基于混料设计的不锈钢药芯焊丝研制.docx

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基于混料设计的不锈钢药芯焊丝研制

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冯耀耀刘为东范占魁

摘要：基于Design-Expert中的混料设计方法设计试验，得到了工艺性能评价指标（脱渣率、飞溅率、电流变异系数）与金红石、石英、钾长石等五种非金属组份的回归模型；利用软件的最优求解功能，得到了工艺性能指标同时达到最优时的非金属组份配比；结合二维等值线图获得了各项工艺性能指标较好时的非金属组份范围，并且通过反复试验得到了实际最优配方；最后对最优焊丝的熔覆金属化学成分以及机械性能进行测定，结果均满足国标要求。

关键词：混料设计；工艺性能；最优配方

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

进入20世纪以来，随着我国经济的高速发展，劳动力成本持续上升，企业生产成本不断增大。此外，国内熟练焊工短缺，因此适应于自动化焊接材料的占比也会继续增加。高效率、高质量、低成本的药芯焊丝气体保护焊成为不锈钢焊接的发展趋势[1]。在不锈钢焊材中，气保护药芯焊丝因为其自身具有其它焊材无法比拟的优势而占据越来越重的地位。近年来通过国内焊接技术人员的努力和国外引进技术的消化和吸收，国内不锈钢药芯焊丝的工艺质量有了较大的提升，但是与国外相比，仍然有一定的差距，市场主要被国外及台湾焊材企业占据。工艺性能好坏仍然是影响国产不锈钢药芯焊丝市场占有率的首要因素。改善不锈钢药芯焊丝工艺质量对于提高国产不锈鋼药芯焊丝的市场占有率具有重要的意义[2]。

药芯焊丝工艺性能指标包括脱渣、飞溅、电弧稳定性等，这些性能指标的好坏主要取决于药芯中的非金属组份配比，只有配比合适才能使焊丝的各项工艺指标同时达到最优。非金属组份对焊丝工艺性能的影响是一个复杂的多因素综合交互作用问题，采用传统的试验设计方法很难使得焊丝各项工艺性能指标同时最优[3-4]。本文采用混料设计方法，得到了金红石、石英、钾长石等五种非金属组份对工艺性能指标影响的回归方程，通过软件的最有求解功能得到了理论最优配方，结合二维等值线图对理论最优配方进行微调，最终得到了各项工艺性能指标达到最优的焊丝配方，最后对最优焊丝进行机械性能测定，各项指标均满足要求。

1试验方法及方案

1.1试验方案

焊丝为自制的E308LT1-1焊丝，各非金属组份受以下约束条件的限制：0.25≤金红石≤0.35，0.01≤石英≤0.12，0.01≤钾长石≤0.06，0≤白刚玉≤0.05，0≤氟化物≤0.05，非金属组份总和为0.45[5]。混料设计时，要求混料因子总量为1，因此需要对上述混料因子进行转换。用实际含量除以0.45使得转换后的五分量组份之和等于1，使其满足混料设计条件[4]。利用Design-Expert软件对述五分量组份的可行性试验区域进行试验点布置，试验方案如表1所示。

1.2试验方法

脱渣率以及飞溅率参照GB/T25776-2010《焊接材料工艺性能评定方法》测定。焊接电弧及焊接电压是药芯焊丝电弧焊过程中的两个最基本的物理量，电弧稳定性主要与这两者的稳定性有关，一般通过汉诺威电弧分析仪中测定的电流变异系数来评价电弧稳定性[6]。一般来说，电流变异系数越小，焊接过程越稳定。脱渣率、飞溅率及电流变异系数的测量结果如表2所示。

2试验结果分析

2.1回归方程的建立

将三个评价指标的测量结果输入到软件中，采用Backward回归方法进行二次多项式拟合[7]，得到了三种工艺性能评价指标与五种非金属组份之间的回归方程，如式（1）、（2）、（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中：H——脱渣率，S——飞溅率，C.V——电流变异系数，A——金红石，B——石英，C——钾长石，H——白刚玉，H——氟化物。

表3为方程（1）、（2）、（3）的方差分析表，可以看出三个方程的R2值均大于0.85，说明方程的拟合优度良好[4]。此外信噪比（Adeq-Precisior）为软件自身的评价指标，一般信噪比大于4，说明方程模型预测可信度较高，三个方程的信噪比均远远大于4，说明三个模型的可信度极高。从回归方程中我们可以看出组份间交互作用对焊丝工艺性能的影响要远远大于单一组份。通过观察（2）、（3）式，在本试验约束条件下，氟化物的加入会使得飞溅率急剧增大，电弧稳定性变差，因此，在保证其他工艺性能和使用性能的要求下，氟化物的含量应该尽可能的少。

3回归方程的验证及配方优化

3.1回归方程的验证及最优解

前面三节中得到了工艺性能指标与非金属组份之间的回归方程，经过方差分析，方程的回归效果显著。回归方程是否对实际生产有指导意义，需要进行随机验证，表4为验证性试验随机选取的配方。

表5为工艺性能评定结果，可以看出各项工艺性能指标的预测值和实际值相差不大，说明回归方程可以很好的预测工艺性能指标，指导实际生产。利用软件的最优求解功