（材料加工工程专业论文）铸钢件堆焊层人工神经网络成分预测及耐磨性的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 多大型工程机械设备采用铸钢制造，有些零部件长期受热受遥及磨粒磨损，造 破坏严重，用堆焊方法将耐磨材料堆焊于铸钢工程机械零部件表面的方法提高 了耐磨性，延长了零件的使用寿命。堆焊作为铸钢表面改性的一种经济丽快速的工艺 方法，又由予它商着堆爆层与基材间的牢固的冶金绪合强度等特点，越来越被广泛她 在工业务个部f 1 德到应用。 影嫡缝烬金摄癌料磨损。陡筏熬嚣素主要务缝织因素强力学毽索。同一残分、间一 缀级翡耀焊金属，在静载荷程、薛寿载荷静作蠲下，耐磨释磨攒惶麓差异徽大。本文对 所研静j 的5 稀成分的堆焊药芯烊丝的难焊金属的静载荷磨料磨损性能进行了系统的 研究。 试验证明，化学成分对堆焊层耐磨性具有决定性的影响。我们自行配制的药芯焊 丝堆焊而成的几种c r , m o 含鬃m ( c r , m o ) 很高的堆焊层组织中肖马氏体、残余奥氏 体、粒状贝氏体、针状铁索体和糍硬度的碳化物等组织。这些组织的存在提惠了壤焊 屡耐磨性。从试捞的磨损形貌可以看到，尼秽磨撰失燕小的堆焊金属縻撰主要是以曼 微切剡黪搬嚣发生戆，堆焊层具蠢较优异黪瓣瘊性。箍这冗释耐黪堆烊层c r , m o 含量 、 ( c r , m o ) 缀高。、墨 对铸钢粹进行逢烽，须设计帮计算罐弹药芯霹丝含金的缎分和含麓，以保证所要 求的熔敷层金属的化学成分怒非常重要的。然而这些合金元素的加入，发生了复杂的 冶金化学反应，很难用解析的方法确定堆焊层金属成分与药芯组成之间的数学关系。 而人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 技术的发展对解决堆焊过程中的大量存在 的非线性阀题提供了强有力的工具。建立药芯组成、王艺规范与熔敷众属化学成分闽 的关系，在已如癸芯成分葶噩壤焊王艺规范黠，能够较壤确蟪礁定壤焊矮金最熬纯学成 分扶入王神经鼹络具有静强犬憨嚣线性秘并行处理静特煮邂发，结会堆焊冶金静复 杂性鞍不确定性黻及络敷金瘸是药芯焊熊缎成，弹接工艺蕊范等诸多豳素酌复杂的菲 线性涵数的特点，探讨使用人工神经阏络预测难洋层化学成分是很有意义的工作。 、f 论文基予入z 神经网络( a n n ) 技术，建立了药芯焊丝组成与熔敷金属化学成分间 k 薪 万 华中科技大学硕士学位论文 的关系模型。a n n 采用v i s u a lc 十+ 作为歼发乎台具有良好的用户界面，使用方便使用 a n n 模型对试验数据进行分析处理，可以找出其中的数值规律分析焊接材料与堆爆 层成分之闯的关系，遴一步预测耐磨性。使用a n n 模型，还可以节省大量的试验，降低生 、 ， 产成本，提裹了生产效率，县鸯缀强静实黪意义：；， j 本文蓄次提邂势实现了铸锅俘辩密经难焊屡纯学成分预测豹a n n 模型稻软件。 舀行编制的神经网络的调练曲线 | 曼敛往好。通道实际裣涮缩果鸯神经网络计算结莱 的比较可以看出，模型疑有较好的记忆能力；模型能够通过样本的学习我出其中的 数学规律，网络平均误蓑很小( 2 0 0 。堆焊层在空蚀打击下具有良好的加工硬化性能，因而具有较好的抗磨蚀性 能。但由于该类焊条焊接烟雾很大且含有大量的m n 及m n 氧化物粉尘，可导致焊工严 重的锰中毒，危害工人健康，现已很少采用。 ( 3 ) a 1 0 2 、a 1 3 2 焊条该焊条为c r l 8 n i 9 系列奥氏体不锈钢焊条，a 1 3 2 中因 加入金属n b 具有比a1 0 2 更好的抗磨蚀性能和高的硬度( a1 0 2 hb 2 0 0 、a1 3 2 h b 2 5 0 ) 。从三门峡等电站应用结果看，a 1 3 2 的抗磨蚀性能也好于a 1 0 2 焊条。a 1 0 2 和a 1 3 2 焊条为目前国内各领域中广泛采用的抗磨蚀焊条，这是因为：该类焊 条为国内非常成熟的焊条品种，生产厂家很多，易于购买，与其它抗磨蚀性焊条相比， 价格较低，焊条烟雾小，飞溅较小，成型好，抗裂性好，很受操作工人欢迎。该类焊条 具有比z g 2 0 s i m n 和z g 3 0 更好的抗腐蚀性能，打磨加工性好，具有成熟的推广应用经 验。但a1 0 2 、a1 3 2 焊条用于磨损部件的抗磨蚀修复有着严重的不足和令工作人员 不满之处：该类焊条堆焊金属因强度、硬度较低，堆焊层在高速磨损下的抗磨蚀性 能显得甚至不如z g 3 0 ，即使是在中等摩擦速度的情况下也显得难以有效防护机械零 件的磨蚀。该类焊条焊芯为0 c r 2 0 n i l 0 ，电阻系数大，致使焊条尾都发红、脱皮难 以焊接。为解决这一问题，药皮大都采用高硅酸盐渣系，使得该类焊条对气孔非常敏 感刚烘干的焊条拿出不久就吸潮，产生焊接气孔。即使是国际名牌ok 焊条亦是如 此。因有些机械零件部分地方非常潮湿，使a1 0 2 、a1 3 2 很难避免气孔，降低了堆焊 层的致密度，造成了无数的空蚀源，严重降低其抗空蚀效果。磨蚀破坏均从气孔处开 始扩大。该类焊条仰焊、横焊、立焊性能较差。当焊条焊到剩1 3 时，即严重发红、 华中科技大学硕士学位论文 开裂，使电弧失去吹力而难于焊接，造成大量浪费，这是各部门所公认的。因而，各部 门在应用a1 0 2 、a1 3 2 焊条作抗磨蚀修复的同时，也在积极寻找更加满意的抗磨蚀 修复专用焊条。 ( 4 ) ac0 3 、gb1 类焊条据介绍，该类焊条均为在c r l 8 n i 8 型材质基础上改 型强化演变而来的抗磨蚀焊条，目前尚处于试用阶段。从反映的情况看，该类焊条具 有较好的抗磨蚀性能。研制生产者如能克服其类似于a1 0 2 焊条的缺点，进一步提高 其对不同钢种的适应性和抗裂性，将不失为很有前途的抗磨蚀焊接材料。 ( 5 ) c r l 3 n i 4 6 m o r e 系列焊条该类焊条还包括c r l 6 n i l 5 、c r l 7 n i 4 等类焊条， 均属超低碳马氏体不锈钢类焊条。该类焊条熔敷金属具有较高的强度和韧性，堆焊层 硬度一般在hr c 3 0 3 5 之间，具有优良的加工性能，其抗磨蚀性能也明显优于a 1 0 2 、a1 3 2 系列焊条堆焊金属，其中抗空蚀性能为1 8ti 型不锈钢的7 倍，是一种公 认的抗磨蚀性能较好的材料( 三峡电站即决定转轮材质选用o c r l 3 n i 5 m o 型) 。目前， 郑州机械研究所研制的o c r l 3 n i 4 6 m o r e 系列焊条，其成分是在母材的基础上强化 而来，具有优于z g o c r l 3 n i 4 6 m o 钢的强度、韧性、抗裂性和抗磨蚀性能。该类焊条 具有优良的抗气孔性能，即使把焊条放到水中浸泡2 4h 再取出也不致产生气孔，有利 于提高堆焊层的致密性和抗磨蚀性能。且全位置焊接性能好，在多家电站应用均得到 工人们的一致认可。仰焊、立焊性能明显优于a1 0 2 、a1 3 2 系列焊条，尾部不存在 发红、开裂、脱皮问题，即使在大电流、连续焊的情况下，也可用到焊条根部，节约了 大量焊条。焊条可交直流两用，焊接烟尘较小，可在如z g 2 0 s i m n 、z g l c r l 8 n i 9 t i 、 z g o c r l 3 n i 4 6 m o 、z g 3 0 上直接施焊，不经采取任何措施也不会产生开裂。适用于机 坑内作业。总之，该类焊条是目前推广应用较广，综合性能较好的一种抗磨蚀专用焊 条。 解决机械零件的磨蚀问题是一个世界性的课题，非一朝一夕之功，研究出性能更 加优良的抗磨蚀堆焊材料用于机械部件表面铺焊防护及磨蚀后的修复处理，将是 条解决抗磨蚀问题的宽广道路。以下几个方面都要作进一步的工作： ( 1 ) 继续提高现有堆焊材料的性能，加强合金元素合理化匹配，使材料在强度、 韧性、强度等综合性能方面有一个整体的提高，进而提高堆焊层的抗磨蚀性能。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 让新材料及时介入抗磨蚀堆焊领域，如金属间化合物、t i 合金等，开辟抗 磨蚀材料新途径。 ( 3 ) 改进现有的堆焊工艺，使堆焊更易于实施，提高堆焊质量的稳定性。 抗磨蚀堆焊材料的研究不但要考虑材料本身优良的抗磨蚀性能，同时还要考虑 到材料的操作工艺性能、环境适应性、性能可靠的程度等诸多方面。只有多方面综 合性能得到提高的抗磨蚀堆焊材料，才有可能广泛应用于各种机械部件的防护及堆 焊修复，真正起到解决磨蚀问题的作用。 1 2 2 耐磨件堆焊的基本原理及方法 对各种堆焊方法来说，总是希望母材稀释率尽可能低，堆焊质量尽可能高，而 且随着堆焊件尺寸的增大，更迫切需要高效的堆焊方法。一种理想的堆焊方法应该 将“高效，优质，低稀释率”三者集于一身，然而，这三者之间既是密切联系，又 是相互制约的1 3 l 。目前世界各国普遍采用的堆焊方法主要有：手工电弧堆焊，氧乙 炔焰堆焊，埋弧堆焊，电渣堆焊，熔化极惰性气体保护堆焊，等离子堆焊等方法。 随着堆焊机械化程度的提高，手工电弧焊和氧乙炔堆焊由于自身的局限性已远远不 能满足要求，大力发展高效，节能，自动化的堆焊方法是今后世界各国的共同目标。 为了提高堆焊层的质量，除了发展“高效，优质，低稀释率”的堆焊方法和工艺外， 还需要使用优质的堆焊材料来实现，堆焊材料是保证堆焊层性能和质量的基础。国 内外在这方面进行了大量的研究工作，由于零部件所处的工况条件不同，对堆焊层 性能的要求也千差万别，所需的堆焊材料也各式各样，因此，开发出一种合金元素 调配准确，方便，易于加工生产，又适合自动化堆焊工艺形式的堆焊材料，一直是 人们追求的目标，但随着硬质合金复合材料，模具材料。轧辊材料的发展，与之相 对应的堆焊材料的生产成为困扰广大科技工作者的难题，药芯焊丝的出现给堆焊材 料的开发注入新的活力。这主要由药芯焊丝的本身的结构特点决定的。首先是基于 经济的优势，因为实芯焊丝是用适当成分的钢锭轧制拔制而成的，这类合金钢锭往 往是不易获得的，而且价格昂贵。其次，焊丝的制造方法为成分的调配提供最大的 自由度和方便，不象实芯焊丝受钢锭成分调配的限制目前国内堆焊材仍以焊条为 主，只有少数厂家与科研单位从事堆焊药芯的生产和开发工作，无论在产品质量还 华中科技大学硕士学位论文 是品种方面都不及国外的发展水平。因此开展铸钢堆焊冶金方面的基础研究，尤其 是开发新型药芯焊丝具有重大的理论和实际意义。 1 2 3 化学成分对堆焊耐磨层耐磨性的影响 材料科学研究工作者对材料磨损的影响因素及机理进行了较多研究0 1 。如 k a r l h e i n zz u ng a h r t l i 】认为耐磨性并非材料的固有的机械性能，一切磨损事件只能 认为是摩擦体系的一个部分，并且对与磨损相关的因素进行了系统分析，认为影响 磨损率的摩擦体系系数是：a 设计性能：负载传动，运动类型，结构形状，润滑度， 温度环境。b 运行条件：接触面积，接触压力，表面条件，润滑度，温度环境。c 磨粒类型：硬度，尖锐度，形状，尺寸，塑性，耐磨性。d 材料性质：合金成分， 合金微观组织，表面硬度，覆盖层。虽然大多数研究工作围绕着材料性质和微观组 织展开，但磨粒的性质对材料磨损率的影响也相当大，另外，设计特性与实际运动 条件不一定很吻合，文献1 9 - i i 从夹杂物，第二相，晶界，基体结构，内部缺陷，各 向异性几个方面重点加以讨论。 近年来的研究工作表明，堆焊金属的耐磨粒磨损性能与硬度有关，但硬度并不 是唯一和决定性的指标【l “，金属材料的耐磨性与微观组织有很大的关系，就堆焊金 属而占，其耐磨性主要取决于硬质相的类型，性能，数量和分布，基体的形态和性 质，以及与硬质相的匹配关系对耐磨性也有重要影响 1 3 - 1 5 】。由于微观组织决定了堆 焊金属的耐磨性，因此高硬度的堆焊金属并不一定具有良好的耐磨性 1 2 , 1 5 l 。有人指 出，具有奥氏体和贝氏体的金属耐磨性优于具有同样硬度的珠光体或马氏体组织金 属。就是说硬度较低的奥氏体与贝氏体组织可以与硬度较高的珠光体或马氏体具有 相当的耐磨性能，因此，耐磨性是衡量金属耐磨损性能好坏的最终指标。近些年来， 国内外一些研究者对合金元素对耐磨性的影响进行了研究与探讨，比如，张福成等 人对c c r - n i m n 合金系对耐磨性影响进行了研究，葛长路1 7 1 等对f e c b 堆焊合 金的研究，徐国静1 1 8 l 对c r - m n b ，c r - m o r e 合金系的研究，d a na r t h u r l l 5 】对 m o 的研究，陈伯蠡1 明等对c r , m o 的研究，徐国静f 2 0 】等对c m n s i c r - t i b 系的研 究，彭维林【2 1 l 对f e c r - b 的研究。综合他们对各合金元素作用的研究成果可以归纳 为： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 碳的影响 在低应力作用下的磨料磨损，堆焊金属磨损失重随堆焊金属含碳量的增加而降 低 2 2 , 2 3 。也就是堆焊金属的耐磨性随含碳量的增加而增加。在耐磨堆焊金属成分中， 碳( c ) 是最主要合金元素，c 含量增加，堆焊金属耐磨性增强，但其抗裂性能变 差。当c = i 0 4 0 时，堆焊金属出现片状马氏体+ 碳化物+ 残余奥氏体，析出的二次 碳化物呈棒状或杆状，弥散分布于片状马氏体和残余奥氏体的基体组织中，提高了 硬度和耐磨性，但韧性有所下降。因为过高的含碳量将导致材料断裂韧性下降和组 织应力的增加，因此为提高堆焊金属耐磨性，可通过采用多元化金属对堆焊金属进 行强化，使耐磨性与韧性有机结合。 ( 2 ) m n 的影响 m n 与f e 形成为y f e 为基的无限固溶体，起到固溶强化的作用，m n 又是弱碳 化物形成元素，能够置换f e h c 中的部分f e 原子，形成( f e ，m n ) 3 c 型碳化物，对基体 起到丰斥出强化的作用，m n 一方面起到脱氧，脱硫的作用，另一方面，使堆焊金属 在凝固的组织中产生一定量的残余奥氏体。 ( 3 ) c r , m o 的影响 1 5 , 1 9 在c r - m o 所在合金系及所定量范围( c r 5 o ，m 0 4 2 0 ) ，只有少部分c r 与 m o 参与形成第二相，大部分c r , m o 是以固溶态的形式存在于堆焊金属的基体中， 在此种合金含董范围内，c r 与m o 主要以固溶形式来影响堆焊金属的耐磨性能c r c 值增加到4 5 以后，耐磨性提高，c r c 值达到6 ，5 左右时，耐磨性的变化变得缓慢， 直到c r c 值达到8 0 左右时，耐磨性未见明显变化而保持稳定，再提高c r c 已无 意义【5 1 。m o 在一定范围变化，金属的硬度提高，但堆焊金属磨损失重量变化不大， 所以除了利用m o 的其他性能外，加入m o 改善耐磨性并不可行。因此，m o 含量不 宜过多，应控制在m o 3 为寅 1 5 , 2 4 l 。 ( 4 ) v 的影响 v 是强碳化物形成元素，与c 结合形成高强度的碳化物质点，减小固溶碳的数 量，提高堆焊金属的抗裂性能，v c 高熔点有利于抑制网状碳化物的形成，提高堆 焊金属的韧性，一般应控制在2 以下。 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) w 的影响 加入w ，形成硬质相w c 和少量的、c ，w 含量控制在2 7 1 3 2 ，如w 含 量过低，耐磨性下降，过高，堆焊层抗裂性下斛2 5 1 。 ( 6 ) s i 的影响 s i 含量一般4 0 2 7 2 0 1 。 ( 7 ) 稀土元素的影响 在材料中加入适量的氟化稀土，或稀土硅铁，能细化堆焊层组织，净化晶界， 提高堆焊层的硬度和耐磨性，当加入过量的稀土硅铁会使含硅量过高，沿晶界析出 大量杂乱无序的夹杂物，加入适量稀土硅铁可发挥良性作用。 综上所述，这些合金元素对微观组织及耐磨性的影响的研究，已经进入了较深 层次，但大部分是对部分元素单独作用造成的影响研究，未能对这些元素综合作用 的影响进行全面的研究，为此，本研究将借鉴前人研究成果的基础上，对堆焊层多 种合金元素对耐磨性的影响进行综合研究，找出其规律性。 1 2 4 人工神经网络对堆焊层化学成分的预测方法 铸钢件的堆焊冶金过程是一个极其复杂的非线性过程，影响因素多。近年来国 内外在利用人工神经网络对堆焊层化学成分的预测上有一些报道。这是因为人工神 经网络技术的发展对解决焊接过程中大量存在的非线性问题提供了强有力的工具。 人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ，简称趟呵n ) 是借仿生理学上的真实人 脑神经网络的结构而构成的一种信息处理系统，从系统的观点看：人工神经网络是 由大量神经元通过极其丰富和完善的联想而构成的自适应非线性动态系统f 2 7 】。人工 神经网络具有自学习能力，自组织能力，容错与自修复能力，模式识别及检索能力 和联想推理能力等五大特点。人工神经网络在解决焊接过程自动化控制方面显示了 巨大的优越性，在工艺参数的选择及质量检验上也应用较多。如清华大学彭金宇等 设计的用于确定焊接工艺参数的b p 网络模型c 2 6 】，吉林工业大学开发的用于焊接工 艺参数选择和质量检验的w p p n n ，w p s n n ，n n l s 等。控制方面如美国学者w j m e s s l a r 等开发的用于电阻点焊控制的a n n - - f u z z y 系统等，但在冶金研究方面 进展仍很缓慢。因为冶金研究方面的样本数量大，需要大量的实验工作，造成成本 7 华中科技大学硕士学位论文 很高。 我们即将研究的铸钢件耐磨堆焊，必须保证堆焊金属的化学成分，计算堆焊药 芯焊丝的组成成分，以保证所要求的熔敷层金属的化学成分是非常重要的，这些合 金元素的加入，发生了复杂的化学反应，很难用解析的方法确定堆焊层金属成分与 药芯组成之间的数学关系，而且工艺规范也对合金元素的过渡产生直接的影响，目 前在药芯焊丝配方研究与设计时，绝大多数焊材生产厂家仍采用传统的合金元素过 渡系数经验值，通过拔制一系列的药芯焊丝，施焊，对熔敷金属成分进行化学分析 等实验，来反复调整药芯配方，直到达到理想的药芯配方，而合金元素过渡本身又 随焊接工艺规范，药芯组成，母材稀释率等来变化。因此，这不仅需要大量的实验 工作，而且许多实验是盲目的，造成时间和人力物力的浪费。 因此，建立药芯组成，工艺规范与熔敷金属化学成分间的数学模型，在已知药 芯成分，堆焊工艺规范时，能够方便地确定堆焊层金属的化学成分，对研究堆焊材 料具有重大意义。从人工神经网络具有的强大的非线性和并行处理的特点出发，结 合堆焊冶金的复杂性和不确定性以及熔敷金属是药芯焊丝组成，焊接工艺规范等诸 多因素的复杂的非线性函数的特点探讨使用人工神经网络预测堆焊层化学成分是 很有意义的工作。 ( 1 ) 人工神经网络的发展与现状 人工神经网络是一个并行和分布式的信息处理网络结构，它一般由许多个神经 元组成，每个神经元只有一个输出，它可以连接到其它的神经元，每个神经元有多 个连接通路，每个连接通路对应于一个连接权系数。 神经网络是对人脑和功能的抽象和模拟，是由大量的非线性处理单元广泛互连 而成，它与传统的冯诺伊曼机构计算机有着本质区别。人工神经网络以神经元广 泛的互连来存储信息，以非线性神经元来协同处理信息。因此它具有大规模并行处 理能力，极强的鲁棒性和容错性，很强的自学习功能，善于联想、综合和推广。 人工神经网络的研究始于上世纪的1 9 4 3 年，它是由心理学家w s m c c u l l o c h 和 数学家w p i t t s 所提出的m - p 模型。该模型除连接权不调整外，其它与现在的阈值 单元模型基本相同。m p 模型的提出不仅具有开创意义，而且还为以后的研究工作 l 华中科技大学硕士学位论文 提供了依据。 1 9 4 9 年心理学家d 0 h e b b 提出了神经元之间突触强度调整的假设。它认为学 习过程是在突触上发生的，连接权的调熬正比于两相连神经元激活值的乘积，成为 著名的h e b b 学习规则。直到现在，h e b b 学习规则仍然是人工神经网络中的个极 为重要的学习规则。 上世纪5 0 年代末，e r o s e n b l a t t 提出著名的感知机( p e r c e p t i o n ) 模型，这是第 一个完整的人工神经网络。这个模型由阈值单元构成，初步具备了诸如并行处理、 分布存储和学习等神经网络的一些基本特征，从而确立了从系统的角度研究人工神 经网络的基础。 1 9 6 0 年b w i n d r o w 和m e h o f f 提出了自适应线性单元( a d a l i n e ) 网络。它可 用于自适应滤波、预测和模型识别。从上世纪5 0 年代末到6 0 年代初，神经网络的 研究受到人们的重视，研究工作进入了一个高潮。 1 9 6 9 年，美国麻省理工学院著名人工智能学者m m i n s k y 和s p a p e r t 编写了影 响很大的 p e r c e p t i o n ) ) 一书。该书指出：单层感知机只能用于线性问题的求解，能 求解非线性问题的网络应该是具有隐含层的多层神经网络，而将感知机模型扩展成 多层网络是否有意义，还不能从理论上得到有力的证明。由于m i n s k y 的悲观结论， 加上当时逻辑推理为基础的人工智能和数字计算机取得了辉煌的成就，从而大大降 低了人们对神经网络的研究热情。在这之后近l o 年中，神经网络的研究进入了一个 缓慢发展的低潮期。 进入8 0 年代，神经网络的研究又引起了众多学科领域学者的关注，并很快形成 了热潮。美国加州理工学院生物物理学家j j h o p f i e l d 于1 9 8 2 年和1 9 8 4 年在美国科 学院院刊分别发表了关于一个新的神经网络模型- - h o p f i e l d 网络模型和实现 h o p f i e l d 网络模型的电子电路的两篇文章。他在这种模型的研究中首次引入了网络 能量函数的概念，并给出了网络稳定性的判据。开拓了网络用于联想记忆和优化计 算的新途径。 1 9 8 6 年d e r u m e l h a r t 和j l m e c l e l l a n d 及他们领导的研究小组发表了两本专 著： p a r a l l e ld i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g 和 e x p l o r a t i o ni nm i c r o s t r u c t u r ec o g n i t i o n 。 9 华中科技大学硕士学位论文 该书致力于认知微观结构的探索，特别是他们提出的误差反向传播( e b p ) 学习算 法，成为至今为止影响很大的种网络学习算法。 上世纪8 0 年代中期以来，微电子技术和计算机科学的飞速发展，为神经网络 的技术实现提供了更加有力的支持。神经网络的研究涉及的应用领域非常广泛。就 应用技术领域而言有计算机视觉，语言的识别、理解与合成，优化计算，智能控制 与复杂系统分析，模式识别，知识处理，专家系统和人工智能等。在焊接领域，现 已有研究者将人工神经网络用于焊缝跟踪、焊接质量的智能化控制等方面 3 3 4 1 】。 ( 2 ) 人工神经网络的特点 人工神经网络具有如下特点： 具有自学习能力，与传统的专家系统中知识以规则的形式表示不同，人工神 经网络是以在实倒的学习中产生它自己的规则，该规则就是修正或改变网络的联接 权值来响应实例的输入和这些输入所要求的输出： 具有自组织能力，人工神经网络能够自动适应外部环境的变化，并能保持良 好的性能； 具有容错与自修复能力，在传统的系统计算中，对存储的很小损坏，也会造 成计算的失效，而人工神经网络则具有极强的容错与自修复能力，即使对不完整的 输入信息也能给出合理的鳃答，在系统内部发生故障时仍能达到良好状态； 具有模式识别及检索能力，人工神经网络能够同时匹配大量输入信息然后产 生分类的或普遍化的输出，且具有自身演绎和检索问题的能力； 具有联想推理能力，人工神经网络解决问题是采用一种基于类生物学的联想 推理方式。 a n n 由一系列神经元( 节点) 组成，神经元是a n n 的基本处理单元，其结构 如图1 1 所示1 2 6 l ： 均 图1 1神经元结构 l o 华中科技大学硕士学位论文 研究把第j 个输入和第i 个神经元连接起来的权向量、聃或它的分量w u a 图l 中的神经元模型是由与突触输入连接的处理单元和单个输出组成，神经元输入x i 的 信号流是单向的，用箭头表示，神经元输出信号也是如此，神经元的输出信号由以 下关系给出： j ，= 妒7 z 一目) ( 1 1 ) 其中渺= 【w ，w ，：，w o 7 x = k ，x ：，f 口为阈值。 。1 3 本研究的主要内容 ( 1 ) 研究合会元素成分对耐磨性的影响 将一定合会元素组成的药芯焊丝对铸钢件施焊，焊后截取试样做耐磨性试 验，用称量取失重量评价其耐磨性。 将试样进行金相测定 用光学显微镜进行微观分析，观测堆焊层的微观组织，通过一组实验，适当调 整粉芯中合金元素的含量，得到具有一定组成的焊缝金属，并对此配比的堆焊层进 行测定，得出耐磨性较好的焊缝金属成分的含量范围。 ( 2 ) 药芯焊丝成分设计及堆焊工艺的确定 铸钢件堆焊层耐磨性有很多影响因素，材料的耐磨性与材料的微观组织相关， 而微观组织与堆焊层的合金成分是分不开的，不同的焊缝合金成分导致了焊缝微观 组织的不同，并最终影响堆焊层耐磨性，为获得所需要的合金成分，要求我们采用 什么样的焊接材料及采用何种堆焊方法和工艺规范，从而指导药芯中成分的调配及 确定堆焊工艺规范。 ( 3 ) 基于人工神经网络的堆焊层化学成分预测 建立药芯组成，工艺规范与熔敷金属化学成分间的数学模型。在已知药芯成分， 堆焊工艺规范时，能够较准确地推定熔敷层金属的化学成分，这样，要达到具有一 华中科技大学硕士学位论文 定成分合金元素的堆焊层，就可确定堆焊材料和焊接规范了。 通过对人工神经网络原理的分析，神经网络在使用前必须进行训练，因此样本 的获得非常重要。我们采取的样本为b e l e a k b e ，k z r p e n k o v t 2 8 1 的样本，通过一组 耐磨性试验的数据去验证之。 国内外有关用人工神经网络对堆焊层化学成分进行预测的研究不多见。有代表 性的有前苏联学者b e l e a k b e ，k z r p e n k o v t 和国内华中科技大学王福德博士等的研 究【2 3 2 8 1 。在研究中，b e l e a k b e ，k z r p e n k o v t 采用过渡系数法，通过一些试验，然 后进行回归，得出具有一定规律性的成分预测。其过渡系数法是一种很有价值的方 法。在材质及a n n 编程语言方面，王福德博士选用q 2 3 5 钢，用m a t l a b 进行了 化学成分的预测。这些均值得我们借鉴与参考。 在基材方面，我们选用铸钢件的堆焊层作为化学成分的预测对象。堆焊金属成 分和组织都与q 2 3 5 钢存在着很大的差异。而我们利用神经网络预测成分的编程语 占是现代广泛采用的功能强大的应用软件开发工具v c 。即网络的实现采用 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 语言编程。因为随着软件工程技术的发展，面向对象的编程技 术成为当今软件开发的重要手段，而v c 是将面向对象与可视化编程技术结合的重 要编程工具。 华中科技大学硕士学位论文 2 堆焊层耐磨性实验方法 2 1 堆焊焊丝成分的选择 2 1 1 堆焊药芯焊丝渣系的确定【3 1 l 焊接材料的渣系可以分为：酸性渣系、碱性渣系、中性渣系和特殊渣系。 酸性渣系的药芯焊丝中主要含有金红石( t i o ：) 、石英( s i 0 2 ) 等酸性矿物质。金 红石具有稳弧、造渣、调整熔渣物理性能、改善焊缝成型、减少飞溅等作用。石英 具有提高电弧电压、细化熔滴的作用。因此这种渣系类型的药芯焊丝焊接电流稳定、 焊接飞溅小、焊缝成型美观、焊接工艺性能良好。但酸性渣系的药芯焊丝的熔渣对 焊缝金属净化不够，焊缝金属中往往含有较多的非金属夹杂物，使得焊缝的力学性 能，尤其是低温冲击韧性值低。这与酸性渣系药芯焊丝焊缝金属中含氢量高有直接 关系。但最近的研究表明合理地调整药芯的配方和改善药芯焊丝的制造工艺也可以 使酸性渣系的药芯焊丝的低温冲击韧性值大幅度地提高。 碱性渣系的药芯焊丝的粉芯中含有大量的大理石和萤石。大理石的主要作用是 造气和造渣，大理石分解后产生的c a o 是碱性氧化物，能够提高熔渣的碱度，使熔 渣脱磷、脱硫的能力增强，提高焊缝金属的抗热裂纹能力，同时c a o 增大了熔渣的 表面张力和熔渣与熔化金属的界面张力，使熔滴粗化，改变熔滴的过渡形态。大理 石分解产生的c o ，气体，增强了电弧气氛的氧化性，能够降低电弧气氛中的氢分压， 使焊缝金属中的含氢量降低。焊缝金属的强韧性能特别是低温韧性大大提高。但萤 石在焊接电弧高温的作用下分解出的f 与电弧中电子结合形成f 一，减少了焊接电弧 中的自由电子，使焊接电弧的稳定性变差，熔滴呈大颗粒过渡，焊接飞溅增加。同 时弧柱中，一与+ 结合为非常稳定的h f ，进一步降低了金属的扩散氢含量。因此一 般来说，碱性渣系的药芯焊丝的焊接工艺性能一般不如酸性渣系的药芯焊丝。 中性渣系的药芯焊丝中不但含有一定量的大理石而且含有一定量的金红石，由 于粉芯中既含有能稳定焊接电弧、细化熔滴的金红石，又含有能净化焊缝金属的 华中科技大学硕士学位论文 c a o ，使得中性渣系的药芯焊丝焊缝金属的力学性能较好，工艺性能介于酸性与碱 性渣系的药芯焊丝之间。 堆焊药芯焊丝渣系的选择原则：是在优先满足堆焊工艺性能的前提下，尽可能 保证高的合金元素过渡系数。合金元素的过渡系数受诸多因素的影响，如合金元素 的物理化学性质、合金元素在药芯焊丝粉芯中的比例、合金剂的粒度、药芯焊丝粉 芯中所含造渣、造气剂所形成的熔渣的氧化性、熔渣的碱度和粘度等熔渣的物理化 学性质以及堆焊规范等，但影响最大的是熔渣的物理化学性质。众所周知，涂料焊 条的药皮、埋弧堆焊的焊剂以及药芯焊丝的药芯中高价氧化物和碳酸盐愈多，气相 的氧化势愈大；如若药皮、焊剂或药芯中含有高价铁的氧化物如凡，a 愈多，不仅 气相的氧化势愈大，而且熔渣的氧化性也愈大，因此合金元素的过渡系数就愈小。 因此在要求堆焊金属的合金元素含量较高时，通常使用碱性渣系的焊条或焊剂。为 此本研究选用碱性渣系。同样在使用药芯焊丝作为堆焊材料时也常常使用碱性渣系 的药芯焊丝来确保合金元索的过渡。 2 1 2 堆焊药芯焊丝配方设计与调整 在确定了渣系后，药芯中各种矿物质的配比就成了药芯焊丝开发过程中最关键 的问题，它直接决定了药芯焊丝的工艺性能和力学性能，是评定一种新型药芯焊丝 丌发成功与否的决定性因素。 众所周知影响会属材料磨料磨损性能的内部因素主要是材料的成分、微观组织 和力学性能。而材料的成分是组织和力学性能的基础，力学性能是材料成分和组织 的表现。良好的综合力学性能( 强度与韧性的结合) 势必带来优异的耐磨性能。 本研究我们选用的配方是：金属铬、金属钼、硅铁、锰铁、a 1 一m g 合金、金红 石、萤石、锆英石、铁粉。 2 2 铸钢试件的堆焊及分析 2 2 1 试件的选择 铸钢试件的加工在武汉汽轮发电机厂进行。试件尺寸为4 0 0 m m 2 5 0 r a m l 华中科技大学硕士学位论文 2 0 m m ，铸钢牌号为z g 2 5 ，经浇注而成。浇注后对其进行表面清理，打磨去除粘砂 及毛刺。 2 2 2 试件的堆焊 堆焊方法采用的是埋弧自动焊。焊接设备是型号为m z 一1 0 0 0 的埋弧自动焊机。 5 种直径为由3 2 m m 堆焊药芯焊丝的成分示于表2 1 中： 表2 - 1药芯堆焊焊丝的成分( ) 试样 金属铬金属钼硅铁锰铁 a i m g 合金 金红石萤石锆英石铁粉 编号 15 01 01 01 555320 24 01 01 5l o55321 0 4 51 01 51 555320 3 a4 51 01 51 55532 o i 43 051 01 01 55322 0 i 52 02 01 51 05322 5 注：3 弓与3 a 使_ h j 的是同一焊丝，但母材不同，3 号母材是2 5 # 铸钢，3 a 是a 3 钢 堆焊工艺参数示于表2 2 中： 表2 - 2 堆焊工艺参数 焊丝焊 电源 堆焊电弧 送丝速度堆焊速度 堆焊层 直径 极性 电流电压厚度 m m i l lm m m l n m m剂a v 中j 2焊剂2 6 0直流反接4 4 03 6 8l - 3 1 65 0 0 击0 0 8 1 2 其中，焊剂2 6 0 成分示于表2 3 中： 表2 - 3h j 2 6 0 焊剂成分( ) lm n 02 4 & d 2 2 9 - 3 4 c n r 2 0 2 5 爿f ，o ， 1 9 2 4 m g o 1 5 1 8 c a 04 7 f e 0 1 0s o 0 7p o 0 7 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 焊接接头显微组织金相观察与分析 经过抛光后的试样使用5 的硝酸酒精溶液腐蚀，由于焊缝材料和母材有较大 的差别，经过8 1 0 秒钟的腐蚀后，有些焊丝的焊缝组织在光学显微镜下不能看到， 所以采取了两次腐蚀的方法：第一步先腐蚀出基体相，获得焊缝与熔合区以及基体 三者的形貌照片后，继续对试样表面进行腐蚀，每次追加腐蚀1 0 秒左右，然后到显 微镜下观察，直至可以看到焊缝组织为止。每个试样都选取5 个典型的区域进行拍 摄，它们分别为：焊缝与母材的连接处，远离熔合区的焊缝组织、母材组织、近熔 合区的焊缝组织、热影响区。 2 2 4 堆焊屡化学成分分析 将l 群，2 撑，3 撑，3 a ，4 撑，5 撑试样( 分别是l 号、2 号、3 号焊丝堆焊于2 5 # 铸钢上，3 号焊丝堆焊于a 3 钢上的堆焊试样，4 号、5 号焊丝堆焊试样) 进行化学分析，得出它 们的化学成分如下表2 - 4 ： 表2 - 4 堆焊层化学成分化学分析结果 试样 堆焊层化学成分( ) 编号 cs im nc rm o 1 撑0 4 6o 6 92 0 6 1 3 9 22 9 4 2 群o 4 21 0 21 5 2l o 1 32 9 2 3 撑0 4 81 0 32 1 41 2 7 42 9 7 3 a0 4 7o 9 82 1 71 2 6 82 9 6 错0 4 0o 6 l1 4 97 2 8 1 4 3 5 撑o 3 81 3 l2 0 85 5 60 2 3 磨损实验 2 3 1 磨损试样的准备 利用线切割的方法从钢板的每条堆焊焊缝上切割出1 0 r a m 2 0 r a m x h 的磨损试 1 6 华中科技大学硕士学位论文 样，如图2 1 。h 的值为钢板与堆焊层的高度和，如果2 0 m m h 4 0 m m ，即可以符 合耐磨试验机的要求，不需要再进行其他加工处理。 因为钢板母材的厚度为2 0 m m ，所以试样的高度基本都符合了要求。在本次试 验中，由于需要对两组试样进行耐磨试验，取它们的平均值作为试验结果，所以对 每个堆焊的焊缝都取了两块试样。 图2 - 1 堆焊试样示意图 2 3 2 磨损实验原理及试验机 根据切入式耐磨试验机的特点自行设计了耐磨试验机，见图2 2 和2 - 3 。 从 图2 - 2 耐磨试验机简图 1 7 华中科技大学硕士学位论文 螺 正视图 点焊 左视图 ， 图2 - 3 夹具简图 耐磨试验机工作原理： 砂带磨粒粒度为1 0 0 ，砂带轮转速为n = 2 4 0 r m i n ，线速度为v = 5 0 m m i n 砂带宽度 为1 0 m m 。 耐磨试验机利用夹具上的螺帽将试样固定在夹具上，通过载荷、横杆、央具的 共同作用给试样施加载荷( 1 0 n ) ，电动机装载在主动轮上，活动轮在试验机平面上 有1 个自由度，在安装砂带时可以自由调节，并且在安装完毕后可以自动绷紧砂带 ( 防止了砂带打滑) ，并且在砂带运动时较小的力作用下不能自由移动( 防止砂带脱 落) 。在将砂带和试样安装完成后即可启动电动机，带动主动轮，并通过砂带，带动 从动轮和活动轮旋转，试样即在载荷的作用下与砂带接触，开始磨料磨损的试验： ( 1 ) 试样的预磨 在开始测定试样的摩擦质量损耗前，先对试样进行预磨( 使试样与砂纸具有 良好的接触面) ，预磨时间不宜过短也不宜过长，如果过短，试样与砂纸的接触不够 良好，如果过长，把堆焊层磨损过多，由于堆焊层厚度有限，对正式的实验不利。 在本次实验中，预磨时间大约在5 一l o 分钟左右( 视试样的耐磨与否而定) 。 ( 2 ) 清洗试样 完成预磨后，由于试样上带有的灰尘和金属屑将会影响试验的精度，所以在进 行j 下式的试验前必须对试样加以清洗。试验中，先用清水清洗，再用酒精擦拭，最 后用电吹风将试样吹干。 ( 3 ) 称磨前重量w l 华中科技大学硕士学位论文 先用普通天平对试样进行称重，记下大致的数字，再转移到微量天平上称量试 样的精确重量，记下该数字，即w ，。 ( 4 ) 试样的磨损 将试样从新装到耐磨试验机上进行磨损试验，使用秒表计时，根据前面的预磨 后，可以大致判断磨损1 0 分钟即有较明显的摩擦损耗，所以，磨损时间定为1 0 分 钟。1 0 分钟后关闭试验机电源，取下试样，将试样按照步骤2 清洗。 ( 5 ) 称磨损后重量w 2 将清洗后的试样在微量天平上称量，记下此时试样的重量，即为w 2 。 依照上述5 个步骤，将每块试样进行试验，记录它们的w l 和w 2 。表2 5 是 本试验中记录的数据。 表2 - 5磨损试验中质量损耗 试样编号 质量损耗 1 #2 撑3 样3 a 4 撑5 群 ( m g ) i w i 2 8 7 4 1 32 9 3 5 0 l2 7 7 4 4 02 3 9 7 9 0 2 2 9 9 7 03 0 8 0 6 6 w 2 2 8 6 4 0 22 9 2 2 1 52 7 6 2 1 42 3 8 5 6 0 2 2 7 5 3 43 0 5 0 5 2 wo 1 0 l l0 1 2 8 6o 1 2 2 6 0 1 2 3 00 2 4 3 60 3 0 1 4 2 3 3 磨损面的扫描电镜观察 使用扫描电镜( j s m - - 3 5 c ) 观察拍摄磨损面的表面形态。 2 3 4 硬度分析 在l o m m x 2 0 m m 的堆焊层表面上，使用h r 一1 5 0 洛氏硬度计在沿长度方向上 取5 点测量，取其平均值作为硬度值。如表2 - 6 所示。 表2 - 6 堆焊层磨损失重和袭面硬度 l试样编号1 #2 #3 #3 a4 #5 # l 磨损失重( m g ) 0 1 0 1 10 1 2 8 60 1 2 2 60 1 2 3 0 0 2 4 3 60 3 0 1 4 i硬度h r c 6 3f i r e 5 5h r c 6 8h r c 6 6h r c 5 0h r c 6 0 华中科技大学硕士学位论文 3 1 堆焊层耐磨机理 3 磨损实验结果及分析 3 1 1 磨料磨损的定义 磨损根据不同的条件，可有不同的分类方法，常见的按机理的分类方法将磨损 分为：粘着磨损，磨料磨损，腐蚀磨损，接触疲劳磨损，冲击磨损，微动磨损，冲 蚀磨损。本文主要研究的是磨料磨损。 磨料磨损一般是指硬的磨粒或凸出物在对零件表面的摩擦过程中，使表面材料 发生损耗的现象“。这种磨粒或凸出物一般是非金属磨料如石英、矿岩、砂土等， 但也包括硬金属对软金属表面的磨损，典型的例子是挫刀对零件的加工。又如，两 金属副之间加入被冷加工硬化了的磨屑，这些磨屑比其中一个表面或甚至两个表面 都硬时，就会起磨料磨损的作用，在齿轮或轴承中有时会出现这种现象。这种磨料 介于两物体表面之间所发生的磨损称为三体磨料磨损。与此相对应的，如犁在耕耘 时的脚损，电铲斗齿与矿石接触引起的磨损，即一个零件表面和磨料接触所产生的 磨损，一般可认为是双体磨料磨损。双体磨料磨损与三体磨料磨损在磨损过程中有 共同之处，但也各有其特性。本文主要通过双体磨料磨损来研究堆焊层的耐磨性。 3 1 2 磨料磨损机理 磨料磨损机理是指零件表面材料和磨料发生摩擦接触后，材料是如何磨损的， 亦即材料的磨屑是如何从表面脱落下来的。按物理性质来说，材料表层的破坏和 材料体积的破坏是没有什么特点的，但是强化和硬化使表层微观体积的破坏具有 包含某些外部意义的特征。至于零件磨损的机理，目前已用光学显微镜、电子显 微镜、离子显微镜、x 射线衍射仪、能谱仪及光谱仪等对磨损表面、截面及磨屑进 行综合分析，也可把磨损试验放在电子显微镜中直接观察和录像。并且采用单磨 粒试验机进行试验等方法，为揭示磨料磨损机理而努力。但是磨料磨损的机理迄 今尚未完全清楚，还有一些争论，一些研究工作耆提出的机理主要有微观切削磨 损机理、多次塑变( 微观犁皱或微观压入) 磨损机理和微观断裂( 剥落) 磨损机理。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 微观切削磨损机理【2 9 l 磨粒在材料表面的作用力可分为法向力和切向力这两个分力。法向力使在表面 形成压痕。切向力在表面进行切削而形成切屑。 微观切削类型的磨损是经常见到的，特别是在固定磨料磨损和凿削式的磨损 中，这是材料表面磨损的主要机理。 ( 2 ) 多次塑变( 微观犁皱或微观压入) 磨损机理1 2 9 】 犁沟或犁皱后堆积在两旁和前缘的材料以及沟槽中的材料，在受到随后的磨粒 作用时，使已变形的沟底材料遭到再一次的犁皱变形，如此反复塑变，导致材料产 生加工硬化或其他强化作用，终于剥落而成为磨屑。 这种形式的磨料磨损在球磨机的磨球和衬板、领式破碎机的齿板以及圆锥式破 碎机的壁上所造成者就更具有典型性。 ( 3 ) 微观断裂( 剥落) 磨损机理1 2 9 】 磨损时由于磨粒压入材料表面而具有静水压的应力状态，所以大多数材料都会 发生塑性变形。但是有些材料( 特别是脆性材料) 则可能是断裂机理占支配地位。当 断裂发生时，压痕周围的材料都要被磨损剥落，也就是说，简单磨损方程中的e 。， 大于l ，因此磨损量要比塑性材料大。脆性材料的压痕断裂，其外部条件取决于载 荷大小、压头形状及尺寸(