高纤维素焊条工艺性的优化设计

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文章编号：0 314 ( 00 0 - 0 -4 10 -55 2 1 )30 40 0

高纤维素焊条工艺性的优化设计刘瞿，润钢，姚吴伦发，顾新盛

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳 4 10 9 703 )摘要：采用汉诺威分析仪对代表高纤维素焊条工艺性的电参数指标进行了采集。利用回归正交设计建立了

高纤维索焊条药皮组分与其焊接工艺性之间的数学模型，并分析了各个组分对工艺性的影响规律，并结合遗传算法优化出了综合性能优良的焊条配方。 关键词：高纤维素焊条；电参数；优化设计中图分类号：G 42 1 T 2 .文献标识码： A

高纤维素焊条具有打底焊时可单面焊双面成型、全位置立向下焊时操作简便且生产效率高、适应工况能力强等工艺性优点 J。在管道焊接或其它立焊位置时，高纤维素焊条占有较大的使用份额。但国产高纤维素焊条在全位置焊接工艺性能上还存在一些问题，响了国内高纤维影素型焊条的推广应用。随着我国国民经济的快速发展，管道工程任务越来越大，需开发出工亟艺性优良的国产高纤维素焊条。

板为 Q 3碳钢板，用多功能 B H 5 25低使 D 50焊机， 空载电压为 8V,定电流为 9A, 0设 0焊接位置采用垂直立向下焊接，流反接。汉诺威分析仪的采直样时间长度为 1s电信号的时间分辨率为 2, 0, 0

阀值电压设为 1V, 0短路时间阀值设为 2 s m。 根据文献[]高纤维素焊条的熔滴过渡形 2,态是以细颗粒喷射过渡为主，同时兼有少量较大

熔滴的喷射、短路、炸过渡的混合型过渡形态。爆细颗粒喷射过渡表征了优良的焊接工艺性，大而

本文在中船重工 75自 2所主研发的高纤维素焊条 S E0O基础上， R 61通过对药皮成分的调整来优化焊条的工艺性。相对于国外的优质产品，国

颗粒熔滴的短路、炸过渡表征了焊接工艺性的爆恶化，以焊条工艺性优劣的差别体现在焊条熔所滴的颗粒度大小以及短路过渡的形态上。汉诺

产高纤维素焊条的主要问题有：1电弧吹力小， () 挺度低，筒长度短，套操作难度大。( )条燃烧 2焊到后

半段时，素烧毁 (化 )纤维碳严重，工艺性显著降低。传统的药皮成分调整主要是靠经验法或单因素轮次法来优化焊条配方，由于高纤维素焊但

威分析仪所测的电参数中能反映大颗粒熔滴的短路、炸过渡的参数包括短路时间均值 均、爆短路时间变异系数 S等。当焊条熔滴呈细颗粒的喷射过渡和短路过渡时，本没有短路时间的电基参数或者短路时间很短，时焊条工艺性优良。此 当熔滴出现大颗粒的喷射过渡和爆炸过渡时， 由于大熔滴有一个形成、大、裂过渡到熔池的长断阶段，以熔滴在焊条端部停留较长时间，路所短过渡时间较长，大熔滴的形成会压迫电弧的极性斑点左右摇摆，得电弧的稳定性和挺度变差，使

条的工艺性复杂，皮配方的波动对工艺性的敏药感性较大，各种组分间的交互作用也比较强烈，用传统方法难以达到令人满意的工艺性能。本文利用汉诺威焊接质量分析仪来定量分析焊条工艺性的指标，并采用二次回归正交设计与遗传算法相

结合的方式来优化焊条药皮成分比例。

此外大颗粒熔滴在过渡完成后的剧烈爆炸，造是成大颗粒飞溅和烟尘的主要原因。所测试的电

1焊条的电参数测试 利用汉诺威焊接分析仪对高纤维素焊条进行电弧物理参数测试。焊条直径为西 .m焊接试 32 m,收稿日期：0 9—1 1 20 1— 7

参数中短路时间的变异系数反映了焊条短路过

渡形态的稳定性。所以，焊接过程中的电参数可以反映出熔滴过渡形态的差异，而来评价焊条进的工艺性能。

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(=一3 1 . 9+10 8x ) 4 37 1 . 8 1+5 6 7 x 1 . 7 2—1 . 4x— 0 9 x1 01 3 3 . 8 2— 2 87 2 . x 3—

2回归试验设计 对焊条配方各组分的分析需要进行各种配方试验，文采用二次正交回归设计来建立药皮本组分与焊接工艺性之间的数学模型。回归正交设计的试验点在空间内均匀分散，有广泛的代表性，能消除试验时各种效应之间的相关性 J并，

5.1 x1 7 3+ 1 8 x一7. x+5. 8 .9

45 9x

() 1 S )=一1 2 1 n( 2 . 1—1 5 x一0 0 x+1 . 1 3 . ll .2 2 4 2x+0. x 2—0. x 3+0. 2 3—0. 5 01 1 08 2 1 x1 0x

+ .4; 02x 00x一 .1;

() 2

通过对方程的方差分析，程 ( ),值为方 1的 2 3。其显著 F值为 0 1。方程 (的 F值为 .7 .5 2)12,显著 F值为 0 4 . 8其 .。所以两组方程都是显著的。并且置信度均在 8%以上。失拟性检验 0

考虑到药皮组分对工艺性的非线性影响，采用二次方程进行拟合。 本文将药皮组分中的影响因素定为 TO i ( )纤维素 ( ) 、 与氧化物 (。 ( )包括水玻璃中的氧化物 )确定其所调整的范围是 2≤ ( ) o, O,≤4、

表明方程失拟不显著。可以分析焊条药皮成分与工艺性问的关系，能根据对工艺性的要求求并解最优配方。

2≤( ) 03≤(3≤4。优化的目标参数包 0 ≤4、0 X) o括短路时间均值均、时间变异系数 . 短路 s。二次回归正交设计由三类试验点组成，即二水平试验、星号试验和零水平试验。在三因素条

3药皮组分对工艺性的影响规律 根据回归方程 ( ) ( )们可以定量地分 1和 2我析药皮组分对焊接工艺性的影响。为了直观地分析药皮组分对焊接工艺性的影响规律，用计算机绘制了三种组分对短路时间均值、路时间变短异系数单因素作用图 ( 1~6。横坐标为药皮图 )组分的百分含量，坐标为短路时间均值或短路纵时间变异系数。 3 1 TO . i对工艺性的影响规律

件下，二水平试验全实施的次数是 8次，号试星验做 2倍的因素数即 6次，加两次零水平试在验，一共做 1试验，排零水平试验的目的是 6次安

提高回归方程的精度以及进行零点拟合检验 J。具体设计方案及结果见表 1。表 1二次正交试验设计配方及结果

由图 1可以看出， TO当 i,的含量较低时，焊条的短路时间均值较长，着 TO随 i:含量的增多， 整体短路时间变短，艺性变好，当含量超过工但 2%以后，着含量的增多熔滴短路

时间变长， 6随 这说明焊条的电弧吹力减弱，滴颗粒度增大，熔

过渡频率降低，工艺性下降。分析认为 TO是 i高纤维素型焊条渣系形成短性渣的关键，凝固其温度较高，高温下粘度低，利于全位置立向且有下焊操作工艺性能…,以当 TO所 i含量较低时熔渣形不成短性渣，艺性较差。但是当 YO工 i

的含量超过一定量时能明显的降低焊条的电弧吹力，得立向下操作性降低。使根据图 2可以看出， i的含量超过 2%以 TO 7后可以明显地降低熔滴短路时间的变异系数，这

说明 TO i可以增加电弧的稳定性，得熔滴过使通过正交回归计算可以求出焊条短路时间均值与短路时间变异系数的回归方程为：

渡更加平稳。原因是 TO能够降低熔渣的表面 i张力，使熔滴细化，而减少高纤维素焊条喷进

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图 1 TO对短路时间均值的单因素作用 i:

图 4纤维素对短路时间变异系数的单因素作用

的微晶纤维素也只有 20C, 6 o在焊接时过热熔滴通过焊芯热传导作用于焊条药皮，使纤维素中的有机物提前分解，药皮变黑发生焊条的碳化现象，得焊条后半段的再引弧性与气体保护作用使大大降低。所以，就需要在纤维素的成分范围这内选择一个工艺性最优的量，能得到足够大的既w(i 2% TO ),

电弧吹力，又不会有过烧的现象发生。 此外，由于纤维素与氧化物的交互作用强烈，还应调节氧化物的组成，提高药皮的熔化特性，得焊条有一定的套筒长度，调节熔滴的使并表面张力使之呈喷射过渡，电弧的阴极斑点直接作用于焊芯，焊条药皮成分的加热作用可以减对

图 2 i: TO对短路时间变异系数的单因素作用

射过渡中的大颗粒偏飞与爆炸，优化焊条工艺性能。可以看出 TO对熔滴短路时间均值与短路 i:时间变异系数的影响不相一致，要寻找最优的需TO含量。 i2

少过烧现象的发生。另外，还必须配合一定模数的水玻璃以保证压涂性。3 3氧化物对工艺性的影响

规律 .

32纤维素对工艺性的影响规律 .通常情况下纤维素的含量越多，焊接时分解产生的气体量就越大，有利于提高电弧吹力。越 如图 3示，维素对短路时间均值的影响最为所纤显著，当纤维素含量超过 2%以后，路时间均 6短

高纤维素焊条中的氧化物种类多，含量大。 不同种类的氧化物在药皮中的作用差别较大。药皮中氧化物的种类主要包括一些碳酸盐 (如碳酸锰 )和活性较大的氧化物 ( F, M O如 eO、 n:等 )除了可以增加电弧气氛和熔渣的氧化性，,还可调节熔渣的熔点、度和表面张力等，助于粘有

值下降幅度很大，能达到 30￣以下，明此时 00 s说电弧吹力变大，熔滴过渡频率加快。i

改善焊缝成型。54 o,0

堪星

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薹5 0, 2 0

萋， 5o 0 0染 4.

8 0 0

图 3纤维素对短路时间均值的单因素作用

但纤维素含量的增多对其他工艺性能的影响显著，如图 4所示，维素含量过多时，纤使得熔

图 5氧化物对短路时间均值的单因素作用

滴冶金反应剧烈，过渡不稳定，变异系数增大，使

如图 5和图6所示，氧化物对短路时间均值和短路时间变异系数的影响基本一致。总体来说随着氧化物含量的增多，焊条的熔滴粗化，短

得飞溅和烟尘增多，工艺性降低。并且如果纤维素的量加人过多，由于纤维素的燃点很低，最高

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本文取短路时间均值作为目标函数，以短路

时间变异系数为约束函数。在短路时间变异系数变化不大的情况下 ( 1 )求短路时间均值≤10,呔

的最小值。 优化模型： ( )=miT( Fx n。 )

约束条件： ( )=S )10≤0 G n(一1;2≤ 1≤ 4; O 0 2≤ 2≤ 4; O 0

图 6氧化物对短路时间变异系数的单因素作用

3≤ 3≤ 4 0 0;

路过渡时间变长，且短路过渡变得十分不稳并定，飞溅与烟尘增多，艺性下降。这主要是因工为药皮中的一些氧化物能显著增大熔滴的表面张力，使得熔滴粗化，路过渡时间增长，颗粒短大的短路与偏飞严重，溅增

大，工艺性带来不飞对利影响。因此氧化物的含量也应严格控制。

将上述优化模型输入计算机，采用 M tb软 aa l件的遗传算法工具箱进行优化，求出最优配方为X: 4 16 1 3 . 1;2=4 3=3.5此时目标函数 0; 032;短路时间均值为 37 . s短路时间变异系数 5 75,为 19 9。 0 . 9

由于药皮中纤维素含量多使得电弧气氛中的

5结论 高纤维素焊条工艺性的差距体现在短路过渡的形式上，颗粒熔滴的短路、炸过渡时焊大爆条工艺性恶化的主要原因。通过二次回归正交

氢含量高，容易溶解到焊缝中形成氢气孔，所以药皮中氧化物的作用是氧化电弧气氛以及熔渣中多余的碳和氢，防止焊接气孔的出现，增加焊缝金属的塑 I韧性，少产生裂纹的倾向。为了氧化生和减还原性的平衡，药皮中氧化物的含量不能太低。

设计方法，以定量的分析药皮各组分对焊条工可艺性的影响规律。并通过遗传算法优化出焊条的最优配方为： i的含量为 3 . 1%,维素 TO 4 16纤的含量为 4%, 0氧化物的含量为 3 . 5%。 0 32参考文献：[]王宝 .焊接电弧物理与焊条工艺性设计[ .北 1 M]京：械工业出版社，9 8,0— 5机 19 4 7 .

4焊条配方的最优化 根据以上分析，各组分对焊条工艺性的影响不尽相同，并且单个组分对工艺性的影响也不相一

致。例如 TO i的含量逐渐增多时，路时间短

均值参数升高，说明焊条的电弧吹力减弱，同但时短路时间的变异系数减少，明此时短路过渡说较平稳，渣物理状态适合操作。因此，选用熔应

[]刘海云， 2王勇，王宝 .高纤维素型焊条熔滴过渡形态和工艺性分析[] J .焊接学报，00 2 ( )5~ 4 20,12,t 5 .[]李云雁，传荣 .试验设计与数据处理[ .北 3胡 M]京：学工、出版社，0 8 10~ 0 .化 I 2 0,8 2 0

最优化方法寻求一个最优配方。 Te h i a o ry Optm ia i n o ih luls e t o c n c lPr pe t i z to fH g Cel o e Elc r de

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Ke wo d: g ell s l cr e E e t c a a tr Op i m d sg y r s Hih c l o e ee to; lc r a p r mee; t u d il mu e in

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