（材料加工工程专业论文）tcs铁素体不锈钢焊接工艺参数的优化.pdf

摘要 新型铁路车辆用t c s 不锈钢是一种经济型铁索体耐蚀材料，不仅具有足够 的强韧性，而且在耐蚀性方面也远优于普通高强度耐候钢，因此研究t c s 不锈 钢的焊接工艺具有重要的理论和实际意义。 但是t c s 不锈钢焊接时h a z 粗晶区中铁素体晶粒容易长大，使焊接接头韧 性降低，抗疲劳破坏性能下降。因此，本文以t c s 3 4 5 铁素体不锈钢对接接头的 低温( 4 0 c ) 韧性作为研究对象，通过试验研究脉冲熔化极气体保护焊各焊接 工艺参数和焊接接头低温韧性之问的关系，优化脉冲工艺参数，提高焊接接头的 低温韧性和接头抗疲劳破坏能力。 本文采用一次回归正交试验设计的方法安排试验，考察脉冲熔化极气体保护 焊的脉冲电流、脉冲时间、脉冲频率和焊接速度对焊接接头低温韧性的影响；以 正交试验的试验数据为基础，通过回归分析分别建立名义熔合线和焊缝中心处冲 击功与焊接工艺参数间的数学模型。 在数学模型的基础上，分析脉冲熔化极气体保护焊各焊接工艺参数及其交互 作用对焊接接头低温韧性的影响规律。然后，运用m a t l a b 优化函数，对焊接 工艺参数进行优化，得到使t c s 3 4 5 不锈钢焊接接头低温韧性较高的焊接工艺参 数的优化组合，优化结果为脉冲电流4 5 0 a 、脉冲时间2 3 m s 、脉冲频率2 5 0 h z 、 焊接速度5 0 0 m m m i n ，试验证明此时名义熔合线处的冲击功最高。 本文对焊接接头进行金相分析和x 射线衍射分析，发现焊缝区由奥氏体和铁 素体组成，粗晶区由铁素体和板条马氏体组成。双层焊时，焊缝的组织形态对韧 性有利；此外，晶粒度、粗晶区宽度、马氏体形态及所占比例对韧性都有影响。 关键词：t c s 不锈钢；韧性；正交试验；工艺参数优化；回归分析 a b s t r a c t t c ss t a i n l e s ss t e e lf o rr a i l w a yw a g o ni sak i n do fe c o n o m i cc o r r o s i o n r e s i s t a n t m a t e r i a l ，w h i c hh a se n o u g ho b d u r a b i l i t ya n di sm o r ee x c e l l e n to nc o r r o s i o n r e s i s t a n t t h a no r d i n a r yh i g hs t r e n g t hw e a t h e r i n gs t e e l t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nw e l d i n gt e c h n i c s o ft c ss t a i n l e s ss t e e lh a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo nt h e o r e t i c sa n dp r a c t i c e w h e nw e l d i n gt c ss t a i n l e s ss t e e l ，t h ef e r r i t eg r a i ni nc g h a zw i l lg r o wu p e a s i l y , t h i sw i l ld e c r e a s et h et o u g h n e s so fw e l d i n gj o i n t t h e r e f o r e ，i nt h ep a p e r , i n o r d e rt oi m p r o v et h ef a t i g u er e s i s t a n c eo fw e l d i n gj o i n t ，t h et o u g h n e s so fi nl o w t e m p e r a t u r e ( 一4 0 。c ) i s s e ta st h em a i no b j e c to ft h es t u d yw o r kc a r r i e do u tb y e x p e r i m e n tt or e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew e l d i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f p u l s eg m a w a n dt h et o u g h n e s s i nt h ep a p e r , t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha sw e l d i n gs p e e d ，t h ep u ls e dc u r r e n t ， t i m ea n df r e q u e n c yo nt h et o u g h n e s sa r ed i s c u s s e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n dr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa le r e s p e c t i v e l yf o u n dt od e s c r i b et h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r so nt h e t o u g h n e s so fn o m i n a lf u s i o n l i n ea n dw e l dc e n t e rl i n e 。 t h ew e l d i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n so fp u l s eg m a ww h i c h a f f e c tt h et o u g h n e s so fw e l d i n gj o i n ta r ea n a l y z e do nt h eb a s eo ft h em a t h e m a t i c a l m o d e l s a n d t h e n ，t h eo p t i m u mw e l d i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o rt h eh i g h e rt o u g h n e s s w e r eo p t i m i z e db yt h eo p t i m i z i n gf u n c t i o ni nm a t l a b ，t h a ti s ，p u l s ec u r r e n t 4 5 0 a , p u l s et i m e2 3 m s ，p u l s ef r e q u e n c y2 5 0 h z ，a n dw e l d i n gs p e e d5 0 0 m m m i n ，w h e n i ti sp r o v e dt h a tt h eh i g h e s tt o u g h n e s so ft h en o m i n a lf u s i o n - l i n ec a l lb ea c h i e v e d f u r t h e r m o r e ，w ec a nf o u n dt h a tt h ew e l dz o n ei sc o m p o s e do fa u s t e n i t ea n d f e r r i t e ，a n dt h ec g h a zi sc o m p o s e do ff e r r i t ea n dl a t hm a r t e n s i t eb ym e t a l l o g r a p h i c a n a l y s i sa n dx r da n a l y s i s w h e nd o u b l e l a y e r - w e l d i n g ，t h em i c r o s t r u c t u r eo f w e l di s g o o df o rt h et o u g h n e s so fw e l d b e s i d e s ，t h eg r a i ns i z e ，t h ew i d t ho fc g h a z ，t h e m o d a l i t ya n dp r o p o r t i o no f m a r t e n s i t ea l lh a v ea f f e c t i o no nt h et o u g h n e s s k e yw b r d s ：t c ss t a i n l e s ss t e e l ，t o u g h n e s s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ， t h eo p t i m i z i n go ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r , r e g r e s s i o na n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 刻茅 签字日期：2 0 d 7 年彳月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤姿态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 。旗琴导师签名：哮乓中 签字日期：加7 年月厅e t签字日期：匆0 7 年乡月侈日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 从2 0 世纪9 0 年代开始，我国铁路货车车体用钢主要采用耐大气腐蚀钢( 即 耐候钢) 。它与普通结构钢相比，耐腐蚀性有很大的提高，明显提高了车辆的使 用寿命【l 】。随着铁路货车使用寿命要求的不断提高，耐候钢的耐腐蚀性能面临新 的挑战，文献【2 显示，腐蚀和磨损造成的车体钢材损耗仍然相当严重，货车使 用的耐候钢难以满足车辆设计寿命2 5 年的要求。采用不锈钢作为铁路货车车体 材料无疑是最为有效的解决耐腐蚀问题的方法，但是通常使用的奥氏体不锈钢由 于铬、镍等合金含量高、价格昂贵而无法应用于货车车体的制造。 随着我国国民经济的快速发展，为了缓解紧张的运输状况，解决这个制约 经济发展的”瓶颈”问题，国家希望铁路运输能在短时间内实现跨越式的发展，而 选择适用的车体材料能够减轻车身自重、增加货物装载量、提高运行速度。为此， 我国针对铁路行业对货车车辆用钢的要求，在生产过程中充分吸收了国外车辆用 新型材料的优点，通过对内部成分、生产和加工工艺的严格控制，在新材料的强 度、韧性、腐蚀性能方面进行改进，自主开发出t c s 铁素体不锈钢。这种钢含铬 量在1 0 5 1 2 5 之间，含少量镍，受镍价波动的影响很小，具有较高的强度、 耐蚀性及耐磨性【3 】，能够满足铁路货车车辆对强度及耐蚀性能的要求，在具备不 锈钢优点的同时大大降低了成本。另外，t c s 铁素体不锈钢与普通的铁素体不锈 钢相比，具有焊接性能好、容易成型、4 7 5 脆性倾向小，使用寿命长的优点； 与奥氏体不锈钢相比，热膨胀系数小，导热性高，焊接时不需要预热，也不需要 焊后热处理，输入少量的热能就可以获得同等大小熔深的焊型“j ，而且在适当 控制焊接热输入的情况下，t c s 不锈钢具有较好的抗冷裂敏感性，焊接整体的抗 拉强度高于母材1 7 , 8 】，能够满足铁路货车车体钢材的使用要求。 国外从上世纪8 0 年代开始，采用铬、镍含量相对较少的铁素体不锈钢3 c r l 2 制造铁路货车车体，2 0 世纪9 0 年代开始，这类不锈钢在南非和澳大利亚运煤货 车中大量采用。由于铁素体不锈钢与耐候钢的耐大气腐蚀机理不同，不锈钢的耐 大气腐蚀能力【9 1 远远高于耐候钢，因此使用的结果极为理想。据有关文献 1 0 】介 绍，采用铁素体不锈钢制造的运煤货车，车体的耐腐蚀、耐磨损性能良好；经过 2 5 年的使用，车体内表面没有观察到明显的锈蚀点，磨损量也极小。表1 1 给出 了国内外货车用铁素体不锈钢的牌号和成分【1 1 1 。 第一章绪论 i 啐 1 2 二= ：= 荔馋 警 z e 辱 跨 鬻兹 毙舅誓络参凌纽 箩： 嘞粒 图1 1 不同工艺条件下t c s 不锈钢焊接接头低温韧性f 1 2 】 2 0 0 5 年，我国用t c s 铁素体不锈钢制造了一批c $ o b 型运煤敞车，样车在 大秦线上运行了一段时间候，车体产生疲劳裂纹，经调查发现，裂纹大部分产生 在表面熔合不良的熔合线部位，裂纹部位的焊接施工质量差；刚度、强度不足； 焊接热影响的韧性偏低。为解决该问题，主要应加强施工管理，改善焊缝成形， 优化工艺参数，提高焊接接头的韧性。图l 一1 为机械科学研究总院哈尔滨焊接研 究所直流m a g 焊和脉冲m a g 焊的试验结果，由图可以看出名义熔合线处的冲 击功非常低，有待提高。 第一章绪论 1 2 选题意义 新型铁路车辆用t c s 不锈钢属于一种经济型超级铁素体耐腐蚀材料，具有高 性能、低成本、低消耗、自重轻、寿命长等特点，在强度、低温韧性、耐蚀性等 方面完全可以满足铁路车辆用钢的设计和使用要求。虽然这类钢种在国外已经有 广泛的应用，但在国内的焊接制造经验尚少，焊后热影响区过热区冲击功显著降 低，给列车的安全运行带来了严重的事故隐患。据统计焊后车辆运行过程中有 3 5 - - - 一5 0 的车辆产生了疲劳裂纹。为了解决这一问题，有必要对t c s 铁素体不锈 钢的焊接工艺参数进行优化，改善焊缝成形、提高焊接接头的韧性，为t c s 铁索 体不锈钢火车安全可靠的运行提供保证。 1 3 本课题的研究内容 由于t c s 不锈钢的材质、性能与耐候钢或普通结构钢相比有较大差异，虽然 有良好的耐大气腐蚀性能，但其焊接性存在明显差距。铁素体不锈钢在焊接热循 环的作用下，过热区晶粒发生剧烈长大，韧性显著下降。因此，本课题采用脉冲 熔化极气体保护电弧焊，从焊接工艺入手，利用试验优化技术确定合理的试验方 案，通过较少的试验量，获取信息丰富的试验数据，从而获得精度较高的数学模 型，用于对焊接接头冲击韧度的预测、控制及优化。具体研究内容如下： ( 1 ) 采用次回归正交试验法进行试验设计，研究脉冲工艺参数( 脉冲电流、 脉冲时间、脉冲频率) 和焊速等对名义熔合线及焊缝中心冲击功的影响规律； ( 2 ) 通过回归分析建立冲击功与上述工艺参数间的数学模型； ( 3 ) 分析焊接工艺参数对名义熔合线及焊缝中心韧性的定量影响规律； h ) 优化焊接工艺参数； ( 5 ) 分析焊接接头显微组织对名义熔合线及焊缝中心韧性的影响规律。 第二章试验材料、设备及方法 2 1 试验材料 2 11 试验用钢材 第二章试验材料、设备及方法 试验用母材为t c s 3 4 5 不锈钢板，厚度为6 r a m ，交货状态为退火。t c s 3 4 5 钢的化 学成分见表2 - i ，力学性能见表2 - 2 ，其显微组织( 图2 1 ) 为铁索体，晶粒度为7 级。 表2 - 1 试验用钢的化学成分( w t t c s 3 4 5 屈服强度抗拉强度断后伸长率 4 0 冲击功a k 椰) ! i 卿胁熙姒脚 地! 塑 标准_ 3 4 54 5 0 6 5 0 ) 2 0 丑7 样品值3 4 54 7 5 3 35 3 图2 - lt c s 3 4 5 钢的金相组织照片( 2 0 0 x ) 第二章试验材料、设备及方法 2 12 焊丝 焊接材料对t c s 3 4 5 不锈钢接头性能具有很大的影响，正确选择焊接材料是成功焊 接的基础。试验用的焊接材料为锦泰生产的实心焊丝e 3 0 8 l g ( m l2 r a m ) ，是一种奥氏 体不锈钢焊丝。该焊丝的熔敷金属化学成分及力学性能见表2 - - 3 及表2 4 。使用这种 焊丝作填充材料时，焊前不需预热，焊缝具有较高的韧性，可以避免冷裂纹i ”i 。 表2 - 3 焊丝熔敷金属的化学成分( w 慨) 牌号屈服强度 抗拉强度断后伸长率玲弯1 8 0 。d - - 4 a4 0 v 冲击功 曼恐! 贼腆朐卿牌皇堪翔 一 生她 e 3 0 8 l - g _ 3 4 5 1 5 2 0 3 5完好 4 7 2 2 试验设备 囝一 一 第二章试验材料、设备及方法 燃 攀蘩 啦oo 缀； 黛“ 感 曲) 示救编程器 机器人 图2 - 4m o t o m a n - n x l 0 0 机器人 试验中使用的焊接设备主要有奥地利福尼斯( f r o n i u s ) 公司生产的t p s 4 0 0 0 全数 字化控制的逆变电源( 图2 - 2 ) 和与其相配r c u s 0 0 0 i 遥控器( 圈2 - 3 ) 以及m o t o m a n 公 司生产的n x l 0 0 机器人。通过r c u 5 0 0 0 i 遥控器可以改变t p s 4 0 0 0 全数字化控制的逆 变电源内的焊接专家程序；对焊接参数一基值电流、脉冲电流、脉冲时间、脉冲频率 等参数进行设置调节；m o t o m n n x l o o 机器人主要包括机器人、机器人控制柜和示 教编程器三部分( 图2 4 ) ，用它可以保证焊接速度稳定，使同一条焊缝的焊接线能量基 本不变，焊接过程稳定。 糙i ，；，。，瓢 第二章试验材料、设备及方法 2 3 试验方法 2 3 1 焊接方法 根据相关研究结果，t c s 3 4 5 不锈钢可以采用下述焊接方法： ( 1 ) g m a w 脉冲熔化极气体保护电弧焊： ( 2 ) f c a w 药芯焊丝电弧焊； ( 3 ) g t a w 气体保护钨极电弧焊； ( 4 ) s m a w 手工电弧焊( m m a ) 。 由于t c s 3 4 5 钢属于高纯铁素体不锈钢，焊接过程中需要严格控制热输入，以抑制 过热区铁素体晶粒过分长大。与普通熔化极气体保护焊相比，熔化极脉冲气体保护电 弧焊时，既可使母材得到较大的熔深( 因为脉冲电流幅值大) ，又可控制总的平均焊 接电流在较低的水平，因此可以使用较小的线能量焊接，避免过热区铁素体晶粒过分 长大。此外，脉冲电弧还具有加强熔池搅拌的作用，改善熔池冶金性能，细化焊缝晶 粒，有助于消除气孔【1 4 1 等作用。因此，为了提高t c s 3 4 5 不锈钢焊接接头的低温韧性， 采用脉冲熔化极气体保护电弧焊无疑是最好的选择。 2 3 1 1 保护气体 用熔化极脉冲气体保护焊焊接不锈钢时，通常采用富氩保护气，即在氩气中加入少 量的c 0 2 气体。这样在直流反极性焊接时，氧化性气体能使熔池表面产生轻微的氧化作 用，以稳定阴极斑点，改善电子发射能力和减小电弧飘移。另外，还可降低熔滴和熔 池的表面张力，使容易获得稳定的脉冲喷射过渡，改善焊缝表面成形。但是，在焊接 不锈钢时，c 0 2 的比例不能超过5 ，否则焊缝金属氧化性增大，且有渗碳的可能，从 而降低接头的韧性和抗腐蚀性能【1 5 - - 1 7 1 。 保护气体的流量一般根据电流的大小、喷嘴孔径以及焊接接头的形式来选择。对于 一定直径的喷嘴，有一最佳的保护气体流量范围。流量过大，易产生紊流，保护作用 变差，甚至出现表面气孔和内部气孔；流量过小，气流的挺度不高，保护效果易受外 界气流的干扰，保护效果变差【1 8 j 。 为了选择合适的气体配比和气体流量，正交试验开始前通过一系列试焊，根据焊缝 成形、飞溅、焊缝表面的颜色来判断气体保护效果【l9 】，最终确定气体配比为a r + 3 c 0 2 ， 气流量为1 6 l m i n 。 2 3 1 2 接头形式及坡口 试验中焊接接头形式采用对接，焊接时需开坡口。坡口型式的选择，不仅直接影 响到焊接结构的生产成本，而且将直接影响到焊接质量；坡口1 2 0 1 角度的作用是使电弧 第二章试验材料、设备及方法 能深入焊缝根部，满足操作要求，保证焊缝根部焊透，改变坡口角度的大小可以改变 焊缝金属的化学成份，从而对焊缝金属的韧性造成影响；坡口钝边的作用是保证第一 层能焊透，同时防止烧穿，所以钝边尺寸要合适，不能太大或太小。 根据相关研究【2 l 】，试验中采用“v 型6 0 。坡e 1 ，为保证根部焊透且不易烧穿，保留 0 l m m 的钝边，装配时对接钢板间的间隙控制在0 5 l m m 。 2 3 2 低温冲击试验 韧性是金属材料的主要力学性能指标之一，也是焊接结构能够安全可靠运行的关键 指标。它是指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，是强度与塑性的综合 体现。冲击试验通常采用带有缺口的试样，使之在冲击负荷作用下断裂，用试样在变 形和破断过程中所吸收的能量来表示材料的韧性。 冲击韧性值歙和冲击吸收功叙提代表在指定温度下，材料在缺口和冲击载荷共同 作用下的缺口敏感性( 脆化趋势) 及其程度的度量。它可以揭示金属因组织状态不同而引 起的冲击值的变化，常用以控制产品质量。冲击试验试样体积小，加工简单方便，试 验快速易操作。 用冲击吸收功a k 矿除以试样缺口的底部的横截面积岛可以得到材料的冲击韧性值 o c k , 0 c k 的单位通常为j e m 2 。 其余 v 图2 - 5v 型缺口试样 第二章试验材料、设备及方法 由于试验用母材的厚度为6 m m ，所以本试验试样的制备及试验方法参照g b 2 6 5 0 8 9 焊接接头冲击试验方法，在试板的规定位置截取试样，试样尺寸为5 x1 0 5 5 m m ，具体 尺寸和偏差如图2 5 ，在每个试板上机加工出两组( 每组六块) 夏l l v 型缺口冲击试样。试 样缺口底部应光滑，不得有与缺口轴线平行的明显划痕，试样的缺口轴线与焊缝表面 垂直，如图2 6 所示。一组试样的缺口开在名义熔合线上，另一组试样的缺口开在焊缝 中心线上，其位置如图2 7 并 1 2 8 ，试验温度为一4 0 。c 。 2 - 3 3 金相试验 图2 - 6 试样缺口方向示意图 图2 7 开在焊缝的缺口位置 - o 1 、 tf警 一 弋尉 r 图2 8 开在名义熔合线的缺口位置 1 i f ) l i 1 用机械加工的方法分别从1 1 条试验焊缝上切取1 3 个试样，为了增加横向可比性， l 6 和8 1 3 试样分别用作名义熔合线和焊缝中心的冲击试样，余下的第七块用于作金 相分析。将试样用金相砂纸细磨、机械抛光，去除试样表面的细磨痕，然后用f e c l 3 溶 液进行腐蚀，f e c l 3 腐蚀液的具体配方为：5 m l 浓盐酸、1 5 m l 浓硝酸、1 0 9f e c l 3 、1 0 0 m l 水。腐蚀后，由于金属中合金成分和组织的不同，造成腐蚀能力的差异，使各种组织 间、晶界和晶内产生一定的对比度，使金相组织得以显示。最后，配合o l y m p u s 光学 第二章试验材料、设备及方法 金相显微镜对组织进行观察和拍照 2 2 , 2 3 1 ，用金相定量分析软件分别测取粗晶区宽度、 晶粒度和粗晶区内的马氏体含量。 2 3 4 x 射线衍射试验 采用日本理学r i g a k u d m a x 型x 射线衍射仪( c u 靶辐射，束流2 0 0 m a , 电压4 0 k v ) 对母材、焊缝区和粗晶区进行测试，通过分析衍射报告，确定不同区域的组织成分。 第三章一次回归正交试验设计 第三章一次回归正交试验设计 试验设计方法着重研究如何科学地设计试验方案，正确地分析试验结果，从 而寻求最佳焊接工艺参数，改进产品的焊接生产工艺，达到提高产品质量和经济 效益的目的。 试验设计必须遵循两大原则：重复性和试验点的均衡分布性。试验有一定数 量的重复可以保证试验精度和评定误差【2 4 1 ；而均衡分布性可以较少的试验量获得 丰富的试验信息。 试验设计方法主要有全面试验法、均匀试验法、正交试验法、d 最优试验法、 混料试验法等。每种试验方法均有其自己的优点，而一次回归正交试验法则因为 试验量小，同时具有正交性和旋转性等多方面的优良性，因此应用比较广泛。本 文拟采用一次回归正交的试验设计方法设计试验方案。 3 1 一次回归正交试验方法 一次回归正交试验设计f 2 5 】方法就是利用数理统计学与正交性原理，从大量的 试验中挑选适量的具有代表性、典型性的点，应用“正交表”合理安排试验的一种 科学的试验设计方法。正交试验把所要考察的结果称为指标。把在试验中要考察 的对试验指标可能有影响的特征变量简称为因子。把每个因子在实验中的取值称 为水平。正交试验法可以解决多因子、多水平及多指标的试验设计问题。 一次回归正交试验设计属于两水平正交表，通过编码，其上水平为+ 1 ，下水 平为一1 。编码后，一次回归正交表具有如下两个性质： ( 1 ) 每个因子的各个不同水平在试验中出现的次数相同( 即每一列编码值的 代数和为零) ； ( 2 ) 任何两个因子的各种不同水平的搭配，在试验中出现的次数相同( 任意 两列编码值的内积为零) 。 由于以上特点，用“一次回归正交试验法”安排试验不仅能够减少试验次数， 而且能消除各因子间的相关性，使因子效应、交互作用效应以及回归系数的计算 分析大大简化。 第三章一次回归正交试验设计 3 2 明确试验目的，确定试验指标 本文的目的是寻求一个最佳的t c s 3 4 5 不锈钢焊接工艺参数，使焊接接头的 低温韧性达到最高。由于在铁素体不锈钢焊接过热区，铁素体晶粒发生剧烈长大， 韧性降低，强度也有所下降。因此，将名义熔合线和焊缝中心两处的低温冲击功 作为本文的试验指标。 3 3 确定试验因子，选取适当水平 影响试验结果的因素往往较多，应从多种因素中挑选主要的因素加以研究， 而将其它非主要影响因素固定在适当水平上，对于选定的因素，根据生产经验或 专业知识，定出它们的变化范围及上下水平。 脉冲熔化极气体保护焊主要的焊接工艺参数有基值电流、脉冲电流、脉冲时 间、脉冲频率和焊接速度。 ( 1 ) 基值电流 基值电流【2 6 ，2 7 l 的主要作用是维持电弧的稳定燃烧，同时预热焊丝及工件，是 调节总焊接电流和母材热输入的重要参数。基值电流不能取得过大，否则脉冲焊 的特点不明显，甚至在脉冲停歇期间也有熔滴过渡，使熔滴过渡失去控制；但基 值电流也不能取得过小，否则电弧不稳定。 ( 2 ) 脉冲电流 脉冲电流是决定脉冲能量的一个重要因素，为了使熔滴呈射流过渡，脉冲电 流必须大于其临界值，而临界值随着脉冲时间和基值电流的增加而减小。脉冲电 流不仅影响熔滴的过渡形式，还影响着焊缝的熔深，脉冲电流增大，熔深增大， 但是脉冲电流不能过大，否则电弧暴躁，熔池难以保持，焊缝表面成形变差f 28 ，2 9 1 。 ( 3 ) 脉冲频率和脉冲时间 脉冲熔化极气体保护焊采用的脉冲频率一般在几十至几百赫兹的范围内。频 率过低，焊丝易插入熔池，焊接过程不稳定；频率过高，将失去脉冲焊接的特点。 对于一定的送丝速度，脉冲频率与熔滴尺寸成反比，与母材熔深成正比。 当脉冲频率一定时，脉冲时间越小，脉冲焊接特点越显著。 ( 4 ) 焊接速度 焊接速度的高低是焊接生产率高低的重要指标之一。焊接速度的提高会使焊 接热输入减小，焊缝的熔宽、熔深和余高都会减小。对气保护焊来说，当焊接速 度增加时，保护气流由于受空气的阻力而偏向后边，若焊接速度过大，保护气体 偏得很厉害，甚至会使电极和熔池完全暴露在空气中，失去保护作用1 3 0 1 。因此， 第三章一次回归正交试验设计 不能为减小线能量而盲目提高焊接速度。 通过工艺试验，在保证t c s 3 4 5 不锈钢焊接工艺稳定、成型良好的情况下， 固定基值电溉( 8 0 a ) 不变，主要考察脉冲电流、脉冲时间、频率和焊接速度四个 因子对t c s 不锈钢名义熔合线及焊缝中线低温韧性的定量影响规律，通过工艺试 验确定的每个因子的上、下水平及因子水平编码如表3 1 所示。 表3 1 因子水平编码表 注：寸一无量纲( = 1 ，2 ，3 ，4 ) 。 3 4 选择合适的正交表，制定试验方案 常用的正交表有几十个，究竟应选用哪个正交表，需要综合分析后决定，一 般是根据因子和水平的多少( 因子水平编码表) 、试验工作量大小和允许条件而 定，应尽量选用与已确定的因子水平表相符的正交表。实际安排试验时，挑选因 子、水平和选用正交表往往是综合进行的。本试验是四因子二水平，全因子试验 应选择l 1 6 ( 2 1 5 ) 正交表，需要做1 6 次试验。本课题为了减少试验量，选用l 8 ( 27 ) 正交表，采用全因子试验的1 2 实施，将第四个因子安排在三项交互列，这样只 需做8 次试验。另外，在零点进行了3 次重复试验，用于在试验中心进行拟合检 验。这样，一共需作1 1 次试验。按l 8 ( 2 7 ) 正交表如表3 2 所示，试验方案及结果 见表3 3 。 第三章一次回归正交试验设计 表3 3 试验方案及结果 _ - m _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ m “_ _ _ _ 一_ - 一l 试 脉冲电脉冲时脉冲频 焊接速度 焊接热输入qy 1 y 2 ( j ) 验 流z l间z 2率z 3 号 ( a ) ( m s )( h z ) z 4 ( r a m r a m ) ( k j r a m ) 第一层第二层 - - ， 14 5 0 2 92 5 0 7 0 0 0 7 4 10 7 3 11 2 9 3 4 24 5 02 9 2 1 05 0 0 0 9 2 5 2 3 2 3 2 9 2 9 2 3 2 3 2 6 2 6 2 5 0 2 1 0 2 5 0 2 1 0 2 5 0 2 1 0 2 3 0 2 3 0 5 0 0 7 0 0 5 0 0 7 0 0 7 0 0 5 0 0 6 0 0 0 9 2 7 0 5 4 0 0 8 8 8 0 5 6 4 0 5 7 7 0 5 8 6 o 7 3 3 0 8 6 8 0 5 4 0 0 5 6 6 0 5 5 3 0 6 0 5 0 7 0 2 4 7 3 3 6 3 4 8 6 2 3 7 7 5 8 2 4 8 4 4 9 0 2 5 7 3 5 6 0 0 0 7 3 00 6 9 7 1 77 4 1 7 一三l 4 0 0 2 62 3 0 6 0 0o 6 7 3 o 6 5 017 57 2 w w m m m w w m m m _ w w _ m m m m w h m m _ _ m w m w m h w w _ w 一一一 注：肋名义熔合线处的冲击功( 为6 块试件冲击功的平均值) ： y 广焊缝中心线处的冲击功( 为6 块试件冲击功的平均值) 。 1 4 j 以 l d o l 0 o o d j 0 0 o 0 0 一 以 d 0 d 0 0 0 一 以 o l o ， j 0 0 0 一 _ 。 d ， j 。 d o o o l 0 d l o j 0 0 0 一 ， 以 j d j 0 0 0 一 - ， - ， u 卵 他 8 h 掩 踮 l l 0 o o o o o 0 0 蜘 蜘 姗 珈 珈 珈 伽 伽 3 4 5 6 7 8 9 m 第四章试验数据处理 第四章试验数据处理 数据处理主要是在大量试验基础上，对生产和科研中的试验数据进行数学 处理和计算，揭示性能指标与众多影响因子之间的内在关系。为研究t c s 3 4 5 不锈钢在脉冲熔化极气体保护焊过程中各可控工艺参数对焊接接头低温冲击功 的影响规律，本章在正交试验的基础上对试验结果进行极差分析和定量回归分 析。 4 1 极差分析 对一次正交设计试验结果进行分析的最简单方法就是极差分析法。极差分 析法是在不考虑因子间交互作用的条件下直接分析单个参数对试验指标的影响 的大小，这种影响可直观地用图形表示，进行综合对比分析。通过计算各参数 的极差，可以比较完满迅速地分析出各参数对指标影响的主次，找到影响指标 的主要参数和次要参数。 以下标i 表示因子的水平号，下桶表示不同的因子。因子j 的极差马计算公式 如下： 1 1 r j = - - m a x k 口 一二m m 硒) ( 4 1 ) 式中墨广第j 列中第i 水平对应的指标之和； 卜第j 列中第i 水平的重复次数。 根据公式( 4 1 ) 计算极差，可得极差分析表4 1 。 表4 1 极差分析表 项目 名义熔 k + t j 合线处 k l j 极差r 1 i 焊缝中 k + l j 心线处 k 1 j x 2x 3x 4 1 1 2 51 4 1 7 51 4 1 6 1 7 51 3 2 51 3 4 2 5 4 9 2 50 9 2 5 0 5 7 5 6 5 2 26 9 7 3 7 58 6 6 81 0 6 2 57 6 5 4 55 9 6 8 2 5 5 ； 强 趔 h 仍 勉 乃 n 弦 7 第四章试验数据处理 注：缸j 广因子j 水平号为+ l 时各试验结果的平均值： 乜j 广因子j 水平号为1 时各试验结果的平均值； 只，厂一名义熔合线处因子而引起的极差； 尺2 广焊缝中心处因子而引起的极差。 一般来说，各因子的极差是不相等的，这说明各因子的水平改变对试验结 果的影响不相同。哪个因子引起的极差最大，哪个因子就是最主要的影响因子； 极差次大的，所对应的也就是次主要的因子。 由极差分析表4 1 可以得出以下几点结论： ( 1 ) 各因子对指标影响的大小顺序： r n = 4 9 2 5 r j 3 一o 。9 2 5 r n = 0 5 7 5 ：r 1 4 r 2 4 = 2 6 9 j7 5 r 2 2 = 1 5 8 4 2 5 r 2 3 = 6 8 0 7 5 r 2 1 = 1 1 1 7 5 根据r 的大小，各因子对冲击功的影响由大到小的顺序如下： 名义熔合线处：以脉冲时间) 幻( 脉冲频率) 确( 脉冲电流) - - x 4 ( 焊速) 。 焊缝中心处 ：拗( 焊速) 耽( 脉冲时间) 蚴( 脉冲频率) 勋( 脉冲电流) 。 ( 2 ) 名义熔合线和焊缝中心处冲击功随各因子的变化趋势见图4 - 1 和4 - 2 。 ( a ) 脉冲电流对冲击功的影响趋势( b ) 脉冲时闻对冲击功的影响趋势 第四章试验数据处理 ( c ) 脉冲频率对冲击功的影响趋势 ( d ) 焊接速度对冲击功的影响趋势 图4 - 1 名义熔合线处各因子的极差分析图 ( a ) 脉冲电流对冲击功的影响趋势 ( b ) 脉冲时间对冲击功的影响趋势 ( c ) 脉冲频率对冲击功的影响趋势( d ) 焊接速度对冲击功的影响趋势 图4 2 焊缝中心处各因子的极差分析图 麓羔囊z麓h*鼎参奠簿冀务零囊薯群蓦静至宝i|：；：麓搿 荔耧虢荔荔臻糍誊鬻虢舞暴甜影黧搿船囊荔般=辨 第四章试验数据处理 由图可以看出： ( 1 ) 脉冲电流由3 5 0 a 到4 5 0 a ，y 和妇稍有下降，变化极不明显； ( 2 ) 脉冲时间由2 3 m s 至l j2 9 m s ，y 栅2 都有下降，变化极明显，说明增加脉 冲时间，焊缝和名义熔合线处的韧性均显著下降； ( 3 ) 脉冲频率由2 1 0 h z 到2 5 0 h z ，y l 上升，肋下降，均变化明显，说明频率对 焊缝和名义熔合线处的韧性影响是不一致的； ( 4 ) 焊接速度由5 0 0 m m m i n 至07 0 0 m m m i n ，y j 署吵2 都有上升，y j 变化不明显， 如变化极明显，说明焊接速度对焊缝韧性的影响极为显著。 正交试验极差分析只是一种单因子作用的定量分析，由于各因子的交互效 应对冲击功具有明显的影响，因此还要采用回归分析的方法深入考察各因子及 其交互效应对低温韧性的定量影响规律。 4 2 定量回归分析 回归分析是一种研究因变量与自变量之问关系的数学方法。实际问题中， 许多变量之间虽然有非常密切的关系，但是要找出它们之间的确定函数关系是 困难的。因素有很多，包括已知的和尚未被发现的或者还不能控制的影响因素， 而且各变量的测量总存在测量误差，所有这些因素的综合作用就造成了因变量 与自变量之间函数关系的不确定性，而且在生产实践和科学试验中所测量的这 些变量的数据，总有不同的差异。回归分析就是应用数学方法，对这些数据去 粗取精，去伪存真，从而得到反映事物内部规律的数据处理方法。 本课题用数理统计建模的方法建立了名义熔合线和焊缝中心处低温冲击功 与工艺参数之间的数学模型。由表3 2 可知试验中引入了交互作用项，这样回归 方程就不是线性的了，但交互作用同其它因子一样，正好占了正交表上的一列， 由于正交表中任意二列都具有正交性，所以交互作用项x 声，的回归系数b 卵其计 算和检验完全同线性项x ，一样，可以按多元线性回归的方法建立数学模型( 3 l 】。 4 2 1 回归系数的计算与显著性检验 根据正交试验表3 - 2 和表3 3 的试验结果，用m a t l a b 中的r e g r e s s 函数算 出回归系数，得到名义熔合线和焊缝中心处低温冲击功与工艺参数之间的回归 方程，但是并不能说明因子及其交互效应对指标有显著影响。我们需要用数理 统计的方法对回归方程的系数进行检验，从回归方程中剔除那些次要的不显著 的因子或交互效应，重新建立更为简单的回归方程，以便更好地对y 进行预测。 名义熔合线和焊缝中心处回归方程的系数及其检验结果见表4 2 。 第四章试验数据处理 表4 2 回归系数及其显著性检验表 1 4 3 8 1 8 0 2 8 7 5 - 2 4 6 2 5 0 4 6 2 5 0 2 8 7 5 0 5 3 7 5 1 4 6 2 5 0 7 1 2 5 0 1 3 0 l 9 5 4 3 2 0 3 3 6 6 0 1 3 0 1 0 4 5 4 7 3 3 6 6 1 4 6 1 5 3 0 2 5 0 1 0 2 5 o 2 5 0 2 5 0 2 5 0 2 5 7 3 1 4 0 9 0 5 5 8 8 7 9 2 1 3 - 3 4 0 3 8 1 3 4 5 8 8 5 7 0 3 8 9 2 2 1 3 3 7 5 8 7 2 1 4 2 3 1 7 8 1 1 2 2 1 5 2 1 9 4 5 7 3 4 9 5 3 o 2 5 0 0 1 0 0 5 o 0 1 0 0 1 o 0 l 0 0 5 注：查f 表得f o2 5 ( 1 ，2 ) = 2 5 7 ：f o 1 0 ( 1 ，2 ) = 8 5 3 f o 0 5 ( 1 ，2 ) = 1 8 5 f o 0 1 ( 1 ，2 ) = 9 8 5 。 由于试验设计具有正交性，回归系数之间不存在相关性，因此某一项如果 不显著，将其剔除后，不必对整个回归方程重新进行计算。通常对a 0 。2 5 的项 从回归方程中剔除；对a - - 0 2 5 的项，有时剔除，有时保留，根据实际需要决定。 表4 2 中名义熔合线处，x 2 x 3 和x 物咖j 影响的显著性水平为0 2 5 ，考虑到显著的 因子只有x 2 ，若将x 2 x 3 和x j x 3 从方程中提出，那它秆j x c y ，的影响全部转移到x 2 上， 不利于回归模型的精确性。所以，名义熔合线处的回归模型中剔除j 、勋、拗和 x ，x 2 四项，从焊缝中心的回归模型中剔除x ，项。 根据表4 2 可得名义熔合线和焊缝中心处低温冲击功与工艺参数之间的回 归方程： ( 1 ) 名义熔合线处： 茹= 1 4 3 8 1 8 - 2 4 6 2 5 x 2 + 1 4 6 2 5 x t x 3 - 1 7 1 2 5 x 2 x 3 方差：s - - 4 0 9 ，置信度：9 5 。 ( 2 ) 焊缝中心处： ( 4 2 ) 夕2 = 7 3 1 4 0 9 7 9 213 x 2 3 4 0 38 x 3 + 1 3 4 5 8 8 x 4 ( 4 3 ) + 5 7 0 3 8 x l x 2 + 9 2 213 x 1 x 3 + 3 7 5 8 7 x 2 x 3 1 9 两 韵 碳 冰 凇 第四章试验数据处理 方差：s = 1 2 5 ，置信度：9 9 。 4 2 2 回归方程的显著性检验 在研究实际问题时，事先并不能断定指枥涉与因子及其交互作用之间是否确 有线性关系。因此在求出回归系数，得到回归方程后，还需要对其进行显著性 检验【3 2 】。 可以构造统计量( 4 - 4 ) 和( 4 5 ) 来检验回归方程的拟合