基于均匀设计法的铜及铜合金手工自蔓延焊接配方优化

曲利峰，辛文彤，吴永胜，王 森

(军械工程学院 先进材料研究所，河北 石家庄 050003)

基于均匀设计法的铜及铜合金手工自蔓延焊接配方优化

曲利峰，辛文彤，吴永胜，王 森

(军械工程学院 先进材料研究所，河北 石家庄 050003)

通过对比正交设计法介绍了均匀设计法的优点，引入铜及铜合金手工自蔓延焊接快速评价方法，并采用均匀设计法优化已有铜基燃烧型焊条配方。选择高热剂Al+CuO、造渣剂B2O3、合金剂Ni、合金剂Zn含量为影响因素，以燃速、热量、飞溅、黏度、脱渣、流动、铺展、气孔、夹杂、强度这十项性能作为主要考察指标，按照均匀设计法流程，经计算配方优化结果为：高热剂含量为75、B2O3含量为23、Ni含量为1、Zn含量为1，并对调整配方后的最终焊缝成型情况进行了机理解释。

铜及铜合金手工自蔓延焊接快速评价；均匀设计法；配方优化

0 前言

铜及铜合金的手工自蔓延焊接是以燃烧合成反应放出的热量为高温热源，以燃烧合成反应的产物为填料，采用焊条电弧焊运条操作方式，融合钎焊、活性焊等多种机理，实现焊接母材永久牢固连接的一种全新的自蔓延熔焊方法[1]。铜及铜合金手工自蔓延焊接使用的焊接材料是燃烧型焊条，其配方决定了焊接接头的组织，焊条成分的优化设计是保证焊接质量的关键。由于配方包含多种金属粉末，其优化设计是一个多因素、多指标的复杂试验过程。针对H62黄铜的化学成分和力学性能指标，建立了手工自蔓延焊接快速评价方法，采用均匀设计法对焊条配方进行了优化设计，通过实验验证，获得了焊接H62黄铜的最优焊条配方。

1 设计原理介绍

1.1 均匀设计法简介

均匀设计法是由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[2]，是一种适用于材料数与水平范围较大的简单易行的试验方法，与正交设计方法相比有许多优点。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，而均匀设计省去整齐可比，只考虑试验点在试验范围内均匀散布，每个因素的每个水平只做一次试验，当因素的水平数增加时，试验数随水平数的增加量而增加。均匀设计试验次数可大幅度减少，约节省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的试验。

1.2 手工自蔓延焊接快速评价方法

焊接检验有严格的国家标准，但铜及铜合金手工自蔓延是一种全新的焊接方法，在实验阶段套用国家标准将会产生时间长、效率低、成本高等实际问题，因此，手工自蔓延焊接在实验阶段采用国家标准与快速评价方法相结合的方式对焊接质量进行评定。该快速评价方法主要包括焊接接头力学性能评定、焊缝内部缺陷评定、焊缝合金的润湿性和填缝性评定及焊接接头其他性能评定，根据程度分为A、B、C、D四个等级。

2 燃烧型焊条配方均匀设计实验

2.1 仪器和焊药

(1)仪器：101-3A型电热鼓风干燥箱。

(2)焊药组分：高热剂(Al与CuO及其他的混合物)、造渣剂(B2O3)、合金剂1(Ni)、合金剂2(Zn)。

2.2 试验中各组分含量的选择

研究表明，燃烧型焊条焊药中高热剂、造渣剂、合金剂三大组分组成存在矛盾且统一的辨证关系，任何组分的改变都可能引起焊渣、焊缝合金以及焊接母材与焊缝合金界面、焊缝合金与焊渣界面组织性能的改变[3]。在热力学计算和大量试验的基础上，初步确定三者含量范围：设高热剂含量为X1；B2O3含量为X2；Ni含量为X3；Zn含量为X4。由于存在约束条件，则确定三个因素含量后第四含量取余量即可。

试验水平计算方程组为

2.3 均匀设计表的选择

由以上可知，选择四因素六水平试验设计，但由于存在约束条件确定其中三个因素则第四因素相应确定，参照方开泰《均匀设计与均匀设计表》，实验中选择均匀设计表U6*(64)(见表1)，表2为其使用表，由于应先确定其中三个因素，即s＝3，根据U6*(64)的使用表可知，应选用表2的第1、2、3列来安排实验，这样就得到均匀设计实验方案，如表3所示。

表1 均匀设计表U6*(64)Tab.1 Uniform table U6*(64)

表2 U6*(64)的使用表Tab.2 Use table of U6*(64)

表3 均匀设计实验方案Tab.3 Uniform design experiment table

2.4 实验安排和结果

需要考查的试验指标有10个：燃速、热量、飞溅、粘度、脱渣、流动、铺展、气孔、夹杂、强度。利用转化设计指标法把它们综合成一个新的试验指标。首先根据试验结果，对这10个指标分别进行评分，然后进行加权组合得出综合评分，即为本试验的综合试验指标。

根据手工自蔓延焊接性能快速评价方法，对各个水平得到的焊接接头进行评价。对燃速的评价是通过记录焊条的燃烧速度检验其可控性，燃速过短或过长，操作者都不易控制；热量的大小主要是通过观察母材是否焊透来评定；飞溅的程度依据焊接过程中燃烧合成反应对操作者及外界环境的影响来评定；熔渣的粘度主要通过观察熔渣内气孔的程度来评定，气孔多，表明熔渣粘度较小，反之粘度大，将妨碍熔渣的分离，不利于熔池中气体的逸出；熔渣与焊缝合金的分离程度通过观察脱渣性、熔渣在焊缝上的覆盖程度以及是否存在压铁水现象来进行评定；测定润湿角θ，评定铺展性，润湿角越小，表明铺展性越好；测定填缝长度，评定填缝能力，填缝长度越大，表明填缝能力越强；焊缝合金的强度主要通过力学性能测试进行评定。

按表3的组分添加方案配料，混合30min，120℃烘干2 h，取出静置约2 h，至室温，成型，进行试验，并记录实验结果，如表4所示。

表4 手工自蔓延焊接性能快速评价表Tab.4 The fast evaluation table of the properties of manual SHS welding

3 试验结果的回归分析及优化

3.1 回归分析

本试验的回归分析采用多元线性回归模型：

式中 b0，b1，b2，b3，b4为回归系数；ε为随机误差。

将上述试验结果输入计算机，利用Matlab编程，用全回归方法可得到指标的回归方程

3.2 方差分析

方差分析表如表5所示，当显著性α＝0.05时，F表的临界值F4，1(0.05)＝224.6，F＝333.08＞224.6，模型通过F显著性检验，说明数学模型式(1)可信。

表5 方差分析表Tab.5 The analysis diagram of the variance

3.3 最优条件选取

由以上所得的方程可知，在X1＝75，X2＝23，X3＝1，X4＝1时，Y取得最大值9.16。

根据此配方进行焊接试验，试验结果如表6所示。

表6 实验结果Tab.6 Experiment result

3.4 实验结果分析

最优配方下的焊缝成形如图1所示，燃烧型焊条可控性较好，燃速稳定，焊缝铺展性好，焊缝整齐，表面气孔、夹杂少，实现了单面焊双面成形。对焊接接头进行EDS成像，如图2所示，分析得出：在最优配方下，高热剂利用自蔓延燃烧放出的热量刚好使母材熔化，而不至于热量不足或过热烧蚀；造渣剂增加Al2O3活度，降低高含量Al2O3焊渣凝固点，降低焊渣密度和增大焊渣聚合颗粒度，生成具有合适粘度和良好排气性的熔渣[4]；合金剂Ni提高了焊接母材界面的润湿性，降低了铜材表面锈蚀的敏感性，Zn的加入补充了燃烧合成过程中烧蚀掉的Zn，使得焊缝成分接近母材，同样改善了润湿性，使得焊缝与焊接母材实现了冶金熔合。

图1 焊缝成形Fig.1 Appearance of the weld seam

4 结论

综上所述，铜及铜合金手工自蔓延焊接燃烧型焊条的配方优化需要进行多因素多水平值试验，使用均匀试验设计结合手工自蔓延焊接性能快速评价方法，可以用较少的实验次数得到准确的结果，大大减少了工作量，降低了焊条的研究成本和研发周期。通过对铜合金燃烧型焊条配方的优化设计，并在实际焊接中对配方进行了微调，得出焊接最佳配方范围：高热剂含量为70%～72%；造渣剂B2O3含量6%～10%；稀释剂CuO为4%～6%；合金剂Ni为2.5%～3.5%，Zn为3%～4%。

图2 焊接接头的EDS成像Fig.2 The EDS maps of welding molten

[1]辛文彤，马世宁，张保元，等.元素W对手工自蔓延焊接接头组织性能的影响[J].热加工工艺，2008，37(13)：9-10.

[2]方开泰.均匀设计与均匀设计表[M].北京：科学出版社，1994.

[3]李志尊，辛文彤，武 斌，等.高热剂对低碳钢手工自蔓延焊接的影响[J].焊接学报，2007，28(2)：79-81.

[4]张保元，辛文彤，武 斌，等.铝粉颗粒度对燃烧型焊条燃烧的影响[J].热加工工艺，2007，36(19)：47-49.

Formula optimization of copper and copper alloy's manual SHS welding based on uniform design

QU Li-feng，XIN Wen-tong，WU Yong-sheng，WANG Sen
(The Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

which is based on self-propagating high-temperature synthesis(SHS)theory and manual arc welding technique of copper and copper alloy.It was introduced that principle of uniform design in contrast with orthogonal design and fast assessment standard of copper and copper alloy's Manual SHS welding technology，on which a project for formula optimization of SHS welding rod is presented.Thermite Al+CuO，slagforming constituent B2O3and alloying constituent Ni，Zn were chosen as the influencing factors.The main survey index comprises combustion speed，heat quantity，spatter，viscosity，slag detachability，fluidity，spreading，gas hole，inclusion，intensity.The final result of formula optimization shows that it will be welded better when content of thermite was 75，slagforming constituent B2O3was 23，alloying constituent Ni as well as Zn was 1.Final appearance of the weld seam was analyzed when the formula was adjusted.

fast assessment standard of copper and copper alloy's manual SHS welding；uniform design；formula optimization

TG422.1

A

1001-2303(2011)09-0033-04

2011-07-05

军队科研计划项目

曲利峰(19？？—)，男，河北张家口人，在读硕士，主要从事自蔓延焊接开发与应用方面的工作。