翁華晶，馮美艷，江吉彬，陳昌榮，練國富

V型曲面坡口打底焊成形控制與工藝參數(shù)優(yōu)化

翁華晶，馮美艷，江吉彬，陳昌榮，練國富

（福建工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福州 350118）

研究熔化極氣體保護焊工藝參數(shù)對V型曲面坡口打底焊焊接接頭形貌及硬度的影響規(guī)律，實現(xiàn)焊接接頭工藝參數(shù)的預(yù)測與優(yōu)化，提高焊接質(zhì)量?；陧憫?yīng)面Box?Benhnken方法，分析焊接電壓、焊接電流、焊接速度、曲面弧度對焊接接頭成形與性能的影響規(guī)律，構(gòu)建工藝參數(shù)與焊接接頭響應(yīng)指標的數(shù)學(xué)模型。試驗結(jié)果表明，熔寬隨焊接電壓、焊接電流的增大而增大，隨焊接速度、曲面弧度的增大而減小。面積隨焊接電壓、焊接電流、曲面弧度的增大而增大，隨焊接速度的增大而減小。硬度隨焊接電壓的增大而減小，隨焊接速度、曲面弧度的增大而增大。以熔寬、面積及硬度最大為優(yōu)化目標，最優(yōu)工藝參數(shù)為電壓26 V，電流260 A，焊接速度26 cm/min，曲面弧度 (13/36π) rad。對比預(yù)測值與實際值，熔寬、面積、硬度的誤差率分別為4.2%、3.8%、2.3%。研究結(jié)果表明了所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的可靠性，為非對稱曲面坡口及其他特殊結(jié)構(gòu)焊縫的成形控制與參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

打底焊；曲面坡口；響應(yīng)面法；成形控制；工藝優(yōu)化

熔化極氣體保護焊（GMAW）通過在連續(xù)進給的填充焊絲和金屬之間使用已建立的電弧來加熱和熔化金屬，具有成形質(zhì)量好、成本低、易于機械化、效率高等優(yōu)點[1-5]，廣泛應(yīng)用于海洋船舶領(lǐng)域[6]。GMAW工藝一般涉及熔滴轉(zhuǎn)移、電弧等離子體燃燒、熔池表面變形、微觀組織凝固等多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，這些物理現(xiàn)象的背后是相當復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)和材料流動行為，它們共同決定了GMAW工藝焊道的質(zhì)量和穩(wěn)定性。焊接過程中的熔池行為、焊縫的機械冶金特性主要受到焊接工藝參數(shù)（例如板厚、坡口角度、電弧電壓、焊接電流、焊接速度等）的影響[7]。

國內(nèi)外學(xué)者針對特定焊接條件下的不同工藝參數(shù)進行了大量試驗研究，以分析工藝參數(shù)對焊件宏觀形貌和成形質(zhì)量的影響。Sivakumar等[8]研究了工藝參數(shù)對焊縫橫截面積、高度、寬度和顯微硬度的影響，結(jié)果表明，焊接電流影響最為顯著。John等[9]通過焊道參數(shù)、微觀組織和顯微硬度對Ti-Nb微合金鋼板焊道進行了分析，結(jié)果表明，送絲速度為6 m/min時焊道成形良好，硬度最高。Samiuddin等[10]研究了熱輸入對接頭機械性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著熱輸入的增加，熔寬增大。也有學(xué)者通過各種方法建立工藝參數(shù)與輸出指標之間的數(shù)學(xué)模型，以此優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。Kumar等[11]研究了電流、電壓和預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，預(yù)熱溫度影響最為顯著，其次是焊接電流和電壓，并基于灰色關(guān)聯(lián)分析對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。Vidyarthy等[12]利用響應(yīng)面方法（RSM）研究了焊接電流、焊接速度等工藝參數(shù)對焊道幾何形狀的影響，結(jié)果表明，焊接電壓、焊接電流影響均顯著，并通過獲得的數(shù)學(xué)模型預(yù)測了焊道幾何形狀。

連接具有全熔深的中厚板焊件通常需要在焊件之間的空間預(yù)留坡口，近年來很多學(xué)者針對不同坡口形狀對焊接接頭成形質(zhì)量的影響開展了相關(guān)研究。Pathak等[13]研究了坡口角度對低碳鋼焊接接頭熔高和硬度的影響，結(jié)果表明，隨著凹槽角度的增大，硬度增大，熔高降低。Mishra等[14]對厚度為3 mm的兩種不銹鋼金屬板進行了單V形和雙V形對接焊，結(jié)果表明，適當減小焊道寬度有利于提高焊縫質(zhì)量。Gao等[15]通過正交試驗，并基于克里金模型和遺產(chǎn)算法對316不銹鋼對焊參數(shù)進行了優(yōu)化，結(jié)果表明，影響熔深和熔寬的顯著因素是焊接電流和焊接速度，優(yōu)化后的焊縫顯微硬度分布更均勻。

綜上所述，在實際工業(yè)應(yīng)用中，轉(zhuǎn)向架、船舶船體等復(fù)雜曲面存在曲率變化大、焊接姿態(tài)變化多等問題。目前，在焊縫成形質(zhì)量方面，主要研究工藝參數(shù)對單道堆焊、對稱坡口的影響，關(guān)于非水平或復(fù)雜曲面上形成焊道的研究較少。熔寬、填充面積越大表明焊縫金屬鋪展能力越好，硬度越高表明焊接接頭的耐磨性、強度越高，同時，熔寬、面積的大小對后續(xù)多層多道的排布規(guī)劃有直接影響。為此，文中基于響應(yīng)面Box-Benhnken設(shè)計方法，建立焊接工藝參數(shù)與焊接接頭響應(yīng)指標的數(shù)學(xué)模型，探究不同工藝參數(shù)對焊縫熔寬、面積和顯微硬度的影響規(guī)律，為非對稱曲面坡口及其他特殊結(jié)構(gòu)焊縫的焊接工藝研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗設(shè)計與方法

Q355C鋼具有良好的機械性能、焊接性能、冷熱加工性能和腐蝕性能，是目前應(yīng)用于海上風(fēng)電塔筒的最常用鋼之一。試驗選用Q355C作為母材，尺寸規(guī)格為100 mm×50 mm×25 mm（開不同的單邊坡口），根據(jù)母材成分和等強匹配原則，選用焊絲型號為E71T-1C的1.2 mm藥芯焊絲。Q355C鋼板與焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 Q355C鋼及焊絲的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of Q355C steel and welding wire wt.%

研究使用的設(shè)備為GMAW焊接系統(tǒng)，包括M?10iA工業(yè)機器人（日本FANUC公司）、INVERTEC CV350?R焊機（美國LINCOLN公司）及Autodriv-e-TM4r90送絲機（美國LINCOLN公司）。焊接過程中使用高純度（99.9%）的CO2氣體作為保護氣體。GMAW焊接系統(tǒng)示意圖如圖1所示，試驗過程中在搭建的坡口中間進行單道堆焊，其中坡口間隙為2 mm，鈍邊長為2 mm。

焊接試驗前，采用砂紙和丙酮對鋼板進行表面除銹、去油污處理，防止板材表面氧化而導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)氣孔等缺陷。使用電阻加熱器預(yù)熱鋼板，預(yù)熱時間保持5 min以上，確保鋼板預(yù)熱均勻，之后將板材移到焊接臺上進行焊接。焊后試樣進行電火花線切割、打磨、拋光、腐蝕處理，后觀察焊道的宏觀金相組織。使用硝酸酒精溶液（4%）進行腐蝕，母材30～40 s后被腐蝕完全，隨后用酒精沖洗并干燥。使用顯微硬度計（MVA-402TS，中國HDNS公司）測量焊件的硬度，以焊縫中心為原點，向右距離母材方向每隔200 μm測定一次硬度，硬度計在載荷300 g和停留時間10 s的條件下進行測量，每組試驗測定3次，取平均值作為測定值。

響應(yīng)面法（Response Surface Methodology，RSM）是一種用于設(shè)計試驗的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計方法，通過多元二次回歸方程構(gòu)建自變量和目標響應(yīng)之間的函數(shù)關(guān)系，以方差分析結(jié)果確定顯著影響響應(yīng)的因素，并運用回歸分析尋找最優(yōu)工藝參數(shù)[16-18]，試驗設(shè)計如表2所示。試驗采用響應(yīng)面法中的Box-Behnken設(shè)計研究工藝參數(shù)對接頭成形質(zhì)量的影響規(guī)律，試驗因素水平如表3所示。

圖1 GMAW焊接系統(tǒng)示意圖

表2 曲面弧度設(shè)計

Tab.2 Curved arc design

表3 工藝參數(shù)和設(shè)計水平

Tab.3 Process parameters and design level

2 試驗結(jié)果與分析

焊道示意圖如圖2所示，利用Digimizer軟件測出熔寬、面積，試驗設(shè)計及結(jié)果如表4所示。

2.1 方差分析

由表5中熔寬的方差分析可知，模型的值（-value）小于0.000 1，同時失擬項（Lack of Fit）大于0.05。該模型有效信號與噪聲比值（Adeq Precision）為28.949 1，其數(shù)值遠大于一般檢驗標準（取值為4），證明選擇的模型與試驗數(shù)據(jù)的擬合精度較高[19]。模型系數(shù)2為0.916 1，證明模型與數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。調(diào)整2值和預(yù)測2值分別為0.894 2和0.848 8，兩數(shù)值之差小于0.2，因此，選擇的模型能夠準確地揭示工藝參數(shù)與熔寬的關(guān)系。根據(jù)顯著性分析可知，焊接電壓、焊接電流、焊接速度、曲面弧度對熔寬影響顯著，同時還存在焊接電壓和焊接速度的交互項、曲面弧度的平方項對熔寬影響顯著。

Note: the arcs represent the radians of different surfaces, “Width” represents the melting width and “Area” represents the filling area.

表4 試驗設(shè)計及結(jié)果

Tab.4 Experimental design and results

表5 熔寬方差分析

Tab.5 Variance analysis of melting width

同理，對面積、硬度進行方差分析（表6、表7）可知，模型同樣滿足上述要求。由顯著性分析可知，焊接電壓、焊接速度、曲面弧度對面積、硬度影響顯著，焊接電流對面積影響顯著，此外還存在焊接電流和曲面弧度的交互項對面積影響顯著，焊接電壓和曲面弧度的交互項、焊接電流的平方項、曲面弧度的平方項對硬度影響顯著。

表6 面積方差分析

Tab.6 Variance analysis of area

表7 顯微硬度方差分析

Tab.7 Variance analysis of microhardness

通過選定的模型對數(shù)據(jù)進行擬合分析可得熔寬（）、面積（）、硬度（）模型，如式（1）—（3）所示。

=90.328 2-1.943 06*+0.008 572 22*-

2.293 86*-3.026 67*+0.074 416 7**+

0.093 034 7*2(1)

=-322.094+1.901 58*+1.387 43*-

0.664 611*+19.041 1*-0.080 133 3**(2)

=1 482.6-30.465 3*-1.937 67*+14.144 4*

-102.812*-0.455 556**+2.604 17**+

0.004 199 65*2+1.098 05*2(3)

2.2 熔寬分析

圖3a為熔寬模型殘差分布圖。由圖3可知，試驗組的殘差幾乎分布在同一條直線上，滿足正態(tài)預(yù)測模型，表明該模型的擬合性較好。圖3b為熔寬預(yù)測值與實際值分布圖，實際值與預(yù)測值誤差較小，表明所選模型的預(yù)測精度較高。

圖4為熔寬模型下焊接電壓和焊接速度交互作用的曲面圖和等高線圖。從圖4中可以看出，隨著焊接電壓的增大和焊接速度的減小，熔寬呈增大趨勢。原因在于焊接電壓的增大導(dǎo)致熔池熱輸入量增加，焊接速度的減小導(dǎo)致單位時間內(nèi)熔化焊絲量增加，兩者綜合作用下熔寬增大。

圖5為各因素對熔寬的影響趨勢。由圖5可知，熔寬隨著焊接電壓、焊接電流的增大而增大，隨著焊接速度的增大而減小，原因在于焊接電壓、電流的增大，焊接速度的減小導(dǎo)致熔池熱輸入量增加，熔池熔融狀態(tài)時間變長，熔寬增大。熔寬隨著曲面弧度的增大而減小，焊道傾角的增大導(dǎo)致回流速度增大[20]，頂部多余液體的向下擠壓力與底部向上流動的反沖力和表面張力之間的相互作用導(dǎo)致焊縫寬度減小，但隨著曲面弧度的進一步增大，熔融金屬堆積擠壓，熔寬有輕微上升趨勢。

2.3 面積分析

圖6所示為面積模型殘差分布圖和預(yù)測值與實際值分布圖，其中模型殘差及預(yù)測實際兩者誤差均較小，表明該模型的預(yù)測精度較高，能夠準確反映模型輸入與輸出的關(guān)系。

圖7為面積模型下焊接電流和曲面弧度交互作用的曲面圖和等高線圖。從圖7中可以看出，面積隨著焊接電流和曲面弧度的增大而增大，原因在于焊接電流增大，焊絲熔化量增多，曲面弧度的增加導(dǎo)致坡口角度減小，熔池內(nèi)熔融金屬流動減弱，熔融金屬凝固較快[21]，面積增大。

圖3 熔寬模型指標

圖4 U和S交互影響

圖5 各因素對熔寬的影響關(guān)系

圖8為各因素對面積的影響趨勢。面積隨著焊接電壓、電流的增大而增大，原因在于焊接電壓、電流增大，單位焊道長度的線能量增大，更大體積的基材熔化，面積增大。在不同的焊接速度下，焊槍行進軌跡上堆積的焊材量不同，焊接速度越大，堆積的焊材量越少，面積減小。隨著曲面弧度的增大，面積增大。

2.4 顯微硬度分析

圖9a為顯微硬度模型殘差分布圖。由圖9可知，試驗組的殘差均勻分布在直線周圍，滿足正態(tài)預(yù)測模型，表明該模型的擬合性良好。圖9b為熔寬預(yù)測值與實際值分布圖，圖中無明顯異常點，表明該模型的預(yù)測精度較高。

圖6 面積模型指標

圖7 I和O交互影響

圖8 各因素對面積的影響關(guān)系

圖10為硬度模型下焊接電壓和曲面弧度交互作用的曲面圖和等高線圖。從圖10中可以看出，隨著焊接電壓的增大和曲面弧度的減小，硬度呈減小的趨勢。硬度的降低可能是由于焊接過程中的熱量造成再結(jié)晶或晶粒長大導(dǎo)致的。焊接電壓的增大導(dǎo)致單位時間內(nèi)熱輸入增多，多余的能量促進了晶粒生長，曲面弧度的減小導(dǎo)致坡口角度增大，熔池內(nèi)熔融金屬流動增強，熔池凝固速度變慢，熔池熔融狀態(tài)時間更長，晶粒粗化[22]，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，在焊接電壓和曲面弧度的共同作用下，晶粒粗化，硬度減小[23]。

圖11為各因素對硬度的影響趨勢。隨著焊接電壓的增大，單位時間內(nèi)熱輸入增多，多余的能量促進了晶粒生長，晶粒粗化導(dǎo)致硬度減小。焊接速度的增大會導(dǎo)致焊縫凝固生長速度和冷卻速度的加快，產(chǎn)生更細的晶粒，從而提高硬度。曲面弧度增大，熔池內(nèi)熔融金屬流動減弱，熔池凝固加快，晶粒細化，硬度增大。

圖9 硬度模型指標

圖10 U和O交互影響

圖11 各因素對硬度的影響關(guān)系

3 工藝參數(shù)優(yōu)化及模型驗證

為了獲得熔寬大、面積大、硬度高的焊接接頭，并檢驗所構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的合理性和準確性，需要進行工藝參數(shù)優(yōu)化與模型驗證。在滿足熔寬和面積的情況下，考慮實際生產(chǎn)中對焊接接頭的硬度有一定需求，故硬度的權(quán)重設(shè)置為4，熔寬、面積的權(quán)重設(shè)置為3，優(yōu)化條件與目標如表8所示。

表8 優(yōu)化條件及目標

Tab.8 Optimization conditions and objectives

工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表9所示，根據(jù)置信度將最優(yōu)工藝參數(shù)設(shè)置為：焊接電壓26 V，焊接電流260 A，焊接速度26 cm/min，曲面弧度（13/36π）rad，該工藝參數(shù)下得到的焊接接頭熔寬為8.685 mm，面積為45.655 mm2，硬度為265.9HV，如表9所示。與預(yù)測結(jié)果相比，熔寬、面積、硬度的誤差分別為4.2%，3.8%，2.3%，誤差率較小，表明響應(yīng)面模型的預(yù)測精度較高。

表9 優(yōu)化結(jié)果及驗證

Tab.9 Optimization results and verification

工藝參數(shù)優(yōu)化后的焊接接頭截面形貌如圖12所示，焊縫冶金熔合良好，熔寬、面積、硬度相對于中心組有了一定的提高，均優(yōu)于中心組。

圖12 焊縫宏觀形貌

使用掃描電鏡（High-Technologies TM3030Plus，Hitachi，Japan）觀察焊縫接頭顯微組織，通過能譜儀（Model 550i，IXRF，America）進行成分分析，如圖13所示。圖13a所示為焊縫的微觀結(jié)構(gòu)，焊縫主要由先共析鐵素體、針狀鐵素體和珠光體構(gòu)成，由于電弧焊接的快速凝固特性，在原奧氏體晶內(nèi)主要是針狀生長的鐵素體，枝晶結(jié)構(gòu)對應(yīng)著再凝固率較高的區(qū)域，針狀鐵素體的形成有利于提高焊縫的強度和韌性，鐵素體在一定程度上能夠提高焊接接頭的耐腐蝕性能，防止焊縫熱裂紋的產(chǎn)生[24-25]。由于焊接過程中非平衡狀態(tài)的制約，導(dǎo)致原子不能充分擴散，抑制了珠光體的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致焊縫區(qū)珠光體含量較少。圖13b所示為熱影響區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)，熱影響區(qū)主要由塊狀鐵素體、條狀鐵素體和粒狀貝氏體組成。母材的微觀結(jié)構(gòu)主要由珠光體和塊狀鐵素體組成，如圖13c所示。由圖14中EDS能譜分布可知，焊縫和熱影響區(qū)中的鉻元素主要富集在針狀、塊狀鐵素體處，鉻元素等合金元素的含量高于母材處，這些元素的晶粒形態(tài)和固溶引起的晶格畸變會導(dǎo)致發(fā)生形變的位錯在擴散中受到阻礙，從而提高焊縫區(qū)的質(zhì)量。

圖13 焊接接頭微觀組織形貌

圖14 焊接接頭微觀組織能譜圖

4 結(jié)論

基于響應(yīng)面Box-Benhnken方法，分析了工藝參數(shù)（焊接電壓、焊接電流、焊接速度、曲面弧度）對焊接接頭成形與性能的影響規(guī)律，構(gòu)建了焊接工藝參數(shù)與焊接接頭響應(yīng)指標的數(shù)學(xué)模型，對非對稱復(fù)雜曲面坡口及其他特殊結(jié)構(gòu)焊縫的焊接工藝有一定的參考價值，主要結(jié)論如下。

1）焊接電壓、焊接電流、焊接速度、曲面弧度對熔寬、面積影響顯著，焊接電壓、焊接速度、曲面弧度對硬度影響顯著。熔寬隨焊接電壓、焊接電流的增大而增大，隨焊接速度、曲面弧度的增大而減??；面積隨焊接電壓、焊接電流、曲面弧度的增大而增大，隨焊接速度的增大而減??；硬度隨焊接電壓的增大而減小，隨焊接速度、曲面弧度的增大而增大。

2）以熔寬最大、面積最大、硬度最高進行多目標最優(yōu)工藝參數(shù)優(yōu)化，預(yù)測值與實際值的誤差分別為4.2%、3.8%、2.3%。

3）根據(jù)實際應(yīng)用設(shè)定工藝參數(shù)的目標值，利用構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型優(yōu)選工藝參數(shù)，對改善復(fù)雜曲面坡口焊縫的形貌和提高成形質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

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Forming Control and Process Parameter Optimization of V-shaped Surface Groove Backing Welding

WENG Hua-jing, FENG Mei-yan, JIANG Ji-bin, CHEN Chang-rong, LIAN Guo-fu

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

The work aims tostudy the influence of process parameters of gas metal arc welding (GMAW) on the morphology and hardness of V-shaped surface groove backing welding joint, in order to realize the prediction and optimization of welding joint process parameters and improve the welding quality. Based on the response surface Box-Benhnken method, the effects of welding voltage, welding current, welding speed and surface radian on the forming and performance of welded joints were analyzed. The mathematical model of process parameters and response index of welded joints was constructed. The test results showed that the melting width increased with the increase of welding voltage and welding current, and decreased with the increase of welding speed and surface radian. The area increased with the increase of welding voltage, welding current and surface radian, and decreased with the increase of welding speed. The hardness decreased with the increase of welding voltage, and increased with the increase of welding speed and surface radian. The optimal goal was to maximize the melting width, area and hardness, and the optimum process parameters were as follows: voltage of 26 V, current of 260 A, welding speed of 26 cm/min and surface radian of 13/36π rad. By comparing the predicted value with the actual value, the error rates of welding width, area and hardness were 4.2%, 3.8% and 2.3%, respectively. The research results show the reliability of the established mathematical model, and provide a theoretical basis for forming control and parameter optimization of welds with asymmetric curved grooves and other special structures.

backing welding; curved groove; response surface methodology; forming control; process optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.02.022

TG444.2

A

1674-6457(2023)02-0188-11

2022?06?12

2022-06-12

福建省科技重大專項（2020HZ03018）

Science and Technology Major Project of Fujian Province (2020HZ03018)

翁華晶（1997—），女，碩士生，主要研究方向為電弧增材制造。

WENG Hua-jing (1997-), Female, Postgraduate, Research focus: wire and arc additive manufacturing.

江吉彬（1967—），男，博士，教授，主要研究方向為先進制造技術(shù)、增材制造。

JIANG Ji-bin (1967-), Male, Doctor, Professor, Research focus: advanced manufacturing technology, additive manufacturing.

翁華晶, 馮美艷, 江吉彬, 等. V型曲面坡口打底焊成形控制與工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 精密成形工程, 2023, 15(2): 188-198.

WENG Hua-jing, FENG Mei-yan, JIANG Ji-bin, et al. Forming Control and Process Parameter Optimization of V-shaped Surface Groove Backing Welding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(2): 188-198.