馮耀耀 劉為東 范占魁

摘 要：基于Design-Expert中的混料設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到了工藝性能評(píng)價(jià)指標(biāo)（脫渣率、飛濺率、電流變異系數(shù)）與金紅石、石英、鉀長(zhǎng)石等五種非金屬組份的回歸模型；利用軟件的最優(yōu)求解功能，得到了工藝性能指標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)時(shí)的非金屬組份配比；結(jié)合二維等值線圖獲得了各項(xiàng)工藝性能指標(biāo)較好時(shí)的非金屬組份范圍，并且通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得到了實(shí)際最優(yōu)配方；最后對(duì)最優(yōu)焊絲的熔覆金屬化學(xué)成分以及機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果均滿足國(guó)標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：混料設(shè)計(jì)； 工藝性能； 最優(yōu)配方

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.001

進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，勞動(dòng)力成本持續(xù)上升，企業(yè)生產(chǎn)成本不斷增大。此外，國(guó)內(nèi)熟練焊工短缺，因此適應(yīng)于自動(dòng)化焊接材料的占比也會(huì)繼續(xù)增加。高效率、高質(zhì)量、低成本的藥芯焊絲氣體保護(hù)焊成為不銹鋼焊接的發(fā)展趨勢(shì)[1]。在不銹鋼焊材中，氣保護(hù)藥芯焊絲因?yàn)槠渥陨砭哂衅渌覆臒o(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)而占據(jù)越來(lái)越重的地位。近年來(lái)通過(guò)國(guó)內(nèi)焊接技術(shù)人員的努力和國(guó)外引進(jìn)技術(shù)的消化和吸收，國(guó)內(nèi)不銹鋼藥芯焊絲的工藝質(zhì)量有了較大的提升，但是與國(guó)外相比，仍然有一定的差距，市場(chǎng)主要被國(guó)外及臺(tái)灣焊材企業(yè)占據(jù)。工藝性能好壞仍然是影響國(guó)產(chǎn)不銹鋼藥芯焊絲市場(chǎng)占有率的首要因素。改善不銹鋼藥芯焊絲工藝質(zhì)量對(duì)于提高國(guó)產(chǎn)不銹鋼藥芯焊絲的市場(chǎng)占有率具有重要的意義[2]。

藥芯焊絲工藝性能指標(biāo)包括脫渣、飛濺、電弧穩(wěn)定性等，這些性能指標(biāo)的好壞主要取決于藥芯中的非金屬組份配比，只有配比合適才能使焊絲的各項(xiàng)工藝指標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。非金屬組份對(duì)焊絲工藝性能的影響是一個(gè)復(fù)雜的多因素綜合交互作用問(wèn)題，采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法很難使得焊絲各項(xiàng)工藝性能指標(biāo)同時(shí)最優(yōu)[3-4]。本文采用混料設(shè)計(jì)方法，得到了金紅石、石英、鉀長(zhǎng)石等五種非金屬組份對(duì)工藝性能指標(biāo)影響的回歸方程，通過(guò)軟件的最有求解功能得到了理論最優(yōu)配方，結(jié)合二維等值線圖對(duì)理論最優(yōu)配方進(jìn)行微調(diào)，最終得到了各項(xiàng)工藝性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的焊絲配方，最后對(duì)最優(yōu)焊絲進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)定，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

1 試驗(yàn)方法及方案

1.1 試驗(yàn)方案

焊絲為自制的E308LT1-1 焊絲，各非金屬組份受以下約束條件的限制：0.25≤金紅石≤0.35，0.01≤石英≤0.12，0.01≤鉀長(zhǎng)石≤0.06，0≤白剛玉≤0.05，0≤氟化物≤0.05，非金屬組份總和為0.45[5]。混料設(shè)計(jì)時(shí)，要求混料因子總量為1，因此需要對(duì)上述混料因子進(jìn)行轉(zhuǎn)換。用實(shí)際含量除以0.45使得轉(zhuǎn)換后的五分量組份之和等于1，使其滿足混料設(shè)計(jì)條件[4]。利用Design-Expert軟件對(duì)述五分量組份的可行性試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)布置，試驗(yàn)方案如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

脫渣率以及飛濺率參照GB/T25776-2010《焊接材料工藝性能評(píng)定方法》測(cè)定。焊接電弧及焊接電壓是藥芯焊絲電弧焊過(guò)程中的兩個(gè)最基本的物理量，電弧穩(wěn)定性主要與這兩者的穩(wěn)定性有關(guān)，一般通過(guò)漢諾威電弧分析儀中測(cè)定的電流變異系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)電弧穩(wěn)定性[6]。一般來(lái)說(shuō)，電流變異系數(shù)越小，焊接過(guò)程越穩(wěn)定。脫渣率、飛濺率及電流變異系數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 回歸方程的建立

將三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)量結(jié)果輸入到軟件中，采用Backward回歸方法進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合[7]，得到了三種工藝性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與五種非金屬組份之間的回歸方程，如式（1）、（2）、（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中：H——脫渣率，S——飛濺率，C.V——電流變異系數(shù)，A——金紅石，B——石英，C——鉀長(zhǎng)石，H——白剛玉，H——氟化物。

表3為方程（1）、（2）、（3）的方差分析表，可以看出三個(gè)方程的R2值均大于0.85，說(shuō)明方程的擬合優(yōu)度良好[4]。此外信噪比（Adeq-Precisior）為軟件自身的評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般信噪比大于4，說(shuō)明方程模型預(yù)測(cè)可信度較高，三個(gè)方程的信噪比均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4，說(shuō)明三個(gè)模型的可信度極高。從回歸方程中我們可以看出組份間交互作用對(duì)焊絲工藝性能的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一組份。通過(guò)觀察（2）、（3）式，在本試驗(yàn)約束條件下，氟化物的加入會(huì)使得飛濺率急劇增大，電弧穩(wěn)定性變差，因此，在保證其他工藝性能和使用性能的要求下，氟化物的含量應(yīng)該盡可能的少。

3 回歸方程的驗(yàn)證及配方優(yōu)化

3.1 回歸方程的驗(yàn)證及最優(yōu)解

前面三節(jié)中得到了工藝性能指標(biāo)與非金屬組份之間的回歸方程，經(jīng)過(guò)方差分析，方程的回歸效果顯著?；貧w方程是否對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有指導(dǎo)意義，需要進(jìn)行隨機(jī)驗(yàn)證，表4為驗(yàn)證性試驗(yàn)隨機(jī)選取的配方。

表5為工藝性能評(píng)定結(jié)果，可以看出各項(xiàng)工藝性能指標(biāo)的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值相差不大，說(shuō)明回歸方程可以很好的預(yù)測(cè)工藝性能指標(biāo)，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。利用軟件的最優(yōu)求解功能，設(shè)脫渣率為最大，飛濺率以及電流變異系數(shù)最小，可以求得在本試驗(yàn)約束條件下綜合工藝性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的理論非金屬組份配比，即為表4中的1#焊絲，可以看出理論最優(yōu)配方的焊絲實(shí)際脫渣率為97.05%，實(shí)際飛濺率與電流變異系數(shù)分別為1.98%和21.35%。

3.2 配方微調(diào)

從上節(jié)中，我們利用軟件的最優(yōu)求解功能得到了理論上最佳的非金屬組份配比，但是與國(guó)外同類產(chǎn)品對(duì)比仍然存在一定的差距，主要體現(xiàn)在脫渣率和飛濺率上。圖1、圖2以及圖3為當(dāng)固定金紅石含量為0.332，石英含量為0.043時(shí)，鉀長(zhǎng)石、白剛玉及氟化物含量對(duì)三個(gè)工藝性能評(píng)價(jià)指標(biāo)（脫渣率、飛濺率、電流變異系數(shù)）影響的二維等高線圖，可以看出，在鉀長(zhǎng)石含量較高、白剛玉含量及氟化物含量較低的區(qū)域，脫渣率達(dá)到98%以上，飛濺率小于2%，電流變異系數(shù)小于22%。利用軟件對(duì)三張圖中工藝性能較高區(qū)域進(jìn)行成分標(biāo)定，可以確定當(dāng)固定金紅石含量為0.332、石英含量為0.043，三項(xiàng)工藝性能指標(biāo)同時(shí)達(dá)到較好時(shí)鉀長(zhǎng)石、白剛玉以及氟化物的理論成分范圍：0.047≤鉀長(zhǎng)石≤0.06，0≤白剛玉≤0.010，0≤有機(jī)氟化物≤0.008。

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定了焊絲綜合焊接工藝性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的非金屬組份配比，如表6所示，可以看出，脫渣率達(dá)到了100%，飛濺率為1.19%，電流變異系數(shù)與理論最優(yōu)配方差別不大。

圖4為最優(yōu)配方的脫渣率測(cè)量試板，可以看出焊道表面全部露出淺金黃色的光澤，無(wú)粘渣。圖5為電流概率密度曲線，可以看出電流分布比較集中，沒(méi)有出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間短路所帶來(lái)的大電流情況。

4 化學(xué)成分及機(jī)械性能試驗(yàn)

表7為實(shí)際最優(yōu)配方焊絲的熔覆金屬化學(xué)成分，表8為實(shí)際最優(yōu)配方熔覆金屬的部分機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果，可以看出，兩者均滿足GB/T 17853-1999對(duì)E308LT1-1的要求。

5 結(jié) 論

（1）基于混料設(shè)計(jì)，獲得了脫渣率、飛濺率及電流變異系數(shù)與非金屬組份含量之間的回歸方程，經(jīng)過(guò)方差分析和實(shí)際驗(yàn)證，模型擬合優(yōu)度較好，可以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

（2）通過(guò)軟件的最優(yōu)求解功能，得到了三個(gè)工藝性能指標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)時(shí)非金屬組份的理論配比，結(jié)合二維等值線圖經(jīng)過(guò)配方微調(diào)獲得了實(shí)際最優(yōu)配方，即：金紅石0.332，石英0.043，鉀長(zhǎng)石0.053，白鋼玉0.008，氟化物0.006。

（3）經(jīng)過(guò)測(cè)定，最優(yōu)配方焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分及機(jī)械性能均滿足國(guó)標(biāo)要求。

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作者簡(jiǎn)介：馮耀耀（1993-），男，山西洪洞人，碩士，主要研究方向：焊接材料及工藝開(kāi)發(fā)。