船舶制造对接接头药芯焊丝旋转电弧焊接工艺

2018-07-03，，，，

中国海洋平台 2018年3期

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(1.海军装备部驻广州地区军事代表局，广东广州 510655； 2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640)

0 引言

旋转电弧焊接具有焊接速度快、窄间隙焊时侧壁熔合能力强以及熔池搅拌促进晶粒细化等优势，在重工行业有较广阔的应用前景。研究表明：低速旋转的电弧有利于焊缝成形，可有效改善焊接工艺。传统的旋转电弧装置主要用于焊缝跟踪，其原理是利用高速旋转的电弧，采集每一周的电流信号进行分析，进而计算出焊缝偏差。用于焊缝跟踪的旋转电弧一般旋转频率较高，可达50 Hz以上；而电弧的低速旋转增大了散热面积，加速了熔池冷却，能防止仰焊过程中熔滴往下滴，提高了焊接工艺水平。本文利用响应曲面法进行试验，通过建立回归方程，绘制响应曲面，研究旋转电弧焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响。

1 试验装置与焊缝成型因素

1.1 试验装置

通过响应曲面法针对上坡焊、下坡焊进行工艺试验。试验装置如图1所示。在焊接过程中，旋转电弧装置沿着有一定倾斜角度的低碳钢对接工件的V形坡口焊缝方向匀速移动。高度传感器可保持导电嘴至工件距离(Contact Tube to Workpiece Distance, CTWD)恒定，前置相机拍摄焊接熔池区域，可对焊枪左右微调，确保焊枪中心与焊缝对中。

图1 上、下坡焊工艺试验装置示例

1.2 焊缝质量影响因素

焊缝质量受到电流、电压、保护气体、焊枪姿态、坡口大小、焊接速度等的影响。对于旋转电弧焊接，旋转直径和旋转频率也对焊缝成形有一定的影响。为减少研究变量，本文在100 A电流、20 V电压、10 mm CTWD、1 Hz旋转频率、CO2为保护气体、采用药芯焊丝的情况下，研究焊接速度V、坡口上沿间距G、旋转直径D和焊件倾斜角度γ对焊缝成形质量的影响。

1.3 焊缝成形质量指标

焊缝成形质量评估可以分2步进行：

(1) 根据焊缝表面成形评价标准(见图2)，判断表面成形。若表面成形均匀且填满坡口，则认为表面成形合格；若出现凹坑、未填满或咬边现象，则认为焊缝不合格。在后续试验结果记录过程中，合格记为1，不合格记为0。

图2 焊缝表面成形评价标准

(2)剖开焊缝，用4%硝酸酒精进行表面腐蚀以获得清晰的熔合线，再测得熔合线长度(熔合线1与熔合线2之和，测量其实际大小)以深入评估焊缝成形质量。焊缝截面参数如图3所示。

图3 焊缝截面参数

2 响应曲面法试验

2.1 响应曲面法原理

响应曲面法(Response Surface Method，RSM)是一种数理统计方法，采用多项式拟合的方式求取响应值与影响因子之间的关系，可用于最优区域的求解。多变量的响应曲面模型为

Y=f(x1,x2,…,xn)+ε

(1)

式中：Y为响应；x1，…，xn为变量；ε为随机误差；f为拟合函数。

2.2 响应曲面试验设计

采用外切中心复合设计方法设计响应曲面试验。表1为因素编码表。对于4因素5水平的外切中心复合设计，生成30个试验点，每个试验点对应不同的焊接参数组合，见表2。

表1 因素编码表

表2 试验点参数表

3 结果分析

3.1 上坡焊焊缝表面成形质量与长度

上坡焊焊缝表面成形质量Ys与4个焊接参数之间的回归模型为

根据检验统计量F分布，拟合的误差率为4.08%。旋转直径D及其他焊接参数对焊缝表面成形质量Ys的影响如图4所示，可以看出：旋转直径D、焊接速度V和倾斜角度γ对焊缝表面成形质量Ys的影响很小，当G为中心值(10 mm)的时候，焊缝表面成形质量接近1，认为合格。坡口上沿间距G对焊缝表面成形质量影响最大。当坡口上沿间距G变大时，焊缝表面质量下降明显，过大的坡口上沿间距会导致不合格的焊缝表面成形。上坡焊熔合线长度Yl与4个焊接参数之间的回归模型为

图4 上坡焊焊缝表面成形质量与旋转直径及其他参数的关系图

根据检验统计量F分布，拟合的误差率为0.62%。旋转直径D及其他焊接参数对熔合线长度Yl的影响如图5所示，可以看出：总体上，旋转直径D增大，熔合线长度Yl会增大。随着坡口上沿间距G和倾斜角度γ的增大，熔合线长度有增大趋势。焊接速度V对熔合线长度的影响较小。

图5 上坡焊熔合线长度与旋转直径及其他参数的关系图

3.2 下坡焊焊缝表面成形质量与长度

下坡焊焊缝表面成形质量Ys与4个焊接参数之间的回归模型为

根据检验统计量F分布，拟合的误差率为0.13%。旋转直径D及其他焊接参数对下坡焊焊缝表面成形质量的影响如图6所示，可以看出：旋转直径和焊接速度不匹配(小旋转直径+大焊接速度，大旋转直径+小焊接速度)时，容易导致焊缝表面成形不合格；当焊接速度和倾斜角一定时，对于过大的坡口上沿间距，无论如何调整旋转直径，都易产生不合格的焊缝表面成形；对于较小的坡口上沿间距，增大旋转直径，可以提高焊缝表面成形质量；当焊接速度和坡口上沿间距一定时，过大的倾斜角度容易导致焊缝表面成形不合格，但通过加大旋转直径，能提高表面成形质量。下坡焊熔合线长度Yl与4个焊接参数之间的回归模型为

图6 下坡焊焊缝表面成形质量与旋转直径及其他参数的关系图

根据检验统计量F分布，拟合的误差率为0.001%。旋转直径D及其他焊接参数对下坡焊熔合线长度的影响如图7所示，可以看出：总体上，旋转直径越大，熔合线越短；而上坡焊时，旋转直径越大，熔合线长度越长。这是由于：在上坡焊时熔池有向下流淌的趋势，被已焊接的焊缝托住，当旋转直径大时，有利于熔池往外扩散，增大熔合区域；在下坡焊时熔池有往未焊接的坡口方向流淌的趋势，热耗散较快，而大旋转直径会使热耗散加快，导致焊材与母材熔合不充分。