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不锈钢药芯焊丝电弧焊接熔敷金属工艺参数的敏感性分析
摘要
奥氏体不锈钢熔敷层通常被用来获得更好的耐腐蚀性能
,
以满足石油化工、海洋和核应
用的要
求。熔敷部分的质量取决于焊缝几何形状和稀释度
,
进而由工艺
参数控制。在这项调
查中，
评估了熔敷工艺参数如焊接电流、<
/p>
焊接速度、
和喷嘴板的距离对焊缝几何形状的影响。
控制焊缝几何形状的目的是可以很容易地实现在工艺参数方面用发展方程预测这些焊缝尺
寸。
利用三因子五级阶乘实验获得的数据开发数学方程式。
< br>用
317L
不锈钢药芯焊丝直径为￠
1.2mm
和
IS:2062
作为
基板的结构钢进行了试验。
进行敏感性分析，确定焊缝几何最受影响
的
工艺
参数，并知道必须最严格控制的参数。
研究显示
,
改变参数对焊缝宽度、稀释、渗
透
面积
,
以及内部形状
系数的影响比它对渗透率、强化和外部形状系数的影响更为强烈
简介
形成的形式为双层成分的复合板
由于其优良的环境
/
机械性能而被广泛用于许多关键的行业
,
如电力和石油化工行业。
这些耐腐蚀层的
机械和冶金特性不仅受不锈钢丝化学成分的控制但
更大程度的由熔敷过程的工艺参数控制
。此外
,
工程组件在许多工业应用中都受到磨损和腐
蚀破坏
,
这决定了
频繁的
维修并危及其可靠性。这些组件的更换成本是非常高的
;
因此<
/p>
,
延长
使用寿命对节约有重大意义。
熔敷是填充材料在碳或低合金钢
基体上沉积一定厚度的过程。
用不锈钢制作的低碳钢表
面成分在
化工、
化肥、热和核电工业有重要的应用，这有可能获得较高的经济收入。基于这
些考虑
,
用奥氏体不锈钢
(317L)
熔敷低碳结构钢
(IS:2062)
。
前者广泛用作核电设备和化肥行
业的建筑材料
而后者用来做沉积缓冲层。滚动
,
爆炸性焊接、或熔焊被普遍应
用于熔敷。熔
焊
由于其方便和灵活的应用且没有法律意义上的安
全，
污染，
和噪声，
已被
工程行业所接受。
在熔焊过程中，
与保护金属电弧焊
相比药芯焊丝电弧焊
(FCAW)
已被广泛应用于熔敷由于以下
几个优势
,
如高沉积速率
,
高质量的焊缝金属矿床、
低烟尘的产生
,
良好的焊缝外观
(
光滑
、
均
匀的焊缝和良好的横向焊缝轮廓
)
,
相对较高的电极金属利用率
,
相对较
高的移动速度
,
无气
体的变化可以在户
外使用
,
可用于所有位置的焊接
,
并减少变形，
。药芯焊丝电弧焊的主要应
用
有钢铁制造
,
公共工程
(
例如桥梁
),
海军工程
,<
/p>
锅炉制造、管
/
管子焊接、异构组件，等
等。
焊接工艺的选择必须要详细，
以
保证获得足够的熔敷质量。
此外，
在
一
个完整的焊缝的
基础上
,
它对完全
控制相关的工艺参数获得所需的焊缝形状和形状的关系是必不可少的
。据
一些研究人员报道药芯焊丝电弧焊的工艺质量可以由焊缝的形状代表
,
熔池的几何形状在确
1
定焊缝的力学性能上扮演着一个重要的角色。因此
,
它对选择和控制焊接工艺参数获得最佳
熔敷形状是非常重要的。
许多尝试开发有关数学模型流程变量和复合几何的选择和控制的过程变量
。焊接研究
所、昌德尔和巴拉
(1986)
率先尝试了这些类型的建模。结果表明
,
来自实验结果的数
学模型
可用来预测几何形状。
此外<
/p>
,
它已被几个研究人员证明，
能有效地利
用统计学的实验技术来设计开发实证方法
,
其中包含科学的建立
一个焊接工艺的方法。
在这项工作中
,
对研究工艺参数对焊缝的形成和其敏感性的影响进行了调查。工艺参数
定性和定量的有效性可以通过敏感性分析来确定。
通过这个分析，
由其次序的重要性可以确
定和排序关键参数。
这将帮
助设备工程师有效的选择工艺参数和有效的控制焊缝几何形状而
没有太多的试验和错误<
/p>
,
从而节省了时间和材料。
该研究进行了两个步骤。第一步
,
用不同的工艺参
数进行实验，使用实验设计为预测焊
缝几何形状开发统计模型。第二步，在先进经验方程
的基础上进行敏感性分析。
这项研究中使用的低碳结构钢基板
（
IS:2062
）
< br>和奥氏体型不锈钢填充材料
（
AISI
< br>：
317L)
的化学成分在表
1
中给出
实验过程
< br>确定独立控制的工艺参数。它们是焊接电流
(I)
、焊接
速度
(S)
和喷嘴板的距离
(N)
。结
果发现送丝速度跟焊接电流成正比。它们的关系是：
电流单位是
A
。
W
f
=-6.92+0.0860*I
，其中<
/p>
I
是焊接
W
f<
/p>
是送丝速度单位是
m/min
。因而被视
为一个因变量。
工作范围是通过进行试运行并通过检查焊缝表
面的平整度和一些肉眼不可见的缺陷确
定的。对于确定的工作范围
,
做几个试验性的焊接。为了确定一个变量的范围，另外两个变
量在试运行期间都保持不变。例如
,
为找到焊接电流的工作范
围，焊接速度和喷嘴板到钢板
的距离都保持初始常数
,
当电流从较低的值变化到更高的值时。检查焊缝的表面光滑度和任
何肉眼
不可见的缺陷。
在本文中使用的所有变量
,
符号
,
和单位在附录中所示。<
/p>
采用一个类似的程序来确定焊接速度和喷嘴板的距离的上限和下
限。
此外
,
做试验焊接
,
保持所有参数的值都在其最小值和最大值之间来验证焊缝的质量。
2
在确定了工艺参数的工作范围之后，上限被编码为
+ 1.68
2
、下限为
-1.682
。中间水平<
/p>
的编码值是由关系
X
i
< br>= 1.682*[2X -(
X
m
ax
+
X
min
)]/(
X
m
ax
-
X
min
)
计算出的
,
其中
X
i
：
是一个变量
X<
/p>
所需的编码值
,X
是从
< br>X
min
到
X
< br>m
ax
的范围内任意的变量值。
X
min
是
变量的下限
;
中给出。
X
m
ax
是变量的上限。工
艺参数所选择的值，连同它们的单位和符号都在表
2
在哥印拜陀的技术研究所，哥印拜陀，印度
使用
Unimacro Esseti 501
协同
MIG
焊接机进行了试验。
二十个实验中进行了随机为中心旋转组合设计矩阵
，
以避免任何系统错
误蔓延到该系统。用直径为?
1.2
毫米的
317L
不锈
钢药芯焊丝在以
16 L /
分钟速度供给的
< br>95%Ar
与
5%CO2
混合气
体的保护下在结构钢板上进行长为
150mm
的单道焊。在整个
研究过程
中，一个
DCEP
与电极工作
角保持
90
°，示意性实验装置如图
2
所示。
熔板被交叉剖切在它们中点获
取
25
毫米宽的试样。
这些试样被打磨
、
抛光和
2%
硝酸浸蚀
液腐蚀。通过使用一个光学投影仪、和焊缝尺寸追踪焊缝剖面。测量宽度
(W)
,
渗透
(P)
和强
度
(R)
。
在数字测评器的帮助下
，
测量母材融化和金属成形强化区域，
并计算稀释百分比
(D
）
。
焊缝的形状
系数
(
外部形状系数（
?
e
= W/R;
内部形状系数
,
?
a
= W/P)
也被决定。图
3
和
4
分别列出了典型的焊缝截面和焊缝几何形状。
数学模型的发展
代表任何焊缝尺寸的响应函数可以表示为
:
Y
=
f(Y,S,N)
(1)
其中
Y
是响应
(
渗透
,
焊道宽度，等等
)
。
I
是焊接电
流
,A
。
S
是焊接速度，
cm/min
。
N
是喷嘴板的距离
< br>,mm
。
用于表示响应面为<
/p>
K
因素的二阶多项式
(
< br>回归
)
方程由下式给出
Y=
b
?
b
X
+
?
b
X
X
+
?
< br>b
X
+
0
i
?
k
i
i
i
,
j
?
1
i
?
j
ij
i
j
k
k
k
2
i
i
?
1
ii
< br>
（
2
）
3
其
中<
/p>
b
0
是
回
归
方
程
的
自
由
条
件
，
系
数
b
1
，
b
2
…
…
，
b
k<
/p>
是
线
性
条
件
,
系
数
b
,
b
11
22
……，
b
kk
是二次条件
,
系数
b<
/p>
,
b
12
13<
/p>
……，
b
k
?<
/p>
1
k
是相互条件。
对于三个因素
,
选择的多项式可以
表示如下
:
Y=
b
+
b
I+
< br>b
S+
b
?
+
b
0
1
2
3
12
IS+
b
2
13
IN+
< br>b
SN+
23
b
I
b
S
b
N
11
2
+
2
22
+
33
(3)
式
(3)
中使用的多项式系数是用以下带有通用
符号的公式计算出的
:
b
=0.16633
Σ
Y-0.056791
ΣΣ
< br>(
X
0
ij
Y) (4)
< p>b
=0.073224
Σ
(
X
i
i
Y)
(5)
Y)+
b
ii
=0.062500
Σ
(
X
ii
0.006889
ΣΣ
(
X
X
ii
Y)-0
.056797
Σ
Y
(6)
Y)
(7)
b
ij
=0.125
000
Σ
(
ii
利用实验获得的结果
,
借助商业统计软件,Systat?,版本
10.2
的帮助下计算上述
多项式系数的值。作为第一步
,
开发一个包含所有变量的完整模型。然后
,
在用一个“逐步”
过程删除无关紧要的变量
,
< br>一次一个。
使用此方法
,
在模型
中保留大于或等于标准列表值与
F
值有关的变量，
小于或等于标准列表值与
F
值有关的变量从模型中一
次一个自动删除。
在确
定重要系数之后
,
在不影响模型准确性的前提下，只使用这些重要系数构造最终模型，
检查开发模型的充分性
上述获得的估
计系数被用来为响应参数构造模型。开发足够的模型
,
然后通过
使用方差
技术分析测试
(
方差分析
)
。
使用这种技术
,
结果发现计算出的
F
比率大于列表值
，
在一个
95%
的置信度
;
因此
,
这些模型被认为是
足够的。
两个以上的标准
,
通常被用来说明拟合回归模型确定系数
(
模型<
/p>
,
计算出的
R
2
)
的充分性。对该开发的
R
2
值和调整的
R
2
的值分别在
80%
和
70%
以上。这些值表明
,
回归模型是
非
常充分的。
方差分析的
结果
在表
3
中给出。
4
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