(1.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，哈爾濱 150028； 2.大連中集物流裝備有限公司，遼寧 大連 116600； 3.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105)

不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲脫渣性研究

許可貴1王君宇1楊乙永2郝增龍1楊鳳君1張嘉慶3宋楊1

(1.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，哈爾濱 150028； 2.大連中集物流裝備有限公司，遼寧 大連 116600； 3.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105)

為了定量分析藥芯焊絲渣系組分對(duì)不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲脫渣性的影響，采用極端頂點(diǎn)混料回歸設(shè)計(jì)方法，利用stat-ease公司出品的Design Expert 8.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析，試驗(yàn)中，將渣系中七種組分作為自變量，焊縫的脫渣率作為目標(biāo)函數(shù)，建立了脫渣率與渣系組分的數(shù)學(xué)模型；并且根據(jù)二維等值圖與三維響應(yīng)曲面圖直觀的觀察當(dāng)固定4種組分的含量時(shí)，其它3種組分對(duì)因變量的影響情況；利用軟件的優(yōu)化求解功能，得出脫渣率最高的渣系組分理論配比，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，方程擬合良好，實(shí)際脫渣率與預(yù)測(cè)脫渣率相近，說(shuō)明該方法對(duì)藥芯焊絲渣系設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

渣系組分配比脫渣率混料回歸設(shè)計(jì)

0 序 言

不銹鋼材料多應(yīng)用于耐熱，耐蝕，耐磨等環(huán)境，因此需要添加大量合金如Cr,Mo,V,Nb,Ti等元素。這些合金元素的加入，在提高不銹鋼使用性能的同時(shí)也增加了焊接時(shí)的脫渣的難度，自保護(hù)藥芯焊絲與氣保護(hù)藥芯焊絲相比，保護(hù)渣系要有更加良好的保護(hù)性能和脫渣性能，礦物質(zhì)含量更高，所需體積更大，制備難度更高。因此，選擇適宜的渣系及確定其組分配比是研究不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前研究藥芯焊絲渣系組分配比的方法有很多，主要為單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)和均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)[1-2]等。文中采取混料試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

混料試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是為了研究渣系各個(gè)組分的不同配比對(duì)脫渣性的關(guān)系，自1958年Scheffe提出了單形重心與單形格子設(shè)計(jì)以來(lái)，混料試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有很多種設(shè)計(jì)方法。對(duì)于兼有上下界約束條件的混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)，即其約束區(qū)間是個(gè)凸多面體，采用極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，把試驗(yàn)點(diǎn)取在多面體的頂點(diǎn)、多面體的重心、多面體面的重心、補(bǔ)充邊界面(或線、體)的重心試驗(yàn)點(diǎn)。該方法不僅使試驗(yàn)次數(shù)減少，分析容易，計(jì)算簡(jiǎn)便，而且和實(shí)際配方接近，便于求出最佳混料條件[3]。

Design Expert軟件集成了試驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸方程的檢驗(yàn)、最值點(diǎn)、定值點(diǎn)的確定功能，為相關(guān)研究提供了很好的工具。

1 渣系組分選取及試驗(yàn)方案

1.1 渣系組分的選取

試驗(yàn)針對(duì)E308T0-3自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行了研究，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)了解了渣系BaF2-Fe2O3-Al-Mg[4]， CaF2-CaO-TiO2以及氟化物等對(duì)自保護(hù)藥芯焊絲性能的影響[5-9]確定渣系組成為：金紅石、鋯英砂、氟化鋇、氟化鋰、冰晶石、鉀長(zhǎng)石、碳酸鹽、Al-Mg合金等物質(zhì)。這些物質(zhì)按不同的比例合理組合到一起可起到造渣、穩(wěn)弧、調(diào)整熔渣物理性能、改善焊縫成形、細(xì)化熔滴、減少飛濺、保護(hù)熔池、減少氣孔、脫磷脫氧等作用。

經(jīng)過(guò)前期大量摸索試驗(yàn)，初步確定各組分范圍為10≤金紅石≤40，0≤鋯英砂≤20，2≤氟化物≤20，0≤冰晶石≤15，0≤鉀長(zhǎng)石≤15，0≤碳酸鹽≤20，0≤Al-Mg≤15(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。所研制的不銹鋼藥芯焊絲直徑為1.6 mm，鋼帶材料為304L。

1.2 焊接參數(shù)與脫渣率評(píng)定方法

利用自主研發(fā)的THD試驗(yàn)堆焊機(jī)，將焊槍固定在行走架上以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，去除人為操作的影響，并設(shè)定焊接參數(shù)為：焊接速度為5 mm/s，焊接電流為200～230 A，焊接電壓為25～27 V，伸出長(zhǎng)度為16～20 mm。

脫渣率采用GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評(píng)定方法》焊接材料焊接工藝性能評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，將焊后試板拍照，導(dǎo)入CAD中進(jìn)行測(cè)量，利用式(1)脫渣率公式進(jìn)行計(jì)算，每種焊絲測(cè)定兩次取其算數(shù)平均值。

(1)

式中，D為脫渣率;l0為焊道總長(zhǎng)度;l1為未脫渣長(zhǎng)度;l2為嚴(yán)重粘渣長(zhǎng)度;l3為輕微粘渣長(zhǎng)度。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了探討各個(gè)組分對(duì)不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲脫渣性的影響及得到脫渣性良好的配方，該試驗(yàn)借助試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design Expert 8.0，采用混料(mixture)設(shè)計(jì)中的D-optimal方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[10]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及脫渣率測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及脫渣率測(cè)定結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模型建立

利用Design Expert 8.0軟件，對(duì)不同渣系組分脫渣率的試驗(yàn)值進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，采用backward[11-13]回歸方法進(jìn)行回歸，以脫渣率R作為因變量，建立了對(duì)應(yīng)于各種渣系組分的回歸模型，回歸模型方程如下式(2)所示。

(2)

式中,R為脫渣率；A為金紅石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；B為鋯英砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；C為氟化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；D為冰晶石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；E為鉀長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；F為碳酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，G為Al-Mg合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表2為回歸與方差分析結(jié)果，由表2可知，方程因變量與自變量之間的線性關(guān)系明顯，由表中可以看出，經(jīng)過(guò)顯著性檢驗(yàn)，方程中各個(gè)項(xiàng)的P值均小于0.05，(P值是將觀察結(jié)果認(rèn)為有效即具有總體代表性的犯錯(cuò)概率)擬合顯著性非常顯著，判定系數(shù)R方(R方為回歸平方和與總離差平方和的比值)表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比例，這一比例越大越好，模型越精確，回歸效果越顯著，R方為0.892 6說(shuō)明方程擬合良好，回歸效果顯著。

圖1為方程預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比，當(dāng)圖中的試驗(yàn)點(diǎn)越靠近中間的斜線說(shuō)明差別越小，從圖中可以看出預(yù)測(cè)值與實(shí)際試驗(yàn)值差別不大。

表2 回歸與方差分析結(jié)果

圖1 脫渣率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比

回歸系數(shù)反應(yīng)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，由方程可以看出，渣系組分各個(gè)因素對(duì)脫渣率均有影響，并且相互之間的交互作用對(duì)脫渣率影響也比較大，通過(guò)方程直接觀察各個(gè)組分對(duì)脫渣率的影響比較復(fù)雜，故采用等值線圖及三維響應(yīng)圖直觀的觀察渣系配方中各個(gè)組分的變化對(duì)脫渣率的影響。

2.2 配方中各組分變化對(duì)脫渣率的影響

等值線是由擬合的方程所得到的，等值線圖考察氟化物、鉀長(zhǎng)石、冰晶石三個(gè)因素對(duì)因變量造成的影響，可經(jīng)由該圖找出脫渣率較高的范圍，三維響應(yīng)曲面圖可更直觀的看出三因素對(duì)脫渣率的影響情況，可以很直觀的找出脫渣性良好的范圍，二維等值圖為三維相應(yīng)曲面圖在底面的投影圖。

該研究的渣系配方中共有七種組分，將其中四種組分的含量設(shè)為一定時(shí)，可以比較其他三種組分的交互作用對(duì)脫渣性的影響。

圖2為當(dāng)A-金紅石、B-鋯英砂、F-碳酸鹽、G-Al-Mg合金值一定(值在圖中有所標(biāo)識(shí))時(shí)，C-氟化物、D-冰晶石、E-鉀長(zhǎng)石三種組分對(duì)脫渣率的影響，當(dāng)E-鉀長(zhǎng)石的值一定時(shí)，即氟化物與冰晶石的含量沿著CD邊變化時(shí)，隨著C-氟化物含量的減少，D-冰晶石含量的增加，脫渣率值先增大再減少，從三維響應(yīng)曲面圖上可以看出，脫渣率存在一個(gè)極大值點(diǎn)。由此可以得出當(dāng)固定其中四種組分的值時(shí)，當(dāng)氟化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.8%，冰晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%，鉀長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%時(shí)脫渣率達(dá)到最大。

圖2 當(dāng)A,B,F,G含量一定時(shí)，C,D,E對(duì)脫渣性的影響

圖3和圖4分別為當(dāng)A-金紅石、B鋯英砂、C-氟化物、D-冰晶石含量一定時(shí)，E-鉀長(zhǎng)石、F-碳酸鹽、G-Al-Mg合金的含量對(duì)脫渣性的影響的二維等值線圖及三維響應(yīng)曲面圖。和當(dāng)D-冰晶石、E-鉀長(zhǎng)石、F-碳酸鹽、G-Al-Mg合金含量一定時(shí)，A-金紅石、B-鋯英砂、C-氟化物的含量對(duì)脫渣性的影響，按照上述的分析方法，可以分別探討渣系組分對(duì)脫渣性影響的規(guī)律，從兩幅圖中可以看出，脫渣率均有一個(gè)最高值，最高值所對(duì)應(yīng)的渣系各組分的配比即為理論上脫渣率最大的配方，改變各個(gè)設(shè)定值，則可以得到不同的最高值。

圖3 當(dāng)A，B，C，D含量一定時(shí)，E，F(xiàn)，G對(duì)脫渣性的影響

圖4 當(dāng)D，E，F(xiàn)，G含量一定時(shí)，A，B，C對(duì)脫渣性的影響

2.3 配方優(yōu)化

用軟件的最優(yōu)化功能設(shè)定所期望的脫渣率為最大，同時(shí)給出了達(dá)到或接近目標(biāo)響應(yīng)值的5個(gè)組合，并提供了預(yù)測(cè)值。從表3可以看出，最優(yōu)組合為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：金紅石25、鋯英砂15、氟化物21.2、冰晶石14.1、鉀長(zhǎng)石12.6、碳酸鹽10、Al-Mg合金2.1。

表3 五種脫渣率最優(yōu)的組分配比及相應(yīng)的脫渣率

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際結(jié)果是否相符，現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。如表4、圖5所示，按照GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評(píng)定方法》方法測(cè)得實(shí)際脫渣率為93.5%，與預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符，說(shuō)明回歸方程對(duì)實(shí)際配方具有指導(dǎo)性意義，可以根據(jù)方程對(duì)配方的脫渣率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表4 脫渣率最優(yōu)的組分配比及試驗(yàn)結(jié)果

圖5 脫渣率最優(yōu)組分試驗(yàn)照片

3 結(jié) 論

該試驗(yàn)首次采用極端頂點(diǎn)混料回歸設(shè)計(jì)的方法及Design Expert 軟件定量分析渣系組分對(duì)奧氏體不銹鋼自保護(hù)藥芯焊絲(AWS E308LT0-3)脫渣性的影響并得出以下結(jié)論。

(1)擬合出脫渣率與渣系組分之間的回歸方程，回歸方程擬合良好，對(duì)實(shí)際配方具有較強(qiáng)指導(dǎo)意義。

(2)通過(guò)等值線圖及三維相應(yīng)圖可直觀地觀察渣系配方中各個(gè)組分變化對(duì)脫渣率的影響規(guī)律。

(3)通過(guò)軟件的最優(yōu)化功能，得出當(dāng)渣系組分的配比為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：金紅石25、鋯英砂15、氟化物21.2、冰晶石14.1、鉀長(zhǎng)石12.6、碳酸鹽10、Al-Mg合金2.1時(shí)，脫渣率達(dá)到最高，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證其脫渣率為93.5%。

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2017-02-13

TG422.3

許可貴，1984年出生，碩士。主要從事藥芯焊絲的開(kāi)發(fā)與研究。