管线钢管闪光对焊工艺优化

管线钢管闪光对焊与锅炉钢管闪光对焊的区别在于焊接母材。管线钢管的Mn含量比锅炉钢管高，C含量比锅炉钢管低，具有较好的强韧性。采用弧焊方法焊接管线钢管时常遇到晶粒粗化、冷裂纹、层状撕裂和热应变脆化等问题。管线钢管的闪光对焊常遇到灰斑、未闭合的爆坑等缺陷，影响接头的性能。X65管线钢管是石油、天然气管网建设中用量最大的管线钢管之一。因此，选择外径为ϕ219mm，壁厚为18mm的X65管线钢管作为常用管线钢材料，进行管线钢管闪光对焊焊接参数的设计和论述。

管线钢闪光对焊最优工艺的研究，考虑的是随机变量（焊接接头冲击韧度）与普通变量（闪光对焊参数，如闪光留量、闪光速度和带电顶锻时间等）之间的关系，且涉及的普通变量为多变量，即为多因素试验。因此，对于管线钢闪光对焊最优工艺的研究，最好采用回归正交试验方法，建立回归方程来获得最优工艺。本书采用二次回归正交试验方法对X65管线钢闪光对焊工艺进行研究，推导得到以接头冲击吸收能量值为考察指标的二次回归方程，研究各闪光对焊参数对焊接接头质量的影响并讨论其显著性，最终达到优化管线钢闪光对焊工艺的目的。

根据经验手册和前期闪光试焊结果选取低速闪光留量S₁，低速闪光电流I₁，加速闪光留量S₂，带电顶锻时间t_p，加速闪光末速υ_f五个焊接参数为试验因素，不考虑各因素之间的交互作用，每个因素确定三个水平，二次回归正交试验采取用1／2实施法，取m₀=4，取γ=1.717556，共试验30次。X65管线钢二次回归正交试验因素水平见表7-7。

表7-7 X65管线钢二次回归正交试验因素水平

五个焊接参数S₁、I₁、S₂、t_p、υ_f用Z₁，Z₂、Z₃、Z₄、Z₅来表示，因素编码公式为

计算后所得二次回归正交试验因素编码水平见表7-8。

表7-8 二次回归正交试验因素编码水平

本次试验为五因素三水平的二次回归正交设计，各试验因素之间不存在交互作用，采用1／2实 施 法，进 行4次 重 复 性 试 验，即 取m₀=4，计 算 星 号 臂γ=1.717556，选取五因子二次回归正交表见表7-9，30次试验焊接参数表见表7-10。

表7-9 五因子二次回归正交表

（续）

表7-10 30次试验焊接参数表

（续）

针对上述30组焊接参数，采用管外闪光对焊设备K584Ch进行焊接，获得的X65管线钢30次闪光对焊试验焊接接头如图7-5所示。30组焊接工艺都能对X65管线钢管进行焊接，焊接接头处有毛刺凸起，热过渡区域范围较大，特别是管道底部，由于焊渣堆积较多、冷却较慢，其热过渡范围较宽。

图7-5 X65管线钢30次闪光对焊试验焊接接头

采用二次回归正交试验方法设计闪光对焊试验焊接参数，可以得到正交回归方程。X65管线钢闪光对焊二次回归正交试验中，试验因素个数p=5，共有b₀，b₁，…，b₅，b₆（b₁₂），b₇（b₁₃），…，b₁₅（b₄₅），b₁₆（b₁₁），b₁₇（b₂₂），…，b₂₀（b₅₅）等21个回归系数，令30组X65管线钢焊接接头焊缝中心和热影响区冲击吸收能量平均值分别为y_i、y_j（i、j=1，2，…，30）。焊缝中心和热影响区冲击吸收能量平均值见表7-11。

表7-11 焊缝中心和热影响区冲击吸收能量平均值

首先建立以焊缝中心冲击吸收能量为参考指标的二次回归正交方程，计算常数项矩阵B中各数值B_i和信息矩阵A中的S_i，令信息矩阵A中的S_i为d_i，则

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由B_i与d_i可计算21个回归系数：

计算得到21个回归系数后可建立以焊缝中心冲击吸收能量为考察指标的二次回归正交方程为

y_i=12.3-0.43X₁十1.16X₂十0.16X₃20.56X₄-0.37X₅十1.13X₁ X₂

-0.25X₁ X₃-0.12X₁ X₄十1.25X₁ X₅十0.5X₂ X₃十0.38X₂ X₄十X₂ X₅

-1.5X₃ X₄十0.38X₃ X₅-0.5X₄ X₅-1.57X²₁-0.38X²₂-1.91X²₃

十0.63X²₄-1.57X²₅

将编码公式带入上述回归方程就得到了原来变量Z₁，Z₂，…，Z_p的回归方程，即

y_i=-206.81-0.85Z₁-0.38Z₂十22.07Z₃十62.15Z₄-36.4Z₅十0.02Z₁ Z₂

-0.04Z₁ Z₃-0.2Z₁ Z₄十2.08Z₁ Z₅十0.01Z₂ Z₃十0.09Z₂ Z₄十0.25Z₂ Z₅

-3.75Z₃ Z₄十0.95Z₃ Z₅-12.5Z₄ Z₅-0.17Z²₁-0.001Z²₂-0.48Z²₃ 十15.75Z²₄-39.25Z²₅

同理可得到以热影响区冲击吸收能量为考察指标的二次回归正交方程为

y_i=21.9十4.48X₁十2X₂十2.68X₃-0.39X₄-1.53X₅十7.12X₁ X₂-4.5X₁ X₄

-1.12X₁ X₅-3.5X₂ X₃-0.5X₂ X₄-1.88X₂ X₅-1.88X₃ X₄-0.75X₃ X₅

十1.5X₄ X₅-1.38X²1十2.52X²₂-1.04X²₃-1.21X²₄十3.36X²₅

将编码公式带入上述回归方程有

y_j=58.2-21.85Z₁十7.23Z₂十43.12Z₃十173.6Z₄-10.22Z₅

十0.12Z₁ Z₂-7.5Z₁ Z₄-1.87Z₁ Z₅-0.09Z₂ Z₃-0.12Z₂ Z₄-0.47Z₂ Z₅

-0.47Z₃ Z₄-1.86Z₃ Z₅十37.5Z₄ Z₅-0.15Z²₁十0.006Z²₂-0.26Z²₃-30.25Z²4十84Z²₅

根据上面建立的两个二次回归方程可知，每个方程中有5个变量，即低速闪光留量S₁、低速闪光电流I₁、加速闪光留量S₂、带电顶锻时间t_p和加速闪光阶段末速υ_f。若令5个变量中的4个处于0水平下，即可分析另一变量对接头焊缝中心和热影响区冲击吸收能量的影响，从而得到优化的焊接参数。焊缝中心最佳冲击吸收能量的X65管线钢闪光对焊焊接参数见表7-12。

热影响区最佳冲击吸收能量的X65管线钢闪光对焊焊接参数见表7-13。

表7-12 焊缝中心最佳冲击吸收能量的X65管线钢闪光对焊焊接参数

表7-13 热影响区最佳冲击吸收能量的X65管线钢闪光对焊焊接参数