本發(fā)明涉及焊條性能預(yù)測(cè)，具體而言，涉及一種船用高強(qiáng)鋼焊條的力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、船舶工業(yè)是一個(gè)高度復(fù)雜的行業(yè)，涉及到大型結(jié)構(gòu)的制造和維護(hù)，這些結(jié)構(gòu)必須承受極端的環(huán)境條件，如海水的腐蝕、風(fēng)浪的沖擊以及機(jī)械應(yīng)力。焊條在船舶工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，它是連接金屬結(jié)構(gòu)、確保船體完整性和安全性的關(guān)鍵因素。首先，焊條是構(gòu)成焊縫的主要材料，通過(guò)電弧焊接過(guò)程中的熔化，它們能夠?qū)⒉煌慕饘俨考喂痰剡B接在一起。在船舶建造中，焊條的使用貫穿于整個(gè)制造流程，從龍骨的鋪設(shè)到船體結(jié)構(gòu)的組裝，再到內(nèi)部隔板和管道系統(tǒng)的構(gòu)建。焊條不僅提供了必要的機(jī)械強(qiáng)度，還通過(guò)熔合形成了密封的連接，這對(duì)于防止海水滲透和確保船體的水密性至關(guān)重要。其次，焊條的化學(xué)成分和性能對(duì)焊接質(zhì)量有著直接影響。在船舶工業(yè)中，通常使用的特殊焊條能夠抵抗海水中的鹽分和其他腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。這些焊條通常含有特殊的合金元素，如鉻、鎳和鉬，它們能夠形成致密的氧化層，保護(hù)焊縫不受腐蝕。此外，高性能的焊條還能夠承受高溫和高壓，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)室、鍋爐和其他高溫作業(yè)區(qū)域的焊接至關(guān)重要。在船舶維修和改造方面，焊條同樣發(fā)揮著重要作用。隨著船舶使用年限的增長(zhǎng)，船體結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)疲勞、腐蝕或損傷。在這些情況下，焊接是修復(fù)和加固船體的有效手段。焊條的使用可以確保修復(fù)部位與原有結(jié)構(gòu)的兼容性和整體性，延長(zhǎng)船舶的使用壽命。

2、在現(xiàn)代船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造中，為了減少結(jié)構(gòu)重量，增大承載能力，提高機(jī)動(dòng)性，大量使用高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼，隨之配套的焊條強(qiáng)度也越來(lái)越高。由于母材和焊材的成分差異以及焊縫金屬為鑄態(tài)組織等因素，往往焊接接頭是船舶結(jié)構(gòu)的性能薄弱部位，易發(fā)生斷裂、疲勞裂紋等材料失效問(wèn)題。對(duì)于船用高強(qiáng)鋼焊縫金屬來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度、塑性、韌性是主要的力學(xué)性能指標(biāo)，強(qiáng)度直接決定著船體結(jié)構(gòu)的承載能力，塑性影響結(jié)構(gòu)建造難易程度，而韌性則直接影響著船體結(jié)構(gòu)的使用安全性。因此，船用高強(qiáng)鋼焊條的力學(xué)性能主要包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性。而影響船用高強(qiáng)鋼焊條力學(xué)性能的因素種類(lèi)繁多，主要包括焊縫金屬的化學(xué)成分、焊接工藝參數(shù)、環(huán)境溫度等。

3、在船用高強(qiáng)鋼焊條中含有的合金元素主要有碳(c)、硅(si)、錳(mn)、鉻(cr)、鎳(ni)、鉬(mo)、鈦(ti)、釩(v)、鈮(nb)、銅(cu)、鋁(al)、硼(b)、鋯(zr)等。合金元素在船用高強(qiáng)鋼焊縫中的存在形態(tài)主要是形成固溶體或化合物，形成的化合物主要是碳化物、氮化物、氧化物、硫化物或金屬間的化合物。為了能較好的控制焊縫金屬的組織組成，降低合金元素的偏析程度，焊條一般采用合金元素多元化設(shè)計(jì)。隨著強(qiáng)度的提高，合金元素含量也相應(yīng)的提高。合金元素對(duì)焊條的力學(xué)性能的影響不僅僅取決于元素本身的性質(zhì)和含量，由于元素間相互作用的影響，還受其它元素的含量影響。因此，難以用簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系描述合金元素對(duì)焊條力學(xué)性能的影響規(guī)律。

4、由于船舶是通過(guò)焊接方式將各種規(guī)格的鋼材連接而成，其中氣體保護(hù)焊絲是船舶結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭的主要焊接材料，因此焊接接頭往往是船舶結(jié)構(gòu)的性能薄弱部位，易發(fā)生斷裂、疲勞裂紋等材料失效問(wèn)題。對(duì)于船用高強(qiáng)鋼焊縫金屬而言，強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能是最主要的性能指標(biāo)，直接決定著船舶結(jié)構(gòu)的總體性能和服役安全。

5、焊接材料作為船舶和海工結(jié)構(gòu)的重要材料，其性能水平會(huì)影響服役安全性；但目前的設(shè)計(jì)方法仍以試錯(cuò)法為主，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)量龐大且存在一定的偶然性。為此，申請(qǐng)?zhí)枮?00810236873.7的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了550～850mpa氣保焊焊縫強(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法，包括(1)選定焊材，獲得焊材在指定鋼板上焊接焊縫化學(xué)成分的步驟；(2)設(shè)計(jì)焊接工藝的步驟；(3)計(jì)算的步驟。然而該模型是僅針對(duì)鐵素體焊縫組織的氣保焊絲且計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜；由于船用高強(qiáng)鋼焊縫金屬除了針狀鐵素體組織，還含有較多的貝氏體或馬氏體組織，還被要求具有較高的低溫韌性和高強(qiáng)度，顯然該模型無(wú)法用于船用高強(qiáng)鋼焊縫金屬的強(qiáng)度預(yù)測(cè)。

6、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的問(wèn)題是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)船用高強(qiáng)鋼焊條力學(xué)性能的快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，導(dǎo)致船用高強(qiáng)焊條研制迭代速率緩慢。

2、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種船用高強(qiáng)鋼焊條的力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法，包括：

3、s1、獲取均勻的船用高強(qiáng)鋼焊條力學(xué)性能數(shù)據(jù)樣本；

4、在歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并制備一系列不同成分的焊條，在不同線能量下進(jìn)行焊接操作，對(duì)焊縫金屬的合金元素進(jìn)行分析并測(cè)定焊縫金屬的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率以及不同溫度下的沖擊功，將上述數(shù)據(jù)共同作為數(shù)據(jù)樣本，并計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差；

5、s2、通過(guò)相關(guān)性分析和顯著性t檢驗(yàn)來(lái)確定模型的輸入特征變量，其中屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的輸入特征變量均為線能量e、c、si、mn、ni、cr、mo、v和ti元素，延伸率的輸入特征變量為c、si、mn、ni、cr、mo、v和ti元素，沖擊功的輸入特征變量為溫度t以及c、mn、ni、cr、mo、v和ti元素；

6、s3、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；

7、s4、模型建立

8、隨機(jī)選取所述樣本數(shù)據(jù)的80％-90％作為訓(xùn)練集，剩余10％-20％樣本數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，采用xgboost算法建模并進(jìn)行調(diào)參；利用測(cè)試集來(lái)計(jì)算構(gòu)建模型的決定系數(shù)r2、平均誤差和均方根誤差，當(dāng)決定系數(shù)r2＞0.92且平均誤差百分比≤12％時(shí)，代表建模成功；

9、s5、將預(yù)設(shè)的高強(qiáng)鋼焊條的“輸入特征變量”輸入至模型中，輸出屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和不同溫度下的沖擊功。

10、優(yōu)選的，步驟s2包括分析合金元素、線能量e和溫度與焊條力學(xué)性能的相關(guān)系數(shù)和t檢驗(yàn)值，根據(jù)二者之間相關(guān)性的顯著性水平來(lái)確定模型的輸入特征變量。優(yōu)選的，顯著性水平α＝0.05時(shí)，當(dāng)某個(gè)因素的t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量大于1.96，說(shuō)明該因素與力學(xué)性能之間存在著顯著的相關(guān)性。

11、優(yōu)選的，步驟s3中對(duì)樣本數(shù)據(jù)按照公式z＝(x-μ)/σ進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中μ和σ分別代表特征參量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，z表示處理后的值。

12、優(yōu)選的，步驟s4中通過(guò)隨機(jī)網(wǎng)格搜索和五折交叉驗(yàn)證法對(duì)xgboost模型進(jìn)行調(diào)參，交叉驗(yàn)證的每次劃分都計(jì)算獲得精度值，對(duì)每種超參數(shù)設(shè)置計(jì)算平均驗(yàn)證精度，選擇平均驗(yàn)證精度最高的超參數(shù)作為模型超參數(shù)。

13、優(yōu)選的，步驟s2中輸入特征變量的取值范圍為：w(c)：0.03％～0.177％，w(si)：0.071％～1.53％，w(mn)：0.316％～2.6％，w(ni)：0％～9.05％，w(cr)：0％～1.23％，w(mo)：0％～1.14％，w(v)：0％～0.075％，w(ti)：0％～0.807％，w(cu)：0％～0.879％，e：6.6～22.0kj/cm，t：-60～20℃。

14、優(yōu)選的，步驟s1中共獲得276組與屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率相關(guān)的數(shù)據(jù)樣本，以及393組與沖擊功相關(guān)的數(shù)據(jù)樣本。優(yōu)選的，正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)樣本有108組，占總數(shù)據(jù)樣本的比例不低于10％，優(yōu)選為30％或者50％。

15、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述船用高強(qiáng)鋼焊條的力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法具有如下有益效果：1)適用范圍廣，強(qiáng)度級(jí)別跨度大(300mpa～1000mpa)，溫度范圍寬(室溫～-100℃)；2)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于船用結(jié)構(gòu)鋼焊條的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)精度高，克服了經(jīng)驗(yàn)公式不能體現(xiàn)相互作用的缺點(diǎn)，適用于船用鋼焊條的力學(xué)性能預(yù)測(cè)，極大幅度減少船用高強(qiáng)鋼焊條研制的實(shí)驗(yàn)工作量。