基于DesignExpert超高强钢金属粉芯焊丝焊接熔敷金属合金系优化设计研究

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　　摘要： 采用DesignExpert软件对超高强钢金属粉芯焊丝焊接熔敷金属合金系进行了优化设计，为使焊接熔敷金属生成复相分割组织，确定了合金体系中主合金系为MnSiCrMoNi，微合金系为ZrTiCe。通过DesignExpert优化设计对试验数据进行统计分析并建立响应曲面，建立了合金元素与熔敷金属力学性能的回归方程。结果表明，试验优化力学性能预测值与实测值达到很好的吻合，所研制的3-17号焊丝的最优合金配比为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，熔敷金属的抗拉强度为915 MPa，屈服强度为800 MPa，断后伸长率为17.0%，-40 ℃冲击吸收能量平均值为97 J，获得了最佳强韧性匹配。
　　关键词： 超高强钢;  金属粉芯焊丝; 熔敷金属; 合金系; DesignExpert优化设计
　　中图分类号：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优化设计包括试验设计、回归分析和预测优化，可对试验数据进行统计分析和曲线拟合，建立归回方程，并提供二维等高线图和三维立体图形，通过最优设计求得最佳值。与其它专业数理统计分析软件相比，该软件更着重于配方设计，可简捷快速设计出试验方案，并给出全面可视的三维模型和最优结果[1-2]。其中，混料设计可合理地选择少量的试验点，通过成分设计得到试验指标与混料成分的回归方程，利用响应曲面获得最优的配方设计。该试验设计已在食品、醫药、化工等行业得到广泛应用[3-7]，然而在焊接材料合金系设计方面鲜有相关报道，大多依赖研发人员的经验基础，或是针对单个或多个元素的三点法或四点法进行统计研究。 　　焊接熔敷金属的强韧化一直是焊接冶金研究的热点和难点[8-13]，根据前期大量探索性试验研究，得出焊接熔敷金属生成的复相分割组织可使组织细化获得优良的强韧性匹配[14]，并确定了合金体系中主合金系为MnSiCrMoNi，微合金系为ZrTiCe。文中采用DesignExpert软件对超高强钢金属粉芯焊丝焊接熔敷金属主、微合金系进行优化设计，研究各合金元素交互作用对焊接熔敷金属的抗拉强度和冲击吸收能量等力学性能的影响规律，为超高强钢合金系设计提供一种新方法。
　　1 试验材料与方法
　　超高强钢金属粉芯焊丝外皮采用低碳钢带，其厚度0.6～0.8 mm，宽度10～12 mm，其化学成分见表1。粉芯由中碳锰铁、45号硅铁、锰粉、铬粉、钼粉、镍粉、锆硅铁、钛铁、氧化铈、铁粉和复合添加剂等组成。焊接母材采用Q235钢，其化学成分见表1，其中试板规格为250 mm×125 mm×19 mm，衬板规格为250 mm×25 mm×9 mm。焊接设备采用林肯 Invertec  CV500焊接电源和PWFTM2 Plus型送丝机。按照AWS A5.28/A5.28M-2005《气体保护电弧焊用低合金钢焊条和填充丝》标准在平焊位置进行多层多道焊，制备熔敷金属试板，焊接工艺参数见表2，保护气体选用95%Ar+5%CO2混合气体。为防止母材对熔敷金属的过度稀释，应使用相应级别焊丝在试板坡口和衬板表面堆焊厚度不小于3 mm的隔离层。
　　焊接完成后按照AWS B4.0-2007《焊缝机械测试方法》标准要求加工拉伸试样和冲击试样，设定试验最大加载力为120 kN，加载速率为0.133 kN/s，在WE100A型万能试验机上测定拉伸试样的抗拉强度Rm、屈服强度ReL及断后伸长率A。在JB300型冲击试验机上测定冲击试样的-40 ℃冲击吸收能量AKV。在熔敷金属试板中部截取5 mm厚薄片，采用ARL 4460型直读光谱仪测定熔敷金属的化学成分。
　　2 試验结果及分析
　　2.1 C，Mn，Si元素交互作用对熔敷金属力学性能影响
　　熔敷金属中C，Mn，Si元素的试验方案设计与力学性能的预测和实测值见表3，数据分析结果见表4。设定熔敷金属中其它合金元素初始成分为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。若序列模型项中p值≤0.05，说明噪声引起的试验结果偏差可能性较小，回归方程显著;p值≤0.01，回归方程极显著;失拟项中的p值>0.05且数值越大，说明模型的拟合度越好。由表4可以看出，熔敷金属的抗拉强度采用二次多项式、冲击吸收能量采用三次多项式评估最为合适，回归方程如下。
　　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）
　　经回归方程计算所得抗拉强度和冲击吸收能量的预测值与实测值比较可以看出，1-1号至1-16号焊丝的抗拉强度和冲击吸收能量的预测值与实测值达到很好的吻合，式（1）～（2）极显著地表示了C，Mn，Si元素与熔敷金属抗拉强度和冲击吸收能量的关系。
　　图1为CMn，CSi，MnSi双因子变化对熔敷金属力学性能影响的线性关系。从图1a和图1d可以看出，当wSi=0.52%时，随着wC/wMn比值由0.010（C含量为0.02%，Mn含量为2.06%）到0.040（C含量为0.08%，Mn含量为2.00%）增大，熔敷金属的抗拉强度呈先降低后升高趋势，而冲击吸收能量正好相反呈先升高后降低趋势;wC/wMn=0.014（C含量为0.028%，Mn含量为2.054%）时，冲击吸收能量最高;wC/wMn=0.019（C含量为0.038%，Mn含量为2.036%）时，抗拉强度最低;wC/wMn=0.040（C含量为 0.08%，Mn含量为2.00%）时，抗拉强度最高，冲击吸收能量最低。从图1b和图1e可以看出，当wMn=2.02%时，wC/wSi比值变化对熔敷金属抗拉强度和冲击吸收能量的影响与上述wC/wMn比值变化影响趋势相同;wC/wSi=0.051（C含量为0.028%，Si含量为 0.554%）时，冲击吸收能量最高;wC/wSi=0.071（C含量为0.038%，Si含量为0.536%）时，抗拉强度最低;wC/wSi=0.160（C含量为0.08%，Si含量为0.50%）时，抗拉强度最高，冲击吸收能量最低。从图1c和图1f可以看出，当wC=0.05%时，随着wMn/wSi比值由3.554（Mn含量为1.99%，Si含量为0.56%）到4.204（Mn含量为2.06%，Si含量为0.49%）增大，抗拉强度和冲击吸收能量均降低，但降低幅度不大。图2为C，Mn，Si元素对熔敷金属力学性能影响的响应面图，可以更加直观得看出C，Mn，Si元素交互作用对抗拉强度和冲击吸收能量的变化。
　　该试验优化设计的最终目的是求得最优的合金配方，使熔敷金属获得最佳强韧性匹配，因此需要进行最优设计，求抗拉强度和冲击吸收能量的最佳值。表3中1-17号至1-20号焊丝为熔敷金属中C，Mn，Si元素的最优设计方案，可以看出力学性能预测值与实测值达到很好的吻合。特别是C含量为0.02%，Mn含量为1.94%，Si含量为0.64%的1-18号焊丝熔敷金属的抗拉强度高达940 MPa，冲击吸收能量高达55 J，具有较好的强韧性匹配。 　　2.2 Cr，Mo，Ni元素交互作用对熔敷金属力学性能影响
　　熔敷金属中Cr，Mo，Ni元素的试验方案设计与力学性能的预测和实测值见表5，数据分析结果见表6。设定熔敷金属中其它合金元素初始成分为0.05%C，1.94%Mn，0.64%Si，0.06%Zr，0.05%Ti，0.04%Ce，0.010%P和0.004%S。可以看出，熔敷金属的抗拉强度采用特殊三次多项式、冲击吸收能量采用一次多项式进行评估最为合适，回归方程见式如下。
　　Rm（CrMoNi）=-14 650.087 38wCr-12 936.995 17wMo-566.113 32wNi+34 133.471 69wCrwMo+7 378.659 58wCrwNi+6 544.410 57wMowNi-14 383.799 37wCrwMowNi
　　（3）
　　AKV（CrMoNi）=-48.921 59wCr-39.641 17wMo+46.118 97wNi
　　（4）
　　2-1号至2-16号焊丝预测值与实测值达到很好的吻合。
　　图3为CrMo，CrNi，MoNi双因子变化对熔敷金属力学性能影响的线性关系。从图3a和图3c可以看出，当wNi=2.32%时，随着wCr/wMo比值由0.467（Cr含量为0.28%，Mo含量为0.60%）到1.20（Cr含量为0.48%，Mo含量为 0.40%）增大，熔敷金属的抗拉强度逐渐升高，冲击吸收能量逐渐降低;wCr/wMo=0.467时，抗拉强度最低，冲击吸收能量最高;wCr/wMo=1.20时，抗拉强度最高，冲击吸收能量最低。从图3b和图3e可以看出，wMo=0.50%时，wCr/wNi比值变化对熔敷金属抗拉强度和冲击吸收能量的影响与上述wCr/wMo比值变化影响趋势相同;wCr/wNi=0.08（Cr 含量为0.20%，Ni 含量为2.50%）时，抗拉强度最低，冲击吸收能量最高;wCr/wNi=0.216（Cr 含量为0.48%，Ni 含量为2.22%）时，抗拉强度最高;wCr/wNi=0.286（Cr含量为 0.60%，Ni含量为2.10%）时，冲击吸收能量最高。从图3c和图3f可以看出，当wCr=0.38%时，随着wMo/wNi比值由0.165（Mo 含量为0.40%，Ni含量为2.42%）到0.27（Mo 含量为0.60%，Ni含量为2.22%）增大，抗拉强度和冲击吸收能量均分别降低49 MPa，16 J，降低趋势明显。
　　图4为Cr，Mo，Ni元素对熔敷金属力学性能影响的响应面图，抗拉强度的曲线较复杂，说明元素之间相互作用也很复杂，而冲击吸收能量的曲线很明显。表5中2-17号至2-20号焊丝为熔敷金属中Cr，Mo，Ni的最优设计，预测值与实测值达到很好的吻合，特别是2-18号焊丝的抗拉强度和冲击吸收能量分别高达881 MPa和86 J，具有较好的强韧性匹配。
　　2.3 Zr，Ti，Ce元素交互作用对熔敷金属力学性能影响
　　熔敷金属中Zr，Ti，Ce元素的试验方案设计与力学性能的预测和实测值见表7，数据分析结果见表8。设定熔敷金属中其它合金元素初始成分为0.05%C，1.94%Mn，0.64%Si，0.42%Cr，0.54%Mo，2.46%Ni，0.010%P和0.004%S。可以看出，抗拉强度、冲击吸收能量均采用三次多项式进行评估最为合适，实际回归方程如下。
　　Rm（ZrTiCe）=517.293 51wZr+6 222.940 19wTi-3 320.314 16wCe+89 129.407 24wZrwTi+（1.715 73E+005）wZrwCe+（1.409 38E+005）wTiwCe-（2.241 34E+006）wZrwTiwCe+（3.141 97E+005）wZrwTi（wZr-wTi）+（3.497 26E+005）wZrwCe（wZr-wCe）-（1.088 50E+006）wTiwCe（wTi-wCe）（5）
　　AKV（（ZrTiCe））=-2 542.363 88wZr+794.296 22wTi+29 952.086 38wCe-19 735.420 61wZrwTi-（3.324 99E+005）wZrwCe-（3.923 63E+005）wTiwCe+（4.126 00E+006）wZrwTiwCe+（5.406 04E+005）wZrwTi（wZr-wTi）+（1.802 35E+006）wZrwCe（wZr-wCe）+（2.329 76E+006）wTiwCe（wTi-wCe）（6）
　　图5为ZrTi，ZrCe，TiCe双因子变化对熔敷金属力学性能影响的线性关系。从图5a和图5c可以看出，当wCe=0.04%时，随着wZr/wTi比值由0.222（Zr含量為 0.02%，Ti含量为0.09%）到10.00（Zr含量为0.10%，Ti 含量为0.01%）增大，熔敷金属的抗拉强度先升高后降低呈抛物线形;冲击吸收能量先降低后升高再降低呈波浪线形;wZr/wTi=0.222时，抗拉强度最低，冲击吸收能量最高;wZr/wTi=1.895（Zr含量为0.072%，Ti含量为 0.038%）时，抗拉强度最高;wZr/wTi=10.00时，冲击吸收能量最低。从图5b和图5e可以看出，当wTi=0.05%时，随着wZr/wCe比值由0.667（Zr 含量为0.04%，Ce 含量为0.06%）到4.00（Zr含量为0.08%，Ce 含量为0.02%）增大，抗拉强度逐渐升高，冲击吸收能量先升高后降低;wZr/wCe=0.667时，抗拉强度和冲击吸收能量均最低;wZr/wCe=2.125（Zr含量为0.068%，wCe含量为0.032%）时，冲击吸收能量最高;wZr/wCe=4.00时，抗拉强度最高。从图5c和图5f可以看出，当wZr=0.06%时，随着wTi/wCe比值由0.50（Ti含量为0.03%，Ce含量为0.06%）到3.50（Ti 含量为0.07%，Ce含量为0.02%）增大，抗拉强度先升高，然后保存不变，最后又逐渐升高，冲击吸收能量呈相反趋势，先缓慢降低再升高，最后迅速降低;wTi/wCe=0.50时，抗拉强度最低;wTi/wCe=1.706（Ti 含量为0.058%，Ce含量为0.034%）时，冲击吸收能量最高;wTi/wCe=3.50时，抗拉强度最高，冲击吸收能量最低。图6为Zr，Ti，Ce元素对力学性能影响的响应面图，冲击吸收能量曲线变化较为复杂。表7中3-17号焊丝（Zr含量为0.077%，Ti含量为0.040%，Ce含量为0.033%）、3-18号焊丝（Zr含量为0.069%，Ti 含量为0.032%，Ce含量为0.049%）、3-19号焊丝（Zr含量为0.020%，Ti含量为0.080%，Ce含量为0.050%）为最优设计，均具有较好的强韧性匹配，特别是3-17号焊丝熔敷金属的抗拉强度为915 MPa、冲击吸收能量为97 J，通过检测其屈服强度800 MPa、断后伸长率17.0%，获得了最佳强韧性匹配。 　　3 结论
　　（1）为使超高强钢金属粉芯焊丝焊接熔敷金属生成复相分割组织，确定合金体系中主合金系为MnSiCrMoNi，微合金系为ZrTiCe。
　　（2）基于DesignExpert优化设计建立CMnSi，CrMoNi，ZrTiCe三组合金系与焊接熔敷金属抗拉强度、冲击吸收能量的回归方程，试验优化力学性能预测值与实测值达到很好的吻合。
　　（3）所研制的3-17号焊丝最优合金配比为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，焊接熔敷金属的抗拉强度为915 MPa，屈服强度为800 MPa，断后伸长率为17.0%，-40 ℃下冲击吸收能量的平均值为97 J，具有最佳的强韧性匹配。参考文献
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