（材料加工工程专业论文）异种铝合金薄板自动双丝焊研究.pdf

硕士论文异种铬台金薄板自动双辑挥研究 摘要 针对5 m m 异种( 5 0 8 3 和6 0 6 1 ) 铝合金板，采用自动双丝熔化极惰性气体保护焊 技术，进行焊接性研究，探索适于薄板异种铝合金自动双丝焊单面焊双面成形工艺参 数范围。在此基础上，运用稳健设计法对焊接工艺进行优化设计，并通过对试验结果 信噪比的统计分析，得出各个工艺参数之间的最佳组合。试验验证结果与分析结果相 符，表明最佳工艺参数稳定性较好。 焊缝外观检测，焊接接头组织、成分以及性能分析表明，焊缝正、反面成形庭好， 焊缝内部无缺陷，焊接接头热影响区较窄，焊接接头强度1 7 8 m p a ，达到母材强度的 7 4 2 。 运用基于稳健设计的回归分析法建立了焊接接头6 0 6 1 侧热影响区宽度与焊接电 流、焊接电压以及坡口角度之间的多元线性同归数学模型。方差分析结果表明各个参 数与热影响区宽度之间存在显著的线性相关性，证明分析得到的多元线性回门力程有 效，为今后创建铝合金自动双丝焊接头性能预测与控制系统打下基础。 关键词：铝合金，奴丝焊，单面焊双面成形，稳健设计，回归分析 硕 论文异和键台合薄扳自动设缒焊研究 a b s t r a c t t h ew e l d i n gp r o c e s so fd i s s i m i l a ra l u m i n i u ma l l o y5 0 8 3a n d6 0 6 1w i t h5 m mt h i c k n e s s w a ss t u d i e db ya u t o m a t i ct w i n w i r em i gw e l d i n g t h er a n g eo fw e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r sw h i c hw a ss u i t a b l ef o rt h ep r o c e s so fo n e s i d ew e l d i n gw i t hb a c kf o r m a t i o n w a so b t a i n e d t h eb e s ts y n t h e s i so fv a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r si se d u c e db yu s i n gt h e r o b u s td e s i g nt oo p t i m i z ew e m i n gp r o c e s sa n dt h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h es i g n a ln o i s e r a t i oi nt h ee x p e r i m e n t a le v i d e n c e s t h er e s u l t so ft h ep r o v e nt e s ta c c o r d e dw i t ht h e a n f l y f i s ，a n di ts h o w e dt h a tt h es t a b i l i t yo ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw a s e x c e l l e n t a p p e a r a n c ei n s p e c t i o n a n i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n ，e d a xa n a l y s i sa n dp r o p e r t yi n s p e c t i o n - o ft h ew e l d i n gj o i n ts h o w e dt h a tt h em o l d i n go ft h et w os i d e so fw e l d i n gl i n ew a sg o o d t h e r ew a sn od e f e c ti nt h ew e l d i n gl i n e t h eh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) o ft h ew e l d i n gj o i n t w a sn a l t o w a n dt h ej o i n ts t r e n g t hc o u l d r e a c h1 7 8m p aw h i c hw a s7 4 2 c o m p a r e dw i t h t h a to fb a s em e t a l o nt h eb a s eo fr o b u s td e s i g n ，t h er e g r e s s i o na n a l y s i sw a sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h e m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l sr e l a t e dt ot h ew i d t ho fh a z o nw e l d i n g j o i n ti ns i d eo f6 0 6 1 ，w e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gv o l t a g ea n dg r o o v ea n g l e t h ea n a l y s i so f v a r i a n c es h o w e dt h a tt h e r ei sal i n e a rd e p e n d e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u sp a r a m e t e r s a n dt h eh a zw i d t h rp r o v e dt h a tt h em u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o nw a sa v a i l a b l e t h er e s u l t sc o u l db ea p p l i c a b l et ot h ej o i n ts t r e n g t hf o r e c a s ta n dc o n t r o lo ft h ea l u m i n i u m a l l o yu s i n ga u t o m a t i ct w i n w i r ew e l d i n g k e yw o r d s ：a l u m i n i u ma l l o y , t w i n - w i r ew e l d i n g ，o n e s i d ew e l d i n gw i t h b a c kf o r m a t i o n ，r o b u s td e s i g n ，r e g r e s s i o na n a l y s i s 碗 论艾异和铊台金薄板自动权缒揖研究 l 绪论 1 1 选题意义 铝及其台金是有色金属中用途较广的轻金属之一。它密度小、重量轻、比强度高、 导电与导热性好且具有较好的耐腐蚀性。随着近代机械制造工业如航空、航海、汽车 工业的发展；石油化工、电信和原子能及空间技术等新型工业的崛起，铝合金的使用 最在日益增加，因而在国民经济中占有重要的地位。研发铝合金新材料，研究铝合金 材料的焊接性、铝合金焊接接头各区力学性能及其变化规律已成为当前的热门课题， 有着十分重要的工程意义和明显的经济效益h 】。 随着铝合金应用日益广泛，如何对铝合金进行高效率、高质量的焊接成为突出的 课题。铝合金焊接主要有以下五个特点：铝合金表面有一层致密的氧化铝薄膜( 熔 点约2 0 5 0 。c ) ，焊接时如未能将其清除，将会影响铝合金的熔化质霹。形成失渣、气 孔、飞溅等质蕈问题；热导率大( 约为钢的2 倍) 。导电性好，焊接时若要达到与钢 相同的焊速则焊接线能量要比焊钢时大2 4 倍；线膨胀系数大。焊件有产生较大 的热应力、变形及裂纹的倾向：焊接时容易出现气孔：铝合金焊接协1 足0 是热 影响区的强度降低。因此，铝合金的焊接要求采用能鞋密度大、焊接热输入小、焊接 速度高的高效焊接方法。采用双丝焊焊接铝合金，焊丝熔化速度提高，熔池温度降低， 交形减，j 、，从而焊接质肇提高，在采用合适的焊接规范时，能有效地减少气孔，夹渣 等焊接缺陷。 铝合金焊接技术也在突飞猛进的发展，其表现可归为四方面。其一，基于对传统 焊接技术的改进和创新而出现的新氆铝合金焊接技术，如低频调制璎脉冲m i g 焊、交 流m i g 焊、双焊枪t i g 焊、穿孔型等离子弧立焊等；其二，高能密度焊接技术在铝合 金焊接领域的进一步推广和应用，如电子束焊，y a g 激光焊等；其三，摩擦搅拌焊在 铝合金焊接领域中的出现与应用；其四，高效自动双丝焊技术的发展与应用【2 j 。 如何对没计方案、工艺、试验方法进行合乎科学的评估；采用的试验方法，试验 次数的设计是否是最合理的；所获得的试验数据是否是最佳的；这些关乎实验方案的 评价已成为发达工业国家的实验窀、企业产品研发中心进行研发的有力工具。目前已 经达到共识的是：产品的质星由仅仅靠产品检验和生产过程控制( 被动的和防御的) 来保证，发展到从产品质最设计( 主动的) 入手，强调产品的质肇首先是设计出来的， 从根本上确立产品的优良品质。由此发展起来的稳健设计( r o b u s td e s i g n ) 就是这样 种有效的保证产品商品餐的工程设计方法。传统的稳健设计方法是以7 0 年代末和 8 0 年代初日本学者g t a g u c h i ( 田口玄一) 博士所创立的三次设计法( 或损失模型法) 硕卜论文异种铝合金薄板自动双蛭焊研究 为典型的代表，近些年来，随着讨算机技术、优化和c a d 技术的发展，又给传统的稳 健设计方法注入了新的内容，逐渐形成近代的稳健设计方法，并在学术界和工程界引 起广泛的重视与兴趔3 1 。 1 2 铝合金先进焊接技术发展现状 目前，生产中常用m i g 焊、t i g 焊方法来焊接铝合金材料。虽然使用这两种方法 能够得到良好的焊接接头，但是，这两种方法却有熔透能力差、焊接变形大、生产效 率低等缺点。针对铝合金焊接的难点，近些年来提出了几种新工艺，在交通、航天、 航空等行业得到了一定应用，新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点，焊后接头性 能良好，并可以实现焊接性不好的铝合金的焊接。下面介绍几种比较先进的铝合金焊 接方法。 i 2 1 搅拌摩擦焊( p s w ) 搅拌摩擦焊f s w ( f r i c t i o ns ti rw e l d i n g ) 是由英国焊接研究所t w i ( t h ew e l d i n g i n s t i t u t e ) 1 9 9 1 年提出的新的 司态颦性连接工艺。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金 属的熔化，是一种固态连接过程，故焊接时不存在熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊 方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、 复合材料焊接掣q 。铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过迥性变形和动态再结晶而形成，焊 缝区晶粒细化，无熔焊的树枝晶，组织细密，热影响区较熔化焊时窄，无合金元素烧 损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。与传统熔焊方法相比，它无飞溅、烟尘，不 需要添加焊丝和保护气体，接头性能良好。由于是固相焊接工艺，加热温度低，焊接 热影响区硅微组织变化小，如哑稳定相基本保持不变，这对于热处理强化铝合金及沉 淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板铝合金焊后基本不 变形。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小1 5 】。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊 接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2 0 0 0 系列 ( a i - c u ) 、5 0 0 0 系列( a 1 - m g ) 、6 0 0 0 系列( a 卜m g - s i ) 、7 0 0 0 系列( a 1 - z n ) 、8 0 0 0 系列 ( a 卜l i ) 等 0 9 。 国内已有数家研究单位对搅拌摩擦焊进行了实验研究，并在常规铝合金薄板与低 连接要求型材上有了一定的初步应用盯呻l 。中南大学等单位已对厚板( 1 5 m ) 的搅拌摩 擦焊进行了技术基础研究，对2 0 0 0 ，7 0 0 0 系列高强度铝合金及超硬铝7 a 5 2 进行了搅 拌摩擦焊实验，实验效果良好【i 田。 曹朝霞、刘书华等人采用搅拌摩擦焊技术成功地实现了厚度为3 m 铝合金板材的 对接、角接及圆筒纵缝的焊接。分析研究了试验过程中搅拌焊头的形状、尺寸及焊接 工艺参数对搅拌摩擦焊接头质量的影响，获得了质量良好的焊接接头【1 ”。 2 硕t 论文异和铝合金薄板自动双摊焊研究 国外已经进入工业化生产阶段，在挪威已经应用此技术蜱接快艇上长为2 0 m 的结 构件，荚囝洛克希德马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容 器火箭结构件【擂。 y s s a t o 和hk o k a w a 等利用定向成像显微方法( o i m ) 研究了6 0 6 3 铝合金的f s w 的微观结构，并对焊缝组织进行了分樊”l 。 g ，l i n 和乙e l u r r 等研究了6 0 6 l t 6 铝合金的微观组织结构【“。 y ，l i 和l e m u r r 对2 0 2 4 6 0 6 1 异种铝合金的f s w 进行了固态可视化研究l “。 1 2 2 激光焊接与激光复合焊接 铝及铝合金激光焊接技术( l a s e rw e l d i n g ) 是近十几年来发展起来的一项新技术， 是一种高效精密焊接方法，具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适 应性强等优点，受到各发达国家的重视，并已应用于航空航天，汽车制造、轻工电子 等领域。 现在应用的激光器蔓要是c o 。和y a g 激光器，c o 棚光器功率大，对于要求大功率 的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对c o 馐女光束的吸收率比较小。在焊接过程中造 成大量的能量损失。y a g 激光一殷功率比较小，铝合金表面对y a g 激光束的吸收率相 对c 0 。激光较大，可用光导纤维传导，适应性强，工艺安排简单等。现在工业领域中 占统治地位的是c 0 2 激光焊，但由于铝合金对长波长的激光反射率很高同时，y a g 激光器自身功率又在不断提高，因而短波长的y a g 激光焊正在逐步替代长波长的c 0 2 激光焊，成为主要的铝合金激光焊接技术。 甘肃工业大学四维焊接技术研究所对铝合金5 0 8 3 与5 0 5 2 在相同焊接条件下的激 光焊接进行了研究，通过焊缝截面形状和微观组织的观察，得到了焊接条件对焊缝表 面下凹度和胞状树枝晶间距的影响趋势”日。 三菱蘑工开发实现了复合y a g 激光焊接系统。将激光光束和电弧电极同轴合成在 一个焊接电极头中，充分发挥激光焊接和电弧焊接的各自优点，降低了激光焊接对坡 口定位精度的要求，将焊接日j 隙达到了0 8 m m ，而且电弧延迟了激光照射部分的急剧 冷却，可以防止焊接铝合金产生的结晶裂纹以及气托1 7 1 1 羽。 天津大学对激光复合t i g 旁轴热源的机理进行了研究，研究表明，激光和电弧并 不是简单的叠加，而是相互作用。一方面，在焊接过程中，电弧稀释了激光等离子体， 从而大大降低了其对激光的吸收、散射、反射等削弱作用；同时，通过电弧对工件的 预热，大大降低了工什对激光的反射作用；另一方面，激光有很强的电弧控制作用， 增加了电弧的稳定性，有利于高速焊接【1 9 】。 哈尔滨工业大学对激光复合m i g 间轴热源进行了研究结果表明，与旁轴热源相比， 该热源更大程度地降低了激光的被削弱程度；同时，还克服了旁轴热源加热作用非对 3 硕士论文异种铝台金薄板自动双锺焊研究 称性、作用点分离以及设备体积大，要求高等缺点嗍。 t z e n g 对脉冲y a g 焊接进行了研究，霞点分析了脉冲激光焊接过程中焊接参数的 影响叫。 u r u s h i z a k i 等人进行了双激光束进行焊接，而且成功应用在实践生产中，用来改 变焊接变形阎。 i s h i d e 等人研究的复合y a g 系统，可以将工件装配间隙达到l m m 或者更大嘲。 1 2 3 电子束焊 电子束焊是一种能鼍非常高，焊接效果特别好，适应范围遍及各工业部门的现代 焊接方法。在航天航空部门、汽车制造业有很多要求商质量的铝合金零部件就是采用 电子束焊加工的。 在实际应用中，由于电子束焊要求在真宅环境下进行，所以对铝合金大型结构件 施焊困难。电子束易受周围环境电磁场的影响，设备比较复杂，费用比较昂贵，所以 还没有达到大规模工业化生产。近年来发展的局部真空电子束焊接工艺很好地解决了 铝合金电子束焊接人型构件的问题。 航天材料及工艺研究所对铝合金法兰环缝典型结构样件的局部真空电子束焊接 工艺进行了研究，分析，铝合金焊接气孔的产生原因及采取相应的工艺描施，研究出 铝合金局部真空电子束焊接工艺i 刎。 王宝瑞、雷华东等人对l f 6 铝合金的电子束焊接进行了研究，结果表明，焊接接 头存在一定的软化，其抗拉强度为母材的9 1 2 ，除延伸率比母材高外，断面收缩率 和冲击韧性与母材相比均有所降低，在合适的参数匹配下，焊缝不会出现热烈纹以及 氧化膜所导致的熔合不良与夹渣等问题瞄l 。 沈阳金属研究所等单位在电子束焊深熔及缺欠产生机理及控制方面的研究取得 了一定的进展。提出了电子束径非均匀线热源与聚焦点热源番加的热源模型，并对 l d l l r 铝合金电子束快速焊时的空腔前沿热场分布进行了研究，建立起电子束空腔前 沿的传热数学模型，并通过研究功率密度与熔化空腔前沿s i 、m g 溶质原子的交互作 用对液态金属迁移的影响提出了相应的深熔及缺欠形成理论1 2 6 l 。 另外，在新材料的电子束焊接方面，国内对t i 3 a 1 基合金、金属间化合物n i 3 a 1 以及1 4 2 0 铝锂合金进行了电子束焊接性的研究，探讨，焊接工艺参数对接头性能的 影响闭。 美国、独联体各图的研究人员利用电子柬对铝合金、钛合金、碳钢、合金钢、不 锈钢、及高强钢等材料进行了焊接工艺试验，对于电子束焊接工艺参数( 加速电压、 焊接电流、焊接速度、聚焦电流、焦点位置等) 对接头组织及性能的影响进行了研究， 并对气孔、裂纹及钉扎等缺陷的产生机理进行了探讨，提出了相应的工艺解决拮施： 4 预论文 异和铝舍金薄板自动双缝焊研究 对电子束焊接温度场、应力应变及其引起的裂纹生成扩展行为进行了数值描述研究 【2 8 】。 d r a u g e l a t e s 等人成功地对a 1 施l 和a 1 m g 。, s i 。2 合金进行了局部真空高速电子 束焊接，结果表明，在6 0 c m m i n 的高速下焊接可生产出无焊接缺陷的焊缝柳。 mcc h a t u r v e d i 对航空航天用的新型替代材料t i m 合金的电子束焊接性进行了 研究。研究表明，t i a l 合金的热裂纹倾向并不明显，在焊后快速冷却的情况下其冷 裂纹敏感性严霞。其焊后显微组织结构与焊接速度、热输入大小及预热温度有关，即 取决于冷却速率 3 0 l 。 英国焊接研究所( t w i ) 对铝基合成材料进行了电子束焊接工艺的试验研究，探讨 了焊接参数的合理制定及电子束工艺参数对焊缝质最的影响p “。 近年来，国外对电子束焊及电子束加工的研究主要在于完善超高密度电子束热源 装置；掌握电子束品质及材料的交互行为特性，从而改进加工工艺技术；通过计算机 及c n c 控制提高设备柔性以扩大其应用领域。 1 2 4 高效自动双丝焊接技术 高效自动双丝焊接技术是近年来开发应用的一种新型焊接方法。双丝焊设备的结 构有两种：t w i na r c 法两根焊丝共同用一个导电嘴和一个气体喷嘴；t e n d e m 法 两根焊丝分别使用单独的导电嘴，但共用一个气体喷嘴。由两个焊接电源、两个 送丝机和共同的送双丝的电缆。为防止两电弧的相互干扰，采用脉冲m i g 脉冲m a 6 焊，保持两电弧交替燃烧。其性能特点如下： ( 1 ) 焊速高。在薄板焊时，焊速可达3 6 m m i n ，比普通单焊丝快5 1 0 倍； 在厚板焊时，可采用巾l j2 咖焊丝。由于用的电流较大，所以提高了焊丝干伸长部分 的电阻热，焊丝的熔化速度可大大提高。 ( 2 ) 焊接质量好，焊铝时可减少气孔量，焊缝成形美观。 ( 3 ) 可焊接低碳钢、低合金钢、不锈钢和铝。 在第1 5 届法国埃森展会上，已有法国、德国、荚国和奥地利等几家公司现场疑 出了以上两种形式的双丝焊设备，主是是以机器人焊接形式出现。由于双丝焊工艺比 较复杂，国内关于其理论研究尚处于空白。关于设备研究，由于它不是一台简单的焊 机，往往是以焊接机器人为乎台的一整套系统，这种配套生产方式，目前国内只有少 数厂家有适应能力。而且由于缺乏必要的技术支持，至今国内还没有厂家生产。目前， 北京工业大学焊接设备研究与开发中心正在这方面开展研究工作。据报道，珠海雅各 臣公司从德固c l o o s 公司引进了t e n d e m 高速，高效m i g m a 6 焊双丝技术，正在国内 推广应用。焊2 3 m m 薄板时，焊速可达3 m i n ；焊8 m m 以上厚板时，熔敷效率可达 2 4 k g h 挖矧。双丝焊既是高速焊接法，又是高熔敷率焊接法，目前很多国家都在研 5 碜十论文异种铝合金薄板自动硬鲢悼研究 究双丝焊接技术，而且已经比较成熟。 明珠、王克鸿等人采用双丝气体保护焊对4 0 m , n 厚7 a 5 2 铝合金扳进行焊接工艺试 验，研究了坡口形式和参数等对接头质最的影响，确定了最佳的双丝气体保护焊工艺 及参数。焊缝缺陷、硬度、组织分析和力学性能等方面的榆测表明：对于4 0 m m 厚7 a 5 2 铝合金板，采用双丝气体保护焊工艺可得到优良的焊接接头蚓。 卢振洋等人在熔池金属流体力学模型基础上对焊接工艺进行研究。采用短路电流 双折线配合特殊燃烧的电流波形控制，提高单丝焊接工艺速度；采用两台脉冲焊接电 流协同工作方式，实现了双丝高速焊接，提高了焊接速度，改善了焊缝成形【蜘。 杨春利等人建立了高强度铝合金双丝m i g 焊熔滴过渡高速摄像系统，获得r 不同 参数下的脉冲熔滴过渡形式，为控制焊接热输入量以及焊缝成形奠定了基础硐。 王元良等人系统研究了细丝双丝双弧、双丝单弧预热填丝、以及细双丝三弧埋弧 焊接及堆焊研4 0 l 。研究证明：双丝单弧埋弧预热填丝焊是一种高效节能的新方法， 在焊丝渗合金堆焊方面有很好的焊接效果。细丝双丝双弧埋弧焊中，在有较高的焊接 接头低温韧性要求，但对焊缝强度和屈服强度没有过高要求的焊接条件，采用微合金 化焊丝能够改善焊缝的强韧性匹配，能提高焊缝及熔合区韧性。细双丝三弧埋弧焊与 细单丝埋弧焊相比较，细双丝三弧埋弧焊是种高效节能、便于焊丝渗合金焊接和堆 焊的新方法 华人龙等人进行了单电源双丝埋弧自动焊研究，提出r 一种商熔敷率，高焊接速 度、低热输入的埋弧焊方法。通过改变焊丝排列方式和丝间距，可以使焊缝成形、熔 深、熔宽、稀释率得到调节。该方法适用于稀释率低的耐磨或耐腐蚀表面的埋弧堆焊， 也能用在各种对接、角接焊缝的单道或多道高速埋弧焊f 4 ”。 付魁军以x 7 0 管线钢为母材，研究了双丝埋弧焊工艺参数对焊接接头金相组织与 力学性能的影响，结果表明热输入是影响焊缝以及热影响区韧性的主要因素 4 2 1 。 周友龙等人研究了1 4 m m n b 钢双细丝坶弧焊接以及多种母材与焊材匹配的对、角接 接头性能和组织研究，较为深入地分析了接头性能与组织的关系。表明采用双细丝埋 弧焊接工艺，可以改善焊接热循环和接头的组织状况，保证接头高力学性能，并且调 整焊缝成分方便，生产率高1 4 3 。 x u ，w e n l i 等人，对高强铝合金双丝焊接温度场进行了分析研究；而且对2 2 1 9 高强铝合金的双丝焊温度场进行了数学模拟，并在实际焊接温度测量中对数学模型进 行证实 4 4 1 。 t u s e q c 建它了数学模型对双丝焊焊丝熔敷率过程进行研究，并且在实践中，对焊 接模型得到数据结果进行了验证。结果证实该模型是一个简单，准确便于应用到实际 生产中的有效模型【4 5 l 。 t u s e k 对双丝和三丝埋弧焊进行了研究，结果表明焊丝增加对工件变形、熔敷率、 6 硕t 论文 异种铝合台薄板自动双缝焊研究 电弧能鼋以及接头性能均产生影响 4 6 1 。 ， 日本学者进行了t a n i ) e mm a g 焊接研究，重点进行了焊接金属熔池模型分析，进 行了两个电极之间距离对金属熔池稳定的研究。而且对焊丝进行了研究改进，使其更 有效适应高速度双丝焊接【4 7 l 。 日本在第5 4 届i i w 年会上发表的双丝m a g 焊工艺，其原理是用熔池过热多余的 热量来熔化填充焊丝，增加熔敷率，同时用大电流提高焊接速度。在焊接电流大，焊 接速度快的施焊条件下，由于填充丝吸收了热最，母材热影响区热输人大为减少，减 少了性能恶化和变形，也改善了焊缝成形【峨例。 1 3 稳健设计的发展现状 早在1 9 2 0 年英国学者费歇( 兄a f i s h e r ) 首创了“试验设计法”，并首先应用在 农业生产中。二次世界大战中，英美等国将试验设计法应用于兵工生产中，取得了丰 硕的成果。 近年来，稳健设计( r o b u s td e s i g n ) 已被推荐为提高和改进产品质量的一种有 效的工程方法。目前有关工程稳健设计的力法人体可以分为两大类：一类是以经验或 半经验设计为基础的方法，称为传统的稳健设计方法；另一类是以工程模型为基础的 方法，而且与优化技术结合发展成为工程稳健优化设计方法弧5 1 】。前一类在一砦技 术文献中是指t a g u c h i 稳健设计法、响应面法等；后一类是指容差多面体法、父敏度 法、变差传递法、随机变量法等5 2 蚓。 1 3 1t a g u c h i 稳健设计法 t a g u c h i 法又称损失模型法或三次设计法 5 5 1 。此方法强调任何一种产品或一个过 程的设计都必须经过系统设计、参数设计和容差设计三个阶段。通过用正交表对设计 参数计其所设定的容差大小安排进行试验，模拟设计参数和噪声参数对产品质霞的干 扰，并用鬯目损失函数和望目特性的信噪比( s n 比) 的大小作为衡最产品质最特性 的稳定性指标以确定设计变量值及其容差的合理搭配，确保所生产的产品获得质量特 性的稳定性。这一方法一提出就被日本工业界所采用，并以产品性能稳定而在国际市 场上赢得了信誉。随后也在欧荚的一些工业发达国家得到了推广应用。 1 3 2 响应面法 响应面法或响应模璀法源于7 0 年代的统计实验设计法，其设计思想先于t a g u c h i 法，可以同时处理含有设计参数和噪声参数对产品质嚣的影响问题价蛐，是欧美国 家近年来比较流行的一种工程稳健设计方法脚1 。该方法一般分参数筛选、区域寻找和 优化三个阶段进行。在参数识别的基础上，对各参数在所设定的变动范围内给出几个 7 碗t 论文 异神铝台金薄扳自动权蛭俾研究 水平值，再通过小规模的试验获得各参数与产品质肇的相关数据，然后用阶或二阶 模型拟合出响应面函数，取其均值和方差，然后根据此模型用图解法和分析法找出问 题的最优解。这一方法如果遇到噪声参数相关和参数的维数较高时，将会使模型的拟 合变得 常复杂和困难。因此现时流行使用的是计算机试验设计和分析的策略。这样， 设计人员通过c a d c a e 软件就可以比较容易地控制产品的设计质量。 1 3 3 容差多面体法 一般地说，容差越大，产品的成本就越低。因此，容差多面体法的基本思想是通 过调整设计变量及其容羞的大小来提高产品对一些因素干扰的不灵敏性，其核心就是 寻求一个能嵌入设计宅间( 由产品质量性能指标所决定的) 内的由设计变量及其最大 容差所定义的多面体伊l 。多面体的“中心”就是所求的稳健设计解。可见，这个解即 使由于生产和工艺条件不能精确达到设计的名义值时，也能保证产品的质疑。一般的 求解方法是，先求问题的一般设计解，再在此基础上确定设计变最的容差，然后用线 性规划方法或随机模拟方法找出其稳健设计解。近年来，也着手研究一种在设计可行 域内寻找嵌入最大容蔗多面体“中心”的搜索算法。 容差多面体法的缺点是只考虑可控因素变差的影响，冈此比较适用于容差设计闯 题，如按“最坏情况”的容差最优设计等【6 0 j 。 1 3 4 灵敏度法 由于稳健性是指产品质基性能指标对可控冈素和不可控因素变差影响的不灵敏 性，因此，可利用灵敏度分析理论来进行产品的稳健设计。一股可分为灾敏度分析法 和最小灵敏度法。灵敏度分析法的中心思想是估计出设计变量变差或约束变差( 由可 控因素和不可控因素变差引起的) 对质鞋忭能指标影响的大小。而用最小灵敏度进行 稳健设计一般是合理选择设计变量使不可控因素对产品质蘑的影响达到最小，即不灵 敏性。因此，用灵敏度进行稳健设计是一种未计及设计变量容差的设计方法。 1 3 5 随机模型法 由于可控因素和不可控因素多数具有随机性，因此采用随机模理进行工程稳健设 计有着霞要的应用价值。一般约束问题的最优解都是迫使最优点贴近约束面，而这样 的解从可行性方面看显然是不具有稳健性的。因此，稳健优化设计一般应包含两层意 思：一是最优解的可行稳健性，即当可拧因素与不可控因素发生变动时，设计解仍保 证是可行的；二是质最性能指标的稳健性，即对可控因素与不可控因素变动的影响是 不灵敏的可行稳健性可由约束条件应满足规定的概率值描述，概率值越大，最优解 硕 论文异和铝合金薄板自动权蛭焊研究 的可行稳健性就越好。求解随机模犁的一种比较有效的方法是以离散变量优化设计方 法为基础的随机模拟搜索算法。当然，还有其它一些方法。 1 3 6 其它相关方法 除上述方法外，还有一些其它相关的研究：( 1 ) 在稳健设计中包括“调整”参数， 即在产品设计中设置一种调整机构，通过改变它的参数来消除可控因素与不可控因素 的影响，保证产品质最的稳健性；( 2 ) 在稳健设计中考虑到随机变最的相关性问题， 这是针对当前的一些方法中部认为随机因素是相互独立而言的；( 3 ) 在稳健设计中采 用模糊数学方法来处理影响产品质最因素的不确定性【6 1 l 。事实上许多问题采用模糊概 率论的数学方法来进行稳健设计更符合实际。 1 5 课题研究内容 研究自动双丝熔化极惰性气体保护焊焊接铝合金薄板的焊接性。具体针对5 m m 厚 5 0 8 3 防锈铝合金和6 0 6 1 锻铝合金的焊接，对焊接工艺、焊接接头的性能、焊接接头 质藿进行系统的焊接性研究。实现异种铝合金单面焊双面成形和高效自动化焊接。本 课题土要解决如下几个问题： ( 1 ) 5 m m 异种铝合金板双丝熔化极惰性气体保护焊焊接性研究； ( 2 ) 5 m m 异种铝合金板的单面焊双面成形研究； ( 3 ) 改善铝合金焊接接头强度的研究； ( 4 ) 自动双丝焊工艺参数与接头性能的稳健优化设计和回归分析。 9 硕十论文 异种铝合金薄板自动双缝焊研究 2 异种铝合金自动双丝焊焊接性研究 如前所述，自动双丝焊具有焊接速度快、焊接铝合金时可减少气孔壁、焊缝成形 美观等优点，本章耋要从叔丝焊原理及特点入手，结合焊接工艺试验，进行铝合金自 动双丝焊焊接性研究，得到适合于铝合金自动双丝焊的焊接工艺参数范围，为后续焊 接工艺的优化设计做准备。 2 1 双丝焊工艺原理及特点 本试验采用t a n d e m 双丝焊接系统，如图2 1 ，该技术将两根焊丝按一定的角度 放在一个特别设计的焊枪里，两根焊丝分别由各自的电源供电，相互绝缘，除送丝速 度可以不同外，其它所有的参数都彼此独立，两根焊丝的直径、材质甚至用或不用脉 冲，都可以不一样，这样可以最佳地控制电弧，在保证每个电弧稳定燃烧的前提下， 将两个电弧的相互干扰降到最低。 图2 1t a n d e m 双丝焊接系统 t a n ”d e m 双丝焊时，两根焊丝以一定角度前后排列，前丝为辅丝，焊接电流较大， 有利于形成较大的熔深，后丝为主丝，电流稍小，起到填充盖面的作用：两根焊丝互 为加热，充分利用电弧的能量，实现较大的熔敷率，使熔池里有充足的熔融金属和母 材充分熔合，因此焊缝成形荚观；一前一后两个电弧，大大加艮了熔池的尺寸，延长 了熔池的存在时间，使熔池中的气体有充足的时间析出，因此气孔倾向较低；这种焊 接方法虽然热输入最较大，但焊接速度很快，可以达到3 4 m m i n ，斟此焊接线能量 1 0 硕士论文 异和铝合金薄扳自功权耸但研究 反而小，焊接变形也很小。与其它的焊接技术相比其熔敷速度快、焊接效率高、焊接 质最好、飞溅少。 2 1 1 双丝电流波形协同方式 2 1 。1 1 脉冲协同脉冲形式 该方式两台电源选择脉冲频率相同，能够将电磁干扰减小到最小，电弧的稳定性 好。电流波形如图2 2 所示。 l hr l士* 南港 卜 基值电0 辣贫 周期 ： l 1 ”i “? 1 “ 图2 2 脉冲协同脉冲过渡电流波形 2 1 1 2 平直协同脉冲形式 该方式采用协同器控制，获得稳定的熔滴过渡，前一个焊丝采用非脉冲电流波形， 能够获得较大的熔深。电流波形如图2 3 所示。 i 。 慧枫电流 i | 最，几 脉寞 i 1 l 图2 3 脉冲( 主) 平直( 辘) 电流波形 采用脉冲协同脉冲形式，焊接电流稳定，飞溅、噪音等不稳定因素都能够达到 最小。而平直( 辅) 协同脉冲( 毛) 形式，采用适合的参数配比能够获得相对较大 的熔深。 硕士论文异种铝金薄扳自动双畿挥研究 2 1 2 双丝焊电弧熔滴过渡方式 双丝气体保护焊焊接过程中能够获得的电弧熔滴过渡方式一般有四种，如图2 4 所示。 图2 4 双丝m i g m a g 熔滴过渡方式 ( 1 ) 短路过渡：这种过渡方式土要在低能量的焊接过程中才出现。当焊丝接触 到焊接熔池的瞬问，金属熔滴形成，伴随着焊接电流的迅速长犬，当电流增大到一定 程度，金属熔滴脱落，接着f 一个过渡开始。该电流输出波形如图2 5 所示。 短路过渡+ ：在t a h d e m 系统用在铝合金焊接过程中，能够有效的减小焊接飞溅， 降低焊接成本。该焊接电流波形，保证了小电压的条件下，获得j ，高速焊接，减小了 焊接变形，改善焊接熔深形貌。电流波形如图2 6 所示。 图2 5 短路过渡电流波形围2 6 短路过渡+ 电流波形 图2 7 滴状过渡电流波形 图2 8 射流过渡电流波形 1 2 硕论文异种锯台金簿扳自动双缝焊研究 ( 2 ) 滴状过渡：随着焊接能量增加，电流相对与射流过渡临界电流小的条件下， 出现的过渡方式。熔漓形成于焊丝端部，且熔滴直径大于焊丝直径。 在t a , n d e m 焊接电流波形下，能够获得稳定熔滴过渡，有效减小飞溅，而且能够 进行全位置焊接，如图2 7 示。 ( 3 ) 射流过渡：该方式有高焊接能量。在焊丝端部形成细小的焊接金属微粒， 在焊接轴线方向进行喷射过渡。t a n d e m 焊接电流输出波形如图2 8 示。 ( 4 ) 旋转喷射过渡：该方式焊接能量很大，飞溅丈，焊接过程不稳定，t a n d e m 焊接一般很少采用。 2 2 铝合金双丝焊试验条件 2 2 1 试验设备 本次试验所用的设备是法国s a f 公司的s t a r , m a t i cr 4 5 0t o p m a g 自动双丝焊接 机，其整个焊接系统如图2 9 所示。 图2 9s t a r m a t i cr 4 5 0t o p e g 自动双缝焊接机 设备构成： ( 1 ) 2 个s t a r m a t i cr 4 5 0t o p m a g 电源，一个为主电源，一个为辅电源。空 载电匝为7 0 伏：电流变化范围2 0 a 4 5 0 a ：最大功率为2 4 k w ，其外观如图2 1 0 。 图2 1 0s t a r 姐t i cr 4 5 0t o p m a g 电源外观照片 硕 论文异和h 铝合金薄扳自动_ 双蛙焊研究 每个s t a r m a t i cr 4 5 0t o p m a g 分为三个部分：控制部分，电源部分和冷却部分。 控制部分用来调节焊接时两个电源的工艺参数并且能储存设定好的工艺参数程序。 ( 2 ) t o p m a g 远程控制单元。调节参数包括e 、辅机电流、电压、焊丝送丝速度、 气体流量检测、错误记忆删除、人t 送丝操作键等，如图2 1 l 。 图2 1 1t o p m a g 远控面板照片 ( 3 ) 2 个集成送丝机构d 7 送丝机。送丝机采用欧式接口、4 轮驱动送丝，送 丝控制可以分为手动和气动两种方式，焊丝选择直径范围为0 8 1 6 m m ：送丝速度 变化范围为1 2 0 m m i n ，送丝机的驱动马达为5 0 v c c o 4 0 0 0 r p m 。外观如图2 1 2 。 图2 1 2 送丝机照片 ( 4 ) t & n d e m 焊枪( t t a 9 0 0 ) 。焊枪外观如图2 1 3 。焊枪相连的两根电缆线是不 导通的，分别与主、副电源连接；焊枪的两个导电嘴的倾斜角度是不同的，前一个导 电嘴轴线垂直于水平面；后一个导电嘴轴线与水平面的垂直线的夹角为1 5 。 图2 1 3t t a 9 0 0 结构照片 1 4 硕 论文 异种锅台全薄板自动双域悍研究 2 2 2 组织性能检测仪器设备 显微组织观察设备：日本o l y m p u s - 1 型显微镜，放大倍数为5 0 2 0 0 0 倍； 成分分析设备：美国f e i 公司生产的q u a n t a - 2 0 0 型x 射线能谱仪( e d a x ) ； 硬度检测仪：上海第二光学仪器厂制造的嗽一1 0 0 0 型显微硬度计，使用维氏压头； 焊缝力学性能测试设备：英国i n s t r o n - 3 3 6 7 型拉伸试验机。 2 2 3 试验用母材及焊丝 母材采用厚度为5 唧，牌号分别为5 0 8 3 的防锈铝合金和6 0 6 1 的锻铝，其化学成 分见表2 ，l ，其中5 0 8 3 为退火状态，6 0 6 1 为固溶处理+ 时效状态。试验用材尺寸为： 1 5 0 m i n x 6 0 咖5 m m ( 长宽厚) 。 焊接材料采用直径为1 2 m m 的e r 5 1 8 3 铝合金焊丝，其化学成分见表2 1 。 表2 1 母材及焊缝化学成分 牌号s i m g m nf ez n c e杂质 5 0 8 30 4 04 0 4 90 4 1 o0 4 0o 2 5o 1 00 1 5o 1 5 6 0 6 l0 4 0 80 8 1 2 0 1 50 7 0o 2 50 1 5 o 4o 1 50 1 5 5 1 8 30 4 04 3 5 2 0 5 1 0 o 4 0 0 2 5o 1 0o 1 5o 1 5 2 3 铝合金自动双丝焊焊接性试验 2 3 1 焊前准备与工艺参数分析 2 3 1 1 焊前清理 焊前清理是保证铝合金焊接质量的一个莺要工艺措施。众所周知，由于铝合金及 其容易氧化，表面生成一层致密f | i i 坚硬的氧化薄膜，该薄膜很容易吸水，它不仅妨碍 焊缝的良好熔合，面且是生成气孔和夹渣的根源之一此外，如工件表面被油污、锈、 垢污染后，也会引起焊接缺陷。为了保证焊缝质屠，防止气孔、夹杂、未焊透等缺陷 的产生，焊酊要对工件及焊丝进行严格清洗，去除其表面的油污及氧化膜。 ( 1 ) 脱脂去油处理 将焊丝、焊件待焊处的油污用丙酮溶液进行擦洗。擦洗时要注意将焊接坡口及两 侧3 0 5 0 m m 范围内的部位都要擦洗干净。 ( 2 ) 去除氧化膜处理 去氧化膜可以采用机械的力法或者化学处理的方法。本试验采用机械法去除氧化 膜。 机械去除氧化膜：用铜刷、不锈钢刷或者刮刀把坡口及两侧5 0 m 范围内的的氧 化膜刷除或者刮除干净，露出金属光泽。不可采用砂纸或者砂轮打磨，因为铝及铝合 1 5 硕士论文 异和铝合金薄板自动双蝗焊研究 金材质较软，在打磨过程中沙粒可能被压入母材内，在焊接时可能会产生焊接缺陷。 清理后还要用丙酮或者酒精清洗。以去除残余氧化膜或者油污等。 工件和焊丝清理后需及时施焊，因为存放过程中又会重新生成氧化膜，所以在清 理之后最好及时施焊，最多不要超过2 4 小时，超过规定时间需蕈新清理。 2 3 1 2 工件摆放位置与接头形式 由于本试验为5 m m 薄板铝合金的单面焊双面成形工艺，所以焊接时工件反面需加 不锈钢垫板，垫板中央开有成形槽，使焊缝背面强迫成形，以保证焊缝反面成形良好， 垫板形状如图2 1 4 所示。另外，本试验焊接工件接头形式分为两种：一种工件为开 坡口，留有钝边；另一种为不开坡口，不开坡口的工件摆放时，为了保证工件能被焊 透，中间留有问隙，两种工件的摆放与接头形式如图2 1 5 所示。 图2 1 4 不锈钢垫扳示意图 凹槽 ( a ) 不辨坡口 ( b ) 开坡口 扳 图2 1 5 工件摆放与接头形式 2 3 i 3 喷嘴高度 喷嘴高度是指焊枪喷嘴下端面与工件待面的垂直距离。如果喷嘴过高，会使焊缝 保护不够，形成气孔，夹杂等缺陷，也会造成焊缝氧化严重的问题：喷嘴过低时，喷 嘴离熔池过近也可能会对喷嘴造成损坏。般喷嘴高度应控制在1 2 1 5 m m 。 硕士论文异搴b 铝合金薄板自动双鲤焊研究 2 3 1 4 焊接规范参数及各种功能的设定 在每个电源的控制部分能显示并调整焊接时所有的焊接参数，并能储存新的焊接 程序或调用已有的焊接程序。本试验上要是通过选择合适的焊接电流、焊接电压、焊 接速度以及保护气流最来完成试验设计的，但是s t a r m a t i cr 4 5 0t o p m a g 自动双丝 焊接机除了以上焊接工艺参数外，还存很多可调参数，如焊接模式、起弧方式、热启 动、预送气时间和后送气