曲利峰，辛文彤，吳永勝，王 森

(軍械工程學(xué)院 先進(jìn)材料研究所，河北 石家莊 050003)

基于均勻設(shè)計法的銅及銅合金手工自蔓延焊接配方優(yōu)化

曲利峰，辛文彤，吳永勝，王 森

(軍械工程學(xué)院 先進(jìn)材料研究所，河北 石家莊 050003)

通過對比正交設(shè)計法介紹了均勻設(shè)計法的優(yōu)點，引入銅及銅合金手工自蔓延焊接快速評價方法，并采用均勻設(shè)計法優(yōu)化已有銅基燃燒型焊條配方。選擇高熱劑Al+CuO、造渣劑B2O3、合金劑Ni、合金劑Zn含量為影響因素，以燃速、熱量、飛濺、黏度、脫渣、流動、鋪展、氣孔、夾雜、強度這十項性能作為主要考察指標(biāo)，按照均勻設(shè)計法流程，經(jīng)計算配方優(yōu)化結(jié)果為：高熱劑含量為75、B2O3含量為23、Ni含量為1、Zn含量為1，并對調(diào)整配方后的最終焊縫成型情況進(jìn)行了機理解釋。

銅及銅合金手工自蔓延焊接快速評價；均勻設(shè)計法；配方優(yōu)化

0 前言

銅及銅合金的手工自蔓延焊接是以燃燒合成反應(yīng)放出的熱量為高溫?zé)嵩?，以燃燒合成反?yīng)的產(chǎn)物為填料，采用焊條電弧焊運條操作方式，融合釬焊、活性焊等多種機理，實現(xiàn)焊接母材永久牢固連接的一種全新的自蔓延熔焊方法[1]。銅及銅合金手工自蔓延焊接使用的焊接材料是燃燒型焊條，其配方?jīng)Q定了焊接接頭的組織，焊條成分的優(yōu)化設(shè)計是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。由于配方包含多種金屬粉末，其優(yōu)化設(shè)計是一個多因素、多指標(biāo)的復(fù)雜試驗過程。針對H62黃銅的化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)，建立了手工自蔓延焊接快速評價方法，采用均勻設(shè)計法對焊條配方進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，通過實驗驗證，獲得了焊接H62黃銅的最優(yōu)焊條配方。

1 設(shè)計原理介紹

1.1 均勻設(shè)計法簡介

均勻設(shè)計法是由我國著名數(shù)學(xué)家方開泰與中國科學(xué)院院士王元教授于1978年共同提出的[2]，是一種適用于材料數(shù)與水平范圍較大的簡單易行的試驗方法，與正交設(shè)計方法相比有許多優(yōu)點。在配方試驗中，正交設(shè)計方法是每個因素的水平都需重復(fù)多次試驗，且每兩個因素的水平組成一個全面試驗方案，具有“整齊可比，均勻分散”的特點，而均勻設(shè)計省去整齊可比，只考慮試驗點在試驗范圍內(nèi)均勻散布，每個因素的每個水平只做一次試驗，當(dāng)因素的水平數(shù)增加時，試驗數(shù)隨水平數(shù)的增加量而增加。均勻設(shè)計試驗次數(shù)可大幅度減少，約節(jié)省4倍到十幾倍的試驗量，并且偏差值小，適合于多因素多水平的試驗。

1.2 手工自蔓延焊接快速評價方法

焊接檢驗有嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)，但銅及銅合金手工自蔓延是一種全新的焊接方法，在實驗階段套用國家標(biāo)準(zhǔn)將會產(chǎn)生時間長、效率低、成本高等實際問題，因此，手工自蔓延焊接在實驗階段采用國家標(biāo)準(zhǔn)與快速評價方法相結(jié)合的方式對焊接質(zhì)量進(jìn)行評定。該快速評價方法主要包括焊接接頭力學(xué)性能評定、焊縫內(nèi)部缺陷評定、焊縫合金的潤濕性和填縫性評定及焊接接頭其他性能評定，根據(jù)程度分為A、B、C、D四個等級。

2 燃燒型焊條配方均勻設(shè)計實驗

2.1 儀器和焊藥

(1)儀器：101-3A型電熱鼓風(fēng)干燥箱。

(2)焊藥組分：高熱劑(Al與CuO及其他的混合物)、造渣劑(B2O3)、合金劑1(Ni)、合金劑2(Zn)。

2.2 試驗中各組分含量的選擇

研究表明，燃燒型焊條焊藥中高熱劑、造渣劑、合金劑三大組分組成存在矛盾且統(tǒng)一的辨證關(guān)系，任何組分的改變都可能引起焊渣、焊縫合金以及焊接母材與焊縫合金界面、焊縫合金與焊渣界面組織性能的改變[3]。在熱力學(xué)計算和大量試驗的基礎(chǔ)上，初步確定三者含量范圍：設(shè)高熱劑含量為X1；B2O3含量為X2；Ni含量為X3；Zn含量為X4。由于存在約束條件，則確定三個因素含量后第四含量取余量即可。

試驗水平計算方程組為

2.3 均勻設(shè)計表的選擇

由以上可知，選擇四因素六水平試驗設(shè)計，但由于存在約束條件確定其中三個因素則第四因素相應(yīng)確定，參照方開泰《均勻設(shè)計與均勻設(shè)計表》，實驗中選擇均勻設(shè)計表U6*(64)(見表1)，表2為其使用表，由于應(yīng)先確定其中三個因素，即s＝3，根據(jù)U6*(64)的使用表可知，應(yīng)選用表2的第1、2、3列來安排實驗，這樣就得到均勻設(shè)計實驗方案，如表3所示。

表1 均勻設(shè)計表U6*(64)Tab.1 Uniform table U6*(64)

表2 U6*(64)的使用表Tab.2 Use table of U6*(64)

表3 均勻設(shè)計實驗方案Tab.3 Uniform design experiment table

2.4 實驗安排和結(jié)果

需要考查的試驗指標(biāo)有10個：燃速、熱量、飛濺、粘度、脫渣、流動、鋪展、氣孔、夾雜、強度。利用轉(zhuǎn)化設(shè)計指標(biāo)法把它們綜合成一個新的試驗指標(biāo)。首先根據(jù)試驗結(jié)果，對這10個指標(biāo)分別進(jìn)行評分，然后進(jìn)行加權(quán)組合得出綜合評分，即為本試驗的綜合試驗指標(biāo)。

根據(jù)手工自蔓延焊接性能快速評價方法，對各個水平得到的焊接接頭進(jìn)行評價。對燃速的評價是通過記錄焊條的燃燒速度檢驗其可控性，燃速過短或過長，操作者都不易控制；熱量的大小主要是通過觀察母材是否焊透來評定；飛濺的程度依據(jù)焊接過程中燃燒合成反應(yīng)對操作者及外界環(huán)境的影響來評定；熔渣的粘度主要通過觀察熔渣內(nèi)氣孔的程度來評定，氣孔多，表明熔渣粘度較小，反之粘度大，將妨礙熔渣的分離，不利于熔池中氣體的逸出；熔渣與焊縫合金的分離程度通過觀察脫渣性、熔渣在焊縫上的覆蓋程度以及是否存在壓鐵水現(xiàn)象來進(jìn)行評定；測定潤濕角θ，評定鋪展性，潤濕角越小，表明鋪展性越好；測定填縫長度，評定填縫能力，填縫長度越大，表明填縫能力越強；焊縫合金的強度主要通過力學(xué)性能測試進(jìn)行評定。

按表3的組分添加方案配料，混合30min，120℃烘干2 h，取出靜置約2 h，至室溫，成型，進(jìn)行試驗，并記錄實驗結(jié)果，如表4所示。

表4 手工自蔓延焊接性能快速評價表Tab.4 The fast evaluation table of the properties of manual SHS welding

3 試驗結(jié)果的回歸分析及優(yōu)化

3.1 回歸分析

本試驗的回歸分析采用多元線性回歸模型：

式中 b0，b1，b2，b3，b4為回歸系數(shù)；ε為隨機誤差。

將上述試驗結(jié)果輸入計算機，利用Matlab編程，用全回歸方法可得到指標(biāo)的回歸方程

3.2 方差分析

方差分析表如表5所示，當(dāng)顯著性α＝0.05時，F(xiàn)表的臨界值F4，1(0.05)＝224.6，F(xiàn)＝333.08＞224.6，模型通過F顯著性檢驗，說明數(shù)學(xué)模型式(1)可信。

表5 方差分析表Tab.5 The analysis diagram of the variance

3.3 最優(yōu)條件選取

由以上所得的方程可知，在X1＝75，X2＝23，X3＝1，X4＝1時，Y取得最大值9.16。

根據(jù)此配方進(jìn)行焊接試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 實驗結(jié)果Tab.6 Experiment result

3.4 實驗結(jié)果分析

最優(yōu)配方下的焊縫成形如圖1所示，燃燒型焊條可控性較好，燃速穩(wěn)定，焊縫鋪展性好，焊縫整齊，表面氣孔、夾雜少，實現(xiàn)了單面焊雙面成形。對焊接接頭進(jìn)行EDS成像，如圖2所示，分析得出：在最優(yōu)配方下，高熱劑利用自蔓延燃燒放出的熱量剛好使母材熔化，而不至于熱量不足或過熱燒蝕；造渣劑增加Al2O3活度，降低高含量Al2O3焊渣凝固點，降低焊渣密度和增大焊渣聚合顆粒度，生成具有合適粘度和良好排氣性的熔渣[4]；合金劑Ni提高了焊接母材界面的潤濕性，降低了銅材表面銹蝕的敏感性，Zn的加入補充了燃燒合成過程中燒蝕掉的Zn，使得焊縫成分接近母材，同樣改善了潤濕性，使得焊縫與焊接母材實現(xiàn)了冶金熔合。

圖1 焊縫成形Fig.1 Appearance of the weld seam

4 結(jié)論

綜上所述，銅及銅合金手工自蔓延焊接燃燒型焊條的配方優(yōu)化需要進(jìn)行多因素多水平值試驗，使用均勻試驗設(shè)計結(jié)合手工自蔓延焊接性能快速評價方法，可以用較少的實驗次數(shù)得到準(zhǔn)確的結(jié)果，大大減少了工作量，降低了焊條的研究成本和研發(fā)周期。通過對銅合金燃燒型焊條配方的優(yōu)化設(shè)計，并在實際焊接中對配方進(jìn)行了微調(diào)，得出焊接最佳配方范圍：高熱劑含量為70%～72%；造渣劑B2O3含量6%～10%；稀釋劑CuO為4%～6%；合金劑Ni為2.5%～3.5%，Zn為3%～4%。

圖2 焊接接頭的EDS成像Fig.2 The EDS maps of welding molten

[1]辛文彤，馬世寧，張保元，等.元素W對手工自蔓延焊接接頭組織性能的影響[J].熱加工工藝，2008，37(13)：9-10.

[2]方開泰.均勻設(shè)計與均勻設(shè)計表[M].北京：科學(xué)出版社，1994.

[3]李志尊，辛文彤，武 斌，等.高熱劑對低碳鋼手工自蔓延焊接的影響[J].焊接學(xué)報，2007，28(2)：79-81.

[4]張保元，辛文彤，武 斌，等.鋁粉顆粒度對燃燒型焊條燃燒的影響[J].熱加工工藝，2007，36(19)：47-49.

Formula optimization of copper and copper alloy's manual SHS welding based on uniform design

QU Li-feng，XIN Wen-tong，WU Yong-sheng，WANG Sen
(The Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

which is based on self-propagating high-temperature synthesis(SHS)theory and manual arc welding technique of copper and copper alloy.It was introduced that principle of uniform design in contrast with orthogonal design and fast assessment standard of copper and copper alloy's Manual SHS welding technology，on which a project for formula optimization of SHS welding rod is presented.Thermite Al+CuO，slagforming constituent B2O3and alloying constituent Ni，Zn were chosen as the influencing factors.The main survey index comprises combustion speed，heat quantity，spatter，viscosity，slag detachability，fluidity，spreading，gas hole，inclusion，intensity.The final result of formula optimization shows that it will be welded better when content of thermite was 75，slagforming constituent B2O3was 23，alloying constituent Ni as well as Zn was 1.Final appearance of the weld seam was analyzed when the formula was adjusted.

fast assessment standard of copper and copper alloy's manual SHS welding；uniform design；formula optimization

TG422.1

A

1001-2303(2011)09-0033-04

2011-07-05

軍隊科研計劃項目

曲利峰(19？？—)，男，河北張家口人，在讀碩士，主要從事自蔓延焊接開發(fā)與應(yīng)用方面的工作。