P265GH鋼管道全位置自動氬弧焊對接接頭打底成形預測

高 飛,裴 潤,鄒家生

(江蘇科技大學 先進焊接技術省級重點實驗室,鎮江 212003)

P265GH屬于低合金高溫結構鋼.主要用于制造鍋爐,壓力容器和壓力管道,通常需要承受較大的壓力和溫度.國外第三代核電安全殼鋼襯主要使用的材料也是P265GH.該鋼種應用廣泛,并且具有良好的可焊性[1-2].

目前,針對P265GH鋼種的管道焊接往往采用手工焊的焊接方式.工人通常一邊用腳踩操作夾具,保持工件的旋轉,一邊手工焊接管道.在焊接時,有時還需要保證視野盲區的良好焊接質量.該工作強度大,勞動時間長,對焊工要求也較高,而采用全位置氬弧焊機可以有效保證焊接質量和減輕工人勞動強度,同時降低焊接成本[3].在使用管道全位置氬弧焊機時,需要調試焊接工藝參數,所以對P265GH低碳鋼管的全位置自動氬弧焊對接接頭打底焊縫成形預測及焊接參數的優化很有必要.

響應曲面法(response surface methodology,RSM)又叫響應面分析法,該方法通過建立焊接工藝參數和焊縫成形之間的回歸方程,通過對結果的分析來預測焊縫成形,同時可以優化工藝參數.該方法能夠反映交互因素對試驗結果的影響,并且模型的精度也更高.相較于正交試驗法的只能分析離散型數據和僅考慮單因素影響,該方法更具優勢[4-5].

1 試驗材料與方法

本次實驗選取規格為φ114 mm×6 mm的P265低合金鋼管道,成分參見表1.焊絲為常州利亞焊材有限公司生產的型號為XCJ50-6的氣體保護焊焊絲.使用蘇州熱工研究院研制的管道全位置脈沖氬弧焊裝置.首先使用全位置焊機對管道進行打底焊接.然后根據取樣位置圖在管道不同位置分別取下長寬不小于20 mm的試樣,對試樣打磨和拋光,然后用4%的硝酸酒精將試樣腐蝕4～5 s,最后使用3D視頻顯微鏡觀察焊縫橫截面,并用顯微鏡自帶的金相工具測量并計算焊縫的內表面熔寬,焊縫熔深平均值和焊縫厚度平均值.

表1 P265GH低合金高溫結構鋼化學成分

需要測量的參數如圖1.焊縫熔寬(weld width,WW)為圖1(a)中的w,焊縫熔深(weld penetration,WP)為圖1(b)中d1與d2的平均值,焊縫厚度(weld thickness,WT)為圖1(a)中t1與t2的平均值再加上h1和h2.

圖1 焊縫形貌測量規則

2 實驗參數矩陣的建立

通常響應曲面法的二級模型的設計類型有3種:3k全因子設計、中心復合設計(center composite design, CCD)和Box-Behnken設計(BBD).由于實驗因素較多,不適用3k全因子設計,同時考慮到CCD具有預測效率高和序貫性等特點,所以使用CCD設計方法.在使用CCD設計方法時,需要選取nc個立方點、na個軸向點和n0個中心點,β為輸入參數的上下限編碼值.計算方式如式(1～4).式(1、2)是為了保證實驗設計的旋轉性和正交性.

nc=2k

(1)

na=2k

(2)

(3)

(4)

實驗選取焊接峰值電流(I)、焊接速度(V1)、焊接送絲速度(V2)和焊接位置(P)4個主要焊接參數作為輸入變量,研究這4個參數對于焊縫成形的影響規律,通過測量焊縫橫截面的幾種指標來獲得響應值,所以屬于四因素試驗,即k=4,計算可以得到nc=16,na=8,n0=6,β=2,實驗總次數為30次.根據手工焊焊接經驗以及在焊機焊接過程中,電弧穩定、焊縫成形良好、無肉眼可見裂紋、下塌和未焊透等缺陷,焊縫余高在1～2 mm為標準,可以選定4個焊縫工藝參數的適用范圍,如表2.由于實驗根據手工焊焊接經驗,首先確定了平焊位置所需要使用的焊接工藝參數,然后以平焊位置的焊接工藝參數作為參考,調整其他位置的參數,所以在本實驗中,平焊位置的焊縫成形預測沒有考慮在內.實驗在90°,150°,210°,270°和330°處取樣,如圖2.

圖2 焊接方向和取樣位置

表2 焊接工藝參數的適用范圍

在CCD設計中,輸入參數的上限和下限編碼值分別是+β和-β,輸入參數的上水平和下水平編碼值分別為+1和-1,中心編碼值為0.所以,輸入參數實際值和編碼值如表3[6].

表3 輸入參數的實際值和編碼值

根據上述分析,表4采用了Design-Expert V12軟件建立實驗參數矩陣,根據表4進行具體的焊接實驗,并且將實驗得到的響應值也記錄在表4.

表4 實驗方案及對接接頭焊縫成形尺寸

3 焊縫成形模型的建立和方差分析

在CCD設計的基礎上,建立輸入的4個變量與響應值的二階回歸模型.

在將數據錄入到Design-Expert V12后,根據軟件的計算,最后可以得到管道全位置自動氬弧焊焊接焊縫成形尺寸和輸入的4個參數的關系式,逐一消除不顯著的項,確保模型顯著,最后可以獲得焊接工藝參數與焊縫成形橫截面尺寸之間的回歸方程.如式(5～7).

第一次世界大戰不斷推動著發明創造的進程。到戰爭最終幾個月間，最先進的飛機航速提高了一倍多，飛機生產總數也逐漸增加：戰爭期間英國生產了5.5萬架飛機、法國6.8萬架、意大利2萬架、德國4.8萬架。美國在參戰的一年半中生產出1.5萬架飛機。

WW=-693 094+5 784.018 10I+3 966.913 41V1+
686.955 62V2+4.629 28P-27.963 25I2-
25.045 48V12-0.490 420V22

(5)

WP=-1 215.863 87+14.698 68I-15.134 37V1+
3.552 61V2+0.987 559P

(6)

WT=-192 478-6.770 69I+2 412.536 18V1+
267.021 54V2+65.342 08P-3.269 92V1×
V2-0.809 868V1×P

(7)

使用方差分析法(ANOVA)來分析該回歸模型是否顯著和可靠.此時通過軟件Design-Expert V12對回歸方程的系數進行檢驗.如果p<0.05,則說明回歸系數是顯著的;如果p<0.01,說明回歸系數是極其顯著的[7].表5、6和7分別為焊縫熔寬(WW)、焊縫熔深(WP)和焊縫厚度(WT)模型的方差分析.

表5 焊縫熔寬模型方差分析

表5為焊縫熔寬模型的方差分析,模型的F值為8.16,焊縫熔寬模型是顯著的,焊縫熔寬模型的失擬項殘差的非顯著概率為0.998 2,失擬項是不顯著的,即焊縫熔寬模型擬合不足是不顯著的,所以該模型是顯著合理的.根據表5,焊接位置(P)、焊接峰值電流二次項(I2)、焊接速度二次項(V12)、送絲速度二次項(V22)是焊縫熔寬模型中的顯著項,焊縫峰值電流(I)、焊縫速度(V1)和送絲速度(V2)是焊縫熔寬模型中的不顯著項,但是這些非顯著項沒有影響到焊縫熔寬模型的顯著性.

表6的方差分析結果顯示熔深模型的F值為4.68,非顯著概率為0.005 9,說明該模型是極其顯著的,模型的失擬項殘差非顯著概率為0.607 7,說明失擬項是不顯著的.結果顯示送絲速度(V2)、焊接位置(P)是焊縫熔深模型中的顯著項;焊接峰值電流(I)、焊接速度(V1)和焊接速度和焊接位置的交互項(V1×P)是焊縫熔深模型中的非顯著項.同樣的,這些非顯著項沒有影響到焊縫熔深模型的顯著性.

表6 焊縫熔深模型方差分析

從表7的方差分析結果可以看出,焊縫厚度模型的F值為4.96,非顯著概率為0.068 1,說明焊縫厚度模型顯著.焊接速度(V1)、送絲速度(V2)、焊接速度和送絲速度德交互項(V1×V2)和焊接速度和焊接位置的交互項(V1×P)是模型的顯著項;焊接峰值電流(I)和焊接位置(P)是模型的非顯著項,但是該非顯著項沒有影響焊接厚度模型的顯著性和準確性.之所以要保留這些非顯著項,是為了方便實際參數方程和編碼參數方程的轉化.

表7 焊縫厚度模型方差分析

4 模型的驗證

為了確保所建立的焊縫成形模型的有效性,需要采取一定的方法來測試該模型的是否準確.在此采用實驗的方式來測試模型的準確性,而沒有通過有限元分析的方式來進行,是因為實驗的值更符合實際情況,對結果的驗證說明更具說服性.在設計矩陣的范圍內重新選擇5個值來測試焊縫模型.焊接參數的輸入參數、預測值、實際值和計算得到的誤差百分比的值列于表8.

表8 焊縫成形尺寸的預測值和實際值

根據表8中的數據和計算結果,可以看出,大部分數據的誤差百分比在10%以內,有3個數據的誤差百分比超過了10%,但是沒有超過20%,分別是第1次驗證實驗的焊縫厚度,第4次驗證實驗的焊縫熔寬和焊縫厚度,分別為15.4%,10.7%和11.4%.總的來說,誤差不大.所以,該模型可以預測和優化焊縫成形.

5 焊接參數對焊縫成形的影響規律

5.1 焊接參數對焊縫熔寬的影響

如圖3(a),峰值電流在97～106 A區間內,隨著電流的增加,焊縫熔寬先是略有增加,隨后稍微減小,峰值點出現在103.5 A.

圖3 焊接工藝參數對焊縫熔寬的影響

這是因為電弧焊的焊絲隨著焊接電流的增加熔化速度增加,所以焊縫熔寬略有增加;焊接電流增大后,弧柱直徑增大,但電弧潛入工件的深度增大,電弧斑點移動范圍受到限制,因而熔寬的增加量減小,加之有一部分測量誤差,所以反映在模型圖像上變成了稍微減小.

如圖3(c),送絲速度在660～720 mm/min區間內,焊縫熔寬整體變化不大,剛開始略有增加,隨后又稍微減小.

如圖3(d),焊接位置在90～330°區間內,焊縫熔寬呈上升趨勢.這是因為在該范圍內,焊縫熱量一直在積累,所以熔寬呈增大趨勢.

5.2 焊接參數對焊縫熔深的影響

如圖4(a)和(b),焊縫熔深呈上升趨勢,增大電流會增加熱輸入,增加焊接速度會減小熱輸入,所以焊縫熔深分別增加和減小.

圖4 焊接工藝參數對焊縫熔深的影響

如圖4(c),增加送絲速度,填絲量隨著增加,所以熔深也會增加.如圖4(d),隨著焊接過程的進行,焊接接頭處熱量積累,所以熔深呈上升趨勢.

5.3 焊接參數對焊縫厚度的影響

如圖5,焊縫的厚度主要跟填絲量有關,所以增加送絲速度,焊縫厚度也會增加.焊接峰值電流和焊接位置對焊縫厚度影響不大.隨著焊接速度的增加,焊接熱輸入有所減少,焊縫的熔深和余高都有所減少,由于焊縫厚度受這些因素影響,所以也相應地減少.

圖5 焊接工藝參數對焊縫厚度的影響

5.4 交互因素對焊縫厚度的影響

由于只有焊縫厚度(WT)模型的交互因素對焊縫成形的影響顯著,所以只分析焊縫厚度(WT)模型.

如圖6(a),焊接速度和送絲速度(V1×V2)對焊縫厚度(WT)模型的影響顯著,這主要是因為焊接速度減小和送絲速度的增加都會增加填絲量,所以焊縫厚度自然增加.如圖6(b),焊接速度和焊接位置(V1×P)也是影響焊縫厚度的顯著項,這主要是因為焊接速度的降低會增加填絲量;爬坡焊是熔池在重力和電弧吹力的共同作用下會變厚,并且隨著焊接過程的進行,熱量的積累越來越明顯,焊縫熔深會增加,也會影響焊縫厚度.

圖6 交互因素對焊縫厚度的影響

6 結論

實驗對管道全位置氬弧焊對接接頭建立了焊接工藝參數與焊縫成形尺寸參數的響應模型.分析了單一因素和交互因素對焊縫成形尺寸參數的影響規律.

(1) 由于焊縫峰值電流、焊接速度、送絲速度和焊接位置對管道全位置氬弧焊對接接頭的焊縫成形影響較大.所以針對這幾個因素,利用RSM建立了焊縫成形響應模型,利用方差分析法對3個模型進行了顯著性和失擬性檢驗,并對回歸系數進行了顯著性檢驗,保留了極其顯著項和顯著項.方差分析的結果顯示模型是可靠的.然后通過實驗檢驗了模型的可靠性,模型的預測值和實際值的誤差多在10%以內,不超過20%.

(2) 對獲得的響應面模型進行響應曲面分析,分析了單一因素對焊縫成形的影響,結果表明焊接峰值電流對熔寬影響較小,增大峰值電流可以增大焊縫熔深和焊縫厚度;焊接速度的增加會造成焊縫熔寬、熔深和厚度的減小;送絲速度的增加會造成焊縫熔寬略有增加、焊縫熔深和余高增加;焊接位置即角度的增大會造成焊縫熔寬、熔深和厚度的增加.

(3) 對獲得的響應面模型進行響應面分析,分析了雙因素交互作用對焊縫厚度的影響.結果是:送絲速度和焊接角度的增加會使焊縫厚度增加;焊接速度增大,焊縫厚度會減小.