基于Design-Expert超高強鋼金屬粉芯焊絲焊接熔敷金屬合金系優(yōu)化設(shè)計研究

，2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；2. 上海市激光先進(jìn)制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620；3.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；4.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，天津 300192)

0 前言

Design-Expert優(yōu)化設(shè)計包括試驗設(shè)計、回歸分析和預(yù)測優(yōu)化，可對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和曲線擬合，建立歸回方程，并提供二維等高線圖和三維立體圖形，通過最優(yōu)設(shè)計求得最佳值。與其它專業(yè)數(shù)理統(tǒng)計分析軟件相比，該軟件更著重于配方設(shè)計，可簡捷快速設(shè)計出試驗方案，并給出全面可視的三維模型和最優(yōu)結(jié)果[1-2]。其中，混料設(shè)計可合理地選擇少量的試驗點，通過成分設(shè)計得到試驗指標(biāo)與混料成分的回歸方程，利用響應(yīng)曲面獲得最優(yōu)的配方設(shè)計。該試驗設(shè)計已在食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3-7]，然而在焊接材料合金系設(shè)計方面鮮有相關(guān)報道，大多依賴研發(fā)人員的經(jīng)驗基礎(chǔ)，或是針對單個或多個元素的三點法或四點法進(jìn)行統(tǒng)計研究。

焊接熔敷金屬的強韌化一直是焊接冶金研究的熱點和難點[8-13]，根據(jù)前期大量探索性試驗研究，得出焊接熔敷金屬生成的復(fù)相分割組織可使組織細(xì)化獲得優(yōu)良的強韌性匹配[14]，并確定了合金體系中主合金系為Mn-Si-Cr-Mo-Ni，微合金系為Zr-Ti-Ce。文中采用Design-Expert軟件對超高強鋼金屬粉芯焊絲焊接熔敷金屬主、微合金系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，研究各合金元素交互作用對焊接熔敷金屬的抗拉強度和沖擊吸收能量等力學(xué)性能的影響規(guī)律，為超高強鋼合金系設(shè)計提供一種新方法。

1 試驗材料與方法

超高強鋼金屬粉芯焊絲外皮采用低碳鋼帶，其厚度0.6～0.8 mm，寬度10～12 mm，其化學(xué)成分見表1。粉芯由中碳錳鐵、45號硅鐵、錳粉、鉻粉、鉬粉、鎳粉、鋯硅鐵、鈦鐵、氧化鈰、鐵粉和復(fù)合添加劑等組成。焊接母材采用Q235鋼，其化學(xué)成分見表1，其中試板規(guī)格為250 mm×125 mm×19 mm，襯板規(guī)格為250 mm×25 mm×9 mm。焊接設(shè)備采用林肯 Invertec?CV500焊接電源和PWFTM-2 Plus型送絲機。按照AWS A5.28/A5.28M-2005《氣體保護(hù)電弧焊用低合金鋼焊條和填充絲》標(biāo)準(zhǔn)在平焊位置進(jìn)行多層多道焊，制備熔敷金屬試板，焊接工藝參數(shù)見表2，保護(hù)氣體選用95%Ar+5%CO2混合氣體。為防止母材對熔敷金屬的過度稀釋，應(yīng)使用相應(yīng)級別焊絲在試板坡口和襯板表面堆焊厚度不小于3 mm的隔離層。

表1 低碳鋼帶和Q235鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熔敷金屬焊接工藝參數(shù)

焊接完成后按照AWS B4.0-2007《焊縫機械測試方法》標(biāo)準(zhǔn)要求加工拉伸試樣和沖擊試樣，設(shè)定試驗最大加載力為120 kN，加載速率為0.133 kN/s，在WE-100A型萬能試驗機上測定拉伸試樣的抗拉強度Rm、屈服強度ReL及斷后伸長率A。在JB-300型沖擊試驗機上測定沖擊試樣的-40 ℃沖擊吸收能量AKV。在熔敷金屬試板中部截取5 mm厚薄片，采用ARL 4460型直讀光譜儀測定熔敷金屬的化學(xué)成分。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 C，Mn，Si元素交互作用對熔敷金屬力學(xué)性能影響

熔敷金屬中C，Mn，Si元素的試驗方案設(shè)計與力學(xué)性能的預(yù)測和實測值見表3，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表4。設(shè)定熔敷金屬中其它合金元素初始成分為0.40%Cr，0.50%Mo，2.20%Ni，0.06%Zr，0.05%Ti，0.04%Ce，0.010%P和0.004%S。若序列模型項中p值≤0.05，說明噪聲引起的試驗結(jié)果偏差可能性較小，回歸方程顯著；p值≤0.01，回歸方程極顯著；失擬項中的p值>0.05且數(shù)值越大，說明模型的擬合度越好。由表4可以看出，熔敷金屬的抗拉強度采用二次多項式、沖擊吸收能量采用三次多項式評估最為合適，回歸方程如下。

Rm(C-Mn-Si)=(2.787 75E+005)wC+455.901 78wMn+1 883.384 60wSi-(1.111 81E+005)wCwMn-

(1.084 08E+005)wCwSi-819.283 29wMnwSi

(1)

AKV(C-Mn-Si)=(6.090 33E+006)wC+429.135 87wMn-30 509.270 23wSi-(3.611 44E+006)wCwMn-

(3.487 00E+006)wCwSi+20 758.213 83wMnwSi+(9.297 99E+005)wCwMnwSi-

(4.895 02E+005)wCwMn(wC-wMn)-(4.490 52E+005)wCwSi(wC-wSi)-

4 457.501 40wMnwSi(wMn-wSi)

(2)

經(jīng)回歸方程計算所得抗拉強度和沖擊吸收能量的預(yù)測值與實測值比較可以看出，1-1號至1-16號焊絲的抗拉強度和沖擊吸收能量的預(yù)測值與實測值達(dá)到很好的吻合，式(1)～(2)極顯著地表示了C，Mn，Si元素與熔敷金屬抗拉強度和沖擊吸收能量的關(guān)系。

表3 熔敷金屬中C,Mn,Si元素的試驗方案設(shè)計與力學(xué)性能的預(yù)測和實測值

表4 熔敷金屬中C，Mn，Si元素的試驗方案設(shè)計力學(xué)性能的方差分析

圖1為C-Mn，C-Si，Mn-Si雙因子變化對熔敷金屬力學(xué)性能影響的線性關(guān)系。從圖1a和圖1d可以看出，當(dāng)wSi=0.52%時，隨著wC/wMn比值由0.010(C含量為0.02%，Mn含量為2.06%)到0.040(C含量為0.08%，Mn含量為2.00%)增大，熔敷金屬的抗拉強度呈先降低后升高趨勢，而沖擊吸收能量正好相反呈先升高后降低趨勢；wC/wMn=0.014(C含量為0.028%，Mn含量為2.054%)時，沖擊吸收能量最高；wC/wMn=0.019(C含量為0.038%，Mn含量為2.036%)時，抗拉強度最低；wC/wMn=0.040(C含量為 0.08%，Mn含量為2.00%)時，抗拉強度最高，沖擊吸收能量最低。從圖1b和圖1e可以看出，當(dāng)wMn=2.02%時，wC/wSi比值變化對熔敷金屬抗拉強度和沖擊吸收能量的影響與上述wC/wMn比值變化影響趨勢相同；wC/wSi=0.051(C含量為0.028%，Si含量為 0.554%)時，沖擊吸收能量最高；wC/wSi=0.071(C含量為0.038%，Si含量為0.536%)時，抗拉強度最低；wC/wSi=0.160(C含量為0.08%，Si含量為0.50%)時，抗拉強度最高，沖擊吸收能量最低。從圖1c和圖1f可以看出，當(dāng)wC=0.05%時，隨著wMn/wSi比值由3.554(Mn含量為1.99%，Si含量為0.56%)到4.204(Mn含量為2.06%，Si含量為0.49%)增大，抗拉強度和沖擊吸收能量均降低，但降低幅度不大。圖2為C，Mn，Si元素對熔敷金屬力學(xué)性能影響的響應(yīng)面圖，可以更加直觀得看出C，Mn，Si元素交互作用對抗拉強度和沖擊吸收能量的變化。

圖1 C-Mn，C-Si，Mn-Si雙因子變化對熔敷金屬力學(xué)性能影響的線性關(guān)系

圖2 C-Mn-Si對熔敷金屬力學(xué)性能影響的響應(yīng)面圖

該試驗優(yōu)化設(shè)計的最終目的是求得最優(yōu)的合金配方，使熔敷金屬獲得最佳強韌性匹配，因此需要進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計，求抗拉強度和沖擊吸收能量的最佳值。表3中1-17號至1-20號焊絲為熔敷金屬中C，Mn，Si元素的最優(yōu)設(shè)計方案，可以看出力學(xué)性能預(yù)測值與實測值達(dá)到很好的吻合。特別是C含量為0.02%，Mn含量為1.94%，Si含量為0.64%的1-18號焊絲熔敷金屬的抗拉強度高達(dá)940 MPa，沖擊吸收能量高達(dá)55 J，具有較好的強韌性匹配。

2.2 Cr，Mo，Ni元素交互作用對熔敷金屬力學(xué)性能影響

熔敷金屬中Cr，Mo，Ni元素的試驗方案設(shè)計與力學(xué)性能的預(yù)測和實測值見表5，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表6。設(shè)定熔敷金屬中其它合金元素初始成分為0.05%C，1.94%Mn，0.64%Si，0.06%Zr，0.05%Ti，0.04%Ce，0.010%P和0.004%S?？梢钥闯?，熔敷金屬的抗拉強度采用特殊三次多項式、沖擊吸收能量采用一次多項式進(jìn)行評估最為合適，回歸方程見式如下。

Rm(Cr-Mo-Ni)=-14 650.087 38wCr-12 936.995 17wMo-566.113 32wNi+34 133.471 69wCrwMo+

7 378.659 58wCrwNi+6 544.410 57wMowNi-14 383.799 37wCrwMowNi

(3)

AKV(Cr-Mo-Ni)=-48.921 59wCr-39.641 17wMo+46.118 97wNi

(4)

2-1號至2-16號焊絲預(yù)測值與實測值達(dá)到很好的吻合。圖3為Cr-Mo，Cr-Ni，Mo-Ni雙因子變化對熔敷金屬力學(xué)性能影響的線性關(guān)系。從圖3a和圖3c可以看出，當(dāng)wNi=2.32%時，隨著wCr/wMo比值由0.467(Cr含量為0.28%，Mo含量為0.60%)到1.20(Cr含量為0.48%，Mo含量為 0.40%)增大，熔敷金屬的抗拉強度逐漸升高，沖擊吸收能量逐漸降低；wCr/wMo=0.467時，抗拉強度最低，沖擊吸收能量最高；wCr/wMo=1.20時，抗拉強度最高，沖擊吸收能量最低。從圖3b和圖3e可以看出，wMo=0.50%時，wCr/wNi比值變化對熔敷金屬抗拉強度和沖擊吸收能量的影響與上述wCr/wMo比值變化影響趨勢相同；wCr/wNi=0.08(Cr 含量為0.20%，Ni 含量為2.50%)時，抗拉強度最低，沖擊吸收能量最高；wCr/wNi=0.216(Cr 含量為0.48%，Ni 含量為2.22%)時，抗拉強度最高；wCr/wNi=0.286(Cr含量為 0.60%，Ni含量為2.10%)時，沖擊吸收能量最高。從圖3c和圖3f可以看出，當(dāng)wCr=0.38%時，隨著wMo/wNi比值由0.165(Mo 含量為0.40%，Ni含量為2.42%)到0.27(Mo 含量為0.60%，Ni含量為2.22%)增大，抗拉強度和沖擊吸收能量均分別降低49 MPa，16 J，降低趨勢明顯。

表5 熔敷金屬中Cr，Mo，Ni元素的試驗方案設(shè)計與力學(xué)性能的預(yù)測和實測值

表6 熔敷金屬中Cr，Mo，Ni元素的試驗方案設(shè)計力學(xué)性能方差分析

圖4為Cr，Mo，Ni元素對熔敷金屬力學(xué)性能影響的響應(yīng)面圖，抗拉強度的曲線較復(fù)雜，說明元素之間相互作用也很復(fù)雜，而沖擊吸收能量的曲線很明顯。表5中2-17號至2-20號焊絲為熔敷金屬中Cr，Mo，Ni的最優(yōu)設(shè)計，預(yù)測值與實測值達(dá)到很好的吻合，特別是2-18號焊絲的抗拉強度和沖擊吸收能量分別高達(dá)881 MPa和86 J，具有較好的強韌性匹配。

2.3 Zr，Ti，Ce元素交互作用對熔敷金屬力學(xué)性能影響

熔敷金屬中Zr，Ti，Ce元素的試驗方案設(shè)計與力學(xué)性能的預(yù)測和實測值見表7，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表8。設(shè)定熔敷金屬中其它合金元素初始成分為0.05%C，1.94%Mn，0.64%Si，0.42%Cr，0.54%Mo，2.46%Ni，0.010%P和0.004%S。可以看出，抗拉強度、沖擊吸收能量均采用三次多項式進(jìn)行評估最為合適，實際回歸方程如下。

Rm(Zr-Ti-Ce)=517.293 51wZr+6 222.940 19wTi-3 320.314 16wCe+89 129.407 24wZrwTi+

(1.715 73E+005)wZrwCe+(1.409 38E+005)wTiwCe-(2.241 34E+006)wZrwTiwCe+

(3.141 97E+005)wZrwTi(wZr-wTi)+(3.497 26E+005)wZrwCe(wZr-wCe)-

(1.088 50E+006)wTiwCe(wTi-wCe)

(5)

AKV((Zr-Ti-Ce))=-2 542.363 88wZr+794.296 22wTi+29 952.086 38wCe-19 735.420 61wZrwTi-

(3.324 99E+005)wZrwCe-(3.923 63E+005)wTiwCe+(4.126 00E+006)wZrwTiwCe+

(5.406 04E+005)wZrwTi(wZr-wTi)+(1.802 35E+006)wZrwCe(wZr-wCe)+

(2.329 76E+006)wTiwCe(wTi-wCe)

(6)

圖5為Zr-Ti，Zr-Ce，Ti-Ce雙因子變化對熔敷金屬力學(xué)性能影響的線性關(guān)系。從圖5a和圖5c可以看出，當(dāng)wCe=0.04%時，隨著wZr/wTi比值由0.222(Zr含量為 0.02%，Ti含量為0.09%)到10.00(Zr含量為0.10%，Ti 含量為0.01%)增大，熔敷金屬的抗拉強度先升高后降低呈拋物線形；沖擊吸收能量先降低后升高再降低呈波浪線形；wZr/wTi=0.222時，抗拉強度最低，沖擊吸收能量最高；wZr/wTi=1.895(Zr含量為0.072%，Ti含量為 0.038%)時，抗拉強度最高；wZr/wTi=10.00時，沖擊吸收能量最低。從圖5b和圖5e可以看出，當(dāng)wTi=0.05%時，隨著wZr/wCe比值由0.667(Zr 含量為0.04%，Ce 含量為0.06%)到4.00(Zr含量為0.08%，Ce 含量為0.02%)增大，抗拉強度逐漸升高，沖擊吸收能量先升高后降低；wZr/wCe=0.667時，抗拉強度和沖擊吸收能量均最低；wZr/wCe=2.125(Zr含量為0.068%，wCe含量為0.032%)時，沖擊吸收能量最高；wZr/wCe=4.00時，抗拉強度最高。從圖5c和圖5f可以看出，當(dāng)wZr=0.06%時，隨著wTi/wCe比值由0.50(Ti含量為0.03%，Ce含量為0.06%)到3.50(Ti 含量為0.07%，Ce含量為0.02%)增大，抗拉強度先升高，然后保存不變，最后又逐漸升高，沖擊吸收能量呈相反趨勢，先緩慢降低再升高，最后迅速降低；wTi/wCe=0.50時，抗拉強度最低；wTi/wCe=1.706(Ti 含量為0.058%，Ce含量為0.034%)時，沖擊吸收能量最高；wTi/wCe=3.50時，抗拉強度最高，沖擊吸收能量最低。圖6為Zr，Ti，Ce元素對力學(xué)性能影響的響應(yīng)面圖，沖擊吸收能量曲線變化較為復(fù)雜。表7中3-17號焊絲(Zr含量為0.077%，Ti含量為0.040%，Ce含量為0.033%)、3-18號焊絲(Zr含量為0.069%，Ti 含量為0.032%，Ce含量為0.049%)、3-19號焊絲(Zr含量為0.020%，Ti含量為0.080%，Ce含量為0.050%)為最優(yōu)設(shè)計，均具有較好的強韌性匹配，特別是3-17號焊絲熔敷金屬的抗拉強度為915 MPa、沖擊吸收能量為97 J，通過檢測其屈服強度800 MPa、斷后伸長率17.0%，獲得了最佳強韌性匹配。

表7 熔敷金屬中Zr,Ti,Ce元素的試驗方案設(shè)計與力學(xué)性能的預(yù)測和實測值

表8 熔敷金屬中Zr，Ti，Ce元素的試驗方案設(shè)計力學(xué)性能方差分析

圖5 Zr-Ti，Zr-Ce，Ti-Ce雙因子變化對熔敷金屬力學(xué)性能影響的線性關(guān)系

圖6 Zr-Ti-Ce對熔敷金屬力學(xué)性能影響的響應(yīng)面圖

3 結(jié)論

(1)為使超高強鋼金屬粉芯焊絲焊接熔敷金屬生成復(fù)相分割組織，確定合金體系中主合金系為Mn-Si-Cr-Mo-Ni，微合金系為Zr-Ti-Ce。

(2)基于Design-Expert優(yōu)化設(shè)計建立C-Mn-Si，Cr-Mo-Ni，Zr-Ti-Ce三組合金系與焊接熔敷金屬抗拉強度、沖擊吸收能量的回歸方程，試驗優(yōu)化力學(xué)性能預(yù)測值與實測值達(dá)到很好的吻合。

(3)所研制的3-17號焊絲最優(yōu)合金配比為0.05%C，1.94%Mn，0.64%Si，0.42%Cr，0.54%Mo，2.46%Ni，0.077%Zr，0.040%Ti，0.033%Ce，0.010%P和0.004%S，焊接熔敷金屬的抗拉強度為915 MPa，屈服強度為800 MPa，斷后伸長率為17.0%，-40 ℃下沖擊吸收能量的平均值為97 J，具有最佳的強韌性匹配。