基于響應面法的HR-2 抗氫鋼電子束插接焊工藝參數(shù)優(yōu)化

王群，余洋，錢志強

(中國工程物理研究院,機械制造工藝研究所,綿陽,621900)

0 序言

對于電子束自熔焊而言，焊縫的熔深是指焊縫橫截面上母材熔化的深度，而焊接接頭的承載能力主要是由其有效連接區(qū)域決定，即接頭的有效熔深.有效熔深不足的大小會導致產(chǎn)品在服役過程中焊縫上的載荷超出其承載能力，發(fā)生開裂，對于薄壁小管徑插接焊結(jié)構更是如此.在電子束焊接過程中，聚焦電流、焊接速度、束流、傾斜角度等因素直接影響焊接質(zhì)量，尤其對焊縫內(nèi)部質(zhì)量和力學性能的影響最為顯著.然而，焊縫內(nèi)部質(zhì)量和力學性能受電子束焊接工藝參數(shù)的影響并不是相互獨立的，而是同時受制于多個工藝參數(shù).明晰各工藝參數(shù)對焊縫內(nèi)部質(zhì)量和力學性能的影響規(guī)律對相關試驗和生產(chǎn)具有十分重要的意義.

響應面法是試驗設計的重要方法，十分適合于解決參數(shù)優(yōu)化類問題.目前，響應面法在焊接領域具有廣泛的應用.丁亞茹等人[1]利用響應面法來研究7075 鋁合金激光焊的焊縫成形系數(shù)和焊縫截面積；Mohammadpour 等人[2]基于響應面法對6022 鋁合金和鍍鋅鋼的雙焦點激光熔釬焊過程進行了優(yōu)化；Kumar 等人[3]引入響應面法建立了光纖激光焊接參數(shù)(激光功率、焊接速度、離焦量)與相應值(熔寬、熱影響區(qū)寬度、熔合區(qū)面積)之間的回歸模型；王洪瀟等人[4]以焊縫成形質(zhì)量和接頭剪切拉伸載荷作為優(yōu)化指標，采用響應面法建立了不銹鋼車體激光工藝參數(shù)與預測響應值之間的數(shù)學模型，并優(yōu)選焊接工藝參數(shù).薄壁小管徑插接焊結(jié)構的有效熔深和接頭抗剪承載力與焊接工藝參數(shù)有著密切的關系，最佳的參數(shù)組合能夠獲取焊縫截面形貌良好、力學性能優(yōu)良的焊接接頭.通過試驗方法獲取最佳焊接工藝參數(shù)，在時間、經(jīng)濟效益等方面均不可取.

通過響應面法中的Box-Behnken Design(BBD)[5-6]建立電子束焊接工藝參數(shù)與有效熔深和接頭抗剪承載力之間的回歸模型，研究工藝參數(shù)對有效熔深和接頭抗剪承載力的影響規(guī)律，初步實現(xiàn)預測接頭質(zhì)量的目的.通過優(yōu)化相應質(zhì)量指標(有效熔深、接頭抗剪承載力)優(yōu)化工藝參數(shù)，從而對電子束焊接HR-2 抗氫鋼插接焊的生產(chǎn)工藝進行指導.

1 試驗方法

試驗采用HR-2 抗氫不銹鋼，其化學成分如表1所示.HR-2 抗氫不銹鋼除了具有穩(wěn)定性和抗腐蝕性外，還具有比其它奧氏體鋼高的屈服強度和良好的抗氫脆性能，廣泛應用于航空、航天、核電、石油化工和石油天然氣等行業(yè).

表1 HR-2 抗氫鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of HR-2 hydrogen resistant steel

試驗使用某中壓電子束焊機進行焊接，試件分為A，B 兩組，每組件數(shù)相同且標記自然順序號，并對A，B 兩組相同編號的試件采用相同的焊接工藝參數(shù)，A 組用來測量焊縫有效熔深，B 組用來測量接頭抗剪承載力.A 組試件采用線切割將其截斷，保留焊縫部位，截斷后采用慢走絲技術將零件按截面十字切割4 份，其中一份保證完整的1/4，并留有一定磨量.焊縫截面經(jīng)過打磨、拋光、草酸腐蝕，采用超景深三維顯微系統(tǒng)觀察焊縫形貌，如圖1 所示，測量焊縫有效熔深(圖2).B 組試件采用GNT100 型萬能試驗機測量其接頭抗剪承載力.

圖1 HR-2 抗氫鋼電子束焊接部分接頭形貌Fig.1 Morphology of the electron beam welded joints of some HR-2 hydrogen resistant steel.(a) specimen 7;(b) specimen 21;(c) specimen 22;(d) specimen 25;(e) specimen 6 ;(f) specimen 14;(g) specimen 26;(h) specimen 29

圖2 電子束插接焊接頭結(jié)構示意圖（mm)Fig.2 Schematic diagram of the electron beam butt welding joint structure

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 因素水平設計

針對某種具體產(chǎn)品電子束焊接生產(chǎn)過程中加速電壓、工作距離通常保持不變，因此選取聚焦電流、焊接速度、束流和傾斜角度4 個參數(shù)作為變量因素，以有效熔深和接頭抗剪承載力為響應值，在焊接過程中其它參數(shù)如加速電壓、束振蕩等保持恒定.焊接工藝參數(shù)的取值范圍決定了所建模型的合理性、實用性和預測結(jié)果的置信度.為保證焊縫表面無裂紋、咬邊、焊瘤、氣孔等焊縫成形質(zhì)量缺陷及焊縫有效深度內(nèi)無裂紋、未熔合、夾渣、氣孔密集區(qū)(按照GB/T 22085.1—2008《電子束及激光焊接接頭缺欠質(zhì)量分級指南 第1 部分：鋼》中的B 級)等缺陷，首先進行了前述4 個參數(shù)的單因素焊接工藝試驗，通過金相橫截面分析確定了聚焦電流、焊接速度、束流和傾斜角度4 個參數(shù)的取值范圍，制定了4 因素3 水平的BBD 試驗方案完成HR-2 抗氫不銹鋼的電子束焊，其真實值與編碼值如表2 所示.試驗方案及響應值如表3 所示.

表2 工藝參數(shù)水平編碼及真實值表Table 2 Process parameter level coding and true value table

表3 試驗方案及相對應的響應值Table 3 Test scheme and corresponding response value

2.2 建立回歸模型

以有效熔深和接頭抗剪承載力作為響應指標，通過Design-Expert 軟件對聚焦電流、焊接速度、束流和傾斜角度4 個自變量，以及有效熔深和接頭抗剪承載力因變量進行二階模型擬合，實現(xiàn)自變量的優(yōu)化和響應指標的預測[7-8].若有k個獨立變量，所有獨立變量均連續(xù)可測、可調(diào)，則響應函數(shù)為

3 結(jié)果與分析

3.1 多元非線性回歸模型

有效熔深采用立方模型，其模型的方差分析結(jié)果如表4 所示.模型F值為60.48，表明模型顯著，F(xiàn)值只有0.01%的可能性會因為噪聲而變大，模型Prob＞F值小于0.01%，意味著該模型顯著，R2=99.55% (R2越接近1，越顯著).對失擬項檢驗來說，如果失擬項Prob＞F值大于0.05，說明所得模型與實際擬合中非正常誤差所占比例小，即失擬項不顯著，回歸模型擬合較好.從表4 可以看出，模型失擬項的Prob＞F值為0.065 0 高于0.05，說明模型失擬不顯著，能正確反映有效熔深由聚焦電流、焊接速度、束流和傾斜角度之間的關系，回歸模型可以較好地對結(jié)果進行預測.由表4 可知，聚焦電流、傾斜角度對有效熔深的影響最為顯著.最終的數(shù)學模型為

表4 有效熔深模型方差分析Table 4 ANOVA for effective weld penetration reduced cubic model

F采用平方模型，方差分析如表5 所示，F(xiàn)值檢驗、R2檢驗、失擬項檢驗均表明模型顯著.聚焦電流If、焊接速度v和傾斜角度θ對有效熔深的影響最為顯著。最終的數(shù)學模型為

表5 接頭抗剪承載力模型方差分析Table 5 ANOVA for the shear capacity of welded joins reduced quadratic model

3.2 響應面法分析

3.2.1 有效熔深的響應面法分析

圖3 為各工藝參數(shù)對有效熔深的影響.從圖3可以看出，聚焦電流和傾斜角度對有效熔深的影響最為顯著，并且兩者對有效熔深的影響程度和方向基本一致；其次是焊接速度，有效熔深隨聚焦電流或傾斜角度的增大而迅速減小，隨焊接速度的增大而緩慢減小，隨束流的增大而緩慢增大.增大聚焦電流或者傾斜角度，均會使有效熔深迅速減小，原因是增加聚焦電流使磁聚焦作用增強，電子束流焦點上移(圖4)，到達工件表面的束流截面積增大，能量密度減小，穿透能力減弱，有效熔深減小，而增大傾斜角度將導致接頭軸線與連接面之間角度增大，從而削弱有效熔深.

圖3 各交互作用對有效熔深的影響Fig.3 Effect of each interaction on the effective penetration

圖4 聚焦電流與電子束焦點位置關系示意圖Fig.4 Schematic diagram of the relationship between focusing current and electron beam focal position

圖5 為有效熔深的響應面曲圖和等值線圖.圖5a 和圖5d 為束流8.2 mA，傾斜角度11°時，聚焦電流和焊接速度對有效熔深的交互影響.當聚焦電流小于2.46 A、有效熔深大于1 500 μm，聚焦電流大于2.48 A 時，隨著焊接速度由8.60 mm/s 增加到11.40 mm/s，有效熔深變化幅度不大.圖5b 和圖5e 為焊接速度10.00 mm/s、傾斜角度11°時，束流和聚焦電流對有效熔深的交互影響.當束流在7.75～ 8.65 mA 時，減小聚焦電流有助于增大有效熔深.圖5c 和圖5f 為束流8.20 mA，焊接速度10.00 mm/s 時，聚焦電流和傾斜角度對有效熔深的交互作用.由等值線圖可以看出，不同的參數(shù)組合可以取得相同的有效熔深，且可以根據(jù)等值線區(qū)域優(yōu)化參數(shù)組合.當聚焦電流為2.46 A、傾斜角度由7°增加到15°時，有效熔深由2 000 μm 減小至500 μm.

圖5 有效熔深的響應面曲圖和等值線圖Fig.5 Response surface 3D graph and contour graph of effective penetration.(a) d=f (If,v) response surface 3D graph;(b) d=f (If,Ib) response surface 3D graph;(c) d=f (If, θ) response surface 3D graph;(d) d=f (If,v)contour graph;(e) d=f (If,Ib) contour graph;(f) d=f (If,θ) contour graph

3.2.2 接頭抗剪承載力的響應面法分析

圖6 為各工藝參數(shù)對接頭抗剪承載力的影響，可以看出，聚焦電流和傾斜角度對接頭抗剪承載力具有顯著影響，而焊接速度和束流對接頭抗剪承載力影響不顯著.接頭抗剪承載力隨著聚焦電流或傾斜角度的增大而減小.顯然，小的聚焦電流或傾斜角度可使有效熔深增加，從而提高接頭抗剪承載力；但小的聚焦電流會導致電子束焊縫窄而深，形成“釘尖”缺陷，小的傾斜角度可能會燒蝕零件.而另一方面，選用大聚焦電流、大傾斜角度，由于作用在工件表面上的電子束能量密度低、接頭軸線與連接面之間角度增大而使有效熔深減小，從而降低接頭抗剪承載力.因此無論是小聚焦電流小傾斜角度還是大聚焦電流大傾斜角度均不利于獲得高抗剪承載力的接頭.

圖6 各交互作用對接頭抗剪承載力的影響Fig.6 Effect of each interaction on the shear capacity of the joints

圖7 為接頭抗剪承載力的響應面曲圖和等值線圖.圖7a 和圖7d 為束流8.20 mA、傾斜角度11°時，聚焦電流和焊接速度對接頭抗剪承載力的交互影響.當聚焦電流小于2.46 A，接頭抗剪承載力大于14 kN，聚焦電流大于2.48 A 時，接頭抗剪承載力小于10 kN.圖7b 和圖7e 為焊接速度10.00 mm/s、傾斜角度11° 時，束流和聚焦電流對接頭抗剪承載力的交互影響.當束流在7.75～ 8.65 mA 時，減小聚焦電流有助于增大接頭抗剪承載力.圖7c 和圖7f 為束流8.20 mA、焊接速度10.00 mm/s 時，聚焦電流和傾斜角度對接頭抗剪承載力的交互作用.由圖7f 可以看出，當聚焦電流為2.46 A、傾斜角度由7° 增加到15° 時，接頭抗剪承載力由15 kN 逐漸減小到10 kN.

圖7 接頭抗剪承載力的響應面曲圖和等值線圖Fig.7 Response surface 3D graph and contour graph of of shear capacity of joint.(a) F=f (If,v) response surface 3D graph;(b) F=f (If,Ib) response surface 3D graph;(c) F=f (If,θ) response surface 3D graph;(d) F=f (If,v)contour graph;(e) F=f (If,Ib) contour graph;(f) F=f (If,θ) contour graphe

4 試驗驗證

根據(jù)建立的有效熔深和接頭抗剪承載力的統(tǒng)計方程，得出最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)組合，最終獲得理想的響應.在小尺寸插接焊中，最重要的是保證有效熔深達到規(guī)定深度且具有一定的工藝健壯性，即工藝參數(shù)保證有效熔深滿足要求的同時有較強的魯棒性.此外，需控制焊接熱輸入防止焊接變形以及避免根部出現(xiàn)“釘尖”缺陷.在焊接工件時，因為工件本身的加工誤差、裝夾、對中和找正情況以及操作者通過監(jiān)控系統(tǒng)對工件的判斷差異，會造成電子束流并不是嚴格在對接接縫處入射，而是有部分偏移，因此焊縫形貌不宜過窄[9-10].表2 所選的3 水平4 因素參數(shù)組合下，電子束焊縫形貌主要分為圓弧型、楔型和丁字型(圖8).從圖8 分析得出，圓弧型焊縫的工藝健壯性最好，即電子束流出現(xiàn)偏移，有效熔深的波動也不顯著，但其有效熔深太小，焊縫承載能力較差；而丁字型焊縫的有效熔深最大，但因其焊縫“窄而深”，并且根部產(chǎn)生了“釘尖”缺陷，電子束流稍有偏移，有效熔深出現(xiàn)明顯波動，工藝健壯性較差；因此楔型焊縫既具有一定的有效熔深又具有良好的工藝健壯性，是工藝優(yōu)化的目標.運用Design Expert 軟件在保證聚焦電流介于2.45～ 2.47 A 之間的條件下將目標定位于獲得楔型焊縫、有效熔深介于1 300～ 1 500 μm，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合.

圖8 焊縫截面形貌分類Fig.8 Classification of the cross-sectional morphology of the weld.(a) arc type;(b) wedge type;(c) T-shaped type

對統(tǒng)計方程分析結(jié)果進行驗證，在推薦的焊接工藝參數(shù)組合下進行焊接，試驗結(jié)果如圖9 和表6所示.由此可見，試驗值和預測值十分接近，準確性達97%以上，說明所建立的統(tǒng)計方程可以對插接焊電子束焊接的有效熔深進行預測.

圖9 焊縫截面形貌Fig.9 Cross-sectional morphology of the weld

表6 響應面法分析優(yōu)化驗證結(jié)果Table 6 Optimization and verification results of response surface analysis method

5 結(jié)論

(1)利用響應面法建立了不同聚焦電流、焊接速度、束流和傾斜角度下HR-2 抗氫鋼電子束插接焊有效熔深和接頭抗剪承載力統(tǒng)計模型.經(jīng)方差分析，有效熔深的模型F值為60.48，接頭抗剪承載力的模型F值為36.23，模型Prob＞F值均小于0.01%意味著該模型顯著，驗證模型有效熔深預測值比實測值高1.17%，接頭抗剪承載力預測值比實測值高2.63%，證明所建模型可用于焊接工藝參數(shù)優(yōu)化.

(2)經(jīng)分析可知，聚焦電流和傾斜角度對焊縫的有效熔深、接頭抗剪承載力影響最為顯著且為負相關，束流和焊接速度對有效熔深和接頭抗剪承載力的影響不顯著.

(3)通過焊縫形貌和有效熔深兩項指標，對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，結(jié)果表明，試驗值和預測值十分接近，準確性達97%以上，經(jīng)優(yōu)化可以有效控制焊縫形貌和有效熔深.