我们知道在大型电站锅炉安装中焊接工作量非常大，以300 MW机组为例，锅炉的受热面管子安装焊口约为2 万个之多。由此可知，焊接质量是锅炉安装工程的重中之重，直接关系到锅炉能否安全运行。氩弧焊封底时膜式水冷壁焊口的未焊透、手工焊盖面时省煤器(32 mm×3.5 mm) 、过热器(38 mm×3.5 mm) 等小口径管焊口起弧和收弧处的气孔是电站锅炉安装中容易产生的焊接缺陷。笔者结合多年监检实践并查阅有关资料，就上述缺陷的产生和防止提出自己的观点，以与同行商榷。
1 膜式水冷壁安装焊口打底焊道未焊透缺陷产生的主要原因
　　电站锅炉膜式水冷壁一般是用规格为60 mm×5 mm或51 mm×5 mm的鳍片管组焊而成的大片，在安装施工中一般先在现场地面水平预制组焊成整体，再吊装就位。预制采用手工钨极氩弧焊封底加手弧焊盖面的工艺进行。焊缝经X射线探伤检查一次合格率比较高，但在所发现的焊接缺陷中，有相当一部分未焊透缺陷。经研究分析，产生未焊透的原因是多方面的，当焊工技能、焊接参数等能够满足焊接质量要求时，产生此缺陷的主要原因有以下几方面
(1)模式水冷壁管屏工地进行管子对接安装,由于窄间隙有障碍操作极容易在3点、9点处位置产生未焊透、未熔合曲线。
（2）管子周围壁厚不等，组对每片水冷壁时，先将距焊口约50 mm 处的鳍片用气割切去。在割去鳍片处沿管周弧长约12 mm的范围内，管壁比其它处厚1.5～2 mm。再加上此处(焊口3点和9点处）焊接时受两侧管的障碍，如果在焊接参数相同的情况下，不采取相应措施，极易在此处出现未焊透缺陷。
（3）组对间隙不一致，锅炉制造厂提供的膜式水冷壁半成品件是由多根管子组焊成一片。在工地进行片与片组装时，就要同时组对多个焊口，然而使组对间隙相同非常困难。另外，多个焊口不可能同时焊接，当焊完一部分焊口，其余尚未焊的焊口间隙就会缩小，甚至为零。这些焊口在施焊中很容易出现未焊透缺陷。
（4）强力组对出现的错口。由于半成品水冷壁在制造、长途运输和存放过程中会产生一定的变形，在现场地面水平预制时，多个焊口就有可能不在一条水平线上，也就是说产生焊口组对不平齐的现象。此时若采取强力组对，被强行组对的管子在TIG打底焊热源的作用下，有可能复原产生错口。如果此时正好由于上述（2）的原因使对口间隙趋于零时，就会导致单侧或双侧未焊透现象。
2 未焊透的防止措施
（1）每片半成品水冷壁组对前，应认真校验焊口平齐情况，对于较轻微的变形可采用火焰矫正或机械方法矫形后再组对。有的（焊有销钉的鳍片管）变形太大，整体矫形困难大的可先将制造厂所焊鳍片间的连结焊缝割开，其割缝长度根据变形程度及应力大小而定，一般不超过1 500 mm，然后再单根管矫形。待整片水冷壁组焊完后，再将割开的鳍片焊缝采用分段退焊法重新焊好。
（2）严格控制多个焊口组对的最小间隙和最大间隙，使其中最小组对间隙能满足焊接质量要求；最大组对间隙不超过5 mm。施焊时，采取先焊间隙较小的焊口，后焊间隙大的焊口。这样既能避免产生未焊透，还有助于减少焊接应力和变形，同时可减少焊口浪费。
（3）对于每片最后焊的焊口间隙过小而不易保证焊接质量时，可使用端部修磨较尖锐的钨极施焊，以使电弧集中，易于焊缝根部熔透。
（4)改变原来在下面施焊焊工的操作方式，把添加焊丝的工作改由上面的焊工进行，这样，下面的焊工可以集中精力操作焊枪，将电弧始终准确地对准焊缝根以确保熔透。为了保证焊丝能够准确地加入熔池，先将焊丝端部按管子直径弯曲，由上面的焊工手持焊丝并将焊丝上提，使其紧贴坡口间隙，然后由下面的焊工引燃电弧将坡口钝边和焊丝同时熔化形成封底焊缝。如此焊出的封底焊缝不仅能实现单面焊双面成形，而且还可以保证焊缝背面的余高不超标，满足水冷壁管内通球的要求。同时可提高焊缝一次合格率和封底效率，并节约焊丝。
（5）当焊至鳍片部位时( 焊口3 点和9 点处），因此处受管间距限制，除最好使用端部修磨较尖锐的钨极施焊，增大焊枪可达性外，关键应适当降低焊速，增加电弧在此处的停留时间，待熔池尺寸与其它部位相等，熔融金属成“渗入”状态时再前移。同时下面的焊工尽量向上多焊一段，为焊缝接头创造条件。焊后可用手电筒从尚未焊的坡口间隙向管内照明观察已焊部位的熔透情况，发现问题及时处理。需指出的是，当采用尖锐的钨极施焊且现场风大时，需采取防风措施，避免产生气孔缺陷。
3 小口径管手工焊盖面引弧和收弧时气孔的产生主要原因
　　气孔产生的因素是多方面的。当施工现场焊前准备工作相当充分合格，已严格做到：①严格遵守焊接参数并保持稳定；②电流的极性及其种类影响不大；③焊件坡口符合要求且清理干净，使用的低氢型焊条严格烘培，并放在保温筒内，随用随取；④焊工质量意识强；⑤具有严密的防风防雨措施；⑥X射线检验结果气孔也非氩弧焊所致时，气孔的产生往往是由于引弧和收弧不当引起的。
我们知道气泡上浮速度与熔池金属粘度成反比，对于小口径焊口来说，起弧点（除了冶金过程产生的气体外，还有药皮保护效果差，易混入气体）温度较低，冷却快。又由于坡口小，焊速快，收弧点输入热量相对较少，同样冷却快。于是熔池金属的粘度急剧增加，使气泡上浮速度大大减小，因而焊缝中的气泡来不及逸出而残存在内部形成气孔。综上所述，起弧收弧点产生气孔的主要原因是由于熔池冷却快，气体在熔池中来不及逸出。因此，根据现场的客观条件采取对策。
4 气孔防止措施
4.1 热引弧法
　　在引燃电弧的1～2 s内，使加热电流Ih是恒定电流I的1.5～2倍，以便易于激发电弧，迅速建立气体保护，阻止外界气体混入。同时使母材中输入热量增大，熔池冷却速度减慢，金属粘度缓慢增加而利于气体逸出，这种热引弧法对减少起弧处的气孔特别有效，但它需要人配合，在引弧时调节电流，可见热引弧法具有其局限性。
4.2 采取特殊工艺措施
　　起弧收弧时采取适当的运条方法，在正仰焊稍远处起弧，而后拉回正仰焊（或者说沿接头稍远处起弧，而后拉回接头处）。这样可以使起弧点由于碳酸钙（使用的都是低氢型焊条）分解形成的CO2保护不够充分，混入的其它气体重新逸出而避免产生气孔。收弧时，电弧超过正平焊，而后拉回，使正平焊（或说接头处）的熔池和输入热增大，冷却速度减慢，气体易逸出而减少气孔。对于排管的立焊部位及其横焊侧面的接头处均可采取相似措施。
5 实践结果
　　采取上述措施后，焊口一次拍片合格率达98.5%，缺陷得到有效的控制，收到了较好的效果。

摘　要:PE 材料以其防腐蚀性好、流体阻力小、化学性能稳定等特性被广泛应用。其连接方法主要有胀紧接头连接、对接熔化焊连接、电热熔焊连接和法蓝连接四种形式。本文对此四种连接方式及工艺进行说明。
关键词:管道;安装;PE 材料;连接

1 概　述
　　PE 材料因其防腐蚀性好、流体阻力小、化学性能稳定等特性,具有广泛的应用范围。目前主要应用于饮用水、工艺水、废液、天然气等介质。但其抗老化性能不如PP 材料,因此普通PE 材料不常用于地面上管道安装,除非经抗老化工艺处理(如添加抗老化剂) 。同时,PE 材料比PP 材料略软,地面上使用时,PE 管需要密集的支架且外形不好,较大的热胀冷缩性能在气温变化时会使管子弯曲下垂和破坏接头密封。
2 PE 管的连接方式
　　PE 管通常使用的连接形式有胀紧接头(或叫压紧接头,即通过丝扣推紧内部的O 形圈密封,英文名称叫Mechanical Fittings 或Compression Type Fit2tings) 、对接熔化焊接头(Butt Fusion Welding Joint) 、电热熔焊接头(Electro Fusion Welding Joint) 和法蓝连接(Flange Jointing)。
2.1 胀紧接头
　　胀紧接头适用于直径110 mm 及更小的管子连接,仅需根据图纸下料和把紧接头即可。胀紧接头具有以下优点: ① 同时适用于地上或地下; ② 操作方便,无须专用工具,易于安装; ③ 自锁式O 形圈在提供良好密封的同时可防止接头被拉开; ④ 易于拆除更换或管件重复利用; ⑤有竞争力的价格。胀紧接头的主要缺点是接头的强度较薄弱,受冲击或热胀冷缩的影响,接头密封性能易被破坏。

2.2 对接熔化焊接头
　　对接熔化焊接头适用于直径大于40 mm 的管子,是PE 材料最通用的连接形式,甚至PE 膜材和板材也使用熔化压力焊拼接。在同样的密封和工作压力下,其具有良好的经济性。该接头由管材与同材质的管件熔合组成,与母材同材质、等强度,焊接形成的翻边具有良好的加强作用。但内翻边会减小管道的实际流通直径增大介质的流动阻力。

2.3 电热熔焊接头
　　电加热熔焊接头适用于当空间过小无法使用对接熔化焊设备的情况和固定口的连接。它是由预埋在管件内部的电加热丝完成的。焊接时向加热丝通过一个规定大小的电流。加热丝产生热量,将周围的材料熔化并延伸至管材,使管子外表面熔化,最终达到管件与管子熔合。电热熔焊管件相当昂贵,且如果焊接失败,只能将管件连同插入管件的管子一起切除,管件将废弃,无法修整使用。

2.4 法蓝连接
　　法蓝连接多用于管道附件的连接,多为PE 翻边+ 松套碳钢/ 镀锌法蓝。对防腐要求严格时,法蓝表面可包敷一层PE 材质保护层。法蓝连接需与对接熔化焊或电热熔焊连接相配合使用。

3 熔化焊接工艺及设备
3.1 对接熔化焊接设备
　　熔焊机械和设备可以从各PE 材料制造厂购买或租赁。修整工具用于处理接头连接端面以保证其平整度、垂直度和洁净程度,通常是一套配双面刨刀的电动旋削机械。修整工具能卡在焊接设备支架上并保持与卡具中心垂直。刨刀必须保持清洁和锋利。
　　加热板的工作表面要保持干净以确保良好的热传导并防止接合表面污染影响焊接接头质量。加热板表面的堆积物要在板冷却后使用软木铲和/ 或浸入适当溶剂如丙醇等的抹布小心清理。对加热面的保护是相当重要的。
　　大部分熔化设备是铝制品。铝制品具有良好的热传导性但硬度低,容易受到冲击损伤。加热板不使用时应放在干净的保温筒内。部分自动熔焊机械具有完全收缩式加热板,可减小加热板表面被污染和损伤的危险。
　　熔焊设备具有控制加在接头内表面熔化压力的功能,并同时能提供很高的拉力以处理拖动接长的管子。常用装置有手动对中推进和液压推动两种,配合同心卡具,可提供平滑推力并有助于防止偏心。因PE 材料的摩擦系数很大,焊接设备难以拖动较长的管子,对管子进行多点滚动支撑有助于减小对设备的拉力,并防止对管子产生不必要的拉伸和刮擦。同时应减小管子预制连接长度,如直径大于4″、长度大于11.8 m 的管子敷设时应避免多根连接预制。否则会出现动力装置过载、焊接接头粘合压力不足等故障和缺陷。

3.2 对接熔化焊接头施工工艺
　　(1) 清理管端;
　　(2) 将管子夹紧在熔焊设备上,使用双面修整机具修整两个焊接接头端面;
　　(3) 取出修整机具,通过推进器使两管端相接触,检查两表面的一致性,严格保证管端正确对中;
　　(4) 在两端面之间插入210 ℃的加热板,以指定压力推进管子,将管端压紧在加热板上,在两管端周围形成一致的熔化束(环状凸起) ;
　　(5) 一旦完成加热,迅速移出加热板,避免加热板与管子熔化端摩擦;
　　(6) 以指定的连接压力将两管端推进至结合,形成一个双翻边的熔化束(两侧翻边、内外翻边的环状凸起) ;熔焊接头冷却至少30 min。
值得注意的是,加热板的温度都由焊机自动控制在预先设定的范围内。但如果控制设施失控,加热板温度过高,会造成溶化端面的PE 材料失去活性,相互间不能熔合。良好焊接的4 ″管子焊缝能承受十几磅大锤的数次冲击而不破裂,而加热过度的焊缝一拗即断。
3.3 电热熔焊接头施工工艺
　　(1) 清理管子接头内外表面及端面,清理长度要大于插入管件的长度。管端要切削平整,最好使用专用非金属管道割刀处理。
　　(2) 管子接头外表面(熔合面) 要用专用工具刨掉薄薄的一层,保证接头外表面的老化层和污染层彻底被除去。专用刨刀的刀刃成锯齿状,处理后的管接头表面会形成细丝螺纹状的环向刻痕。
　　(3) 如果管子接头刨削后不能立即焊接,应使用塑料薄膜将之密封包装,以防二次污染。在焊接前应使用厂家提供的清洁纸巾对管接头外表面进行擦拭。如果处理后的接头被长时间放置,建议在正式连接时重新制作接头。考虑到刨削使管壁减薄,重新制作接头时最好将原刨削过的接头切除。
　　(4) 管件一般密封在塑料袋内,应在使用前再开封。管件内表面在拆封后使用前也应使用同样的清洁纸巾擦拭。
　　(5) 将处理好的两个管接头插入管件,并用管道卡具固定焊接接头以防止对中偏心或震动破坏焊接熔合。每个接头的插入深度为管件承口到内部突台的长度(或管箍长度的一半) 。接头与突台之间(或两个接头之间) 要留出5 ～10 mm 间隙,以避免焊接加热时管接头膨胀伸长互相顶推,破坏熔合面的结合。在每个接头上作出插入深度标记。
　　(6) 将焊接设备连到管件的电极上,启动焊接设备,输入焊接加热时间。开始焊接至焊机在设定时间停止加热。一般每个管件上都附有一张卡片,记录着该管件要求的加热电压、加热时间、冷却时间等技术参数。Wavin 制造厂提供的新式焊机已内置数据库和光电扫描笔,并按管件的类型、直径、材质配以焊接参数卡片,焊接时只要用光电笔在相应的卡片上扫入条形码即可。管件上一般都带有两个异色的塑料按扭,在加热过程中,按钮会逐步跳起。到加热时间过半、加热快完成时,按钮会完全跳起以指示加热过程将结束。
　　(7) 焊接接头开始冷却。此期间严禁移动震动管子。实际上因PE 材料的热传导率不高,加热过程结束后再过几分钟管箍外表面温度才达到最高,请注意避免烫伤。

4 异种PE 材质的连接
　　对接熔化焊适合于同样尺寸、同一SDR 等级、相同类型的管子管件连接。不同等级、不同类型或不同壁厚材料的连接应使用电热熔焊方式。

60 试述等离子弧切割的基本原理。

等离子弧切割是利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助内部的或都外部的高速气流或水流将熔化材料排开直到等离子气流束穿透背面而形成割口的一种电弧切割方法。

等离子弧柱的温度高，远远超过所有金属以及非金属的熔点，因此，等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料，因而比氧切割方法的适用范围大得多，能够切割绝大部分金属和非金属材料，目前主要用于切割氧切割无法切割的材料，如不锈钢、有色金属等。

61 什么是空气等离子切割？

利用压缩空气作为工作气体和排除熔化金属气流的等离子切割称空气等离子切割，其切割原理见图27。其突出优点是工作气体不采用价格昂贵的Ar气，因此切割成本低，气体来源方便。所使用的压缩空气在电弧中被加热后发生分解和电离，生成的氧与切割金属产生化学放热反应，可加快切割速度，特别适宜于切割厚30mm以下的碳钢、不锈钢和铝、铜等有色金属。

由于空气等离子弧切割用的电极受到强烈的氧化腐蚀，所以不能采用钨极或氧化物钨电极，通常采用镶嵌式纯锆或纯铪电极，但即使采用锆、铪电极，其工作寿命一般也不超过5～10h。

印有胜　李雄　耿新　赵艳君　蔡大为　付建利

摘要：在原A102焊条药皮配方的基础上，改进药皮配方，研制的A102焊条与原A102焊条各项工艺性能对比试验研究的结果表明，研制的A102焊条除飞溅率稍大，其它工艺性能均优于原A102焊条。
关键词：酸性不锈钢焊条；药皮材料；工艺性能
分类号：TG422　　文献标识码：A
文章编号：1000-1646(2000)01-0008-03

Research for effect of coatingmaterialon usability of electrode A 102

YIN You-sheng；LI Xiong；GENG Xin；ZHAO Yan-jun；
（School of Material Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110023,China）
CHAI Da-wei；FUJian-li
（Shenyang Jingang Welding Material Company Limited，Shenyang 110141, China）

Abstract：Coating prescription is improved based on former A102 electrode.The new madr electrode has better usiesabilit. Except larger spatter loss coefficient, other usabilities including the arc stability, the ability of reignition, detachability, melting coefficient, fluidity of the slag, the appearance of weld, and the degree of coating redden are all better than those of former A102 electrode.
Keywords：acid stainless electrode;coating material;usability

　　不锈钢具有优良的耐蚀性，抗氧化性，耐热性及良好的机械性能和加工性能，因此广泛地应用于石油化工、医疗器械、食品机械和原子能工业等。因此，不锈钢焊条在这些领域中的应用也日益广泛，不锈钢焊条的研究与生产也占有重要地位。目前国内各厂家生产的酸性不锈钢焊条A102焊条、A302焊条虽然都能达到GB/T983-1995要求，但都不同程度地存在各自的问题，如熔滴过渡不稳，飞溅较大，焊条尾部发红，气孔敏感性大等问题，不能得到同筹解决而达到完美的工艺性能及内在质量。
　　本文在原酸性不锈钢焊条A102药皮组成成分的基础上，进一步改进药皮配方，从而改善了A102焊条的工艺性能。但飞溅率还稍大，焊条尾部发红开裂的问题还没有得到明显地改善，有待深入地研究。

1　药皮配方调整试验研究

　　试验研究的过程共包括七轮配方试验，每一轮配方都是在前一轮配方的基础上保留其工艺性能较好的因素，进一步改进其配方而得到的。
　　第一轮配方：金属铬成分降低，金红石含量增加，成型性有所改善。
　　第二轮配方：添加白泥，稍降低金红石含量，脱渣性、成型性均有所改善。
　　第三轮配方：金红石含量进一步降低，白泥成分进一步增加，成型性进一步有所改善。
　　第四轮配方：萤石含量降低，增加长石含量，成型性进一步有所改善，飞溅变小。
　　第五轮配方：大理石含量稍减小，并减少钒土含量，飞溅进一步减小。
　　第六轮配方：大理石进一步降低，去掉钒土，飞溅较小，液态金属流动性比较好，有一小部分熔渣自动脱掉，其余部分轻触即掉，成型一般，有较重的氧化色。
　　第七轮配方：将铁砂及长石含量稍降低，飞溅较小，液态金属流动性比较好，脱渣较容易，成型较好，焊缝波纹均匀细致，且呈亮白色，但焊条尾部有发红现象。
　　第七轮药皮配方的焊条获得了比较理想的工艺性能。其药皮配方见表1.

表1　研制的焊条药皮配方

原料大理石金红石莹石长石含量/%15.0～20.030.0～45.04.0～10.04.01～5.0原料金属铬钛铁金属锰铁砂含量/%5.0～10.05.0～10.04.0～7.03.0～7.0原料钛白粉铜粉铁红纯碱含量/%2.0～5.00.2～0.60.2～0.80.2～0.8
2　焊条工艺性能对比试验研究

　　对比试验是指研制的焊条与原A102焊条之间的工艺性能的比较。对比的工艺性能包括电弧稳定性、再引弧性能、脱渣性、熔化系数、飞溅率、熔渣流动性和焊以及药缝成型皮尾部发红等。
　　试验条件：
　　（1）试验前将焊条进行260℃烘干，并保温1h.
　　（2）使用交流弧焊机焊接，焊接电流为150A.测试方法均依据《全国电焊
条行业质量检查评比工作细则》（1979）。对比试验测试的结果见表2～8。

　　　　表2　电弧稳定性比较

类别

断弧长度/mm

第一根第二根第三根

研制焊条

232725原A102焊条181918.5

　　　　表3　再引弧性能比较

焊条断弧间隔时间/s研制焊条30原A102焊条25

　　　　表4　脱渣性比较

　

研制焊条

原A102焊条第一层
焊缝第二层
焊缝第一层
焊缝第二层
焊缝焊缝长度/mm310280310280未脱渣长度/mm0000渣自动开裂累计长度/mm096050脱渣率/%100100100100

　　　　表5　熔化系数比较

焊条

熔化系数（g/A.h）

第一根第二根平均研制焊条12.1512.1212.14原A102焊条11.6612.1311.90

　　　表6　飞溅率比较

焊条

飞溅率/%

第一根第二根第三根平均研制焊条7.327.038.017.45原A102焊条6.877.267.347.16

　　表7　熔渣流动性和焊缝成型比较

焊条

液态金属和熔
渣的流动性

焊缝成型归属类别研制焊条液态金属流
动性和熔渣的
流动性均较好焊缝成型美
观，波纹较均
匀、细致，纹焊
缝呈银白色熔渣流动性
归第1类
；焊缝成型归
第1类原A102焊条液态金属流动
性差，熔渣有
些粘，流动性
不好焊缝不太整
齐，波纹较粗
糙，且有兰
色的氧化色熔渣流动性
归第2类；
焊缝成型归
第2类

表8　焊条药皮发红及开裂比较

焊条

焊条剩余长度/mm

170/mm

50/mm药皮发红开裂情况开裂长药皮发红开裂及脱落情况

mm

研制焊条尾部药皮
发红，并有
开裂现象10尾部药皮发红、
开裂，没有脱落
现象原A2焊条尾部药皮发
红，并有开
裂现象40尾部药皮发红、
开裂，没有脱落
现象
3　结论

　　（1）研制的A102焊条焊芯为0Cr18Ni9（4mm），焊条外径为6.4mm药皮配:大理石15%～20%金红石30%～45%;方;荧石4%～10%；长石;4%～15%;金属铬5%～10%;钛铁5%～10%;金属锰4%～7%;铁砂3%～7%;钛白粉2%～5%;铜粉0。2%～0.6%;铁红0.2%～0.8%;纯碱0.2%～0.8%。
　　（2）在焊条烘干温度260℃、保温1h、交流弧焊机I焊=150A以及10mm厚不锈钢试板的相同试验条件下，研制的A102焊条与原A102焊条的断弧长度分别为25mm和18.5mm;断弧间隔时间分别为30s和25s;脱渣率均为100%,但熔渣自动开裂的累计长度分别为96mm和50mm;熔化系数分别为12.14g/A.h和11.90g/A.h;飞溅率分别为7.45%和7.16%;熔渣的流动性分别归为1类渣和2类渣，焊缝成型分别归为1类焊缝和2类焊缝。
　　研制的A102焊条除飞溅率稍大些外，其它各项工艺性能均超过了原A102焊条。
　　影响飞溅率的因素很多，如药皮中的水分，熔渣的粘度，熔滴金属中产生CO的反应，电流过大，电弧过长以及焊条偏心等，有待今后深入研究。
　　此外，焊条的工艺性能还包括在各种位置上焊接的适应性以及焊条的发尘量，需要在以后进行测定。

（李革编辑)

作者简介：印有胜（1944-），男，辽宁辽阳人，沈阳大学教授。

印有胜（沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110023）
李雄（沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110023）
耿新（沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110023）
赵艳君（沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110023）
蔡大为（沈阳金刚焊接材料有限公司，辽宁沈阳 110141）
付建利（沈阳金刚焊接材料有限公司，辽宁沈阳 110141）

参考文献：
[1]廖立乾，文花明焊条的设计、制造与使用[M].北京：机械工业出版社，1988
[2]兰州长虹电焊条厂．不锈钢焊条药皮发红、开裂问题的初步研究[J].焊接，1978(2)11～13.
[3]孙咸．不锈钢焊条脱渣性影响因素的研究[J].焊接，1994(5)52～6.
[4]孙咸，陆文雄。陆文雄．不锈钢焊条的药皮温升开裂[J].焊接学报.1992:(4)205～210
[5]孟庆,王宝，陆文雄.焊条药皮组成物对熔滴表面张力的影响[J]焊接学报，1993(2)63～68.
[6]陆文雄、王宝、王嘉玲等．国内外典型不锈钢焊条工艺性能的对比[J]．焊接。1979(3):18～23.

王宸煜　赵熹华　黄金河

摘　要　将人工神经网络技术(ANN)引入点焊领域，建立了点焊工艺参数选择ANN系统和点焊接头质量预测ANN系统。验证表明，ANN预测精度较好，为点焊工艺参数优选及焊点性能预测提供了一条新途径。
关键词　人工神经网络　电阻点焊　参数选择　质量检验
中图分类号　TG409

Parameter Selecting and Quality Predicting of Spot WeldingBased on Artificial Neural Networks

Wang Chenyu　Zhao Xihua
(College of Materials Sciences and Engineering,Jilin University of Technology)
Huang Jinhe
(The First Automobile Group Company of China)

Abstract　This paper proposes a procedure for artificial neural network (ANN) in spot welding,and establishes spot welding parameter selecting ANN systems and spot welding joint quality predicting ANN systems.The ANN systems are of high prediction precision.It also provides a new way of parameter selecting and quality predicting in spot welding.
Keywords　artificial neural network,resistance spot welding,parameter selecting,quality predicting

　　电阻点焊是一种机械化、自动化程度颇高的工艺方法。焊接质量与工艺参数的选择有直接关系。但由于点焊过程是一个热、电、磁场耦合的复杂过程，建立精确的数学模型存在较大困难。将大量点焊规范参数与相应接头质量的试验数据提供给神经网络学习，通过其非线性映射的泛化能力自动抽取所学习知识的特征〔1〕，准确地描述点焊规范参数空间与焊点接头质量空间的映射关系，可以较好地预测电阻点焊的接头质量。

1　人工神经网络模型的建立
　　将常用的钢种牌号按照焊接性相同或接近进行分类，然后根据不同类别钢的焊接特点分别建造神经网络，各神经网络随着具体规范的不同而具有不同的网络结构。例如低碳钢规范神经网络具有1-11-4的结构，即1个输入节点：板厚δ；4个输出节点：电极工作端面直径D、电极压力P、焊接电流IW、焊接时间tW；中间11个隐层节点。而可淬硬钢规范神经网络的结构为1-12-7，即1个输入节点：板厚δ；中间12个隐层节点；7个输出节点：电极工作端面直径D、电极压力P、焊接电流脉冲IW、焊接时间tW、冷却时间tc、热处理电流脉冲It、热处理时间tt。
　　为了使点焊接头质量的预测能够方便地与规范参数选择相结合，在建造接头预测神经网络时与上述的规范参数神经网络相对应，输入是由规范神经网络的输出加上板厚信息对应起来的。例如低碳钢熔核尺寸网络和接头拉剪载荷网络都具有5-3-1的结构，5个输入节点都同样是：板厚、电极工作端面直径、电极压力、焊接电流、焊接时间；输出节点则分别为：熔核直径和拉剪载荷。同理，可淬硬钢熔核尺寸网络和接头拉剪载荷网络的输入也都相同，是由规范网络的输出加上板厚共同构成的。
　　在确定了神经网络的层次结构以后，在实际中采用了改进的BP算法——变学习速率BP学习算法训练各神经网络。此算法能够有效地避免陷于局部最小并可以显著缩短训练时间。当训练的代价函数E(取为误差平方和)基本趋于最小，或者已小于规定的阈值，表明网络各单元权重已趋于稳定，可以结束训练。图1给出了低碳钢接头拉剪载荷预测神经网络的训练过程。

图1　训练期间的误差平方和
Fig.1　Sum-squared error during training

2　验证与分析
2.1　工艺参数选择
　　低碳钢A类规范神经网络模型的各种板厚的规范预测结果见图2。由图可见，所预测的规范参数均与文献〔2〕中的推荐值吻合很好。由图2还可以看出，对于原推荐表格中没有包括的情况(如板厚)，训练的神经网络均能非常容易地给出预测结果，所给出的规范结果具有合理的变化趋势，这反映了神经网络具有“思考”能力。

图2　神经网络预测的规范参数
Fig.2　Predicted parameters by ANN

　　表1给出了可淬硬钢(碳的质量分数为0.15%～0.60%)规范参数神经网络模型的预测结果与文献〔2〕实际推荐参数值的比较。其中为便于比较ANN映射和插值逼近的精度，将表中两种板厚假想为推荐表格中没有实际数据而需要推测的情况，然后和实际数据相比较。插值时采用根据邻近数据点线性插值的方法，结果证明无论是插值区间很小(0.9 mm的邻近点是0.85 mm和1.0 mm)，还是较大(2.9 mm的邻近点是2.6 mm和3.2 mm)，ANN预测方法的平均相对误差ERR均比插值方法小，从而证明ANN预测可以获得比插值逼近更高的精度。

表1　参数选择系统的输出结果(材料：45#，焊机：DN2-200型)
Table 1　Output results of parameter selecting system(material:45#,welder:DN2-200)

板厚　　　　　　　
δ/mm　　　　　　规　范　参　数ERR
/(%)D/mmP/kNtW/msIW/kAtc/mstt/msIt/kA0.9插值结果5.34.65　　86.713.8273　　86.711.84.8ANN结果5.24.5387.013.8272　　94.011.83.7实际结果〔2〕5.24.6510013.826010011.802.9插值结果14.418.5566020.73410128017.51.2ANN结果14.318.7064820.53429125917.40.3实际结果〔2〕14.218.8064020.63420126017.402.2　点焊接头质量预测
　　图3给出了1.0 mm厚的低碳钢板A类规范时一定范围内的焊接电流和焊接时间(电极压力2.25 kN不变)所对应的焊点熔核尺寸的预测结果。

图3　低碳钢板的预测熔核尺寸
(板厚：1 mm，电极压力：2.25 kN)
Fig.3　Predicted nugget diameters of low carbon steel
sheet(thickness:1 mm,electrode force:2.25 kN)

　　为了验证神经网络接头质量预测的准确度，选用可焊性较差的65 Mn弹簧钢建立了接头质量预测神经网络并做了验证实验，采用点焊接头拉剪载荷作为接头质量测试参数。
　　实验设备：DN2-100型点焊机，电极直径5.2 mm。由于65 Mn钢的焊接性很差，采用了多脉冲回火的焊接工艺，主要的规范参数和验证结果如表2(其中n为回火脉冲数)所示。表2表明，神经网络预测精度较好，作为电阻点焊工艺参数优选时的焊点性能检验是可靠的。

表2　接头质量预测神经网络的预测精度
Table 2　The predicting precision of joint quality predicting ANN

板厚
/mm规　范　参　数力学性能Fτ/N相对
误差
(%)IW/AtW/msIt/Att/msnP/NANN
预测值测量值
　0.960004003000120013200263725603.010.9700012055006013200451348807.52
3　结　论
　　(1) 利用神经网络实现电阻点焊工艺参数选择，并且根据规范参数预测接头质量是可行的，有效的。
　　(2) 神经网络成功地实现了焊接知识学习，为点焊质量控制的人工智能化提供了新思路。

*国家自然科学基金(59875033)项目、吉林省科技发展计划项目(19980510)资助

作者简介：王宸煜，男，1971年6月生，博士研究生

作者单位：王宸煜　赵熹华（吉林工业大学材料科学与工程学院）黄金河（中国第一汽车集团公司）

参考文献

　1　Robert Hecht-Nielson.Theory of the backpropagation neural network.In:IJCNN,1989,1：583～604
　2　曾乐主编.现代焊接技术手册.上海：上海科学技术出版社，1993