基于混料設計的不銹鋼藥芯焊絲研制

馮耀耀 劉為東 范占魁

摘 要：基于Design-Expert中的混料設計方法設計試驗，得到了工藝性能評價指標（脫渣率、飛濺率、電流變異系數）與金紅石、石英、鉀長石等五種非金屬組份的回歸模型；利用軟件的最優求解功能，得到了工藝性能指標同時達到最優時的非金屬組份配比；結合二維等值線圖獲得了各項工藝性能指標較好時的非金屬組份范圍，并且通過反復試驗得到了實際最優配方；最后對最優焊絲的熔覆金屬化學成分以及機械性能進行測定，結果均滿足國標要求。

關鍵詞：混料設計； 工藝性能； 最優配方

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

進入20世紀以來，隨著我國經濟的高速發展，勞動力成本持續上升，企業生產成本不斷增大。此外，國內熟練焊工短缺，因此適應于自動化焊接材料的占比也會繼續增加。高效率、高質量、低成本的藥芯焊絲氣體保護焊成為不銹鋼焊接的發展趨勢[1]。在不銹鋼焊材中，氣保護藥芯焊絲因為其自身具有其它焊材無法比擬的優勢而占據越來越重的地位。近年來通過國內焊接技術人員的努力和國外引進技術的消化和吸收，國內不銹鋼藥芯焊絲的工藝質量有了較大的提升，但是與國外相比，仍然有一定的差距，市場主要被國外及臺灣焊材企業占據。工藝性能好壞仍然是影響國產不銹鋼藥芯焊絲市場占有率的首要因素。改善不銹鋼藥芯焊絲工藝質量對于提高國產不銹鋼藥芯焊絲的市場占有率具有重要的意義[2]。

藥芯焊絲工藝性能指標包括脫渣、飛濺、電弧穩定性等，這些性能指標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工藝指標同時達到最優。非金屬組份對焊絲工藝性能的影響是一個復雜的多因素綜合交互作用問題，采用傳統的試驗設計方法很難使得焊絲各項工藝性能指標同時最優[3-4]。本文采用混料設計方法，得到了金紅石、石英、鉀長石等五種非金屬組份對工藝性能指標影響的回歸方程，通過軟件的最有求解功能得到了理論最優配方，結合二維等值線圖對理論最優配方進行微調，最終得到了各項工藝性能指標達到最優的焊絲配方，最后對最優焊絲進行機械性能測定，各項指標均滿足要求。

1 試驗方法及方案

1.1 試驗方案

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]。混料設計時，要求混料因子總量為1，因此需要對上述混料因子進行轉換。用實際含量除以0.45使得轉換后的五分量組份之和等于1，使其滿足混料設計條件[4]。利用Design-Expert軟件對述五分量組份的可行性試驗區域進行試驗點布置，試驗方案如表1所示。

1.2 試驗方法

脫渣率以及飛濺率參照GB/T25776-2010《焊接材料工藝性能評定方法》測定。焊接電弧及焊接電壓是藥芯焊絲電弧焊過程中的兩個最基本的物理量，電弧穩定性主要與這兩者的穩定性有關，一般通過漢諾威電弧分析儀中測定的電流變異系數來評價電弧穩定性[6]。一般來說，電流變異系數越小，焊接過程越穩定。脫渣率、飛濺率及電流變異系數的測量結果如表2所示。

2 試驗結果分析

2.1 回歸方程的建立

將三個評價指標的測量結果輸入到軟件中，采用Backward回歸方法進行二次多項式擬合[7]，得到了三種工藝性能評價指標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，A——金紅石，B——石英，C——鉀長石，H——白剛玉，H——氟化物。

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

3 回歸方程的驗證及配方優化

3.1 回歸方程的驗證及最優解

前面三節中得到了工藝性能指標與非金屬組份之間的回歸方程，經過方差分析，方程的回歸效果顯著。回歸方程是否對實際生產有指導意義，需要進行隨機驗證，表4為驗證性試驗隨機選取的配方。

表5為工藝性能評定結果，可以看出各項工藝性能指標的預測值和實際值相差不大，說明回歸方程可以很好的預測工藝性能指標，指導實際生產。利用軟件的最優求解功能，設脫渣率為最大，飛濺率以及電流變異系數最小，可以求得在本試驗約束條件下綜合工藝性能指標達到最優的理論非金屬組份配比，即為表4中的1#焊絲，可以看出理論最優配方的焊絲實際脫渣率為97.05%，實際飛濺率與電流變異系數分別為1.98%和21.35%。

3.2 配方微調

從上節中，我們利用軟件的最優求解功能得到了理論上最佳的非金屬組份配比，但是與國外同類產品對比仍然存在一定的差距，主要體現在脫渣率和飛濺率上。圖1、圖2以及圖3為當固定金紅石含量為0.332，石英含量為0.043時，鉀長石、白剛玉及氟化物含量對三個工藝性能評價指標（脫渣率、飛濺率、電流變異系數）影響的二維等高線圖，可以看出，在鉀長石含量較高、白剛玉含量及氟化物含量較低的區域，脫渣率達到98%以上，飛濺率小于2%，電流變異系數小于22%。利用軟件對三張圖中工藝性能較高區域進行成分標定，可以確定當固定金紅石含量為0.332、石英含量為0.043，三項工藝性能指標同時達到較好時鉀長石、白剛玉以及氟化物的理論成分范圍：0.047≤鉀長石≤0.06，0≤白剛玉≤0.010，0≤有機氟化物≤0.008。

通過反復試驗，最終確定了焊絲綜合焊接工藝性能指標達到最優的非金屬組份配比，如表6所示，可以看出，脫渣率達到了100%，飛濺率為1.19%，電流變異系數與理論最優配方差別不大。

圖4為最優配方的脫渣率測量試板，可以看出焊道表面全部露出淺金黃色的光澤，無粘渣。圖5為電流概率密度曲線，可以看出電流分布比較集中，沒有出現長時間短路所帶來的大電流情況。

4 化學成分及機械性能試驗

表7為實際最優配方焊絲的熔覆金屬化學成分，表8為實際最優配方熔覆金屬的部分機械性能測試結果，可以看出，兩者均滿足GB/T 17853-1999對E308LT1-1的要求。

5 結 論

（1）基于混料設計，獲得了脫渣率、飛濺率及電流變異系數與非金屬組份含量之間的回歸方程，經過方差分析和實際驗證，模型擬合優度較好，可以指導實際生產。

（2）通過軟件的最優求解功能，得到了三個工藝性能指標同時達到最優時非金屬組份的理論配比，結合二維等值線圖經過配方微調獲得了實際最優配方，即：金紅石0.332，石英0.043，鉀長石0.053，白鋼玉0.008，氟化物0.006。

（3）經過測定，最優配方焊絲的熔敷金屬化學成分及機械性能均滿足國標要求。

參考文獻：

[1]俞松柏，季偉明.藥芯焊絲CO2氣體保護焊在壓力容器焊接中的應用[C].全國工程建設行業焊接新材料、新技術交流會，2005.

[2]王斌.不銹鋼藥芯焊絲的工藝質量及抗氣孔性研究[D].北京工業大學，2009.

[3]王君宇.E308LT0-3焊絲礦物質組份對焊接工藝性能影響的研究[D].2016.

[4]任露泉.試驗優化設計與分析[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5]裴新軍，潘川，何志勇等.不銹鋼藥芯焊絲中藥粉的作用[J].焊接技術，2012，41（11）：1-4.

[6]王勇.基于焊接電弧物理的CO2氣保護藥芯焊絲工藝性分析與評價[D].太原理工大學，2009.

[7]Barot B S，Parejiya P B，Patel H K，et al.Microemulsion-Based Gel of Terbinafine for the Treatment of Onychomycosis： Optimization of Formulation Using D-Optimal Design[J].Aaps Pharmscitech，2012，13（01）：184-192.

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