焊条制造与配方设计方法.docx

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焊条制造与配方设计方法

学校代码：

10128

学号：

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

二〇一五年十一月

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

Inthemanufactureofweldingelectrodes,thecompositionandqualityoftheelectrodedependsonthecompositionandqualityofrawmaterials.Rawmaterialsmainlybythecoresandpowdercomposition,andrangeofpowderingredientstomuchlargerthanthecores,sohowtochoosethecontrolpowdercompositionandtodeterminethecorrectformulaiskeytomakingelectrode.Thispapermainlydiscussesavarietyofcalculation,testandadjustment,supplementedbytheadvancedweldingstripformuladesignmethod,thuschangingthepreviousbasedonexperienceandtrialadjustmentformulaandlaborandtime-consumingtraditionalapproaches,inordertoobtainthebesttechnicalandeconomicaleffects.

Keywords:

electrodeformuladesign;optimizationdesignmethod;

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