呂明睿 張?zhí)炖? 孫偉杰 馬青軍 商澤坤 張佳禹

摘要： 采用DesignExpert軟件對超高強鋼金屬粉芯焊絲焊接熔敷金屬合金系進行了優(yōu)化設(shè)計，為使焊接熔敷金屬生成復(fù)相分割組織，確定了合金體系中主合金系為MnSiCrMoNi，微合金系為ZrTiCe。通過DesignExpert優(yōu)化設(shè)計對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并建立響應(yīng)曲面，建立了合金元素與熔敷金屬力學(xué)性能的回歸方程。結(jié)果表明，試驗優(yōu)化力學(xué)性能預(yù)測值與實測值達到很好的吻合，所研制的3-17號焊絲的最優(yōu)合金配比為0.05%C，1.94%Mn，0.64%Si，0.42%Cr，0.54%Mo，2.46%Ni，0.077%Zr，0.040%Ti，0.033%Ce，0.010%P和0.004%S，熔敷金屬的抗拉強度為915 MPa，屈服強度為800 MPa，斷后伸長率為17.0%，-40 ℃沖擊吸收能量平均值為97 J，獲得了最佳強韌性匹配。

關(guān)鍵詞： 超高強鋼; ?金屬粉芯焊絲; 熔敷金屬; 合金系; DesignExpert優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TG 422.3

Optimization design research on alloy system of deposited metals with metalcored wires for ultrahigh strength steels based on DesignExpert

Lü Mingrui1， Zhang Tianli1，2， Sun Weijie3， Ma Qingjun4， Shang Zekun1， Zhang Jiayu1

（1. Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China; 2. Shanghai Collaborative Innovation Center of Laser Advanced Manufacturing Technology， Shanghai 201620， China; 3. Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， Heilongjiang， China; 4. Tianjin Institute of Supervision and Inspection Technology for Special Equipment， Tianjin 300192， China）

Abstract： The alloy system of deposited metals with metalcored wires for ultrahigh strength steels was optimizing designed with DesignExpert software. For the interlaced multiphase microstructure of deposited metals， the main alloy system of deposited metals was determined as MnSiCrMoNi， and trace alloy system was ZrTiCe. The experimental data were statistically analyzed through DesignExpert software and the corresponding response surface was established. The regression equation of the alloy elements and mechanical properties of deposited metals was also determined. The results showed that the DesignExpert predicted values of mechanical properties agreed well with the experiment actual values. The optimal alloy formula of developed No.3-17 wire was 0.05%C， 1.94%Mn， 0.64%Si， 0.42%Cr， 0.54%Mo， 2.46%Ni， 0.077%Zr， 0.040%Ti， 0.033%Ce， 0.010%P and 0.004%S. The good strength and toughness match was achieved of deposited metal with tensile strength 915 MPa， yield strength 800 MPa， elongation 17.0%， and average value of -40 ℃ impact absorbed energy 97 J.

Key words： ultrahigh strength steel; ?metalcored wires; deposited metals; alloy system; DesignExpert optimization design

0?前言

DesignExpert優(yōu)化設(shè)計包括試驗設(shè)計、回歸分析和預(yù)測優(yōu)化，可對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和曲線擬合，建立歸回方程，并提供二維等高線圖和三維立體圖形，通過最優(yōu)設(shè)計求得最佳值。與其它專業(yè)數(shù)理統(tǒng)計分析軟件相比，該軟件更著重于配方設(shè)計，可簡捷快速設(shè)計出試驗方案，并給出全面可視的三維模型和最優(yōu)結(jié)果[1-2]。其中，混料設(shè)計可合理地選擇少量的試驗點，通過成分設(shè)計得到試驗指標與混料成分的回歸方程，利用響應(yīng)曲面獲得最優(yōu)的配方設(shè)計。該試驗設(shè)計已在食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3-7]，然而在焊接材料合金系設(shè)計方面鮮有相關(guān)報道，大多依賴研發(fā)人員的經(jīng)驗基礎(chǔ)，或是針對單個或多個元素的三點法或四點法進行統(tǒng)計研究。

焊接熔敷金屬的強韌化一直是焊接冶金研究的熱點和難點[8-13]，根據(jù)前期大量探索性試驗研究，得出焊接熔敷金屬生成的復(fù)相分割組織可使組織細化獲得優(yōu)良的強韌性匹配[14]，并確定了合金體系中主合金系為MnSiCrMoNi，微合金系為ZrTiCe。文中采用DesignExpert軟件對超高強鋼金屬粉芯焊絲焊接熔敷金屬主、微合金系進行優(yōu)化設(shè)計，研究各合金元素交互作用對焊接熔敷金屬的抗拉強度和沖擊吸收能量等力學(xué)性能的影響規(guī)律，為超高強鋼合金系設(shè)計提供一種新方法。

1?試驗材料與方法

超高強鋼金屬粉芯焊絲外皮采用低碳鋼帶，其厚度0.6～0.8 mm，寬度10～12 mm，其化學(xué)成分見表1。粉芯由中碳錳鐵、45號硅鐵、錳粉、鉻粉、鉬粉、鎳粉、鋯硅鐵、鈦鐵、氧化鈰、鐵粉和復(fù)合添加劑等組成。焊接母材采用Q235鋼，其化學(xué)成分見表1，其中試板規(guī)格為250 mm×125 mm×19 mm，襯板規(guī)格為250 mm×25 mm×9 mm。焊接設(shè)備采用林肯 Invertec ?CV500焊接電源和PWFTM2 Plus型送絲機。按照AWS A5.28/A5.28M-2005《氣體保護電弧焊用低合金鋼焊條和填充絲》標準在平焊位置進行多層多道焊，制備熔敷金屬試板，焊接工藝參數(shù)見表2，保護氣體選用95%Ar+5%CO2混合氣體。為防止母材對熔敷金屬的過度稀釋，應(yīng)使用相應(yīng)級別焊絲在試板坡口和襯板表面堆焊厚度不小于3 mm的隔離層。

焊接完成后按照AWS B4.0-2007《焊縫機械測試方法》標準要求加工拉伸試樣和沖擊試樣，設(shè)定試驗最大加載力為120 kN，加載速率為0.133 kN/s，在WE100A型萬能試驗機上測定拉伸試樣的抗拉強度Rm、屈服強度ReL及斷后伸長率A。在JB300型沖擊試驗機上測定沖擊試樣的-40 ℃沖擊吸收能量AKV。在熔敷金屬試板中部截取5 mm厚薄片，采用ARL 4460型直讀光譜儀測定熔敷金屬的化學(xué)成分。

2?試驗結(jié)果及分析

2.1?C，Mn，Si元素交互作用對熔敷金屬力學(xué)性能影響

熔敷金屬中C，Mn，Si元素的試驗方案設(shè)計與力學(xué)性能的預(yù)測和實測值見表3，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表4。設(shè)定熔敷金屬中其它合金元素初始成分為0.40%Cr，0.50%Mo，2.20%Ni，0.06%Zr，0.05%Ti，0.04%Ce，0.010%P和0.004%S。若序列模型項中p值≤0.05，說明噪聲引起的試驗結(jié)果偏差可能性較小，回歸方程顯著;p值≤0.01，回歸方程極顯著;失擬項中的p值>0.05且數(shù)值越大，說明模型的擬合度越好。由表4可以看出，熔敷金屬的抗拉強度采用二次多項式、沖擊吸收能量采用三次多項式評估最為合適，回歸方程如下。

Rm（CMnSi）=（2.787 75E+005）wC+455.901 78wMn+1 883.384 60wSi-（1.111 81E+005）wCwMn-（1.084 08E+005）wCwSi-819.283 29wMnwSi（1）

AKV（CMnSi）=（6.090 33E+006）wC+429.135 87wMn-30 509.270 23wSi-（3.611 44E+006）wCwMn-（3.487 00E+006）wCwSi+20 758.213 83wMnwSi+（9.297 99E+005）wCwMnwSi-（4.895 02E+005）wCwMn（wC-wMn）-（4.490 52E+005）wCwSi（wC-wSi）-4 457.501 40wMnwSi（wMn-wSi）（2）

經(jīng)回歸方程計算所得抗拉強度和沖擊吸收能量的預(yù)測值與實測值比較可以看出，1-1號至1-16號焊絲的抗拉強度和沖擊吸收能量的預(yù)測值與實測值達到很好的吻合，式（1）～（2）極顯著地表示了C，Mn，Si元素與熔敷金屬抗拉強度和沖擊吸收能量的關(guān)系。

圖1為CMn，CSi，MnSi雙因子變化對熔敷金屬力學(xué)性能影響的線性關(guān)系。從圖1a和圖1d可以看出，當(dāng)wSi=0.52%時，隨著wC/wMn比值由0.010（C含量為0.02%，Mn含量為2.06%）到0.040（C含量為0.08%，Mn含量為2.00%）增大，熔敷金屬的抗拉強度呈先降低后升高趨勢，而沖擊吸收能量正好相反呈先升高后降低趨勢;wC/wMn=0.014（C含量為0.028%，Mn含量為2.054%）時，沖擊吸收能量最高;wC/wMn=0.019（C含量為0.038%，Mn含量為2.036%）時，抗拉強度最低;wC/wMn=0.040（C含量為 0.08%，Mn含量為2.00%）時，抗拉強度最高，沖擊吸收能量最低。從圖1b和圖1e可以看出，當(dāng)wMn=2.02%時，wC/wSi比值變化對熔敷金屬抗拉強度和沖擊吸收能量的影響與上述wC/wMn比值變化影響趨勢相同;wC/wSi=0.051（C含量為0.028%，Si含量為 0.554%）時，沖擊吸收能量最高;wC/wSi=0.071（C含量為0.038%，Si含量為0.536%）時，抗拉強度最低;wC/wSi=0.160（C含量為0.08%，Si含量為0.50%）時，抗拉強度最高，沖擊吸收能量最低。從圖1c和圖1f可以看出，當(dāng)wC=0.05%時，隨著wMn/wSi比值由3.554（Mn含量為1.99%，Si含量為0.56%）到4.204（Mn含量為2.06%，Si含量為0.49%）增大，抗拉強度和沖擊吸收能量均降低，但降低幅度不大。圖2為C，Mn，Si元素對熔敷金屬力學(xué)性能影響的響應(yīng)面圖，可以更加直觀得看出C，Mn，Si元素交互作用對抗拉強度和沖擊吸收能量的變化。

該試驗優(yōu)化設(shè)計的最終目的是求得最優(yōu)的合金配方，使熔敷金屬獲得最佳強韌性匹配，因此需要進行最優(yōu)設(shè)計，求抗拉強度和沖擊吸收能量的最佳值。表3中1-17號至1-20號焊絲為熔敷金屬中C，Mn，Si元素的最優(yōu)設(shè)計方案，可以看出力學(xué)性能預(yù)測值與實測值達到很好的吻合。特別是C含量為0.02%，Mn含量為1.94%，Si含量為0.64%的1-18號焊絲熔敷金屬的抗拉強度高達940 MPa，沖擊吸收能量高達55 J，具有較好的強韌性匹配。

3?結(jié)論

（1）為使超高強鋼金屬粉芯焊絲焊接熔敷金屬生成復(fù)相分割組織，確定合金體系中主合金系為MnSiCrMoNi，微合金系為ZrTiCe。

（2）基于DesignExpert優(yōu)化設(shè)計建立CMnSi，CrMoNi，ZrTiCe三組合金系與焊接熔敷金屬抗拉強度、沖擊吸收能量的回歸方程，試驗優(yōu)化力學(xué)性能預(yù)測值與實測值達到很好的吻合。

（3）所研制的3-17號焊絲最優(yōu)合金配比為0.05%C，1.94%Mn，0.64%Si，0.42%Cr，0.54%Mo，2.46%Ni，0.077%Zr，0.040%Ti，0.033%Ce，0.010%P和0.004%S，焊接熔敷金屬的抗拉強度為915 MPa，屈服強度為800 MPa，斷后伸長率為17.0%，-40 ℃下沖擊吸收能量的平均值為97 J，具有最佳的強韌性匹配。參考文獻

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