焊条制造与配方设计方法

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二 〇 一 五 年 十 一 月
本科科研训练论文
题 目：焊条制造与配方设计方法综述 学生姓名：MR.CHEN
学 院：材料科学与工程 系 别：
材料成型及控制 专 业：材料成型及控制 班 级：材12-3 指导教师：姚青虎 讲师
摘要
在电焊条制造中，焊条的成份和质量主要取决于原材料的成份和质量。

原材料主要由焊芯和粉料组成，而粉料成份的变化范围要比焊芯大得多，所以如何选择控制粉料成份和正确决定配方是制造电焊条的关键；本文主要探讨多种以计算为主、试验调整为辅的先进焊条配方设计方法，从而改变以往以经验为主、反复试验调整配方费工、费时的传统方法，以获得最佳的技术经济效果。

关键词：焊条配方设计；优化设计方法；
Abstract
In the manufacture of welding electrodes, the composition and quality of the electrode depends on the composition and quality of raw materials. Raw materials mainly by the cores and powder composition, and range of powder ingredients to much larger than the cores, so how to choose the control powder composition and to determine the correct formula is key to making electrode. This paper mainly discusses a variety of calculation, test and adjustment, supplemented by the advanced welding strip formula design method, thus changing the previous based on experience and trial adjustment formula and labor and time-consuming traditional approaches, in order to obtain the best technical and economical effects.
Key words: electrode formula design; optimization design method;
目录
引言 (1)
第一章焊条配方设计发展概况 (2)
第二章焊条制造及配方一般设计规程 (3)
2.1焊条的制造工艺流程 (3)
2.1.1焊芯制备及原材料准备 (3)
2.1.2药皮配料及压涂 (3)
2.1.3烘焙 (4)
2.2焊条的设计原则、依据和方法 (4)
2.3焊条药皮的设计步骤 (4)
2.3.1药皮配方的确定 (5)
2.3.2试验调整 (8)
第三章焊条配方优化设计方法 (9)
3.1正交回归设计最优化法 (9)
3.2二次回归正交设计最优化法 (10)
3.3多目标规划焊条设计 (11)
3.4均匀设计 (12)
3.5人工网络模拟设计 (12)
参考文献 (15)
引言
随着我国现代化建设的发展，焊接结构正向大容量、高参数、大型化方向发展，这对焊接材料(包括焊条、焊丝、药芯焊丝、焊剂等)的品种及质量要求越来越高。

多年来我国焊接材料的产量、品种虽然有了较大的发展，但在品种、规格特别是质量方面尚不能满足国家建设的需要，相当一部分依赖进口。

其重要原因之一就是焊接材料的设计方法落后。

焊接材料设计是一个多因子试验设计问题，各因子之间往往存在着复杂的交互作用和非线性效应，每一种因子所起的作用大小及其性质不仅取决于它本身，而且还取决于其它组分的存在和加入量。

因此，在焊接材料性能与其组分之间没有固定的函数关系可遵循，这给焊接材料的设计造成了较大的困难。

若要通过对焊接材料组分中的各因子进行全面试验寻求最优配方，则因试验次数太多，往往是不可能实现的。

面对这种情况，国内外对焊接材料的设计多年来均采用传统的经验法和单因子轮换法。

经验法是凭借已有经验调整焊接材料配方，其局限性比较大，特别在开发新型焊接材料时带有一定的盲目性，甚至迷失方向；单因子轮换法是先固定若干因子不变，只改变一个因子，求得其最佳含量，一直到求出比较“满意”的试验结果为止。

上述方法虽简单易行，但由于试验设计不具科学性，不能考察各因子之间的交互作用，所提取的试验信息片面性大。

比如，某一个因子的最佳含量是在其它因子的含量不变的条件下得出的。

事实上，在单因子轮换法试验中，各因子的含量都在不断的发生变化，因此所求出的某因子的“最佳”含量未必是最佳的。

当交互作用较大时，所得试验结果不一定是最优的，甚至可能导致错误的结论。

为求得较好的结果，往往需要做大量的试验，需耗费较大的人力和物力。

因此已不能适应焊接技术的迅速发展及焊接材料的品种和质量的需要。

第一章焊条配方设计发展概况
从80年代中期开始，有些国家(如原苏联、原西德)开始研究药皮组份与焊条性能指标间的数学模型，所采用的试验方法仍比较落后，试验量大，数学模型的精度较差。

原西德采用随机法设计高效铁粉焊条，采用计算机随机数发生器设计焊条试验，可使试验点在因子空间内具有均匀分布的性质，但试验量必须足够大时才能做到这一点。

在该例中，考察六个因子对焊条工艺性能的影响，设计了50次试验。

通过试验建立了工艺性能与这六个因子间的数学模型，并采用最优化技术求解出所需要的最优配方。

显然，采用这种方法设计焊条要比经验法和单因子轮换法科学，但由于在试验设计时，试验点在因子空间内分布的均匀性强烈的依赖于试验点的数量，因此，只有加大试验量才能保证所建数学模型的精度。

该方法与传统方法设计方法相比虽不失先进的设计方法，但依然不够理想。

为了避免传统设计方法的缺点，将试验优化技术引入焊接材料的试验设计。

试验优化技术是近20～30年内发展比较快的试验技术，尤其在采矿、冶金、金属材料、机械制造、自动控制和化工行业等领域内应用较为广泛，试验优化技术是采用数学规划的方法安排试验，从而避免了人为安排试验的片面性，并使其具有各种优良性，如正交性、旋转性、D-优良性等。

采用该方法安排试验时，试验量小，试验点在因子空间内分布均匀，提供的信息丰富。

对人的经验依赖性小，并可以建立高精度的数学模型。

最优化技术是研究和解决在一切可能方案中寻求最优方案的一门科学，其主要理论基础是运筹学和计算数学，并以电子计算机作为求解的工具。

因此，适合利用计算机进行最优化设计。

随着计算机技术的不断发展，国内外已开始探索把计算机辅助设计(CAD)的方法用于焊接材料设计，并取得了可喜的进展。

国内现已开发出“焊接材料计算机辅助设计软件系统(WMCAD)”就是综合运用了试验优化技术、数理统计、最优化技术、计算机技术等现代科学技术”。

在该系统中，运用于焊接材料设计的试验优化技术有多种方法，如回归正交设计、旋转设计、D-最优设计和混料回归设计等。

旋转设计、D-最优设计均是在回归方法的基础上进行的。

第二章焊条制造及配方一般设计规程
2.1焊条的制造工艺流程
电焊条的制造工艺过程主要包括三部分，即焊芯加工、涂料制备及焊条压涂。

2.1.1焊芯制备及原材料准备
目前焊条厂使用的盘条外径多为直径φ6.5mm。

经剥壳、酸洗去除盘条表面氧化皮后，在拉丝机上拉拔到所需的直径[φ（2～6.5）mm]，再在校直切断机上按要求的长度进行校直和切断。

块状的铁合金和矿石先经破碎机破碎成20mm左右的小块，然后用磨粉机、球磨机或锟式粉碎机磨成粒度为60～325目的细粉。

2.1.2药皮配料及压涂
将各种焊条药皮用粉料（矿石、铁合金及化工产品等）按焊条配方比例进行配料，可以用人工称重或电子计算机控制电子秤进行自动称重。

配好的料在搅拌机中进行干混使之均匀，然后慢慢倒入适量的水玻璃（作为黏结剂），搅拌成具有一定黏性的涂料，即可送到压涂机上压制焊条。

焊条压涂机是一种联合设备，它的作用是将搅拌好的湿涂料压涂到焊芯上，并对焊条夹持端及引弧端进行加工，使之具有焊条的外形。

焊条压涂机有以下两种。

①螺旋式压涂机通过螺旋轴旋转时产生的推力，将涂料挤压出来。

由于螺旋式压涂机的推力较小，因此要求涂料有较好的滑性和塑性，通常用来生产J421、J422等酸性药皮的焊条。

②油压式压涂机
活塞的推力为1000～2000tf（9.8×106～1.96×107N），目前最高的可达4500tf （4.41×107N），涂料在粉缸中要承受80～100MPa的压力。

由于压力高，这种设备可用来压涂各种类型的焊条，如结构钢焊条J507、不锈钢焊条A102等。

用机器压涂焊条，每分钟可压涂500～1000根，目前大型设备最高每分钟可压涂1200根以上。

2.1.3烘焙
压涂出来的焊条可以经过自然干燥（或低温晾干）后送入高温干燥炉进行烘焙，也可直接进入连续式烘干炉直接烘干。

烘干炉的热源可用热风循环、电阻丝直接加热或远红外加热，也可通过柴油或天然气燃烧来加热。

烘焙温度与时间随焊条的种类而异，一般酸性结构钢焊条烘焙温度为200～250℃，碱性焊条为350℃左右，超低氢或高强钢焊条的烘焙温度可高达450℃。

上述焊条制造工艺是目前国内外大量采用的，即钢丝拉成一定规格后，经调直切断成一根一根的焊芯，再送入压涂机中压涂成焊条，这种工艺称为“先切后涂”工艺。

这种工艺的不足之处是当压涂力不均匀时，焊条偏心不稳定，尤其是对小直径焊条，钢丝直径细小，刚度不足，送丝不顺利，造成压涂困难。

近年来，国内发明了“先涂后切”焊条制造工艺，即拉拔到一定规格的焊丝，送调直机校直后不经切断而直接由两个送丝轮连续地送到压涂机去压涂，压涂出来的焊条通过圆盘切割机或链条切断机被切割成一定长度的电焊条湿坯，再经过磨头、磨尾、烘干制成焊条成品。

这种制造工艺的特点是焊条同心度好且稳定，可连续生产。

由于发明并采用了这种工艺，为特细焊条[直径φ（0.6～1.8）mm]的生产开辟了一各新路。

2.2焊条的设计原则、依据和方法
电焊条设计原则是技术可行，符合相关国家规定的各项性能要求，能进行机械化生产，经济效益好，卫生指标先进，符合环保要求。

电焊条设计的依据是被焊母材的化学成分、力学性能、被焊件的工作要求（如抗氧化性、耐热性、低温韧性、耐磨性、耐腐蚀性等）、现场施工条件（如交、直流焊接）、焊条制造成本、制造工艺及使用工艺要求等。

为了便于焊条药皮配方的调整，在焊条设计上可选择直径4mm的焊条为突破口，其他规格的焊条可以在直径4mm焊条的配方基础上进行调整。

当前，焊条配方设计除了继承传统的优秀配方加以创新外，还采用了计算机成分配比优选计算和正交设计等试验方法。

但无论采用哪种方法，对药皮设计配方进行充分的实验、调整和性能测试仍是不可缺少的。

2.3焊条药皮的设计步骤
焊芯的选择对于焊条的设计来说是第一步需要做的工作，根据焊条熔敷金属设计
成分的要求，尽可能选用与设计成分相近的焊芯。

就我国当前实际情况来看，除了不锈钢、镍基合金、有色金属、少数铸铁和堆焊焊条外，大多数品种的焊条都选用了H08A焊芯，通过药皮过渡合金元素，实现合金化，获得各种不同类型或不同用途的焊条。

2.3.1药皮配方的确定
焊条药皮配方的确定，主要是根据焊条设计的技术要求，例如力学性能、化学成分、工艺性能指标及其他特殊性能的要求等，来选定适宜的药皮类型，如钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢型、石墨型、盐基型等。

1）药皮类型及原材料的选择
在焊条药皮类型的确定中，除了探索新渣系、新黏结剂外，一般在多数情况下是沿着几种典型的药皮类型进行调整试验。

常用的几种结构钢典型焊条药皮的成分范围和物料组成见表2-1和表2-2。

典型低碳钢焊条药皮的化学成分见表2-3。

表2-1 结构钢典型焊条药皮成分范围
表2-2 结构钢典型焊条药皮的物料组成
表2-3 典型低碳钢焊条药皮的化学成分/%
2)焊条药皮基础配方的拟定
焊条药皮通常是由几种或十多种物料组成，其作用和相互间的制约错综复杂。

拟定焊条药皮的初步配方，需有必要的焊接冶金知识和一定实践经验。

一般情况下可用模拟法或计算方式来拟定焊条药皮组成的试验基础（初步）配方。

①模拟法根据所研制焊条的技术指标要求、选定的焊芯、药皮类型、合金系和过渡方式等，寻找已有成功的和相近似的焊条药皮配方，运用焊接冶金理论知识和实践经验，进行认真分析，找出异同，必要时也可辅以计算（如合金成分的过渡），进行补充和完善，拟定试验基础配方。

此法简便易行，但需要一定的技术储备和实践经验。

②计算法焊条药皮中几乎每种原料都由多种化学元素或化合物组合在一起。

因此在设计焊条药皮初步配方时，只能抓住主要的化学成分，得出单项原料的主要化学成分在配方中的占有值，然后将各种原料的同类项化学成分逐一相加，其总和即为该配方的主要组成成分。

对不符合或没有实用价值的成分应改变药皮配方进行调整，直至达到要求。

脱氧剂及合金成分的加入量一般可根据合金元素的过渡系数进行计算，求得所需加入量。

2.3.2试验调整
一般情况下，焊条药皮基础配方设计只能算是初步设计，总会与预定目标有一定差距，有时差距可能很大。

因此焊条药皮配方必须通过试验来进行调整。

在药皮配方调整试验中，有先调工艺性能为主后调理化性能指标的，由于通常工艺性能调整比理化性能调整容易，且调整理化性能时也将进一步影响工艺性能，故这种试验方法使用较多，特别是用于靠药皮过渡合金成分较少的焊条（如E4303焊条）。

低碳钢焊条的典型药皮配方见表2-4。

表2- 4 低碳钢焊条的典型药皮配方/%
第三章焊条配方优化设计方法
3.1正交回归设计最优化法
针对碱性低氢焊条交流电弧很不稳定、脱渣性差的突出弱点，进行新型焊条的研制。

结合优选试验、正交回归设计、最优化方法在焊条配方中的应用研究。

正交试验是多因素试验的一种好方法，但每一种因素的试验水平数受到限制，不便于各因素在较大范围内进行试验。

而优选试验方法可以使每一个因素在较大范围内进行优选试验，进行单因素或双因素试验时还比较方便，进行三因素以上的多因素优选试验时，就显得试验次数太多，很不方便。

焊条配方是具有七、八个以上影响因素(组成成分) 的复杂问题，因此，本试验研究采用单因素优选试验和正交设计相结合进行试验，即首先对选定的基础配方采用0. 618法进行因素优选试验，对每一个因素(药皮成分加入量)轮流进行大范围搜索，以确定每个因素(药皮各成分加入量)的近似最佳值。

然后，以每个因素的近似最佳值为基础，适当确定正交试验的选优范围，并选定正交试验的试验水平。

我们通过优选试验确定了稳弧性能和其他性能均比较好的配方为基础，选用L18( 2 1 X3 7 )正交表，见图3-1，制订正交试验方案。

表3-1 L18( 2 1 X3 7 )正交表
通过正交试验及其直观分析、方差分析可得到各因素最佳水平组合，从而可以得到较优秀焊条配方。

然而，各成分加入量的最佳点不一定恰好落在正交试验方案中选取的水平点上，更大可能落在水平以外的点上。

因此，由正交试验确定的最佳水平组合不一定是焊条最佳配方，如果在焊条性能指标与药皮各成分加入量之间建立起回归函数表达式，那么就可用它来预报和控制焊条性能，并以此作为目标函数，采用最优化方法求得最佳性能指标的最佳焊条配方，即获得水平以外的最优点。

此即回归分析法和最优化方法。

古典的回归分析对试验安排不提任何要求，所需试点多，试验周期长，而且计算异常复杂，要获得精确度高的回归方程很困难。

本试验研究把回归分析和正交试验有机地结合起来，建立试验次数少、精确度高、计算较简便的回归方程。

此即正交回归设计(或回归正交设计)。

3.2二次回归正交设计最优化法
碱性低氢型焊条药皮主要由主渣比例，酸度，脱氧剂三个要素组成，另外，考虑到化学反应能加速焊条的熔化，故又加入了稀土镁，又考虑到铁粉能提高熔敷效率，故又加人了铁粉，因此，现在的问题就变成了研究药皮中的五个变量，大理石、萤石比例;石英、认铁，稀土镁，铁粉对能耗、熔化、熔敷性能的影响，见表3-1 ，表3-2。

表3-1 试验药皮成分
表3-2 测量指标
表中的变量取值范围，是在考虑工艺性和焊缝化学成分的要求后确定的，因为制造的焊条如果工艺性能不好，化学成分不合格，再节能也没有实际意义。

此外，工艺性不好，测出的指标值也不会准确。

对这样一个问题一般要做243次试验，采用正交组合设计(Mc= 16) ，仅需做27次试验。

二次正交回归设计最优化方法，用于电焊条配方设计是非常有效的，它能利用较短的时间，较少的试验，建立回归方程并得出最优配方，是一种有效的焊条计算机辅助设计方法。

而且求出的回归方程含有自变量的各系数之间不相关，大大方便了理论分析。

3.3多目标规划焊条设计
用“多目标规划”的方法来设计电焊条配方的思路是：首先根据焊缝金属元素含量，确定主要合金元素粉料的条件式，然后根据熔渣的化学成份，确定矿物类如(大理石、金红石等的约束条件式；再按焊接工艺性能的压涂性能确定其他原材料（如纯碱、微晶纤维等的比例。

目标函数的确定是要使焊缝成份中的有害杂质（硫、磷等）减至最小程度，并根据粉料的价格，求其配方的最低成本。

用“多目标规划”辅助设计电焊条配方的方法可以大大提高配方设计速度，节省大量人力和物力、为迅速开发新产品提供了计算机辅助设计的有效手段。

该方法除了解决单一产品的设计外，还可以推广到多品种配方的综合决策，对于提高整个企业的经济效益具有令人鼓舞的潜力，并可以增强对原材料改变的适应能力；设计部门根据原材料的化验报告，改变数学的模型的输人数据，可立即得到计算机调整的设计配方。

这样企业能根据原材料市场化学成份及价格的变化随时调整电焊条的配方并迅速改变生产计划从而提高企业适应市场的能力。

3.4均匀设计
均匀设计方法在实际使用中与中正交设计的方法相似，根据所给定的变元素与试验的水平数选用合适的均匀设计表，然后通过计算填入一定的数据。

该方法是我国著名数学家方开泰与中国科学院院士王元教授于1978年共同提出的，但近年来才得到广泛介绍，它与目前流行的正交设计方法相比有许多明显的优点。

在配方试验中，正交设计方法是每个因素的水平都需重复多次试验，且每两个因素的水平组成一个全面试验方案，具有“整齐可比，均匀分散”的特点。

但是，试验量相对较大。

当一项试验有N个因素，每个因素有q个水平时，则至少要作q2次试验，而均匀设计是略去整齐可比，只考虑试验点在试验范围内均匀散布的一种试验设计方法，也是通过一套精心设计的表来进行试验设计的，每个因素的每个水平只做一次试验。

这样，当水平数从9水平增加到 10水平时，试验数也从9增加到10，而正交设计当水平增加时试验数按水平数的平方的比例增加，当水平数从9增加到10时，试验数将从81增加到100。

因此，采用均匀设计试验次数可大幅度减少，约可节省4倍到十几倍的试验量，并且，偏差值小，适合于多因素多水平试验。

3.5人工网络模拟设计
人工神经网络是将若干活动规律相同的神经元，按一定的联接方法组成复杂的结构，它可以模拟人脑的记忆和联想功能，不需要了解过程的输入与输出参量之间变化规律，对给定的样本数据进行学习，以权值的形式形成一种网络的稳定状态，这种状态与人脑对数据的记忆和规律的总结相似。

因此，可以将神经网络作为通用的方法对试验数据学习，不需要像回归法那样必须给定基本函数。

神经网络除了可以记忆数据，同时也对试验规律进行了复杂的非线性拟合。

通过以上比较，可以看出人工神经网络能作为通用算法用于试验数据的处理。

它建立起的网络模型更能精确地逼近输入与输出之间的映射，消除了回归法处理非线性问题时的缺点，由于神经网络不需要建立输入输出之间的复杂关系，而是通过一组权值来实现输入与输出之间的映射，使得模型的输出结果更接近于实际情况，精度更高，因此把人工神经网络引入焊接材料的设计有着很大的应用潜力。

图3-2 神经元处理单元功能示意图
W i【s】--在s层中第i个神经元的当前输出状态
W ij[s]—在S-1层中第j个神经元连向s层中第i个神经元的连接强度
I i【s】--s层中第i个神经元输入的加权和
基于人工神经网络原理，以E4303酸性焊条配方为研究对象，在实际生产数据的基础上，将焊条(包括药皮和焊芯)组分中Mn、C含量作为输入，熔敷金属抗拉强度σb 作为输出，建立了反映焊条配方与熔敷金属抗拉强度之间映射关系的网络模型。

采用BP算法训练网络，对焊条配方与熔敷金属抗拉强度σb之间的映射关系进行了函数逼近。

根据网络估测的结果可定量地进行焊条性能预报。

研究结果表明：该模型预测的结果同实验值之间有很好的对应关系；BP网络用于焊条性能预报具有可行性和有效性。

图3-3 BH网络结构图
构建的焊接材料设计软件系统(WMDs)，用BorlandC“Builder编程，界面友好，实用性强。

并创建了其中的性能预报模块和数据库模块。

试验证明：采用该系统设计焊接材料具有优化设计及快速、定量、成本低等特点。

为焊接材料设计开创了一种科学的新方法。

参考文献
[1]张子荣等．电焊条．机械工业出版社，1996；
[2]李午申等．焊条的优化设计．焊接．1987；
[3]邬国威．焊接材料概况和发展方向的研讨．焊接技术．1987；
[4]袁曾任．人工神经网络及其应用．清华大学出版社．1999；
[5]银舜生等．正交回归设计最优化方法在电焊条配方中的应用．焊接技术．1986；
[6]杨愉平等．二次回归正交设计最优化方法在焊条配方中的应用．太原工业大报．1992；
[7]王松海等．均匀设计在不锈钢焊条配方设计中的应用．甘肃工业大学学报；
[8]张国良．多目标规划在焊条配方设计中的应用探讨；
[9]上海师范大学数学系概率统计教研组．回归分析及其试验设计．上海教育出版社；
[10]黄俊．基于人工神经网络的焊接材料设计．南京理工大学硕士学位论文．2002；。