熔敷金屬電焊條

電焊條屬焊接材料，已廣泛應(yīng)用于造船、橋梁、車輛、壓力容器、工程機械和原子能等工業(yè)領(lǐng)域。其中因結(jié)構(gòu)鋼焊條中的酸性焊條價格低廉，工藝性好而應(yīng)用最廣。但酸性焊條的熔敷金屬難以有效清除熔池中硫磷雜質(zhì)，抗裂性能不好。因此，具有獨特的電子層結(jié)構(gòu)以及獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)的稀土元素從鋼的冶金技術(shù)擴大到焊接技術(shù)當中，并且近年來將稀土元素應(yīng)用到用量較大的結(jié)構(gòu)鋼焊條中，但大部分是定性研究，缺乏關(guān)于稀土元素熔敷金屬性能的定量研究，不能在焊條設(shè)計階段對熔敷金屬的力學(xué)性能進行預(yù)測，增大了生產(chǎn)成本。

隨著模糊信息處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的不斷深入，將模糊技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機的結(jié)合起來，構(gòu)成了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它能集聯(lián)想、識別、自適應(yīng)及模糊信息處理為一體，不僅能處理精確的信息，也能處理模糊信息和其他不精確的信息。

基于專家知識和操作者經(jīng)驗的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效的解決焊條原材料成分與熔敷金屬力學(xué)性能間的映射關(guān)系，解決含稀土元素的熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測問題。針對含稀土的熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測研究進行研究，分析含稀土的熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測存在的問題和解決方法。

熔敷金屬完全由填充金屬熔化后所形成的焊縫金屬。焊縫金屬由兩部分組成，一部分是熔化的焊條或焊絲，另一部分是熔化的母材，熔敷金屬指的是焊縫中熔化的焊條或焊絲部分。熔敷金屬是按標準規(guī)定在留有大間隙(13mm)的對接坡口中焊成的。焊縫金屬是在不留間隙的K形坡口中焊成的，有較大熔合比。所有金屬焊接材料生產(chǎn)廠家及所制定的焊接材料有關(guān)標準，均按熔敷金屬進行考核驗收，而完全略去母材成分對焊縫的影響。所以，焊條或焊絲等的質(zhì)量保證書所列的性能數(shù)據(jù)，并不是實際焊接某種金屬材料所形成的實際焊縫性能。兩者可能比較接近，但也可能會有很大差別。使用填充材料的焊接接頭常有富填充材料的區(qū)域。熔敷金屬抗拉強度，一般說的是熔敷金屬抗拉強度最小值 。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要研究稀土對焊接材料的改性作用，然而在進行焊條配方設(shè)計時仍然要依賴于經(jīng)驗公式，如抗拉強度Rm = [( 61． 0 Ct 24． 3) ± 3． 5 ]× 9． 8 ( MPa) ，在此公式中碳當量( Ct) 含有碳、錳、硅、鈣、鉻、釩、鉬等元素可換算成碳元素的相當含量，沒有確切的稀土元素換算成的碳元素相當含量。工程上在依賴經(jīng)驗公式的同時還要進行多次熔敷金屬力學(xué)性能試驗以便對藥皮配方進行不斷的調(diào)整，不但成本高而且難以準確預(yù)測熔敷金屬的力學(xué)性能，使焊條質(zhì)量控制效果不理想。

因此獲得焊條原材料成分與熔敷金屬力學(xué)性能間的映射關(guān)系，進行含稀土元素的熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測，不但是焊條設(shè)計中的一個難點，而且對于焊條質(zhì)量控制與焊條生產(chǎn)自動化、智能化具有重要的指導(dǎo)意義 。

國內(nèi)外把稀土元素對熔敷金屬的影響以及熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測作為兩個獨立的內(nèi)容已經(jīng)進行了較多的試驗和理論研究。一方面是研究稀土元素對熔敷金屬的定性影響( 缺乏定量研究) ，另一方面是對不含稀土元素的熔敷金屬力學(xué)性能進行預(yù)測研究( 熔敷金屬中都是常規(guī)元素，不含稀土元素) 。

1 稀土元素對熔敷金屬的定性影響研究

關(guān)于稀土元素對熔敷金屬的影響方面，在稀土材料的選擇上經(jīng)歷了將重稀土應(yīng)用到焊條中到將輕稀土或輕稀土氧化物應(yīng)用到焊條中的過程。在20世紀80 年代許多學(xué)者開始研究重稀土釔對熔敷金屬的影響，但由于釔粉極易氧化，近年來在重稀土方面主要是研究重稀土與輕稀土的合金在材料中的應(yīng)用，Reynaud A進行了釔釓合金在材料改性方面的研究，并證明釔釓鎂合金能使不銹鋼材料表面沉積物變成馬氏體組織。由于重稀土加工困難、價格貴，而輕稀土合金容易獲取，因此Samanta S K 等研究在不銹鋼焊縫里加入鈰和鈮合金比單獨的鈰顯示出更強的抵抗氧化作用。和重稀土比，稀土合金

容易獲取，但和輕稀土及輕稀土氧化物比，制造輕稀土合金比較復(fù)雜，價格也比輕稀土及稀土氧化物高，所以使用輕稀土合金的成本要高于稀土氧化物及輕稀土的成本，人們試圖添加稀土氧化物或輕稀土來代替稀土合金。

Thewlis G發(fā)現(xiàn)鈰微粒在熔化溫度中比較穩(wěn)定，而且與鋼保持著共格的關(guān)系。添加適量Ce 可以細化組織，使粒狀貝氏體及M － A 組元分布更加彌散均勻，同時有助于基體向針狀鐵素體發(fā)展，使斷裂韌窩深度更大且分布均勻，有利于韌性提高。

Van Der Eijk C 等描述了一種實驗室規(guī)模的試驗，將鈰和硫添加到液體的低合金鋼中得到非常細小的有利于鐵素體形核的硫氧化物顆粒。李建國在焊條藥皮中添加釔以及結(jié)合其它合金元素的過渡，使得焊條工藝性能好，堆焊層組織晶粒細小，能夠保證堆焊層既有一定的硬度又具有足夠的韌性，且堆焊層硬度有利于所焊材料的修復(fù)。郭永環(huán)等針對典型的E4303 型焊條抗裂性較差的問題，在新型低碳鋼焊條藥皮配方開發(fā)研制中采取通過藥皮過渡微量的鑭釔元素，結(jié)果表明加入鑭、釔能凈化焊縫金屬組織，可起到脫硫、脫磷、去氧的作用，抗裂性能好，同時能改變?nèi)鄯蠼饘俚慕M織形態(tài)，可細化晶粒。

Nishimoto K 等通過添加鑭和鈰來研究稀土對低合金鋼焊接性的影響，發(fā)現(xiàn)鈰含量在0.2% ～0.3% 時焊接熱影響區(qū)不出現(xiàn)裂紋。李達等在含有Cr、Mn、Mo、Ni 等合金元素的焊條藥皮中添加以La 和Ce 元素為主的混合稀土氧化物，試驗結(jié)果表明，其堆焊金屬組織為細針狀鐵素體，斷口為細韌窩狀，且分布均勻。

Nishimoto K 等深入研究還發(fā)現(xiàn)鑭和鈰能使晶粒細化，但鑭和鈰超過0.3% 時，焊接熱影響區(qū)的裂縫敏感性增加，在晶界上形成低熔點的Ni7La2和Ni2Ce。不但藥皮中的稀土元素會影響熔敷金屬的組織及力學(xué)性能，焊接工藝參數(shù)也會對其產(chǎn)生影響，如最優(yōu)的NZ30K 激光焊接工藝參數(shù)范圍為激光功率7 kW ～ 8 kW，焊接速度3 m/min～ 4 m/min。

以上大量的試驗及研究結(jié)果已經(jīng)證實了適量的稀土對熔敷金屬的細化及強化作用。為了揭示稀土對熔敷金屬力學(xué)性能的影響規(guī)律，郭永環(huán)建立了稀土元素與熔敷金屬力學(xué)性能間的數(shù)學(xué)模型，雖然研究方法上從定性研究轉(zhuǎn)向定量研究是一大進步，但并不能預(yù)測樣本值之外其他配方熔敷金屬的力學(xué)性能，設(shè)計焊條配方的成本依然很高。因此為了減少高性能焊接材料的設(shè)計成本，預(yù)測樣本值之外其他稀土配方熔敷金屬的力學(xué)性能勢在必行。

2 熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測研究

近年來，獲得迅猛發(fā)展的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也開始應(yīng)用到焊接領(lǐng)域中，并被應(yīng)用于焊接裂紋、焊道熔深、雙橢球熱源、電阻點焊的質(zhì)量、激光焊的質(zhì)量以及不銹鋼焊縫的熔深等預(yù)測任務(wù)。主要以反向傳播( BP) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基( RBF) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( FNN) 來建立影響因子和性能指標及質(zhì)量參數(shù)間的關(guān)系模型。Pal S 等針對脈沖熔化極氣體保護焊建立了反映焊接速度、脈沖頻率等工藝參數(shù)與焊接接頭最大抗拉強度之間映射關(guān)系的BP 網(wǎng)絡(luò)模型。Martín óA 等學(xué)者利用BP 網(wǎng)絡(luò)建立了304 奧氏體不銹鋼點焊質(zhì)量預(yù)測模型，Xu Y L 等利用BP 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對E4303 電焊條熔敷金屬的力學(xué)性能的預(yù)測。

預(yù)測過程中，如果輸出值與期望值之間的誤差不滿足精度要求，則將誤差值沿聯(lián)接通路逐層反向傳播并修正各層的聯(lián)接權(quán)值。不斷重復(fù)前向和反向傳播過程直至達到所期望的精度要求為止。但由于BP 網(wǎng)絡(luò)容易陷入局部極小等缺點，為了解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者開始利用其他的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。張永志等利用RBF 網(wǎng)絡(luò)建立了TC4鈦合金TIG 焊焊接工藝參數(shù)與接頭力學(xué)性能關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)模型，克服了BP 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時間長和容易陷入局部極小的缺點。鄧欣等對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在焊接接頭力學(xué)性能預(yù)測上的應(yīng)用做了探索，訓(xùn)練了焊接方法包括焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊和TIG 焊的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率模型。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計完成了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊接接頭力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)。黃俊等建立了基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種單一模型的碳鋼焊條熔敷金屬力學(xué)性能非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測模型，綜合運用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)的方法對模型預(yù)測性能進行了有效改進，使延伸率、沖擊功指標的預(yù)測平均相對誤差分別降為3.15% 和2.67% ，與采用單一預(yù)測模型相比，組合預(yù)測模型能夠顯著提高預(yù)測準確性和泛化能力。雖然以結(jié)構(gòu)鋼焊條為研究對象，但熔敷金屬并不含稀土元素，而且沒有考慮到焊接工藝對力學(xué)性能的影響。董俊慧等建立了用于焊接接頭力學(xué)性能預(yù)測的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用該模型，使用BP 算法和BP 算法與最小二乘相結(jié)合的混合算法，采用不同的輸入變量隸屬度函數(shù)、模糊子集數(shù)、迭代次數(shù)，對焊接接頭力學(xué)性能進行了ANFIS仿真。結(jié)果表明，當采用混合算法，且模糊子集數(shù)為3 時，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和預(yù)測結(jié)果平均誤差均遠小于7 %，能夠滿足實際生產(chǎn)的要求。但測定的是TC4鈦合金的熔敷金屬的力學(xué)性能，非用量較大的結(jié)構(gòu)鋼焊條熔敷金屬的力學(xué)性能，其推廣性有待于深入。這些預(yù)測研究中都不含稀土元素。

在進行焊接材料設(shè)計時，國內(nèi)外學(xué)者研究并應(yīng)用了焊接材料計算機輔助設(shè)計軟件及專家系統(tǒng)。我國從80 年代末開始進行焊接專家系統(tǒng)的研制，如早些時候見于報道的是南昌航空工業(yè)學(xué)院焊接方法選擇專家系統(tǒng)。清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等也相繼進行了焊接專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)，到目前己經(jīng)獲得大量的研究成果，并應(yīng)用到實際工程中。焊接材料的工藝設(shè)計主要取決于配方設(shè)計，天大學(xué)開發(fā)了WMCAD 焊接材料計算機輔助設(shè)計軟件包，可以根據(jù)試驗?zāi)康倪x擇適合的試驗優(yōu)化方案，根據(jù)試驗結(jié)果建立最優(yōu)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測已知配方材料的力學(xué)性能。湘潭大學(xué)開發(fā)的ZWZY 配方設(shè)計系統(tǒng)具有擬定正交設(shè)計試驗方案，建立性能指標間的多元非線性回歸方程，求解最優(yōu)配方，已經(jīng)取得了滿意的效果。

由于焊接材料和性能之間的關(guān)系不易用簡單的回歸模型表述，如果回歸模型過于復(fù)雜、考慮因子較多、或者考慮因子次數(shù)較高，會對試驗量要求很大，因而對簡單的配方可以應(yīng)用這樣的輔助方法。近年來興起的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更是為焊接材料的研究開辟了新的途徑，可以彌補回歸分析方法的這個缺陷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近任何復(fù)雜的輸入輸出關(guān)系，這彌補了回歸模型不能模擬復(fù)雜關(guān)系的缺點。

但是目前有些軟件包在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行建模時卻忽略了對試驗方案的設(shè)計，這對于提高建模有效性和降低試驗成本不利。因而重慶大學(xué)在焊接材料的計算機輔助設(shè)計方面做試驗設(shè)計與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合并應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化的嘗試。在實踐中人們認識到模糊邏輯推理在焊接過程中有著廣闊的應(yīng)用前景，并積極將模糊控制用于焊接領(lǐng)域。然而模糊邏輯推理在自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)方面缺乏有效的能力，因此要獲得滿足實際系統(tǒng)中的模糊規(guī)則，需要用大量時間進行復(fù)雜的計算和反復(fù)的探索，這大大制約了模糊邏輯推理的應(yīng)用。因此人們將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合應(yīng)用，使模型具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，建立了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于焊接領(lǐng)域的預(yù)測和控制 。

國內(nèi)外學(xué)者的研究成果極大地推動了稀土元素在焊接材料中的應(yīng)用步伐，促進了焊接材料的發(fā)展。然而各國學(xué)者主要是研究稀土元素在不銹鋼焊條、鈦合金焊條、堆焊焊條上的應(yīng)用，而在用量較大的結(jié)構(gòu)鋼焊條上的應(yīng)用卻較少; 在熔敷金屬預(yù)測方面，除了個別文獻熔敷金屬含稀土元素，尚未搜索到含稀土熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測的文獻。主要有以下三方面的不足。

1 理論方面

稀土焊條熔敷金屬的力學(xué)性能和稀土加入量的關(guān)系是定性的研究，在定量研究方面所建立的模型大都是碳、硅、錳等常規(guī)元素與力學(xué)性能間的映射關(guān)系模型，模型當中，不含與稀土元素相關(guān)的參數(shù)。性能預(yù)測時采用的大多為Mamdani 模糊模型，但Mamdani 模糊模型的逼近精度不夠高，缺乏稀土元素與熔敷金屬間的精確的映射關(guān)系模型。而稀土元素加入量如果適中可以細化熔敷金屬的組織，減少硫磷的含量以及焊縫中的氫含量，提高力學(xué)性能。

由于焊條藥皮及焊芯各成分間存在物理、化學(xué)、冶金反應(yīng)等強耦合的作用，使焊條力學(xué)性能呈現(xiàn)出高度的非線性。因此含稀土元素的熔敷金屬的力學(xué)性能預(yù)測研究還有待于深入，重點應(yīng)開發(fā)含稀土元素的熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測系統(tǒng)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Σ煌臉颖咀龀鱿鄳?yīng)地調(diào)整，為稀土焊條生產(chǎn)自動化、智能化提供理論基礎(chǔ)。

2 試驗方面

進行焊條藥皮配方設(shè)計時，要根據(jù)力學(xué)性能經(jīng)驗公式初步擬定合金系統(tǒng)，然后要根據(jù)工藝焊接性修訂合金系統(tǒng)，經(jīng)過多次調(diào)整試驗后，最后定型焊條藥皮各組分，焊條設(shè)計周期較長，設(shè)計成本較高; 以往的研究成果把稀土元素對熔敷金屬的影響以及熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測作為兩個獨立的內(nèi)容進行試驗和理論分析，沒有涉及兩者的耦合作用研究。并且僅考慮焊條藥皮和焊芯的原材料影響，沒有考慮焊接工藝的影響。

3 應(yīng)用方面

已研制出的含稀土元素的專用焊條性能較高，但大多數(shù)價格是相應(yīng)的酸性焊條價格的3 倍以上，因此限制了這些含稀土元素焊條的推廣應(yīng)用。而稀土元素在價格便宜的高抗拉強度的酸性焊條中的應(yīng)用有待于進一步擴展。

4 創(chuàng)新性方面

缺乏稀土元素凝固組織演變機理以及相變模型的研究，缺乏含稀土的熔敷金屬力學(xué)性能模型; 缺乏對熔敷金屬的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能及焊接工藝的綜合分析，在用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測時，沒有把成分、組織、性能及焊接工藝進行耦合研究。焊接專家系統(tǒng)的發(fā)展還不夠成熟，大多還停留在數(shù)據(jù)庫，并沒有出現(xiàn)推理性的專家系統(tǒng) 。

1． 研究不同焊接工藝及稀土含量下熔敷金屬組織演變實質(zhì)機理以及對性能的影響。具體應(yīng)研究熔敷金屬組織轉(zhuǎn)變機理; 焊接工藝及藥皮中稀土含量與熔敷金屬組織關(guān)系; 熔敷金屬組織與力學(xué)性能關(guān)系的研究。

2． 構(gòu)建含稀土元素熔敷金屬的相變模型。應(yīng)進一步研究熔敷金屬中產(chǎn)生的稀土新相的顯微硬度、分布形式以及熔敷金屬晶粒的尺寸的大小對力學(xué)性能的影響; 研究不同稀土作用條件下熔敷金屬組織性能的演變規(guī)律，構(gòu)建不同焊接工藝參數(shù)及藥皮配方下熔敷金屬的相變模型。

3． 成分－溫度－組織－力學(xué)性能耦合分析，構(gòu)建含稀土元素的熔敷金屬的力學(xué)性能模型，開發(fā)含稀土元素的熔敷金屬力學(xué)性能專家系統(tǒng)。應(yīng)該對熔敷金屬這一非均質(zhì)材料的固態(tài)相變行為進行描述;探索添加稀土后，熔敷金屬中的多相混合組織的斷裂行為描述方法; 研究含稀土的原材料與熔敷金屬的組織及性能間關(guān)系，從溫度－ 組織－ 力學(xué)性能耦合關(guān)系出發(fā)，進行耦合分析，根據(jù)構(gòu)建的相變模型構(gòu)建含稀土元素的熔敷金屬的力學(xué)性能模型; 對現(xiàn)有的Mamdani 模糊模型、Sugeno 模糊模型以及Takagi－ Sugeno 模糊模型進行分析及優(yōu)化研究，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并實現(xiàn)從原材料及焊接工藝到力學(xué)性能的預(yù)測，開發(fā)具有推理性的含稀土元素的熔敷金屬力學(xué)性能專家系 統(tǒng)。

基本信息

《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法(GB/T 2652-2008/ISO 5178:2001)》由全國焊接標準化技術(shù)委員會提出并歸口，哈爾濱焊接研究所負責(zé)起草。主要起草人：成炳煌、曲維力。具有權(quán)威性和實用性。2100433B