造了条件.不锈钢点焊车体四分之一的局部放大网格如图3所示.四分之一模型的求解规模为:单元总数132309;节点总数134659;焊点数8824.
依据 文献 [7]进行加载计算,垂直总静载荷工况作用下车体和部件的应力云图如图4所示.该车FEA计算结果与强度试验测试结果[8]的对比如图5所示,由图5可以看出两者基本一致,因此,该计算模型质量很高.
事实上,正是由于该性能仿真模型的高可靠性,设计人员才有可能进行一次又一次的方案对比.而相对最优方案也正是在这种一次又一次对比中逐步形成的,其重要意义不言而喻.
5 结语
FEA的置信度关键在于计算模型的质量,而创建一个计算模型的必备条件是计算机、仿真软件和使用者.事实上,功能再好的仿真软件,速度再快的计算机,也只能辅助建模者提高建模的效率而不提供建模的原则与技巧,计算模型的质量主要还是取决于使用者的 理论 素养和建模经验.只有具有良好的理论素养和厚实的建模经验才能够很好地消化吸收仿真软件中的精髓,并将其融化在仿真模型的建立过程之中,使仿真模型合理和 科学 .
本文基于位移主-从约束关系(位移耦合)原理模拟不锈钢点焊车体的点焊,并利用I-DEAS仿真软件高级建模功能,建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的FEA模型.通过FEA计算结果与物理试验结果的对比,证明本文的建模思想 方法 是切实可行的.
参考 文献:
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1、不锈钢焊接工艺特点奥氏体型不锈钢以18%Cr-8%Ni钢为代表。原则上不须进行焊前预热和焊后热处理。一般具有良好的焊接性能。但其中镍、钼的含量高的高合金不锈钢进行焊接时易产生高温裂纹。另外还易发生б相脆化，在铁素体生成元素的作用下生成的铁素体引起低温脆化，以及耐蚀性下降和应力腐蚀裂纹等缺陷。经焊接后，焊接接头的力学性能一般良好，但当在热影响区中的晶界上有铬的碳化物时会极易生成贫铬层，而贫铬层和出现将在使用过程中易产生晶间腐蚀。为避免问题的发生，应采用低碳（C≤）的牌号或添加钛、铌的牌号。为防止焊接金属的高温裂纹，通常认为控制奥氏体中的δ铁素体肯定是有效的。一般提倡在室温下含5%以上的δ铁素体。对于以耐蚀性为主要用途的钢，应选用低碳和稳定的钢种，并进行适当的焊后热处理；而以结构强度为主要用途的钢，不应进行焊后热处理，以防止变形和由于析出碳化物和发生δ相脆化。 双相不锈钢的焊接裂纹敏感性较低。但在热影响区内铁素体含量的增加会使晶间腐蚀敏感性提高，因此可造成耐蚀性降低及低温韧性恶化等问题。 对于沉淀硬化型不锈钢有焊接热影响区发生软化等问题。 奥氏体不锈钢的焊条选用要点: 不锈钢主要用于耐腐蚀,但也用作耐热钢和低温钢。因此,在焊接不锈钢时,焊条的性能必须与不锈钢的用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。 1、一般来说,焊条的选用可参照母材的材质,选用与母材成分相同或相近的焊条。如:A102对应0Cr19Ni9;A137对应1Cr18Ni9Ti。 2、由于碳含量对不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响,因此,一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如316L必须选用A022焊条。 3、奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能。可通过焊接工艺评定进行验证。 4、对于在高温工作的耐热不锈钢(奥氏体耐热钢),所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。 (1)对Cr/Ni≥1的奥氏体耐热钢,如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条,以焊缝金属中含2-5%铁素体为宜。铁素体含量过低时,焊缝金属抗裂性差;若过高,则在高温长期使用或热处理时易形成σ脆化相,造成裂纹。如A002、A102、A137。 在某些特殊的应用场合,可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时,可采用比如A402、A407焊条等。 (2)对Cr/Ni<1的稳定型奥氏体耐热钢,如Cr16Ni25Mo6等,一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时,增加焊缝金属中Mo、W、Mn等元素的含量,使得在保证焊缝金属热强性的同时,提高焊缝的抗裂性。如采用A502、A507。 5、对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢,则应按介质和工作温度来选择焊条,并保证其耐腐蚀性能(做焊接接头的腐蚀性能试验)。 (1)对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质,须采用含有Ti或Nb稳定化元素或超低碳不锈钢焊条。如A137或A002等。 (2)对于含有稀硫酸或盐酸的介质,常选用含Mo或含Mo和Cu的不锈钢焊条如:A032、A052等。 (3)工作,腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备,方可采用不含Ti或Nb的不锈钢焊条。 为保证焊缝金属的耐应力腐蚀能力,采用超合金化的焊材,即焊缝金属中的耐蚀合金元素(Cr、Mo、Ni等)含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2类型的焊接材料(如A022)焊接00Cr19Ni10焊件。 6、对于在低温条件下工作的奥氏体不锈钢,应保证焊接接头在使用温度的低温冲击韧性,故采用纯奥氏体焊条。如A402、A407。 7、也可选用镍基合金焊条。如采用Mo达9%的镍基焊材焊接Mo6型超级奥氏体不锈钢。 8、焊条药皮类型的选择: (1)由于双相奥氏体钢焊缝金属本身含有一定量的铁素体,具有良好的塑性和韧性,从焊缝金属抗裂性角度进行比较,碱性药皮与钛钙型药皮焊条的差别不像碳钢焊条那样显著。因此在实际应用中,从焊接工艺性能方面着眼较多,大都采用药皮类型代号为17或16的焊条(如A102A、A102、A132等)。 (2)只有在结构刚性很大或焊缝金属抗裂性较差(如某些马氏体铬不锈钢、纯奥氏体组织的铬镍不锈钢等)时,才 考虑选用药皮代号为15的碱性药皮不锈钢焊条(如A107、A407等)。 综上所述,奥氏体不锈钢的焊接是有其独特特点的,奥氏体不锈钢的焊接时焊条选用尤其值得注意,只有这样才能达到针对不同材料实施不同的焊接方法和不同材料的焊条,不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。这样才有可能能达到所预期的焊接质量.。 奥氏体不锈钢的缺陷分析及防治措施（一）容易出现热裂纹奥氏体不锈钢在焊接时热裂纹是比较容易产生的缺陷，包括焊缝的纵向和横向裂纹、火口裂纹、打底焊的根部裂纹和多层焊的层间裂纹等，特别是含镍量较高的奥氏体不锈钢更容易产生。 1. 产生原因（1）奥氏体不锈钢的液、固相线的区间较大，结晶时间较长，且单相奥氏体结晶方向性强，所以杂质偏析比较严重。（2）导热系数小，线膨胀系数大，焊接时会产生较大的焊接内应力（一般是焊缝和热影响区受拉应力）。（3）奥氏体不锈钢中的成分如C、S、P、Ni等，会在熔池中形成低熔点共晶。例如， S与Ni形成的Ni3S2熔点为645℃,而Ni- Ni3S2共晶体的熔点只有625℃。2. 防止措施（1）采用双相组织的焊缝 尽量使焊缝金属呈奥氏体和铁素体双相组织,铁素体的含量控制在3～5%以下，可扰乱奥氏体柱状晶的方向，细化晶粒。并且铁素体可以比奥氏体溶解更多的杂质，从而减少了低熔点共晶物在奥氏体晶界的偏析。（2）焊接工艺措施 在焊接工艺上尽量选用碱性药皮的优质焊条、采用小线能量，小电流、快速不摆动焊,收尾时尽量填满弧坑及采用氩弧焊打底等，可减小焊接应力和弧坑裂。（3）控制化学成分 严格限制焊缝中 S、P等杂质含量，以减少低熔点共晶。（二）晶间腐蚀产生在晶粒之间的腐蚀，其导致晶粒间的结合力丧失，强度几乎完全消失，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂。1．产生原因根据贫铬理论,焊缝和热影响区在加热到450～850℃敏化温度（危险温度区）时，由于 Cr原子半径较大，扩散速度较小，过饱和的碳向奥氏体晶粒边界扩散，并与晶界的铬化合物在晶界形成Cr23C6,造成贫铬的晶界,不足以抵抗腐蚀的程度。 2. 防止措施（1）控制含碳量 采用低碳或超低碳（W(C)≤）不锈钢焊接焊材。如A002等。（2）添加稳定剂 在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb等与C亲和力比Cr强的元素，能够与C结合成稳定碳化物，从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。常用的不锈钢材和焊接材料都含有Ti、Nb，如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12MO2Ti钢材、E347-15焊条、H0Cr19Ni9Ti焊丝等。（3） 采用双向组织 由焊丝或焊条向焊缝中熔入一定量的铁素体形成元素,如 Cr、Si、AL、 MO等，以使焊缝形成为奥氏体+铁素体的双相组织，因为Cr在铁素体内扩散速度比在奥氏体中快，因此Cr在铁素体内较快的向晶界扩散，减轻了奥氏体晶界的贫铬现象。一般控制焊缝金属中铁素体含量为5%～10%，如铁素体过多，会使焊缝变脆。（4）快速冷却 因为奥氏体不锈钢不会产生淬硬现象，所以在焊接过程中，可以设法增加焊接接头的冷却速度，如焊件下面用铜垫板或直接浇水冷却。在焊接工艺上，可以采用小电流、大焊速、短弧、多道焊等措施，缩短焊接接头在危险温度区停留的时间，以免形成贫铬区。（5）进行固溶处理或均匀化热处理 焊后把焊接接头加热到1050～1100℃，使碳化物又重新溶解到奥氏体中，然后迅速冷却，形成稳定的单相奥氏体组织。另外，也可以进行850～900℃保温2h的均匀化热处理，此时奥氏体晶粒内部的Cr扩散到晶界，晶界处Cr量又重新达到了大于12%，这样就不会产生晶间腐蚀了。（三）应力腐蚀开裂金属在应力和腐蚀性介质共同作用下，发生的腐蚀破坏。根据不锈钢设备与制件的应力腐蚀断裂事例和试验研究，可以认为：在一定静拉伸应力和在一定温度条件下的特定电化学介质共同作用下，现有的不锈钢均有产生应力腐蚀的可能。应力腐蚀最大特点之一是腐蚀介质与材料的组合上有选择性。容易引起奥氏体不锈钢应力腐蚀主要是盐酸和氯化物含有氯离子的介质，还有硫酸、硝酸、氢氧化物（碱）、海水、水蒸气、H2S水溶液、浓NaHCO3+NH3+NaCl水溶液等介质等。1.产生原因 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。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。 2.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,防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为SCC的裂源,易造成腐蚀坑。 （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,如晶粒粗化及硬脆马氏体。（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,如咬边等采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平。例如，避免十字交叉焊缝，Y形坡口改为X形坡口、适当减小坡口角度、采用短焊焊道、采用小线能量。(4)消除应力处理 焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。(5)生产管理措施 介质中杂质的控制,如液氨介质中的O2、N2、H2O等、液化石油气中的H2S、氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等、防蚀处理:如涂层、衬里或阴极保护等、添加缓蚀剂。 （四）焊接接头的脆化 奥氏体不锈钢的焊缝在高温加热一段时间后，就会出现冲击韧度下降的现象，称为脆化。1.焊缝金属的低温脆化（475℃脆化）（1） 产生原因含有较多铁素体的相（超过15%～20%）的双相焊缝组织，经过350～500℃加热后，塑性和韧性会显著下降，由于475℃时脆化速度最快，故称为475℃脆化。对于奥氏体不锈钢焊接接头，耐蚀性或抗氧化性并不总是最为关键的性能，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性就成为关键性能。为了满足低温韧性的要求，焊缝组织通常希望获得单一的奥氏体组织，避免δ铁素体的存在。δ铁素体的存在，总是恶化低温韧性，而且含量越多，这种脆化越严重。（2） 防治措施① 在保证焊缝金属抗裂性能和抗腐蚀性能的前提下，应将铁素体相控制在较低的水平，约5%左右。② 已产生475℃脆化的焊缝，可经900℃淬火消除。2.焊接接头的σ相脆化（1）产生原因奥氏体不锈钢焊接接头在375～875℃温度范围内长期使用，会产生一种FeCr间化合物，称为σ相。σ相硬而脆（HRC>68）。由于σ相析出的结果，使焊缝冲击韧度急剧下降，这种现象称为σ相脆化。σ相一般仅在双相组织焊缝内出现；当使用温度超过800～850℃时，在单相奥氏体焊缝中也会析出σ相。（2）防止措施①限制焊缝金属中的铁素体含量(小于15%);采用超合金化焊接材料,即高镍焊材,并严格控制Cr、Mo、Ti、Nb等元素的含量。②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σ相在条件允许时进行固溶处理,使σ相溶入奥氏体。④把焊接接头加热到1000～1050℃，然后快速冷却。σ相一般在1Cr18Ni9Ti钢中一般不产生。 3.熔合线脆断 （1）产生原因奥氏体不锈钢在高温下长期使用，在沿熔合线外几个晶粒的地方，会发生脆断现象。（2）防治措施在钢中加入 Mo能提高钢材抗高温脆断的能力。通过以上的分析，只有合理选择以上的焊接工艺措施或焊接材料都可以避免以上焊接缺陷的产生。奥氏体不锈钢具有优良的焊接性，几乎所有的焊接方法都可用于奥氏体不锈钢的焊接。在各种焊接方法中焊条电弧焊具有适应各种位置与不同板厚的优点、应用非常广泛。你可以根据以上的文章进行一下修改就可以了。
不锈钢点焊技术是是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,这是我为大家整理的不锈钢点焊技术论文，仅供参考!
不锈钢车体点焊表面化学除黑工艺探讨
摘要：文章对不锈钢车体试制项目原有除黑工艺进行介绍，重点描述原工艺方法造成的缺陷;利用实验手段对原工艺方法造成的缺陷进行重现和分析，确定解决方案;对原有工艺进行改进，确定出一套完整的不锈钢车体点焊表面化学除黑工艺规程。
关键词：不锈钢点焊;除黑工艺;不锈钢车体点焊;表面化学
中图分类号：U271 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2014)09-0047-02
上世纪60年代初，为了车辆的轻量化与免维修，日本对车辆结构使用不锈钢问题进行了研究分析。同时，研究了以点焊方法进行不锈钢结构制造，于1962年完成了除底架的一部分(端底架)之外，其他结构或外板等均采用不锈钢制造的东急电铁7000系，这就是当今称为全不锈钢车的首辆车。
不锈钢车辆的特征有：免维修、轻量化与车体结构的无涂装，但是这就对车体外板的表面状态提出了要求。电阻点焊结束后会在不锈钢外板表面造成黑色或淡黄色的氧化皮，严重影响车体美观，同时由于氧化导致基材结构发生改变，焊点位置可能会发生电化学腐蚀，因此需要对不锈钢外板表面焊点位置进行除黑处理。
1 电化学除黑基本原理
焊点位置的氧化皮即过烧现象主要是由于焊接时间太长、焊后冷却时间过短造成的。过高的温度导致在焊钳电极与外墙板接触位置发生氧化反应，形成一层黑色或淡黄色的氧化皮。
电化学除黑主要是利用电解池原理分解氧化皮来达到除黑效果，同时在表面形成一层钝化膜，起到美观、提升防腐性能的作用。
2 原有工艺介绍
设备介绍
由于电解池反应需要在通电形成闭合回路且有电解液存在的条件下才可进行，所以在实际操作中需要通过设备来满足这一要求。
现使用设备为进口除黑机，该设备由除黑机主体、接地线、电源线、电极棒、棉布及可适用不同部位的电极头组成，同时操作过程中，需要配合专用的清洗液和中和液使用。
原有工艺介绍
根据设备厂家培训内容，以及验证性实验确定了最初的工艺方法。主要对设备使用方法与输出电流强度进行要求，其他方面没有具体规范，处理效果一般。
3 原有工艺不足之处及改进方法
原有工艺不足之处
在按照原有工艺对第一个端墙进行除黑之后，发现除黑效果很不理想主要表现在以下几点：(1)部分焊点位置出现与原氧化皮不同色泽的黑色印记，继续重复除黑操作也无法清除;(2)部分焊点经过除黑操作后出现过蚀现象，与周围焊点色差较大，极不美观;(3)焊点位置周围出现大面积水印，反复清洗也无法清除;(4)整体清洁后将端墙板挂起远观，墙板光泽度不佳。
缺陷分析及改进方法
(1)布料的影响。经过反复实验，发现部分焊点位置出现的与原氧化皮不同色泽的黑色印记是由于裹在电极头上的布料过脏导致的。重复除黑操作无法清除，由于现阶段缺少实验设备，无法确定该黑色印记的组成以及表层是否还有其他膜，对于该缺陷，目前最有效的处理手段为物理打磨，但不锈钢外墙板为机械拉丝板，整体纹路一致，打磨后影响外观效果，因此目前对于该缺陷，最好的处理手段为经常更换裹电极头的布料，杜绝此缺陷的出现。
原电池反应需要在电解液环境中进行。除黑操作中的棉布就是电解液的载体，电解液过少导致被清除下来的氧化皮没有被完全分解而直接粘附在棉布表面，造成布料污染，棉布的吸水量是一定的。因此在不影响除黑效果的前提下尝试多层布料充分蘸取清洗液，经过多次实验，最终确定双层布料既可以保存足够量的清洗液又不影响除黑效果，同时要求经常观察布料污染情况，布料表面完全变黑后进行更换。
实验证明，通过这种方式可以有效杜绝黑色印记的出现。
(2)电流的影响。按照设备厂家的建议，在输出电流为7的情况下进行除黑作业，颜色较深的焊点位置清除效果比较理想，但是颜色较浅的部位清除结束后出现由于过蚀导致的焊点位置发白的现象，与周围焊点色差较大，极不美观。同时原操作方法中对电极棒与墙板的接触时间没有做具体规定，这也是造成这一现象的原因之一。
在实验过程中，将电流的输出强度调节为5，同时控制电极棒与墙板的接触时间在2秒以内。
实验证明，降低后的电流强度对除黑效果没有影响，同时不再出现过蚀现象。
(3)清洗液使用方法的影响。在原操作过程中，发现起初几个点的除黑效果很不好，在电极棒与墙板接触5秒以上才可完全去除氧化皮颜色，但接触时间过长又会出现过蚀现象，因此在实验过程中对于清洗液的使用方法进行着重研究。
在除黑作业中，由于通电，在操作时间过长的情况下电极棒会发热，造成布料上蘸取的清洗液蒸发过快，严重影响除黑效果。因此在实验中尝试让电极棒充分蘸取清洗液，然后进行除黑，除黑效果显著，但是由于清洗液蘸取过多，在墙板上接触面积过大，造成除黑后焊点周围有明显水印，与周围墙板色差过大，极不美观。
因此，最终调整操作方法为：将裹好布料的电极棒放入盛有清洗液的烧杯中充分浸润棉布，然后在烧杯壁沥干至不再滴水;对于一次清洁不彻底的焊点可以在重新蘸取清洗液后进行二次操作。
(4)中和液使用方法的影响。中和液的作用是清除残留的清洗液。残留中和液清洁不彻底会严重影响墙板的光泽度，原操作中使用的中和液为原液，由于浓度过高，造成残留中和液清洁困难，因此需降低中和液
浓度。
为了在中和液的使用浓度和清洗效果上找到一个平衡点，经过多次实验，最终确定了中和液：水=1：4的稀释比例;同时为了便于对残留中和液进行清洁，在操作过程中，在使用清洗液清洗后立即用蘸取稀释后的中和液的无纺布清洁残留的清洗液，然后用蘸取清水的无纺布擦掉残留的中和液;在整个墙板除黑操作结束后再用清水整体清洁墙板。
4 结语
在通过实验方法对缺陷进行分析后，最终确定出一套完整的除黑工艺。新的工艺中对电流强度、棉布用法、清洗液以及中和液的用法进行了重新规定。
按照新版工艺方法处理后的墙板整体光泽度良好，焊点位置无过蚀、水印、无法去除的黑色印记等缺陷，满足对除黑效果的要求。
参考文献
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[2] 刘永刚，韩晓辉，马明菊，王素环.轨道车辆不锈
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机，2012，42(4).
[3] 张淼玲.原电池电解池的区别与判断[J].教育教
学论坛，2011年，(7).
作者简介：韩鹏程，男，天津北车轨道装备有限公司助理工程师，研究方向：轨道车辆涂装体系与涂装
不锈钢点焊结构车体FEA建模方法
摘要:针对不锈钢车体点焊结构的“点传力”特性,提出了位移主-从约束关系建模思想,并通过数值试验验证了采用位移主-从约束关系来模拟焊核比现有其它的模拟 方法 具有更高的精度.以城市轻轨动车组不锈钢点焊车体为 应用 对象,基于位移主-从约束关系建立了该车车体的有限元模型, 计算 结果与试验测试结果基本一致,证明了模型的正确性,为今后该类车型的设计与开发打下了良好的技术基础.
关键词:FEA,位移耦合,点焊结构
点焊是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,分布于车身各部位,数量达上万个.点焊结构主要特点是:结构紧凑、重量轻、强度高、耐腐蚀.同时,它的制造工艺比较复杂,技术要求高,因此,尽管点焊结构车辆在国外已经获得了广泛应用,在国内则刚刚开始研制[1-2].如何把握点焊结构的力学特性,建立高精度的车体FEA计算模型已成为不锈钢点焊车研制过程中计算人员极为关注的 问题 .
当前点焊结构常采用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)来模拟焊核[3-4].从 理论 上说,点焊结构用适当高度的块体元模拟时,则可获得较高的精度,但对于大量均布、密集排列的焊点的不锈钢车体结构来说这将导致单元/结点数量急剧增加而不可行,因此,必须抓住不锈钢点焊车传力的主要特征创建FEA模型.
与车辆结构尺寸相比,点焊焊核自身的尺寸可以忽略不计,在有限元模型中,可以将它们视为仅是整体坐标系下的一个“点”,在外载荷作用下,结构依靠这些“点”传递内力,这类结构可称为“点传力结构”.基于位移主-从控制关系原理[5],本文认为对于不锈钢点焊车体这类典型的“点传力结构”,用位移的主-从约束关系来模拟焊核(即等价于在计算模型中被焊接连接的两点之间位移完全一致)是更为合理的,并通过数值试验证明了主-从约束关系比其它建模方法具有更高的精度.基于位移主-从约束关系建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的FEA模型,根据相关标准进行加载计算,通过与物理试验的比较,验证了计算模型的合理性和有效性.
1 主-从控制关系的正则方程
主-从关系(位移耦合),指的是当一个结点被定义为另一个结点的从结点后,该从结点就失去了位移的独立性,它的位移只能且必须从属于主结点.主结点上的位移处理为独立位移,从结点上的位移为相关位移.
在应用最小总势能原理求基于位移法的结构正则方程时,相关位移对总势能的贡献是通过与之有关的独立位移和指定位移表达的.结构的总势能为
2 各种方法对比 分析
本文提出用位移主—从约束关系描写不锈钢点焊车体的点焊传力,这意味着模型中的每一点焊的焊核均被凝聚成一点,那么,这种简化与其它建模方法相比精度到底多高?以下用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)为点焊结构建模来讨论各种方法的精确性.
假设薄板A与B用点焊方式焊接,其厚度分别为t1与t2,t1薄板右端均匀作用有F吨拉力,t2薄板左端被约束住.焊核为三维椭球,其最大剖面的直径为d.在各方法的计算模型中,板的中心为焊点位置,也为坐标原点,梁单元的物理属性取决于板材,单元直径为d,单元长度为(t1+t2)/2;刚性单元,无物理属性,单元长度为(t1+t2)/2;实体单元物理属性取决于板材,单元尺寸取决于t1,t2;位移主-从约束不需要定义材料属性,只需指定六个自由度之间位移主-从约束关系.
以实体元计算结果为标准,t1薄板上载荷方向的应力误差比列入附表.表中方法1为采用梁单元;方法2为采用刚性单元;方法3为采用位移耦合.表中位置点1至点8依次为t1薄板上过原点与载荷方向一致的坐标轴上等距离的点;位置点9至点16依次为t1薄板上过原点与载荷方向垂直的坐标轴上等距离的点.表中应力误差比的定义为(σ-σ0)/σ0,其中σ0为实体元计算结果.由附表可以看出:位移主—从约束建模方法的误差较小,刚性单元和梁元的较大.
实体单元和位移耦合的两个模型沿外载荷方向的应力值比较如图1所示.结果表明:两种模型高应力区域一致;焊核附近,位移耦合模型的应力值要大于实体单元模型的,稍离开焊核,两种模型应力值几乎相同.
3 工程验证
城市轻轨动车组不锈钢点焊车体是典型的点传力结构,全部采用高强度车辆专用的冷弯或轧压工艺制造的不锈钢型材.除车顶、地板的波纹板之间的连接采用缝焊,其余板与梁、柱及部件与部件之间的连接均采用接触点焊.由于板薄,板与板、板与梁(柱)和柱与柱之间只能采用搭接接头,除2层、3层搭接外,最多还有5层板搭接.该不锈钢车体大约有4万个焊点,该车典型的焊接示意图如图2所示.
不锈钢点焊车体在承受外载后,载荷通过数万焊点将力传递到车体各部,并由此产生车体各处的变形与应力,这一特点,在建模时必须真实体现,否则, 计算 模型将会失真,并将导致计算结果失真.假定车体构件的每一“点对”之间,一旦形成点焊,尽管这一点焊事实上占有一很小的面积,但相对车体构件尺寸而言,有理由视这两点被“焊成一点”,因此,在变形的过程中,点焊可以用位移主—从关系来描述.
城市轻轨动车组不锈钢点焊车体有限元建模的关键 问题 是每一个焊点位置处必须要有结点生成.因此,在I-DEAS软件()中创建真实地反映不锈钢车体构件之间的相互关系的、用于划分有限元网格的三维几何时,根据点焊位置,要一一创建“锚点”[6],因为“锚点”一经生成,在随后的单元网格生成过程中,“锚点”将自动转化为单元的结点,这样就为点焊的“点对”准确位置的确定创造了条件.不锈钢点焊车体四分之一的局部放大网格如图3所示.四分之一模型的求解规模为:单元总数132309;节点总数134659;焊点数8824.
依据 文献 [7]进行加载计算,垂直总静载荷工况作用下车体和部件的应力云图如图4所示.该车FEA计算结果与强度试验测试结果[8]的对比如图5所示,由图5可以看出两者基本一致,因此,该计算模型质量很高.
事实上,正是由于该性能仿真模型的高可靠性,设计人员才有可能进行一次又一次的方案对比.而相对最优方案也正是在这种一次又一次对比中逐步形成的,其重要意义不言而喻.
5 结语
FEA的置信度关键在于计算模型的质量,而创建一个计算模型的必备条件是计算机、仿真软件和使用者.事实上,功能再好的仿真软件,速度再快的计算机,也只能辅助建模者提高建模的效率而不提供建模的原则与技巧,计算模型的质量主要还是取决于使用者的 理论 素养和建模经验.只有具有良好的理论素养和厚实的建模经验才能够很好地消化吸收仿真软件中的精髓,并将其融化在仿真模型的建立过程之中,使仿真模型合理和 科学 .
本文基于位移主-从约束关系(位移耦合)原理模拟不锈钢点焊车体的点焊,并利用I-DEAS仿真软件高级建模功能,建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的FEA模型.通过FEA计算结果与物理试验结果的对比,证明本文的建模思想 方法 是切实可行的.
参考 文献:
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[8]天津滨海快速轨道 交通 不锈钢车体静强度试验报告[R].青岛: 中国 北车集团四方车辆 研究 所,2003.