(1.機械科學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.廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105)

不銹鋼自保護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.機械科學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.廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363105)

為了定量分析藥芯焊絲渣系組分對不銹鋼自保護藥芯焊絲脫渣性的影響，采用極端頂點混料回歸設計方法，利用stat-ease公司出品的Design Expert 8.0軟件進行試驗設計與結果分析，試驗中，將渣系中七種組分作為自變量，焊縫的脫渣率作為目標函數(shù)，建立了脫渣率與渣系組分的數(shù)學模型；并且根據(jù)二維等值圖與三維響應曲面圖直觀的觀察當固定4種組分的含量時，其它3種組分對因變量的影響情況；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)實際驗證，方程擬合良好，實際脫渣率與預測脫渣率相近，說明該方法對藥芯焊絲渣系設計具有指導意義。

渣系組分配比脫渣率混料回歸設計

0 序 言

不銹鋼材料多應用于耐熱，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也增加了焊接時的脫渣的難度，自保護藥芯焊絲與氣保護藥芯焊絲相比，保護渣系要有更加良好的保護性能和脫渣性能，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藥芯焊絲的關鍵技術之一。

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、正交試驗和均勻設計試驗[1-2]等。文中采取混料試驗的方法進行試驗設計。

混料試驗的試驗設計主要是為了研究渣系各個組分的不同配比對脫渣性的關系，自1958年Scheffe提出了單形重心與單形格子設計以來，混料試驗的試驗設計發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有很多種設計方法。對于兼有上下界約束條件的混料試驗設計，即其約束區(qū)間是個凸多面體，采用極端頂點設計方法，把試驗點取在多面體的頂點、多面體的重心、多面體面的重心、補充邊界面(或線、體)的重心試驗點。該方法不僅使試驗次數(shù)減少，分析容易，計算簡便，而且和實際配方接近，便于求出最佳混料條件[3]。

Design Expert軟件集成了試驗設計、回歸方程的檢驗、最值點、定值點的確定功能，為相關研究提供了很好的工具。

1 渣系組分選取及試驗方案

1.1 渣系組分的選取

試驗針對E308T0-3自保護藥芯焊絲進行了研究，通過查閱相關文獻了解了渣系BaF2-Fe2O3-Al-Mg[4]， CaF2-CaO-TiO2以及氟化物等對自保護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、細化熔滴、減少飛濺、保護熔池、減少氣孔、脫磷脫氧等作用。

經(jīng)過前期大量摸索試驗，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≤鉀長石≤15，0≤碳酸鹽≤20，0≤Al-Mg≤15(質(zhì)量分數(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)與脫渣率評定方法

利用自主研發(fā)的THD試驗堆焊機，將焊槍固定在行走架上以實現(xiàn)自動焊接，去除人為操作的影響，并設定焊接參數(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定方法》焊接材料焊接工藝性能評定方法進行評定，將焊后試板拍照，導入CAD中進行測量，利用式(1)脫渣率公式進行計算，每種焊絲測定兩次取其算數(shù)平均值。

(1)

式中，D為脫渣率;l0為焊道總長度;l1為未脫渣長度;l2為嚴重粘渣長度;l3為輕微粘渣長度。

1.3 試驗方案設計

為了探討各個組分對不銹鋼自保護藥芯焊絲脫渣性的影響及得到脫渣性良好的配方，該試驗借助試驗設計軟件Design Expert 8.0，采用混料(mixture)設計中的D-optimal方法進行試驗設計[10]，試驗設計及脫渣率測定結果見表1。

表1 試驗設計方案及脫渣率測定結果

2 試驗結果與分析

2.1 模型建立

利用Design Expert 8.0軟件，對不同渣系組分脫渣率的試驗值進行二次多項式擬合，采用backward[11-13]回歸方法進行回歸，以脫渣率R作為因變量，建立了對應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)量分數(shù)；B為鋯英砂的質(zhì)量分數(shù)；C為氟化物的質(zhì)量分數(shù)；D為冰晶石的質(zhì)量分數(shù)；E為鉀長石的質(zhì)量分數(shù)；F為碳酸鹽的質(zhì)量分數(shù)，G為Al-Mg合金的質(zhì)量分數(shù)。

表2為回歸與方差分析結果，由表2可知，方程因變量與自變量之間的線性關系明顯，由表中可以看出，經(jīng)過顯著性檢驗，方程中各個項的P值均小于0.05，(P值是將觀察結果認為有效即具有總體代表性的犯錯概率)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說明方程擬合良好，回歸效果顯著。

圖1為方程預測值與實際值的對比，當圖中的試驗點越靠近中間的斜線說明差別越小，從圖中可以看出預測值與實際試驗值差別不大。

表2 回歸與方差分析結果

圖1 脫渣率預測值與實際值的對比

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

2.2 配方中各組分變化對脫渣率的影響

等值線是由擬合的方程所得到的，等值線圖考察氟化物、鉀長石、冰晶石三個因素對因變量造成的影響，可經(jīng)由該圖找出脫渣率較高的范圍，三維響應曲面圖可更直觀的看出三因素對脫渣率的影響情況，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為一定時，可以比較其他三種組分的交互作用對脫渣性的影響。

圖2為當A-金紅石、B-鋯英砂、F-碳酸鹽、G-Al-Mg合金值一定(值在圖中有所標識)時，C-氟化物、D-冰晶石、E-鉀長石三種組分對脫渣率的影響，當E-鉀長石的值一定時，即氟化物與冰晶石的含量沿著CD邊變化時，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，從三維響應曲面圖上可以看出，脫渣率存在一個極大值點。由此可以得出當固定其中四種組分的值時，當氟化物質(zhì)量分數(shù)為9.8%，冰晶石質(zhì)量分數(shù)為5.5%，鉀長石質(zhì)量分數(shù)為1.1%時脫渣率達到最大。

圖2 當A,B,F,G含量一定時，C,D,E對脫渣性的影響

圖3和圖4分別為當A-金紅石、B鋯英砂、C-氟化物、D-冰晶石含量一定時，E-鉀長石、F-碳酸鹽、G-Al-Mg合金的含量對脫渣性的影響的二維等值線圖及三維響應曲面圖。和當D-冰晶石、E-鉀長石、F-碳酸鹽、G-Al-Mg合金含量一定時，A-金紅石、B-鋯英砂、C-氟化物的含量對脫渣性的影響，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，脫渣率均有一個最高值，最高值所對應的渣系各組分的配比即為理論上脫渣率最大的配方，改變各個設定值，則可以得到不同的最高值。

圖3 當A，B，C，D含量一定時，E，F(xiàn)，G對脫渣性的影響

圖4 當D，E，F(xiàn)，G含量一定時，A，B，C對脫渣性的影響

2.3 配方優(yōu)化

用軟件的最優(yōu)化功能設定所期望的脫渣率為最大，同時給出了達到或接近目標響應值的5個組合，并提供了預測值。從表3可以看出，最優(yōu)組合為(質(zhì)量分數(shù)，%)：金紅石25、鋯英砂15、氟化物21.2、冰晶石14.1、鉀長石12.6、碳酸鹽10、Al-Mg合金2.1。

表3 五種脫渣率最優(yōu)的組分配比及相應的脫渣率

2.4 驗證試驗

為了驗證優(yōu)化結果與實際結果是否相符，現(xiàn)進行驗證試驗。如表4、圖5所示，按照GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》方法測得實際脫渣率為93.5%，與預測結果基本相符，說明回歸方程對實際配方具有指導性意義，可以根據(jù)方程對配方的脫渣率進行預測。

表4 脫渣率最優(yōu)的組分配比及試驗結果

圖5 脫渣率最優(yōu)組分試驗照片

3 結 論

該試驗首次采用極端頂點混料回歸設計的方法及Design Expert 軟件定量分析渣系組分對奧氏體不銹鋼自保護藥芯焊絲(AWS E308LT0-3)脫渣性的影響并得出以下結論。

(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，對實際配方具有較強指導意義。

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

(3)通過軟件的最優(yōu)化功能，得出當渣系組分的配比為(質(zhì)量分數(shù)，%)：金紅石25、鋯英砂15、氟化物21.2、冰晶石14.1、鉀長石12.6、碳酸鹽10、Al-Mg合金2.1時，脫渣率達到最高，經(jīng)實際驗證其脫渣率為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發(fā)與研究。