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1、计算机辅助设计在焊接材料中的应用计算机辅助设计在焊接材料中的应用1李兴志 李建国(内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特 010062)摘要摘要：叙述了计算机辅助设计在焊接材料中的发展及应用概况，重点阐述在焊条药皮配方设计中的应用。关键词：计算机辅助设计 焊条药皮 Application of CAD in the welding material Abstract:the current development and application of CAD in the welding material,CAD used in the electrode coat designing.K
2、ey words:CAD;electrode coating 焊接材料是决定焊接质量的关键因素，选择合适的焊接材料对焊接工件的结构强度、工艺性能和焊接成本部有重要的影响。焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂等，而焊条在我国的焊接材料中产量最大，所占比例也最大，且近年来还会有很大市场，因此，焊条的研究与开发还有重要的意义。焊条研究中，焊条的药皮配方设计是焊条生产的核心环节，传统的焊条药皮配方设计是根据焊接材料的设计方法“经验法”和“单因子轮换法”。在设计试验时，是按照设计者的的意愿安排的。这种试验设计因为缺乏科学性，难以建立焊接材料性能与其组分之间的高精度数学模型，也难以找出焊条药皮配方的最优配方。而计
3、算机辅助设计(Computer Aided Design,简称 CAD)是以计算机为主要手段，辅助设计者完成设计工作的建立、修改、分析和优化，输出信息全过程的综合性技术。WMCAD（weld material CAD）以及其他类似软件就是为了克服传统焊条药皮配方设计上的缺陷而把计算机辅助设计引用到焊接材料设计中的，它使焊接材料的设计实现了由定性到定量、由经验到科学的发展。1、WMCAD 的现状及应用的现状及应用 1.1WMCAD 的现状的现状 WMCAD 是天津大学在 1990 年综合运用试验优化技术、数理统计、最优化技术、计算机技术开发的软件包，在设计焊接材料时，具有定量化、最优化、周期短、
4、成本低、设计质量高等特点。此软件已经取得成功的应用。它的工作流程大体上分为四个步骤：1）选择或建立数学模型：即根据对焊接材料性能的要求，利用试验优化技术设计试验方案 经试验实施取得数据，再通过数理统计技术建立最优数学模型。所建立的数学模型需要正确反映考察因子对焊接材料性能的影响规律。2）解析数学模型，求解最优配方：即根据建立的数学模型，定量分析各因子对焊接材料性 能的影响规律，从而求解最优配方。3）审查研究：即检查优化的配方是否满足要求，若不满足要求，则调整优化参数重新优化，直至获得满意结果为止。4）试验验证和实施：对求出的最优配方进行试验验证，若试验结果与优化结果相符合，则 1作者简介：李兴
5、志：（1976），男，山东茌平人，硕士研究生 第 1 页 共 1 页 http:/ 将配方投入生产。否则，对试验结果与优化结果之间的误差进行分析，解决造成不符合精度要求的原因，直至满足要求为止。1.2 其他焊接材料的计算机辅助设计的现状其他焊接材料的计算机辅助设计的现状 1.2.1HCAD（Hardfacing Electrode CAD）的现状）的现状 由于现今普通焊条的药皮配方已经成型，所以现今焊条的开发重点多放在特种焊条的开发上。尤其明显的是堆焊焊条的开发比较多，相关焊条的研制资料在期刊杂志上多有论述。这是由于堆焊具有适应性强，生产效率高，组织致密，强化层厚，可显著提高设备零部件的耐磨性
6、和使用寿命。堆焊焊条的研制较普通焊条要复杂和困难的多，原因是堆焊焊条是从堆焊层的耐磨性、工艺性、抗裂性 3 个方面进行综合评价的。采用可视化编程语言研制开发的堆焊焊条计算机辅助设计软件系统（HCAD），可以通过试验数据的计算机处理和建立焊条药皮组分与各种性能之间关系的数学模型，进行优化设计，快速有效地获得最优配方。HCAD 软件系统的功能具有以下几点:(1)采用正交试验法安排试验;(2)使用一般回归分析和正交回归分析进行数据处理及误差分析;(3)利用数学规划法进行焊条药皮配方的优化设计;(4)采用数据库存储焊条配方和试验结果，可打印输出完整的试验报告;(5)具有图形分析功能，可以帮助设计者多层
7、次地进行试验分析;(6)采用模糊综合评价方法对焊条的工艺性进行客观综合评价。HCAD 的工作流程如图 1 所示：试验设计 试验实施 数据处理通过回归分析建立焊条药皮组分与性能指标间的数学模型 正交分析直观分析、统计分析、方差分析、广义方差分析、F 检验 分析焊条药皮组分对性能指标的影响 预报性能 调整配方 调整计算参数 求解最优配方 N 满足要求？研究分析 剔除不显著因素 试验验证 N 满意？确定配方 N 第 2 页 共 2 页 Y http:/ 图 1 HCAD 工作流程图 1.2.2 FCW_CAD(Flux Cored Wire CAD)以及以及 ECCAD（Electrode Comp
8、onent CAD）的现状）的现状 FCW_CAD 主要是采用计算机辅助设计方法进行药芯焊丝的配方设计，开发此软件的原因：（1）药芯焊丝是继焊条、埋弧焊丝、气保护实芯焊丝以后的第四代新型焊接材料，具有节能、生产效率高、工艺性能好、可灵活调整熔敷金属的成分、组织、性能等优点，兼具焊条和2 焊丝的双重优点，是当前国内外发展较快、生命力较强的焊接材料之一。在国内外药芯焊丝的产量逐年递增，具有逐渐代替焊条和实芯焊丝的趋势。但与发达国家相比，我国在药芯焊丝的产量、质量及品种规格方面均具有较大的差距，远远跟不上国民经济发展的需要。（2）现今药芯焊丝的生产存在两个主要问题：一是生产工艺技术还不过关，二是结合
9、我国原材料资源特点研制的优秀配方较少。三是以往设计方法是根据对熔敷金属化学成分的要求设计药芯焊丝配方，设计者是通过向药粉中加入多种铁合金来实现，合金的加入量根据铁合金的主要成分确定，很难协调每种元素在堆敷金属中的质量分数。设计时需综合考虑多种因素并通过多次试验才能设计出满足要求的药芯焊丝，结果造成人力、物力及时间上的浪费。为解决这一问题，下面介绍根据药芯焊丝熔敷金属化学成分的要求进行计算机辅助设计的方法。其具体方法简介如下：(1)运行软件包，通过人机对话选择要加入的组分及其化学成分、松装比。如果需要,还可选择中性添加剂。(2)通过人机对话输入熔敷金属化学成分的质量分数及其相应的过渡系数。(3)
10、根据要求的熔敷金属成分和相应合金过渡系数计算各合金剂的添加量。(4)根据各合金剂的添加量和松装比计算所需药芯焊丝面积比。(5)系统根据用户选定的钢带尺寸计算药芯焊丝的几何面积比。(6)比较与,若|-|/5%,则计算填充系数和药芯焊丝中消耗的钢带的质量，设计结束，转(7)。否则，需调整铁粉加入量或钢带的尺寸规格，直至合适。(7)输出设计结果，包括设计的初始条件，药芯焊丝配方、药芯配方及计算的|-|/5%比等多方面的信息。ECCAD 软件开发的原因是：（1）人工神经网络（Artificial Neural Networks）在解决高度非线性和严重不确定性方面具有很大潜力，而焊接过程具有高度非线性、
11、多变量、强耦合的特点，且伴随有大量随机不确定因素。（2）人工神经网络在焊接过程控制、参数优化、接头性能预测、缺陷识别等方面的应用及开发均取得了很大的进展。国内的清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学内蒙古工业大学、沈阳工业大学等高校都已经开展了神经网络在焊接材料中应用的研究工作。ECCAD 的设计系统分为四个大的模块：（1）试验设计模块。它是基于一般二次回归正交设计思想的，此模块包括两个功能，试验方案功能根据因子个数和预期的试验次数进行试验设计，并将试验设计结果保存到数据文件中，以作为用户试验实施的依据和系统下一步分析处理的基础；试验添加功能是指可以在原来试验方案的基础上添加指定次数的试验。（2）
12、数据获取模块。目的是从数据文件或从数据库读取数据。（3）药皮配方模块。此模块根据给定的性能指标求出最佳配方，然后根据配方中各组分的值预测出相应的性能指标。（4）分析模块。此模块实现三方面功能：通过方差分析功能考察因子及因子间相互作用对指标的影响程度，得出对这些性能指标有显著影响的因子或因子间的交互作用；二维分析考察其他因子在上水平、零水平和下水平时，某因子对某一指标的影响关系曲线；三维分析功能考察某两个变化因子对某一性能指标的影响关系曲线。以上可以看出，现今的焊接材料辅助设计软件都已经具备了实际应用的功能，且都是结合了第 3 页 共 3 页 http:/ 现今计算机技术发展的潮流，把计算机技术
13、的发展和专业领域的应用相结合。软件的开发的理论水平逐步提高。2.计算机辅助软件在焊接材料中的应用实例计算机辅助软件在焊接材料中的应用实例 2.1HCAD 软件应用实例软件应用实例 实际中要求研制一种常温非特殊工作条件下使用的耐冲蚀堆焊焊条。对熔敷金属的性能要求为：堆焊层宏观硬度HRC55，相对磨损性：2.5(标准试样失重/被测试样失重，标准试样为 45 钢淬火)。磨损试验采用MLS-23 型湿砂橡胶轮式磨料磨损试验机，试验参数为：模拟载荷7 kg，磨料：SiO2石英砂，粒度 40 目70 目，全轴转速 240 r/min，预磨 1000 转，正式磨 2000 转，橡胶轮直径 177 mm，厚度
14、 12.8 mm，硬度邵尔 60 度。采用 HCAD 软件对该种焊条进行设计，步骤如下：2.1.1 试验方案设计试验方案设计 选择C-Mn-Si-B合金系，并通过药皮过度合金元素。采用4.0mmH08A焊芯，采用CaO-TiO2-SiO2渣系。首先确定初步配方，进行焊条工艺试验，在工艺性能基本满足的基础上，固定其他药皮组分不变，重点考虑药皮中中碳锰铁、硅铁、石墨、硼铁 4 个因子，并依次命名这 4个因子为Z1，Z2，Z3，Z4。调用试验设计模块中二次回归正交设计方法安排试验计划，每个因子取 5 个水平作试验，共需安排 25 次试验，因子的设计水平如表 1 所示。自动打印出 25 个试验配方。变
15、量设计水平（y=1.414）变量 零水平 变量间距-1.414-1.0 0 1.0 1.414 中碳锰铁 13.8 2.97 9.6 10.83 13.8 16.77 18.0 硅铁 9.0 1.273 7.2 7.727 9.0 10.273 10.8 石墨 1.0 0.424 1.2 1.376 1.8 2.224 2.4 硼铁 0.49 0.219 0.18 0.271 0.49 0.709 0.8 表 1 因子的设计水平 编码转换式为：X1=(Z1一 13.8)/2.97 X2=(Z29.0)/1.273 X3=(Z31.8)/0.424 X4=(Z40.49)/0.219 按 25
16、个配方压制焊条，然后用试验焊条在 A3 低碳钢试板上进行手工堆焊，堆焊金属表面的硬度试验按 GB984-85堆焊焊条标准测定进行。2.1.2 数学模型的建立 调用 HCAD 建模模块中二次正交回归分析子模块，对试验数据进行处理，可以得到熔敷金属宏观硬度及相对耐磨性与编码因子的回归方程如下：HRC=50.3393-0.5447x1-1.1327x2-0.1994x3-0.2840 x4-0.6125x1x2+0.0500 x1x3+0.0750 x1x4+0.6250 x2x3+1.0500 x2x4-1.4125x3x4+1.5503x12-0.2998x22-0.2748 x32-0.850
17、3x42 显著性 95%=1.962 9-0.0334x1-0.1742x2-0.0389x3+0.0087x4-0.063lx1x2+0.038lx1x3-0.0469 x1 x4+0.088l x2 x3-0.0194 x2 x4-0.0606 x3 x4-0.0318 x12-0.0393 x22+0.0632 x32-0.0893 x42 显著性 99%式中，xj(j=1,2,3,4)为相应因子的编码值，在-1.414 和 1.414 之间变化。2.1.3 最优化计算最优化计算 以相对磨损量作为优化的目标函数，以满足熔敷金属的宏观硬度指标为前提，构成如下的最优化问题：求 min f(X
18、)=（X）满足g,1(X)=55-HRC(X)0 -1.414xxj1.414(j=1,2,3,4)第 4 页 共 4 页 http:/ 式中，X=x1,x2,x3,x4T 调用HCAD优化模块中的混合罚函数法子模块求解此最优化问题，将求解出的x1,x2,x3,x4以编码转换式化成焊条药皮成分的真实加入量Z1Z4，即为所求的最佳配方。为使结果更加满意，可以将约束条件进行若干次扩大，从试验范围外去寻找最佳配方，然后按最优配方制成焊条，进行试验验证。2.2ECCAD（Electrode Component CAD）软件的应用）软件的应用 现要设计钛型系列高效铁粉焊条，熔敷效率分别为 130%，15
19、0%，165%，180%。重点考察的自然因子为铁粉、金红石、硅酸盐、焊条外径等 4 个因素对焊条工艺性能的影响，其它组分固定不变，待考察各因子的上、下水平如表 2，采用的实验方案及通过实验取得的相关工艺性能实验数据如表 3，试用 ECCAD 系统进行焊条工艺性能方面分析。因子水平因子水平 铁粉（铁粉（Z1）金红石（金红石（Z2）硅酸盐（硅酸盐（Z3）外径（外径（Z4mm）上水平 85 23 15 9 下水平 25 15 9 7 表 2 考察因子及其水平 实验方案 实验结果 实验号 铁粉 金红石 硅酸盐焊条外径 脱渣率飞溅率断弧长度 熔敷效率 1 55 19 12 9 85.5 2.51 26.
20、0 178.5 2 55 19 12 7 90.8 3.78 26.8 138.0 3 37.196 16.626 10.22 8.304 87.7 3.11 27.4 156.0 4 72.804 16.626 10.22 8.304 93.1 3.02 22.4 183.0 5 37.196 21.374 10.22 8.304 48.4 3.94 27.3 148.5 6 72.804 21.374 10.22 8.304 33.9 2.87 23.8 175.0 7 37.196 16.626 13.78 8.304 40.4 3.87 27.7 145.5 8 72.804 16.6
21、26 13.78 8.304 35.1 3.53 24.8 173.0 9 37.196 21.374 13.78 8.304 71.8 3.58 25.7 145.0 10 72.804 21.374 13.78 8.304 56.5 2.95 25.7 168.5 11 85 19 12 7.358 41.1 3.84 21.7 156.5 12 25 19 12 7.358 54.3 4.60 27.6 123.0 13 55 23 12 7.358 54.0 3.16 23.2 154.0 14 55 15 12 7.358 62.7 3.87 24.5 148.5 第 5 页 共 5
22、 页 http:/ 表 3 实验方案及实验结果 利用二维分析功能分析铁粉对焊条工艺性能的影响。图 24 为其它因子分别为上水平、零水平和下水平时的铁粉含量与飞溅率关系曲线。由该组图可以看出，在因子的考察范围内，随着铁粉含量的增加，飞溅率呈下降趋势；由于因子间存在交互作用，铁粉对飞溅率的影响不仅取决于它本身的含量，而且还取决于其它因子的存在及加入量。图 2 图 3 图 5 为其它因子为零水平时铁粉加入量对脱渣率的影响关系曲线。由图可以看出，当其它因子取零水平时，在因子考察空间内，铁粉对脱渣率的影响存在一个最佳含量，铁粉含量过少过过多的加入都会造成焊条脱渣率的降低。第 6 页 共 6 页 http
23、:/ 图 5 图 4 图 6 铁粉加入量对断弧长度的影响 图 6 为其它因子处于下水平时铁粉加入量对断弧长度的影响关系曲线，当其它因子处于上水平和零水平时的情形与此相似，即在铁粉的因子考察空间内，断弧长度随着铁粉含量的增加呈下降趋势。这与铁粉的加入引起熔渣表面张力增大，熔滴变粗有关。药皮中度量的铁粉会被造渣成份中的氧化性组分部分地氧化，铁粉起着先期脱氧地的作用，从而减少了熔滴被氧化的程度，减少了熔滴的含氧量，使熔滴表面张力有所增大，熔滴变粗，从而导致熔滴过渡困难加大，断弧长度减少。第 7 页 共 7 页 http:/ 图 7 为焊条外径对断弧长度的影响关系曲线。表现出的规律为焊条外径加大断弧长
24、度增大，即电弧变得稳定。较大的药皮厚度，焊接时往往形成较长的套筒，抑制了飞溅，从而增加了断弧图 8长度。其他软件的应用实例就不一一列举。图 7 焊条外径对断弧长度的影响 为铁粉和焊条外径对焊条熔敷效率的影响。显然，随着铁粉和焊条外径的增加，熔敷效率提高。图 8 铁粉加入量及焊条外径对熔敷效率的影响 第 8 页 共 8 页 http:/ 3 结论 3 结论 1、计算机辅助设计在焊接材料中的应用是焊接材料设计优化的必然趋势。2、软件的开发均是具有自己的针对性，且软件的开发设思路、工作流程，软件实现的的功能大同小异，但是实现的功能将会越来越强大。软件的设计思想紧跟计算机发展的步伐。3、软家的开发对于
25、对焊接材料研发人员考察焊接材料的最优配方、节约研究成本具有较大的实际意义。也具有较大实用价值。软件的开发将向综合性，大型性方向发展。参考文献：参考文献：1李权.焊条药皮计算机辅助设计系统的开发与应用.内蒙古工业大学.硕士学位论文，2004，3 2王宝.焊条电弧物理与焊条工艺性设计.北京:机械工业出版社,1998.3李午申,巩孝军,冯灵芝.药芯焊丝的计算机辅助设计J.机械工程学报,2001.7 4刘政军,傅迎庆,郝雪枫,马莉.高效低碳钢芯(08)奥氏体不锈钢焊条优化及研制J.焊接学 报,2002.6 5 裴海旭,王生,依颖辉.新型耐磨抗裂堆焊焊条的优化设计J.兵器材料科学与工程,2003.7 第 9 页 共 9 页 http:/