基于混料设计的不锈钢药芯焊丝研制
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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能，设脱渣率为最大，飞溅率以及电流变异系数最小，可以求得在本试验约束条件下综合工艺性能指标达到最优的理论非金属组份配比，即为表4中的1#焊丝，可以看出理论最优配方的焊丝实际脱渣率为97.05%，实际飞溅率与电流变异系数分别为1.98%和21.35%。
3.2 配方微调
从上节中，我们利用软件的最优求解功能得到了理论上最佳的非金属组份配比，但是与国外同类产品对比仍然存在一定的差距，主要体现在脱渣率和飞溅率上。图1、图2以及图3为当固定金红石含量为0.332，石英含量为0.043时，钾长石、白刚玉及氟化物含量对三个工艺性能评价指标（脱渣率、飞溅率、电流变异系数）影响的二维等高线图，可以看出，在钾长石含量较高、白刚玉含量及氟化物含量较低的区域，脱渣率达到98%以上，飞溅率小于2%，电流变异系数小于22%。利用软件对三张图中工艺性能较高区域进行成分标定，可以确定当固定金红石含量为0.332、石英含量为0.043，三项工艺性能指标同时达到较好时钾长石、白刚玉以及氟化物的理论成分范围：0.047≤钾长石≤0.06，0≤白刚玉≤0.010，0≤有机氟化物≤0.008。 通过反复试验，最终确定了焊丝综合焊接工艺性能指标达到最优的非金属组份配比，如表6所示，可以看出，脱渣率达到了100%，飞溅率为1.19%，电流变异系数与理论最优配方差别不大。
图4为最优配方的脱渣率测量试板，可以看出焊道表面全部露出浅金黄色的光泽，无粘渣。图5为电流概率密度曲线，可以看出电流分布比较集中，没有出现长时间短路所带来的大电流情况。
4 化学成分及机械性能试验
表7为实际最优配方焊丝的熔覆金属化学成分，表8为实际最优配方熔覆金属的部分机械性能测试结果，可以看出，两者均满足GB/T 17853-1999对E308LT1-1的要求。
5 结 论
（1）基于混料设计，获得了脱渣率、飞溅率及电流变异系数与非金属组份含量之间的回归方程，经过方差分析和实际验证，模型拟合优度较好，可以指导实际生产。
（2）通过软件的最优求解功能，得到了三个工艺性能指标同时达到最优时非金属组份的理论配比，结合二维等值线图经过配方微调获得了实际最优配方，即：金红石0.332，石英0.043，钾长石0.053，白钢玉0.008，氟化物0.006。
（3）经过测定，最优配方焊丝的熔敷金属化学成分及机械性能均满足国标要求。
参考文献：
[1]俞松柏，季伟明.药芯焊丝CO2气体保护焊在压力容器焊接中的应用[C].全国工程建设行业焊接新材料、新技术交流会，2005.
[2]王斌.不锈钢药芯焊丝的工艺质量及抗气孔性研究[D].北京工业大学，2009.
[3]王君宇.E308LT0-3焊丝矿物质组份对焊接工藝性能影响的研究[D].2016.
[4]任露泉.试验优化设计与分析[M].北京：高等教育出版社，2001.
[5]裴新军，潘川，何志勇等.不锈钢药芯焊丝中药粉的作用[J].焊接技术，2012，41（11）：1-4.
[6]王勇.基于焊接电弧物理的CO2气保护药芯焊丝工艺性分析与评价[D].太原理工大学，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.
作者简介：冯耀耀（1993-），男，山西洪洞人，硕士，主要研究方向：焊接材料及工艺开发。
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