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(1.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局， 廣東 廣州 510655； 2.華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)電弧焊接具有焊接速度快、窄間隙焊時側(cè)壁熔合能力強以及熔池攪拌促進晶粒細化等優(yōu)勢，在重工行業(yè)有較廣闊的應用前景。研究表明：低速旋轉(zhuǎn)的電弧有利于焊縫成形，可有效改善焊接工藝。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電弧裝置主要用于焊縫跟蹤，其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的電弧，采集每一周的電流信號進行分析，進而計算出焊縫偏差。用于焊縫跟蹤的旋轉(zhuǎn)電弧一般旋轉(zhuǎn)頻率較高，可達50 Hz以上；而電弧的低速旋轉(zhuǎn)增大了散熱面積，加速了熔池冷卻，能防止仰焊過程中熔滴往下滴，提高了焊接工藝水平。本文利用響應曲面法進行試驗，通過建立回歸方程，繪制響應曲面，研究旋轉(zhuǎn)電弧焊接工藝參數(shù)對焊縫成形質(zhì)量的影響。

1 試驗裝置與焊縫成型因素

1.1 試驗裝置

通過響應曲面法針對上坡焊、下坡焊進行工藝試驗。試驗裝置如圖1所示。在焊接過程中，旋轉(zhuǎn)電弧裝置沿著有一定傾斜角度的低碳鋼對接工件的V形坡口焊縫方向勻速移動。高度傳感器可保持導電嘴至工件距離(Contact Tube to Workpiece Distance, CTWD)恒定，前置相機拍攝焊接熔池區(qū)域，可對焊槍左右微調(diào)，確保焊槍中心與焊縫對中。

圖1 上、下坡焊工藝試驗裝置示例

1.2 焊縫質(zhì)量影響因素

焊縫質(zhì)量受到電流、電壓、保護氣體、焊槍姿態(tài)、坡口大小、焊接速度等的影響。對于旋轉(zhuǎn)電弧焊接，旋轉(zhuǎn)直徑和旋轉(zhuǎn)頻率也對焊縫成形有一定的影響。為減少研究變量，本文在100 A電流、20 V電壓、10 mm CTWD、1 Hz旋轉(zhuǎn)頻率、CO2為保護氣體、采用藥芯焊絲的情況下，研究焊接速度V、坡口上沿間距G、旋轉(zhuǎn)直徑D和焊件傾斜角度γ對焊縫成形質(zhì)量的影響。

1.3 焊縫成形質(zhì)量指標

焊縫成形質(zhì)量評估可以分2步進行：

(1) 根據(jù)焊縫表面成形評價標準(見圖2)，判斷表面成形。若表面成形均勻且填滿坡口，則認為表面成形合格；若出現(xiàn)凹坑、未填滿或咬邊現(xiàn)象，則認為焊縫不合格。在后續(xù)試驗結(jié)果記錄過程中，合格記為1，不合格記為0。

圖2 焊縫表面成形評價標準

(2)剖開焊縫，用4%硝酸酒精進行表面腐蝕以獲得清晰的熔合線，再測得熔合線長度(熔合線1與熔合線2之和，測量其實際大小)以深入評估焊縫成形質(zhì)量。焊縫截面參數(shù)如圖3所示。

圖3 焊縫截面參數(shù)

2 響應曲面法試驗

2.1 響應曲面法原理

響應曲面法(Response Surface Method，RSM)是一種數(shù)理統(tǒng)計方法，采用多項式擬合的方式求取響應值與影響因子之間的關系，可用于最優(yōu)區(qū)域的求解。多變量的響應曲面模型為

Y=f(x1,x2,…,xn)+ε

(1)

式中：Y為響應；x1，…，xn為變量；ε為隨機誤差；f為擬合函數(shù)。

2.2 響應曲面試驗設計

采用外切中心復合設計方法設計響應曲面試驗。表1為因素編碼表。對于4因素5水平的外切中心復合設計，生成30個試驗點，每個試驗點對應不同的焊接參數(shù)組合，見表2。

表1 因素編碼表

表2 試驗點參數(shù)表

3 結(jié)果分析

3.1 上坡焊焊縫表面成形質(zhì)量與長度

上坡焊焊縫表面成形質(zhì)量Ys與4個焊接參數(shù)之間的回歸模型為

根據(jù)檢驗統(tǒng)計量F分布，擬合的誤差率為4.08%。旋轉(zhuǎn)直徑D及其他焊接參數(shù)對焊縫表面成形質(zhì)量Ys的影響如圖4所示，可以看出：旋轉(zhuǎn)直徑D、焊接速度V和傾斜角度γ對焊縫表面成形質(zhì)量Ys的影響很小，當G為中心值(10 mm)的時候，焊縫表面成形質(zhì)量接近1，認為合格。坡口上沿間距G對焊縫表面成形質(zhì)量影響最大。當坡口上沿間距G變大時，焊縫表面質(zhì)量下降明顯，過大的坡口上沿間距會導致不合格的焊縫表面成形。上坡焊熔合線長度Yl與4個焊接參數(shù)之間的回歸模型為

圖4 上坡焊焊縫表面成形質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)直徑及其他參數(shù)的關系圖

根據(jù)檢驗統(tǒng)計量F分布，擬合的誤差率為0.62%。旋轉(zhuǎn)直徑D及其他焊接參數(shù)對熔合線長度Yl的影響如圖5所示，可以看出：總體上，旋轉(zhuǎn)直徑D增大，熔合線長度Yl會增大。隨著坡口上沿間距G和傾斜角度γ的增大，熔合線長度有增大趨勢。焊接速度V對熔合線長度的影響較小。

圖5 上坡焊熔合線長度與旋轉(zhuǎn)直徑及其他參數(shù)的關系圖

3.2 下坡焊焊縫表面成形質(zhì)量與長度

下坡焊焊縫表面成形質(zhì)量Ys與4個焊接參數(shù)之間的回歸模型為

根據(jù)檢驗統(tǒng)計量F分布，擬合的誤差率為0.13%。旋轉(zhuǎn)直徑D及其他焊接參數(shù)對下坡焊焊縫表面成形質(zhì)量的影響如圖6所示，可以看出：旋轉(zhuǎn)直徑和焊接速度不匹配(小旋轉(zhuǎn)直徑+大焊接速度，大旋轉(zhuǎn)直徑+小焊接速度)時，容易導致焊縫表面成形不合格；當焊接速度和傾斜角一定時，對于過大的坡口上沿間距，無論如何調(diào)整旋轉(zhuǎn)直徑，都易產(chǎn)生不合格的焊縫表面成形；對于較小的坡口上沿間距，增大旋轉(zhuǎn)直徑，可以提高焊縫表面成形質(zhì)量；當焊接速度和坡口上沿間距一定時，過大的傾斜角度容易導致焊縫表面成形不合格，但通過加大旋轉(zhuǎn)直徑，能提高表面成形質(zhì)量。下坡焊熔合線長度Yl與4個焊接參數(shù)之間的回歸模型為

圖6 下坡焊焊縫表面成形質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)直徑及其他參數(shù)的關系圖

根據(jù)檢驗統(tǒng)計量F分布，擬合的誤差率為0.001%。旋轉(zhuǎn)直徑D及其他焊接參數(shù)對下坡焊熔合線長度的影響如圖7所示，可以看出：總體上，旋轉(zhuǎn)直徑越大，熔合線越短；而上坡焊時，旋轉(zhuǎn)直徑越大，熔合線長度越長。這是由于：在上坡焊時熔池有向下流淌的趨勢，被已焊接的焊縫托住，當旋轉(zhuǎn)直徑大時，有利于熔池往外擴散，增大熔合區(qū)域；在下坡焊時熔池有往未焊接的坡口方向流淌的趨勢，熱耗散較快，而大旋轉(zhuǎn)直徑會使熱耗散加快，導致焊材與母材熔合不充分。

圖7 下坡焊熔合線長度與旋轉(zhuǎn)直徑及其他參數(shù)的關系圖

4 結(jié) 論

本文主要采用響應曲面法研究旋轉(zhuǎn)電弧焊接工藝參數(shù)對焊縫成形質(zhì)量的影響，得到的結(jié)論如下：

(1) 在上坡焊接時，旋轉(zhuǎn)直徑、焊接速度和傾斜角度對焊縫表面成形質(zhì)量的影響很小，而坡口上沿間距對焊縫表面成形質(zhì)量影響較大。

(2) 在上坡焊接時，隨著旋轉(zhuǎn)直徑、坡口上沿間距和傾斜角度的增大，熔合線長度有增大趨勢，而焊接速度V對熔合線長度的影響較小。

(3) 在下坡焊接時，旋轉(zhuǎn)直徑越大，熔合線越短。旋轉(zhuǎn)直徑、焊接速度、坡口上沿間距和傾斜角度對焊縫表面成形質(zhì)量都有一定的影響。

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