16MnR鋼埋弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化及焊縫尺寸預(yù)測(cè)

張立斌，姚玉環(huán)，鄧　宇，王海泉

（廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名525000）

16MnR鋼埋弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化及焊縫尺寸預(yù)測(cè)

張立斌，姚玉環(huán)，鄧宇，王海泉

（廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名525000）

為準(zhǔn)確獲得16MnR鋼埋弧自動(dòng)焊工藝參數(shù)及其焊縫幾何尺寸，利用正交回歸設(shè)計(jì)方法和二次回歸組合設(shè)計(jì)方法分別對(duì)焊接工藝參數(shù)與板厚δ、焊接工藝參數(shù)與焊縫幾何尺寸的關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)；并利用“spss”軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析與檢驗(yàn)，建立了焊接電流I、焊接電壓U、焊接速度v與板厚δ以及焊縫幾何尺寸RB和RE與焊接工藝參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型。

正交回歸設(shè)計(jì)；工藝參數(shù)；優(yōu)化：二次回歸正交組合設(shè)計(jì)；焊縫尺寸

0　前言

埋弧自動(dòng)焊焊接16MnR鋼不僅具有生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有節(jié)能省材及降低勞動(dòng)強(qiáng)度的特點(diǎn)，一直是常用的高效自動(dòng)化焊接方法。在該焊接工藝過(guò)程中，首先要解決的問(wèn)題就是確定正確的焊接工藝參數(shù)。因?yàn)楹附庸に噮?shù)直接影響焊縫金屬的合金化、冶金性能和力學(xué)性能以及焊縫的幾何形狀尺寸等[1-3]。快速、準(zhǔn)確地獲得焊接工藝參數(shù)并有效預(yù)測(cè)焊縫的幾何尺寸，一直是焊接工程技術(shù)人員需要解決的重要問(wèn)題。

利用單元正交多項(xiàng)式回歸設(shè)計(jì)和二次回歸正交組合設(shè)計(jì)方法，對(duì)16MnR鋼埋弧自動(dòng)焊單面焊雙面成形工藝參數(shù)與焊接工件厚度、焊縫正面的溶寬和加強(qiáng)高等幾何尺寸與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究，尋求建立焊接工藝參數(shù)與工件厚度δ以及焊縫幾何尺寸與工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)模型[4-5]。

1　16MnR鋼焊接工藝參數(shù)與板厚關(guān)系的優(yōu)化

1.1試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

本試驗(yàn)所用材料為16MnR，焊絲選用φ4.0 mm的H08MnA，配431焊劑；試件尺寸500 mm×200 mm，厚度δ=4～14 mm，不開(kāi)坡口，留有間隙c；接頭形式如圖1所示，平焊；電源選用MZ1-1000 DC埋弧焊機(jī)，直流反接，在試件兩端加裝引弧板和收弧板。焊前烘干焊劑，對(duì)焊絲和鋼板進(jìn)行除油污和去銹處理，襯墊采用方槽銅墊板+焊劑，強(qiáng)迫冷卻成形方式。

圖1　單面對(duì)接焊（焊劑—銅墊）

1.216MnR鋼焊接工藝參數(shù)優(yōu)化分析

雖然對(duì)16MnR鋼埋弧焊質(zhì)量的影響較為復(fù)雜，但當(dāng)焊件已知時(shí)，對(duì)焊接質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在焊接電流I、焊接電壓U和焊接速度v，因上述三個(gè)工藝參數(shù)主要由工件厚度δ決定，在此取板厚δ為因素，其水平間隔Δ=1 mm，則因素δ的水平數(shù)N為

試驗(yàn)方案如表1所示。正交多項(xiàng)式組φi（δ）（i= 0，1，2，…）的具體形式見(jiàn)式（1）。其優(yōu)化準(zhǔn)則為：第一，焊縫無(wú)缺陷，且形狀尺寸合理；第二，焊絲及焊劑的消耗量最少；第三，焊接效率最高；第四，焊接能量消耗最少。在上述條件下，對(duì)應(yīng)的焊接工藝參數(shù)為最佳。從而得到焊接工藝參數(shù)I、U及v與工件厚度δ的數(shù)學(xué)關(guān)系[5]。

表1　試驗(yàn)方案

1.316MnR鋼焊接工藝參數(shù)的回歸模型

1.3.1回歸模型的選取

為全面研究16MnR鋼厚度δ對(duì)焊接工藝參數(shù)的影響，選取的回歸模型見(jiàn)式（2），它在編碼空間的形式見(jiàn)式（3）[6]

1.3.2模型系數(shù)的回歸

利用“spss”軟件對(duì)模型系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，當(dāng)顯著水平α=0.01時(shí)，模型的回歸系數(shù)bn0、bn1、bn2均顯著，而其他回歸系數(shù)不顯著，從方程中剔除，故得回歸方程見(jiàn)式（4）。

1.3.3回歸模型檢驗(yàn)及結(jié)果分析

由“spss”軟件分析得到回歸模型的檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。回歸方程式（4）的F值分別為510.453、173.164和112.335，表明方程的顯著性較高；方程的擬合優(yōu)度R2分別為0.998、0.994和0.991，調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2分別為0.996、0.989和0.982，說(shuō)明回歸方程擬合非常好。將編碼式（1）代入回歸模型式（4），整理得到16MnR鋼埋弧焊焊接工藝參數(shù)與厚度δ的回歸數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式（5）。

表2　焊接工藝參數(shù)回歸結(jié)果

表3　回歸模型的檢驗(yàn)結(jié)果

2　焊縫幾何尺寸預(yù)測(cè)

由式（5）確定的焊接工藝參數(shù)，對(duì)厚度分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm的試件進(jìn)行單面埋弧焊雙面成形試驗(yàn)，在保證正、反面成形質(zhì)量的情況下，確定了一組正反面成形良好的焊接工藝參數(shù)，如表4所示；據(jù)此，利用二次回歸正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)確定埋弧自動(dòng)焊單面焊雙面成形焊縫幾何尺寸與焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系，考核的指標(biāo)有兩個(gè)：即焊縫正面熔寬RB和余高RE；雖然焊縫背面熔寬BB和余高BE也隨著焊接工藝參數(shù)發(fā)生變化，但BB與BE主要受到工件間隙c及襯墊規(guī)格尺寸的限制而變化范圍有限，所以本試驗(yàn)主要研究焊縫正面熔寬RB和余高RE的變化規(guī)律。為了考核交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，選擇了工程上常用的二次完全代數(shù)式作為數(shù)學(xué)模型：試驗(yàn)選擇三個(gè)因素，其變化范圍如表5所示。

表4　不同板厚的焊接工藝參數(shù)

表5　自然因素水平及其編碼公式表

按預(yù)定的方案進(jìn)行試驗(yàn)，焊后截取焊縫的橫截面、磨光、腐蝕后測(cè)量焊縫幾何形狀尺寸RB、RE的平均值，具體試驗(yàn)方案及結(jié)果如表6所示。

2.1回歸模型的選擇

為研究16MnR鋼埋弧焊焊接工藝參數(shù)及其交互作用對(duì)焊縫幾何形狀尺寸的影響規(guī)律，選擇的回歸模型見(jiàn)式（6），它在編碼空間的形式見(jiàn)式（7）

2.2模型系數(shù)的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

按表6的方案進(jìn)行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析焊縫正面熔寬RB、余高RE的回歸模型，結(jié)果如表7所示。由表7可知，當(dāng)顯著水平α=0.01時(shí)，模型的回歸系數(shù)b0、b1、b2、b3、b11均顯著，而其他回歸系數(shù)不顯著，從方程中剔除，故得回歸方程如式（8）所示。

2.3回歸方程檢驗(yàn)與分析

由“spss”軟件分析得到回歸方程的檢驗(yàn)結(jié)果如表8所示，回歸方程（8）的F值分別為124.179和133.458，表明方程的顯著性較高；方程的擬合優(yōu)度R2分別為0.993和0.993，調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2分別為0.985和0.986，說(shuō)明回歸方程擬合的非常好。將表5的編碼公式代入回歸方程（8）并整理得16MnR鋼埋弧焊焊縫正面熔寬RB及余高RE與焊接工藝參數(shù)的模型見(jiàn)式（9）[6]

由式（9）可知，焊縫正面熔寬RB隨焊接電流與焊接電壓的增加而增大，隨焊接速度的提高而減??；焊縫余高RE隨著焊接電壓及焊接速度的增大而減小，隨著焊接電流的增大表現(xiàn)出先減后增的變化趨勢(shì)，當(dāng)焊接電流等于354 A時(shí)，余高RE為最小值。而354 A又小于本試驗(yàn)的最小電流值（本試驗(yàn)最小電流值為470 A），故在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，可認(rèn)為隨著焊接電流的增加而焊接余高RE亦增大。焊縫正面熔寬RB與余高RE的試驗(yàn)優(yōu)化值與理論計(jì)算值如表9所示。RB與RE的試驗(yàn)優(yōu)化值和理論計(jì)算值間的最大偏差分別為ΔRB=0.51 mm，ΔRE=0.12 mm。

表6　埋弧自動(dòng)焊單面焊雙面成型焊縫尺寸試驗(yàn)方案及其結(jié)果

表7　焊縫幾何尺寸回歸結(jié)果

表8　回歸方程的檢驗(yàn)結(jié)果

表9　RB與RE的優(yōu)化值與計(jì)算值對(duì)照表mm

3　結(jié)論

利用單元正交多項(xiàng)式回歸設(shè)計(jì)方法對(duì)16MnR鋼中、薄板埋弧焊單面焊雙面成型焊接工藝參數(shù)與工件厚度δ的關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，建立了焊接工藝參數(shù)與δ的數(shù)學(xué)模型；還利用二次回歸正交組合設(shè)計(jì)方法對(duì)焊縫正面幾何尺寸RB、RE與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究，建立了兩者間的數(shù)學(xué)模型。

利用所建立的數(shù)學(xué)模型，既可以確定16MnR鋼中、薄板埋弧焊單面焊雙面成形的焊接工藝參數(shù)，還可以預(yù)測(cè)焊縫正面幾何尺寸，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)及建立中、薄板埋弧焊計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有參考作用。

[1]葉建雄.焊接工藝參數(shù)優(yōu)化的智能計(jì)算研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（12）：69.

[2]張海兵.焊縫性能影響因素的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，25（10）：114.

[3]王海波.多層多道埋弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].電焊機(jī)，2012，42（8）：6-10.

[4]張立斌.埋弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化與模型建立[J].焊接技術(shù)，2014，43（1）：22-24.

[5]王海波，張建優(yōu)等.多層多道埋弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].電焊機(jī)，2012，42（8）：11-15.

[6]任露泉.回歸設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

Process parameters optimization and the weld dimension prediction of 16MnR steel for submerged arc automatic welding

ZHANG Libin，YAO Yuhuan，DENG Yu，WANG Haiquan
（Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

In order to obtain the process parameters and the weld dimensions of 16MnR steel for submerged arc automatic welding accurately，the optimizing experiment was made for the relationship of welding process parameters and the thickness by using orthogonal regression design method.At the same time，the optimizing experiment was made for the relationship of welding process parameters and weld geometry sizes by using the quadratic regression combination design method.Statistical analysis and inspection of the test resultswere made by"spss"software，the mathematical model which of the welding current，the welding voltage，the welding speed and thickness was been establish，as well as the mathematical model which of the weld geometry size and the weld process parameters was established.

orthogonal regression design；process parameters；optimization；quadratic regression orthogonal combination design；weld size

TG457.11

A

1001－2303（2016）03－0152-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.32

2015－02－06；

2015－03－20

張立斌（1963—），男，黑龍江五常人，教授，主要從事焊接及特種材料應(yīng)用的研究工作。