CN112509645B - 一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法 - Google Patents

一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，本发明为了解决药芯焊丝成份调整复杂，工作量大、焊丝各合金合格率低等问题，设计了一种计算药芯焊丝合金粉末添加量的方法，具体来说是通过焊丝熔敷金属中目标元素含量，添加合金粉末的成份含量及焊丝总量等数据，通过本发明的优化计算，可直接获得合金粉末的添加量。

Description

一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法
技术领域
本发明涉及金属焊接用焊接材料技术领域，尤其涉及一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法。
背景技术
随着钢铁材料的发展进步，各种新型钢铁产品被应用于各行各业。焊接钢铁材料的焊材需要根据钢铁产品的成份设计特点和强度等级进行选择。药芯焊丝具有一种研制周期短，焊接工艺性能好，焊缝成型美观等优点，因此在焊接方面具有广泛的应用领域。药芯焊丝是由金属薄带和薄带内均匀分布的焊丝药粉组成，焊丝经过焊接后，金属薄带和焊丝药粉熔化形成焊缝金属，焊缝金属的力学性能，腐蚀性能，涂镀性能等是焊丝综合性能的体现。为了设计出性能优异的焊丝，主要是控制焊丝中各种合金元素的含量和比例。药芯焊丝中各元素的含量是由金属薄带和焊丝药粉中各元素的含量决定的。由于每批金属薄带的成分是固定的，所以只能通过调整焊丝药粉的含量，控制焊丝中各元素的质量百分含量。焊丝药粉是由不同质量的合金粉末混合而成，由于合金粉末中含有多种元素，如钼铁中铁41％，Mn2.07％，Si0.47％，Mo55.78％，C0.22％。钛铁中铁65％，Mn1.45％，Si4.16％，C0.09％，Ti29.20％。添加一种合金粉末直接影响其它元素的含量。因此，为了获得符合设计要求的元素及元素范围，需要反复的进行焊丝制作，成份检测等工作。工作量大，材料浪费严重，并且焊丝设计人员的工作经验对试验次数、焊丝中各成份的合格率影响十分显著。为了获得更准确的焊丝成分，添加纯金属粉是一种捷径，但是焊丝成本高，不适用于批量生产应用。
现有专利CN109530962A公开了一种电流立向上焊接用药芯焊丝及其制备方法与应用。该专利公布了药芯焊丝各组分及其占药芯焊丝的质量百分比。但是专利并未公布如何计算合金粉末的添加量。
现有专利CN 105397332 B公开了一种铁道货车用高耐腐蚀药芯焊丝。该专利公布了焊丝熔敷金属的化学成份质量百分比，同时公布了合金粉末的化学成份质量百分比，但是，该专利并未公布如何通过调整合金粉末来调整熔核金属合金成份。
目前，应用于药芯焊丝中的各种合金粉末类型和成分存在较大的不同，同一个焊丝成分，在不同厂家采用的合金粉末量和研制周期较大差别。本发明突破了合金粉末类型和成分的差别，采用数学模型进行计算，获得了各种合金粉末的添加量。焊丝研制周期短，效率高，工作量小，能够精确的获得焊丝的成分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，本发明为了解决药芯焊丝成份调整复杂，工作量大、焊丝各合金合格率低等问题，设计了一种计算药芯焊丝合金粉末添加量的方法，具体来说是通过焊丝熔敷金属中目标元素含量，添加合金粉末的成份含量及焊丝总量等数据，通过本发明的优化计算，可直接获得合金粉末的添加量。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，包括如下方法：
1)数据准备：焊缝金属中各合金元素的设计质量百分含量、各种合金粉末原料中所含合金元素的质量百分含量、焊丝用钢带原料中各合金元素的质量百分含量；
2)焊丝填充率：焊丝填充率是焊丝药粉占焊丝质量的百分比，根据成品焊丝检测获得；其影响因素有焊丝钢带的厚度、宽度和密度，钢带卷曲速度，填粉速度等指标，该指标需根据成品焊丝拉拔情况综合考虑，焊丝填充率根据需要设计为10％～20％，常采用15％，因此钢带的质量占焊丝总质量的在80％-90％，计算获得钢带质量；
3)计算焊丝中各合金元素的质量：焊缝金属中的合金元素的设计质量百分含量除以系数K再乘以焊丝总质量，获得焊丝中各合金元素的质量；
4)计算焊丝用钢带原料中各合金元素的质量：由焊丝用钢带原料中各合金元素的质量百分含量乘以钢带质量，获得单位质量焊丝中钢带里各元素的质量；
5)计算焊丝中焊丝药粉里各元素的质量：由步骤32)得出的焊丝中各合金元素的质量减去步骤43)中钢带里各元素的质量，获得焊丝药粉中各元素的质量；
6)计算合金粉末原料添加量计算：按元素分别建立方程式，以合金粉末原料中所含合金元素的质量百分含量为系数，以该合金粉末原料质量为未知数，二者乘积的和为步骤4)中计算得出的元素质量；每一个元素建立一个多元一次方程，形成方程组，求解方程组获得各种合金粉末原料的质量；
7)进行焊丝拉拔后，检测焊丝的填充率，如焊丝填充率不合格，需调整焊丝拉拔时焊丝药粉填充率，直至填充率合格，并制作焊丝；
8)进行焊丝的焊接试验，检测焊缝金属的成份和批量生产。
上述步骤2)中碳(C)，铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)元素的K值范围为：0.95～1.05。
上述步骤2)中硅(Si)的K值范围为：0.65～0.85。
上述步骤2)中锰(Mn)的K值范围为：0.55～0.75。
上述步骤2)中钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)的K值范围为:0.40～0.60。
上述步骤2)中钼(Mo)：0.92～0.98。
上述步骤2)中硼(B)：0.25～0.35。
磷(P)、硫(S)属于杂质元素，其含量越低越好，在焊丝设计中不予考虑。
为了获得良好的焊缝金属性能，系数K按照合金元素的不同，采用不同的系数K，K值设计理由如下：
C、Cr、Ni、Cu元素在焊接过程中烧损较少，焊丝中的合金几乎完全过度到焊缝金属中。因此，K值低于0.95或高于1.05，计算出的合金粉末添加量将过高或过低，焊缝金属中合金元素的实际检测值偏离设计范围，造成设计失败。作为优选，取值为1。
Si、Mn元素在焊接过程中烧损较多，因此需要考虑焊接过程中的烧损。经多次验证，Si的系数设置为0.65～0.85，Mn的系数设置为0.55～0.75，可充分体现焊接烧损量。作为优选，Si的系数选为0.70，Mn的系数0.60。
Nb、V、Ti元素在焊接过程中烧损量相当，其系数设置为0.40～0.60，在该范围更有利于焊丝金属获得精确的合金成分，其值低于0.4或高于0.6，合金粉添加量过多或过少，不利于获得准确的合金成分。作为优选，系数为0.5。
Mo元素在焊接过程中烧损少，其系数设置为0.92～0.98之间，在该范围更有利于焊丝金属获得精确的合金成分，作为优选，该值设为0.95。
B元素在焊接过程中的烧损较大，其系数设置为0.25～0.35之间，作为优选，该值设置为0.30。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明可以通过理论计算，直接获得焊丝药粉中各种合金粉末的添加量。可同时进行一种或多种合金粉末的调节。
2)本发明建立了药芯焊丝中添加合金粉末的相互联动数学关系，合金粉末之间形成互动调节，具有操作性强，成份条件简单，人为影响因素低的特点。
3)本发明药芯焊丝合金粉末添加量的计算方法具有通用性，可推广应用。
4)采用本发明生产的药芯焊丝合格率高，减少了试验频次、成份调节工作量等。
附图说明
图1是本发明的算法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为实施例设计焊缝金属成份的质量百分含量；
表2为实施例合金粉末的化学成分(质量百分比)；
表1焊缝金属的成份(质量分数)％
表2合金粉末的检测成份
Fe wt％ Mn wt％ Si wt％ Ni wt％ Mo wt％ Cwt％ Cr wt％ Ti wt％ B wt％
铁粉 99.30 0.40 0.14 0.04 0.01 0.02 0.03 0 0
硅铁 58.74 0.18 40.81 0 0 0.04 0 0 0
镍粉 0 0 0 99.29 0 0.01 0 0 0
锰铁 19.50 78.54 0.66 0 0 1.04 0 0 0
铬铁 34.00 0.20 0.55 0 0 0.06 65.00 0 0
钛铁 65.00 1.45 4.16 0 0 0.09 0 29.20 0
硼铁 81.46 0.4 0.27 0 0 0.02 0 0 17.84
钼铁 41.36 2.07 0.47 0 55.78 0.22 0 0 0
实施例1：
1)计算1000g焊丝中钢带质量，焊丝药粉质量：1000*15％＝150g，钢带：1000*(1-15％)＝850g。焊丝填充率设为15％。
2)钢带中各合金元素的质量百分含量：C：0.035％，Mn:0.19％，Fe:99.77％。
3)钢带中各合金元素的质量：C：850*0.035％＝0.30g，Mn:850*0.19％＝1.62g，Fe：850*99.77＝848.05g。
4)焊丝中各合金元素质量：焊缝金属的成分如表1，按照各元素系数计算焊丝中各元素的质量百分含量：C：0.05/K＝0.05/1＝0.05；Si：0.35/K＝0.35/0.7＝0.5；Mn：0.84/K＝0.84/0.6＝1.4；Cr：0.62/K＝0.62/1＝0.62；Ti：0.05/K＝0.05/0.5＝0.1；Ni：2.0/K＝2.0/1＝2.0；焊丝总质量为1000g。焊丝中的合金元素质量如下：C：0.50g，Si：5.0g，Mn：14.0g，Cr：6.2g，Ti：1.0g，Ni：20.0g，Fe：953.0g(焊丝总质量去除和合金元素质量)。
5)焊丝药粉中各元素的质量：焊丝中各合金元素的质量减去钢带中各合金元素的质量。C：0.5-0.3＝0.2g，Si：5.0g，Mn：14.0-1.62＝12.38g，Cr：6.2g，Ti：1.0g，Ni：20.0g，Fe：950-848.05＝101.95g。
6)建立方程组：(单位：克)
Si：0.14％*铁粉+40.81％*硅粉+0.66％*锰铁+0.55％*铬铁+4.16％*钛铁＝5
Mn：0.4％*铁粉+0.18％*硅粉+78.54％*锰铁+0.20％*铬铁+1.45％*钛铁＝12.38
Cr：0.03％*铁粉+65％*铬铁＝6.2
Ti：29.2％*钛铁＝1
Ni：0.04％*铁粉+99.29％*镍粉＝20
Fe：99.3％*铁粉+58.74％*硅粉+19.5％*锰铁+34％*铬铁+65％*钛铁＝101.95
C：0.02％*铁粉+0.04％*硅粉+0.01％*镍粉+1.04％*锰铁+0.06％*铬铁+0.09％*钛铁+碳粉＝0.2
7)求解方程组：
铁粉：87.7g，硅粉：11.23g，锰铁：15.2g，铬铁：9.1g，钛铁：3.4g，镍粉：19.9g碳粉：0.05g。
每1000g焊丝中，需要添加合金粉末的质量为：铁粉：87.7g，硅粉：11.23g，锰铁：15.2g，铬铁：9.1g，钛铁：3.4g，镍粉：19.9g碳粉：0.05g。
8)焊丝制作，调整焊丝填充率至15％，并进行焊丝焊接试验，检测焊丝金属的成分(见表1实际值)。焊丝设计合格。
实施例2：
1)计算1000g焊丝中钢带质量，焊丝药粉质量：1000*15％＝150g，钢带：1000*(1-15％)＝850g。焊丝填充率设为15％。
2)钢带中各合金元素的质量百分含量：C：0.035％，Mn:0.19％，Fe:99.77％。
3)钢带中各合金元素的质量：C：850*0.035％＝0.30g，Mn:850*0.19％＝1.62g，Fe：850*99.77＝848.05g。
4)焊丝中各合金元素质量：焊缝金属的成分如表1，按照各元素系数计算焊丝中各元素的质量百分含量：C：0.10/1＝0.10；Si：0.14/0.7＝0.2；Mn：0.72/0.6＝1.4；Mo：0.048/0.95＝0.05；B：0.015/0.3＝0.05；焊丝总质量为1000g。焊丝中的合金元素质量如下：C：1.0g，Si：2.0g，Mn：14.0g，Mo：0.5g，B：0.5g，Fe：984.0g(焊丝总质量去除和合金元素质量)。
5)焊丝药粉中各元素的质量：C：1.0-0.3＝0.7g，Si：2.0g，Mn：14.0-1.62＝12.38g，Mo：0.5g，B：0.5g，Fe：984-848.05＝135.95g。
6)建立方程组：(单位：克)
Si：0.14％*铁粉+40.81％*硅粉+0.66％*锰铁+0.27％*硼铁+0.47％*钼铁＝2
Mn：0.4％*铁粉+0.18％*硅粉+78.54％*锰铁+0.40％*硼铁+2.07％*钼铁＝12.38
Mo：0.01％*铁粉+55.78％*钼铁＝0.5
Fe：99.3％*铁粉+58.74％*硅粉+19.5％*锰铁+81.46％*硼铁+41.36％*钼铁＝135.95
C：0.02％*铁粉+0.04％*硅粉+1.04％*锰铁+0.02％*硼铁+0.22％*钼铁+碳粉＝0.7
B：17.84％*硼铁＝0.5
7)求解方程组：
铁粉：129.5g，硅粉：4.2g，锰铁：12.5g，硼铁：2.8g，鉬铁：0.9g，碳粉：0.54g。
每1000g焊丝中，需要添加合金粉末的质量为：铁粉：129.5g，硅粉：4.2g，锰铁：12.5g，硼铁：2.8g，鉬铁：0.9g，碳粉：0.54g。

Claims (7)

1.一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，其特征在于，包括如下方法：
1）数据准备：焊缝金属中各合金元素的设计质量百分含量、各种合金粉末原料中所含合金元素的质量百分含量、焊丝用钢带原料中各合金元素的质量百分含量；
2）计算焊丝中各合金元素的质量：焊缝金属中的合金元素的设计质量百分含量除以系数K再乘以焊丝总质量，获得焊丝中各合金元素的质量；
3）计算焊丝用钢带原料中各合金元素的质量：由焊丝用钢带原料中各合金元素的质量百分含量乘以钢带质量，获得单位质量焊丝中钢带里各元素的质量；
4）计算焊丝中焊丝药粉里各元素的质量：由步骤2）得出的焊丝中各合金元素的质量减去步骤3）中钢带里各元素的质量，获得焊丝药粉中各元素的质量；
5）计算合金粉末原料添加量计算：按元素分别建立方程式，以合金粉末原料中所含合金元素的质量百分含量为系数，以该合金粉末原料质量为未知数，二者乘积的和为步骤4）中计算得出的元素质量；每一个元素建立一个多元一次方程，形成方程组，求解方程组获得各种合金粉末原料的质量。
2.根据权利要求1所述的一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，其特征在于，上述步骤2）中碳、铬、镍、铜元素的K值范围为：0.95～1.05。
3.根据权利要求1所述的一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，其特征在于，上述步骤2）中硅的K值范围为：0.65～0.85。
4.根据权利要求1所述的一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，其特征在于，上述步骤2）中锰的K值范围为：0.55～0.75。
5.根据权利要求1所述的一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，其特征在于，上述步骤2）中钒、铌、钛的K值范围为：0.40～0.60。
6.根据权利要求1所述的一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，其特征在于，上述步骤2）中钼的K值范围为：0.92～0.98。
7.根据权利要求1所述的一种药芯焊丝合金粉末原料添加量的计算方法，其特征在于，上述步骤2）中硼的K值范围为：0.25～0.35。
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