（材料学专业论文）树脂夹层减振板焊接性能的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 捅要 本论文研究了c 0 2 电弧焊和点焊过程中工艺参数对减振板中间树脂层的影响。 采用多元线性回归正交设计试验法，得到了c 0 2 电弧焊过程中主要工艺参数 与减振板中间树脂层脱开宽度( w ) 的定量关系式。结果表明：w 与电弧焊焊接 电流、焊接时间和焊丝直径等主要工艺参数呈线性关系。 研究了在电弧焊过程中树脂层附近区域硬度的分布、不同部位硬化区宽度( b ) 的分布、组织和成分的变化以及焊缝熔深、熔宽与w 的关系。结果表明：随着焊 接电流的增大和焊接时间的延长，w 增大，树脂层附近区域硬度提高，b 增大； 随着焊丝直径的增大，w 减小，树脂层附近区域硬度下降，b 减小。树脂层附近 区域的金相组织为：铁素体+ 屈氏体，基体金相组织为：铁素体；中间树脂层附近 与基体之间的化学成分没有明显区别。 设计了减振板点焊的导通旁路结构，分析了回路中电流分布和电阻的改变情 况；研究了采用先后顺序方法进行点焊后，点焊参数对焊点几何尺寸、焊点性能、 焊点断裂情况以及熔合区组织的影响。结果表明：除了第一焊点的剥离性能较差 以外，第二焊点和其后焊点的性能均无明显差别；第一焊点与第二焊点剥离破裂 位置和熔合区的金相组织接近。 研究了在点焊过程中，中间树脂层未焊合区长度尺寸( l ) 、未焊合区所在部位、 硬化区域大小、树脂层附近组织和成分的变化。结果表明：随着焊接热量的增大、 焊接时间的延长和电极压力的减小，l 减小，未焊合区的硬化区域增大；随着焊接 热量、电极压力的增大和焊接时间的延长，未焊合区所在部位远离焊点中心，并 且在焊点中心两侧呈现较好的对称分布；同时，在一定的电极压力下，随着焊接 热量的增大、焊接时间延长，第二焊点同一部位的减振板不仅贴合更紧密，而且 硬化区域消失。 关键词：减振板c 0 2 电弧焊点焊正交试验中间树脂层导通旁路未焊 合 华中科技大学硕士学位论文 a d s t r a c t i nt h i sp a u e r , i n f l u e n c e so f w e l d i n gp a r a m e t e r so ni n b e t w e e nr e s i n o u sl a y e rd u r i n g c o ，a r ca n d s p o tw e l d i n g o f v i b r a t i o nd a m p i n gs h e e tf v d s ) a r e i n v e s t i g a t e d q u a n t i t a t i v e f o r m u l ao fr e l a t i o nb e t w e e nm a i n t e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s a n d i n b e t w e e nr e s i n o u sl a y e rs e p o r a t ew i d t hf w ) d u r i n gc 0 2a r cw e l d i n gi so b t a i n e db yu s e o fm u l t i 1 i n e a r i t yr e g r e s s i v eo r t h o g o n a ld e s i g ne x p e r i m e n t a lm e a n s t h er e s u l ts h o w s m a tr e l a t i o n sb e t w e e nm a i nt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r ss u c ha sw e l d i n gc u r r e n t w e l d i n g t i m e d i a m e t e ro f w e l d i n gt h r e a da n dwa r el i n e a r d i s t r i b u t i o no fh a r d n e s sa n dh a r d e n e da r e aw i d t h ( b ) o fd i f i e r e n tp o s i t i o n c h a n g e o f t i s s u ea n dc o m p o n e n t ，r e l a t i o n sb e t w e e n m e l t i n gd e p t h ，m e l t i n gw i d t j lo f w e i d i n g i i n e a n dwa r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt t l a tw ：ba n dh a r d n e s so ft h ea r e an e a ri n b e t w e e n r e s i n o u sl a y e ri n c r e a s ew i t he l e v a t i o no f w e l d i n g c u l - r e n ta n d d e l a yo fw e l d i n gt i m e w - ba n dh a r d n e s so f t h ea r e an e a ri n b e t w e e nr e s i n o u sl a y e rd e c r e a s ew i t h a g g r a n d i z e m e n t o ft h ed i a m e t e ro f w e l d i n gt h r e a d t i s s u e so f t h eh a r d e n e da r e an e a rr e s i n o u sl a y e ra r e f e r r i t ea n dt r o o s t h e ，t i s s u eo ft h eb a s ea r ef e r r i t e t h e r ei sn o to b v i o u sd i f f e r e n c e c o n c e r n i n g c h e m i cc o m p o n e n tb e t w e e nr e s i n o u sl a y e ra n db a s e a c c e s s o h a le l e c t r i cs t r u c t u r ei s d e s i g n e d d i s t r i b u t i o no fc u r r e n ta n dc h a n g eo f r e s i s t a n c ea r ea n a l y z e di nv d s s p o tw e l d i n g i n f i u e n c e so fs p o tw e l d i n gp a r a m e t e r so n s i z e ，p e r f o r m a n c e ，r u p t u r eo fw e l d i n gp o i n ta n dt i s s u e si nf u s i o na r e aa r es t u d i e db y m e a n so f o r d i n a ls p o tw e l d i n g t h er e s u l t ss h o wt h a te x c e p ta b r u p f i o nc a p a b i l i 押o f t h e f i r s tw e l d i n gs p o ti sw o r s e ，t h e r ei sn o td i f f e r e n c ew i t hr e g a r dt ot h a to ft h es e c o n d w e l d i n gs p o ta n ds u b s e q u e n tw e l d i n gs p o t s ；a b m p t i o np o s i t i o na n dt i s s u e si nf u s i o n a r e aa r es i m i l a ri nf i r s ta n ds e c o n dw e l d i n g p o i n t s d u r i n gs p o tw e l d i n g ，l e n g t h ( l ) ，p o s i t i o n ，r a n g eo fu n d e r - f u s i o na r e ao fr e s i n o u s l a y e ra n dc h a n g eo ft i s s u e s ，c o m p o n e n tn e a rr e s i n o u sl a y e ra r er e s e a r c h e d t h er e s u l t s s h o wt h a tlo fu n d e r - f u s i o nd e c r e a s e sa n dh a r d e n e dr a n g eo fu n d e r - f u s i o na r e a i n c r e a s e sw i t ha g g r a n d i z e m e n to f w e l d i n gh e a t ，d e l a yo fw e l d i n gt i m ea n dd e c r e a s eo f e l e c t r o d ep r e s s p o s i t i o n so fu n d e r - f u s i o na r e aa r ef a rf r o mc e n t e ro fw e l d i n gs p o ta n d d i s t r i b u t i o n so fu n d e r - f u s i o na r e aa r em o r es y m m e t r i c a lt oc e n t e ro fw e l d i n gs p o tw i t h a g g r a n d i z e m e n to f w e l d i n gh e a t ，e l e c t r o d ep r e s sa n dd e l a yo fw e l d i n gt i m e a tt h es a 1 0 e t i m e ，u n d e rac e r t a i ne l e c t r o d ep r e s s ，v d so f s a t n ep o s i t i o no ft h es e c o n dw e l d i n gs p o t n o to n l y j o i n t sm o r ec l o s e l y , b u t a l s ot h eh a r d e n e da r e ad i s a p p e a r sw i t ha g g r a n d i z e m e n t o f w e l d i n gh e a t ，d e l a yo f w e l d i n g t i m e k e yw o r d s ：v i b r a t i o n d a m p i n gs h e e t ，c 0 2a r cw e l d i n g ，s p o tw e l d i n g ，o r t h o g o n a ld e s i g n ， i n b e t w e e nr e s i n o u s l a y e r , a c c e s s o r i a le l e c t r i cs t r u c t u r e ，u n d e r - f u s i o na r e a i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中已明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：p 峥舞d - j 目，目 学位论文版面使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适应本授权书。 本论文属于， 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 日期砂眵午月 貉谬嬲 日期铆月目 姆仙 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 i 前言 随着工业的发展，由于大量机械设备的应用以及机械设备的高速、高效和自 动化，将不可避免的导致振动、噪声的发生。而目前噪声污染己随着社会的发展 呈现日趋严重之势，并日益成为一个世界性的问题。噪声不仅影响人们的身心健 康，影响人们正常的工作和休息，而且也是降低工作人员劳动效率，导致各种事 故的萤要原因【l l 。同时，噪声也是产品质量的综合体现，反映了产品的设计制造水 平，并直接影响其经济效益。 振动限制机械设备性能的提高、严重破坏机械设备运行的稳定性和可靠性， 同时导致设备器件的失效、仪器仪表的失灵或结构的疲劳损害，从而在工程结构 中引发灾难性事故【2 】。不仅如此，由于振动和噪声几乎涉及国民经济的所有领域， 影响面巨大，因此直接或间接由振动、噪声产生的各种问题导致的损失难以估量。 总之，振动和噪声的控制是一项十分重要的工程技术问题，它对国民经济具 有重大意义。 人们研究并开发出了多种解决工程中振动和噪声问题的方法和技术措施，其 中阻尼技术是控制结构共振和噪声的有效方法，是解决振动和噪声问题的最重要 手段。 阻尼的基本原理是损耗能量，各种阻尼技术都是围绕如何把受激振动能转化 为其它形式的能量( 如热能等) 而使系统尽快恢复到静止的状态。阻尼的方法主 要有三种，即采用系统阻尼、结构阻尼和材料阻尼。其中材料阻尼是依靠材料本 身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的。它包括粘弹性材料阻尼、阻尼合金 和复合材料阻尼即j 。 材料阻尼是材料内部在经受振动变形过程中损耗振动能量的能力l ”。这种阻尼 存在于各种材料之中，只不过有大小的区别而已。一般金属材料的阻尼都较小【“。 工程材料中另一种日益成为重要材料的是粘弹性材料，由于这种材料微观结构上 众多的耗能环节，在适当的温度及频率条件下，该材料在承受交变应力时会使外 力的作功部分转变为热能，耗散于周围环境中而产生很大的耗能效应，因此，这 是一种有效的阻尼材料 8 1 。 粘弹材料是一种同时具有某些粘性液体和弹性固体特性的聚合物材料。弹性 材料虽然能够贮存能量，但是它却不能耗散能量。相反，粘性液体具有耗损能量 的本领，然而却又不能贮存能量，因此只有介于粘性液体和弹性固体之间的粘弹 华中科技大学硕士学位论文 性材料才能二者兼备。在受到交变应力作用产生变形时，部分能量象位能那样贮 存起来，另一部分能量则被耗散转化成热能，从而把机械振动能转化为热能，起 到减振降噪的作用1 9 1 。 粘弹性材料由于模量过低，一般讲不能单独成为工程中的结构材料，而是将 它粘附于需要作减振降噪处理的机械结构或工程结构件上，这样可以把附有粘弹 材料的结构看成是种复合结构，也可称为自由胆尼处理结构，附着的粘弹材料 层也称为自由阻尼层。机械振动时，阻尼层随着机械结构产生弯曲振动，使粘弹 性材料产生拉伸与压缩的交变应力与应变，并使这种阻尼材料耗损机械振动能量， 从而产生减振和降噪效果。如果在粘弹材料层上再粘附一层弹性材料层( 如钢板) ， 就构成另一种复合结构，称为约束阻尼处理结构，结构见图卜1 。 钢板层 粘弹材料层 2 华中科技大学硕士学位论文 复原位，返还外力所作的功，但分子链段间的滑移和扭转不能完全恢复，出现了 永久性的变形而消耗能量。同时还有部分不能返还的功以热的形式耗损子环境， 这些是产生阻尼的基本原因。由于高分子材料分子链段繁多，耗能环节多，故阻 尼性能好f 1 7 2 2 1 。 西方各国不断研制出新型高分子聚合物粘弹阻尼材料，并已形成工业产品。 到上世纪9 0 年代初，各种聚合物粘弹阻尼材料已形成了系列化、标准化产品，发 达国家约有十余家专门厂商可提供品种繁多、各种牌号的阻尼材料，如美国的3 k i 公司、e a r 公司和s u p 4 d o o a t 公司英国的c i d a g u g y 公司等都有系列化的产品 【2 m 5 1 。国内高分子阻尼材料的研制及工程应用的发展也较迅速，从事阻尼材料研 究、开发和生产的单位已有多家。这类阻尼材料目前已比较成熟，广泛应用于航 空、航天、采矿、汽车、建筑、机械、船舶等工业领域和家用电器、体育器材等 方面。该类材料的阻尼损耗因子在1 1 2 0 之间，使用温度在一5 5 1 2 0 之间。 国内，1 9 8 7 年上海科技大学首先进行了减振钢板的研究工作【2 6 i ，从1 9 9 0 年起 包括中国科学院金属研究所、北京科技大学和东北大学等多家研究院、高校陆续 开展了减振钢板的研究工作。其中：中科院对由几种不同基团比的热固性树脂与 0 8 a l 钢板组成的减振钢板的力学性能、成形性、减振性、表层铜板的成形性、中 间树脂层的粘接强度和树脂层的最佳工作温度范围等开展了研究田2 8 j ；北京科技 大学对减振钢板的拉伸强度、剥离强度、剪切强度、减振性能以及减振钢板在弯 曲过程中内、外层钢板相对错动量等进行了研究，同时对减振钢板的弯曲成形过 程进行了计算机模拟，并通过对模具和材料参数的分析，研究了减振钢板在弯曲 过程中错动的影响因素，并在此基础上进一步分析了弯曲后减振钢板的回弹和剪 切力的分布情况( 2 9 。3 2 】：上海钢铁研究所在减振钢板的减振效果和损耗因子的计算 以及减振钢板制作结构的振动特性方面进行了研究并由此进一步证明减振钢板具 有良好的减振降噪效果；台湾省于1 9 9 1 年在减振钢板的减振降噪机理和性能等方 面开展了深入研究( 3 33 4 1 。目前，宝钢已具备了汽车用减振钢板的规模生产线，可 生产热固性减振钢板和热塑性减振钢板，厚度：0 4 m m 2 4 m m ，宽度：6 0 0 m m 1 2 0 0 m m ，基材为宝钢各种级别的冷轧板、热镀锌板、电镀锌板和彩涂钢板等。设 计生产能力：2 2 万吨。 1 2 2 减振板焊接方面的研究 ( 1 ) 减振板电弧焊熔池流场、热场数学模型和点焊接头的应力数值分析模型的 建立 t s a o k c 等根据焊接电弧作用的物理过程，提出了熔滴热焓量在熔池中的分 华中科技大学硕士学位论文 布模型，以此为基础建立了减振板熔化焊焊接熔池流场和热场的数值分析模型， 并利用这一模型研究了熔化焊焊接工艺参数与焊缝几何尺寸的关系，最后对计算 结果进行了实验验证 3 5 - 3 9 1 。 常宝华等基于对胶焊接头的组成和硬度分析，建立了减振板的应力计算模型 1 4 0 - 4 2 。模型包括母材、热影响区、熔核和胶层四个部分。胶合区位于焊点熔核外 的热影响区中。热影响区分为五个区域，各区材料的屈服强度由熔核中心向外逐 渐减小。焊点熔核外l m m 范围内，由于胶层基本失效，故认为该处不存在胶层。 为了对比研究单纯点焊和胶焊接头的应力场，研究中建立了电阻点焊计算模型， 与胶焊接头的计算模型相比，其区别仅在于没有胶接层部分。 f e n g g u i l u 等通过对减振板多点焊搭接构件的有限元分析，探讨了焊点间距 对强度的影响一“。 ( 2 ) 减振板点焊工艺的研究 戴瑞玲等对减振板焊接技术的基本性能及其工艺条件进行了研究，采取一种 简单方法解决了减振板焊接的导电性问题m 】。在现有的条件下，根据拉剪试样的 试验结果选择最佳的粘接剂，并通过正交试验确定最佳的点焊工艺参数。最后， 对点焊拉剪试件和减振板拉剪试件的静拉伸及疲劳试验结果进行了比较分析。 h o b e r l e 等研究了如何减少减振板点焊时容易产生的两种主要焊接缺陷：鼓 包和气孔；探讨了各种因素如聚合材料、电极形状以及焊接模式等对鼓包和气孔 的作用及影响；给出了优化点焊工艺参数的途径和方法【4 ”。 刘国山等设计了减振板点焊的导通旁路，并分别采用不同的焊接规范进行单点 和多点焊接，对试验中的影响因素加以分析，并提出了改进方法【4 6 “”。 1 3 课题背景 随着汽车工业的快速发展以及乘用车大量进入家庭和国家、行业对汽车振动、 噪音更严格控制法规的相继出台以及顾客对汽车舒适性、安全性更高的要求，追 使汽车产品不断提高新技术、新材料等应用。而减振板由于其特殊的结构可在满 足零件的结构和工艺性能的同时，显著降低零件振动和噪音水平。 但是，从国内外的研究现状中可以看出：减振板更多集中在理论基础研究以及 减振降噪、缓冲、隔声、隔音性能测量和材料的成型性能的研究方面，而减振板 焊接方面的研究相对薄弱，针对具体零件的减振板焊接，如：电弧焊、点焊的研 究更加缺乏。为数不多的一些减振板焊接的研究也主要集中在减振板电弧焊熔池 流场、热场和点焊接头的应力数学模型建立以及数值分析方面；而研究点焊工艺 参数对减振板焊接性能影响的文章数量更少；甚至可以说，电弧焊和点焊工艺参 数对树脂夹层减振板性能影响的研究目前是空白。而该研究对于进步加深对减 4 华中科技大学硕士学位论文 振板焊接特性的认识至关重要。 具体而言，减振板由于其特殊的结构( 两层钢板之间夹了一层不导电的粘弹性 树脂材料) ，致使在生产中尤其在焊接过程中表现出与普通钢板较大的差异。 目前使用减振板的汽车零件有：油底壳、汽缸盖罩、挺杆室盖等，其焊接工艺 大多采用点焊和电弧焊。 对于点焊而言，普通钢板是将准备连接的工件置于两电极问，在一定的电极压 力下，对焊接处通以电流，利用工件电阻产生的热量加热并形成局部熔化，断电后， 在压力继续作用下，形成牢固接头。而减振板的结构使得焊接电流无法构成回路， 工作过程中没有电流通过，不能产生电阻热，无法在两板间形成焊接熔核，也就 形不成冶金连接。 此外，无论是点焊和电弧焊，减振板由于增加的中间树脂夹层，导致在焊接过 程中，树脂夹层周围的减振板将出现硬度、组织和成分的一系列变化。 因此，有必要通过电弧焊和点焊工艺研究，分析焊接参数与减振板树脂层熔化 量的定量、定性关系以及相应的树脂层附近组织、硬度和成分的变化，以进一步 加深对减振板焊接特性的认识，从而加快和促进减振板在汽车上的应用，改善汽 车的乘坐舒适性，减少噪声和振动对汽车结构和环境的危害。 1 4 研究目标 通过焊接参数对树脂夹层减振板性能的影响研究，来实现以下研究目标： ( 1 ) 研究电弧焊焊接参数，包括：焊丝直径、焊接时间、焊接电流( 焊接电压) 对减振板树脂层熔化量的定量和定性规律以及相应的树脂层附近组织、硬度和微 观成分的变化。 ( 2 ) 研究减振板点焊的可行性以及点焊焊接参数，如：焊接时间、焊接热量、 电极压力对减振板第一焊点和第二焊点中树脂层熔化量的定性规律以及相应的树 脂层附近组织、硬度和微观成分的变化。 1 5 研究内容 ( 1 ) 减振板电弧焊的研究 通过多元线性回归正交设计制定减振板电弧焊研究的试验方案，对各种焊接参 数，如：焊接时间、焊接电流( 焊接电压) ，焊丝直径对树脂层脱开宽度w 的影 响规律进行多元线形回归，从而归纳并分析减振板电弧焊焊接参数与树脂层脱开 宽度w 之间的定量关系，并与实验结果进行比较；在此基础上，研究了选取不同 焊接参数时树脂层脱开宽度w 对树脂层附近减振板的硬度压痕对角线平均值、金 相组织和微观成分分布的影响。 5 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 减振板点焊的研究 研究减振板增加导通旁路并采取先后顺序进行点焊的可行性，以及点焊的各种 焊接参数，如：焊接时间、焊接热量、电极压力对树脂层熔化量的影响规律和树 脂层附近减振板的硬度压痕对角线平均值、金相组织和微观成分分布的情况。 1 。6 课题意义 通过焊接工艺试验，对减振板的焊接工艺参数选取、焊后的组织和性能等进行 研究，摸索出电弧焊和点焊焊接参数与减振板树脂层熔化量，树脂层附近减振板 的组织、硬度和成分分布之间的关系，加深对减振板焊接特点的认识，加快和促 进减振板在汽车上的应用，改善汽车的乘坐舒适性，减少噪声和振动对汽车结构 和环境的危害。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 减振板树脂层脱开宽度w 与c 0 。电弧焊主 要焊接参数之间的定量关系 多元回归设计可以寻求试验指标和多个因素之间的关系方程。它使得具有相 关关系的多因素问题，都有可能实现定量分析。 采用多元线性回归正交设计方法的理论基础在于正交表的正交性，即均衡性。 在正交表的正交性中，任- - n 备水平出现的次数相等，任二列间所有可能的组合 出现的次数都相等，因此就使得任意因素各水平的试验条件相同。这就保证了在 各列因素各个水平的效果中，最大限度地排除了其他因素的干扰，从而可以综合 比较该因素不同水平对试验指标的影响【4 8 i 。 2 1 试验条件 表2 - 1 减振板c 0 2 电弧焊试验条件 2 2 试验材料 本文试验中使用的减振板总厚度为1 6 2 m m ，其中粘弹性树脂材料层厚为： 0 0 2 m m ；上、下层钢板厚度各为：0 8 m m ，并且上、下层钢板的材料都为：b s u f d ； 螺母材料：2 0 辑钢。 2 3 c 0 ：电弧焊设备 c 0 2 电弧焊设备参数：产地：法国s a f 。输出：电流调节范围5 0 a 4 0 0 a ，电压调 节范围1 6 5 v 3 4 v 。其中：空载电压：3 8 9 v 4 8 2 v ，输入( 电源) ：三相 频率：5 0 h z 。具体参数见表2 - 2 。 表2 - 2c 0 2 电弧焊设备参数 2 4 多元线性回归正交设计试验 2 4 1 减振板树脂层脱开宽度w 的影响因素及试验水平的选取 焊接电流( j ，) 其它条件不变时，增加焊接电流，焊缝熔深增加，而熔宽则几乎保持不变。 这是因为：焊接电流增加时，电弧的热功率和电弧力都增加，因此熔池体积和弧 7 华中科技大学硕士学位论文 坑深度随电流而增大。一般情况下，在焊丝直径、保护条件、熔滴过度形式确定 后，正常的电弧焊条件下，熔深几乎与焊接电流成正比。考虑减振板上层钢板仅 为普通钢板的一半厚，因此在选择电流范围时，尽量取下限，本文研究中电流范 围为：8 0 1 3 5 a 。 电弧电压( ，) 在其它条件不变时，电弧电压增大，焊缝熔宽显著增加而熔深略有减少。这 是因为电弧电压增加就意味着电弧长度的增加，使电弧斑点飘动范围扩大而导致 熔宽增加。从能量角度看，电弧电压增加所带来的电弧功率提高主要用于熔宽增 加和弧柱的热量散失，电弧对熔池作用力因熔宽增加而分散了，故熔深略有减少。 由此可见，电弧焊接时，电流是决定熔深的主要因素，而电压是影响熔宽的 主要因素。需要注意的是，为了保证电弧过程的稳定性，这二个参数都有一定的 范围，并且是相互制约。电流的范围将由焊丝直径确定，而一定的电流要有足够 的弧长，即要有一定的电弧电压，才能稳定电弧。电压过高会造成气孔，这是不 允许的。电流一定时，电压允许范围一般不是很大。在本文研究的电流范围内， 电压波动范围在：1 8 2 3 v 之间。 焊接时间( p ) 焊接时间对焊缝成形，接头的机械性能以及气孑l 等缺陷的产生都有影响。随 着焊接时间延长，焊缝熔深、熔宽增加。综合考虑焊接质量和效率，选取焊接时 间在：l l 2 1 秒圈之间。 焊丝直径( 当其它条件不变时，减少焊丝直径不仅使电弧截面减少，电流和功率密度提 高，而且减少了电弧斑点飘动范围，因此熔深增加而熔宽减少。薄钢板c o 。气体保 护电弧焊的焊丝直径一般在0 8 1 2 m m 范围内选取【4 州。 2 。4 2 试验设计 根据c o 。气体保护焊工艺规程、焊接实践和减振板板厚特点，按选定的各个工 艺参数的变动范围( 由于电弧电压随电流变化而变化，因此在本章研究中不将其 作为一个独立因素加以考虑) ，进行因子水平编码。设五为自然因子( 即工艺参数f 、 f 、功，z , j ，z 0 分别表示因子乃取值的下水平和上水平，其算术平均值： z 0 ，：鱼粤 ( 1 ) ( i ) 式称为因子z j 的零水平。 v ，：互导 ( 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 式为因子的变化区间。为便于计算，并使回归方程各项系数直接反映各个因子 对减振板树脂层脱开宽度w 作用的大小，而不受因子单位和取值的影响，需对每 个因子z j 的水平进行编码，即对因子的取值作如下线性变换： x ；：丝( 3 ) 7 v ( 3 ) 式中：玛为自然因子弓的编码值，从而建立自然因子乃与编码因子间的一 一对应关系为便于记录和处理实验数据，将两个实验水平( 上、下水平) 分别用 代码十l 和一l 表示，零水平用o 表示，如表2 3 所示。因此若弓在区间 乃，z 西 内变化，则它的编码值疋的变化区间为 一1 ，+ 1 。 表2 - 3 因素编码表 工艺参数焊接电流i焊接对间v焊丝直径d 因子 z iz 2历 z b 8 01 lo 8 下水平 x ! i l- 11 舀 1 3 52 l1 2 上水平 x h 11l 面 1 0 7 51 61 零水平 x o j 0oo 因子变动区间v j 2 7 55 0 2 方程在被研究区域内的拟合情况，在零水平处( 9 号试验点) 做3 次重复试验。 9 华中科技大学硕士学位论文 表2 4 试验计划表 试验因索 试验号 d 11 3 5 2 11 2 2 1 3 52 l 0 8 31 3 5 1 11 2 4 1 3 51 10 8 58 0 2 1 1 2 68 0 2 1 0 8 78 0 1 l 1 2 88 9 1 1 0 8 9 1 0 7 5 1 6 1 2 4 3 ，数学模型的建立 考虑焊接工艺参数( ，、y 、功的一次项及阶交互作用对减振板中间树脂层脱 开宽度w 的影响，忽略二次项。 假定减振板树脂层脱开宽度w 与焊接工艺参数( f 、v 、功的关系用w 表示， 其函数关系为： ”= ，( 厶v ，d ) ( 4 ) 则多元线形回归方程可表示为： - i = 6 0 + 6 i - f + b 2 v + b 3 d + b 4 f v + b 5 f d + b 6 v d 十b 7 i - v d ( 5 ) 这一模型包括工艺参数主效应的影响和一阶交互作用。其中瓦和b ，( 产l ， 2 ，7 ) 是回归系数。 2 4 4 减振板中间树脂层脱开宽度w 试验结果 按试验计划表2 4 完成焊接过程，测量各焊接规范下试样的减振板树脂层脱 开宽度w 。测量仪为：j x d - 2 型工具显微镜，精度1 ，测量部位见示意图2 一l ，试 验结果见表2 5 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图2 l 测量部位示意图 表2 5 减振扳中间树脂层脱开宽度试验结果 试验因素 试验号减振板中间树脂层脱开宽度( w ) d l1 3 51 22 11 7 2 8 21 3 50 82 l2 1 8 3 31 3 51 ，21 11 4 3 3 41 3 50 81 l1 7 2 2 58 01 22 19 2 3 68 0 0 8 2 11 1 1 7 78 0 1 2 l l6 9 4 88 0 0 8l l 8 9 3 91 0 7 5 l 1 61 1 5 8 1 01 0 7 5 l 1 61 1 6 2 1 11 0 7 5 1 1 61 1 6 6 2 4 5 减振板中间树脂层脱开宽度( w ) 与焊接参数的定量关系 2 4 5 1 回归系数的确定 利用下列公式及表2 - 5 的试验结果可求出式( 5 ) 的各项回归系数( 结果见表 2 - 6 ) ： ( 卢1 ，2 1 1 ，- 1 1 )( 6 ) l l 。h = 华中科技大学硕士学位论文 ! 一：= = = ；= = = = = ；= = ；= ；= = = = z = ；= = = = = # = = = ：旦( ，：1 ，2 7 ) ( 7 ) 2d 。 j j 式中：y ，一对应某指标的第i 次试验结果 置一第i 次试验中因子z i 的编码值。 则：减振板树脂层脱开宽度w 与各焊接参数的编码因素石的多元线性回归方 程： w = + 6 l x l + 6 1 x t + 吣x l + b x l x t + b 5 x t x 1 + b 6 x t x l + b 。x i x 2 x = 1 2 8 9 + 4 3 x l + 1 4 2 x 24 - 1 5 1 x 3 + 0 4 4 墨置+ 0 3 8 x l 墨+ o 2 0 x , 墨+ o 2 1 置k + 鼍 ( 8 ) 。m i i t 华中科技大学硕士学位论文 揣 槭 耀 撼 盘 椒 楚 莲孓 耀 藿i 宸 翟 塘 噬 罂 忡 嚣 厘 廿 蟮 鞲 鬻 k 一 壹 k 6 k h 专 托 口 时 世 州 州 1 k k 童 k k 趟 捌 始 k 啦 删 埘 1 慕i h 驶 璃 脚 鲻 奄 驶 奄 。毒点点 世印 一- - i3 华中科技大学硕士学位论文 2 4 5 2 多元线性回归方程的统计检验 多元线性回归方程精度分析时，通常应进行回归系数、回归方程和失拟三项 检验。本试验采用，检验法对结果进行显著性检验。 回归系数检验 为考察试验因素对试验指标的影响，进行回归系数检验。一般情况下，回归 方程显著并不意味着因素及其交互作用对指标w 的影响是显著的，需要从回归方 程中剔出次要的不显著的因素或交互作用，以便更好的对w 进行预测和控制。由 公式( 9 ) ( 1 1 ) ，求得各回归系数的检验结果如表2 6 。 & = b j xb j ( gj s ，_ t = 舌粤c ( 乃，正) ( 1 0 ) u e f e 乃= 1 ( 1 1 ) 回归方程检验 为考察整个回归方程对试验指标确实有显著的影响，进行回归方程检验。 s 回= s i = s l + s 2 + s 尹s 矿s 5 s a + s z + s 8 ts 9 + s 。 = 1 8 5 6 4 局= 7 s r = s 一6 6 厶= f 一知2 3 吒= 粉= “明 旷s s s 因此，回归方程式( 8 ) 的显著水平为0 0 5 。 失拟检验 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 考察事先假定的回归模型是否符合实际，这项检验称为失拟显著性检验。仅 在零点进行重复试验，品及其自由度可由下式计算： s f = ( 歹，一= 1 6 1 ( 1 7 ) 1 2 l 疗= 1 ( 1 8 ) 1 4 华中科技大学硕士学位论文 8 = s ，一萼 ! ! 一一1 0 0 ( 1 9 ) s 芦称为失拟平方和的贡献率，如果芦5 ，可认为回归方程不失拟。 2 4 5 3 回归方程的变换 根据表2 - 6 的计算结果，将( 8 ) 式中各焊接参数的编码因素五通过代换公式( 3 ) 用自然因子( j 、p 、彩代换，得到各焊接参数对减振板树脂层脱开宽度w 的多元 线性回归方程如下： w = 6 0 + 吼- f + b 2 v + b 3 - d + b 4 i p + b 5 i d 十b 6 。p d + 唇7 i p 。d ：6 8 7 1 + 0 1 3 1 i + 0 6 1 9 v 一9 2 1 9 d 一0 0 0 5 1 v 一0 0 4 i d 一0 5 8 d p + 0 0 0 7 6 i v d 2 5 结果检验 根据表g - 5 中的试验数据，采用式( 2 0 ) 进行计算，结果比较见表2 7 表2 - 7 计算值与试验值比较表 通过表i 一7 酌比较，可以看出利用式( 2 0 ) 计算得到的减振板中间树脂层脱开 宽度w 结果是可以让人满意的。 2 6 本章小结 利用多元线性回归正交设计方法，计算了减振板中间树脂层脱开宽度w 与焊 接参数之间的定量关系，并通过对回归方程中的回归系数、回归方程和方程失拟 情况的检验以及随后该回归方程的计算值与试验值的对比，验证了该方程具有较 好的精确度。 华中科技大学硕士学位论文 3 c 0 ：电弧焊过程中减振板中间树脂层的变 化及对焊缝的影响 在第二章的基础上，本章具体研究c o 。电弧焊主要焊接参数在各自的取值范围 内变化时，对减振板中间树脂层脱开宽度w 的影响规律，并与公式( 2 0 ) 的计算 值进行比较，以进一步检验公式( 2 0 ) 的准确度；探讨树脂层脱开宽度w 的变化 与焊缝外观、金相组织、硬度压痕对角线平均值分布和微观成分分布的关系。 3 1 试验中组织、硬度压痕对角线平均值测试方法 试验中组织测试设备为：n e o p h o t 3 2 型金相显微镜，检验标准为：g b 4 3 3 5 8 4 和g b t 1 3 2 9 8 9 9 9 1 。硬度压痕对角线平均值测试设备为：b u e h l e rm i c r o m e t 硬 度压痕对角线平均值计，其中载荷为l o g ，载荷保持时间为l o s e c ，检验标准为： g b 4 6 7 5 5 - 8 4 和g b 4 3 4 0 8 4 ，由于测量部位硬度较低，该试验中硬度压痕对角线平 均值值以硬度压痕对角线长度的平均值加以衡量。w 、焊缝熔深、熔宽和硬化区 宽度b 的测量采用金相显微镜j x d - 2 型，精度1 。其中：将硬度压痕对角线长度 的平均值增大1 2 时的部位定义为硬化区与基体的分界处，将组织中屈氏体刚刚完 全消失处的部位定义为硬化区金相组织与基体的分界处。微观成分分析仪器为： e d a x - - g e n i s i s t 0 0 0 能谱仪，分辨率1 3 0 e v 。 3 2 焊接参数对减振板树脂层脱开宽度w 的影晌规律 3 2 1 焊接电流f 对减振板树脂层脱开宽度w 的影响 在焊接电流f 的 8 0 a ，1 3 5 a 3 变化范围之间选取i _ = 8 0 a ， 1 0 0 a ，1 3 5 a ，其它 参数固定不变。i 对w 的影响规律见图3 一卜图3 3 。 - 一一1 广一 6 08 01 0 0 焊接电流 1 2 01 4 0 a 1 试验值 1 一计算值 图3 - 1w 与焊接电流的关系( d = - i o m m ，v = 1 6 秒圈) t 6 墙h 地m 8 6 星一釜 华中科技大学硕士学位论文 亘 2 0 毒1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 巨 1 8 邑 釜1 6 1 4 】2 1 0 8 6 6 08 01 0 0 焊接电流 1 2 01 4 0 a 试验值 - 计算值 图3 - 2w 与焊接电流的关系( 赤i 2 m m ，v = 2 0 秒圈) 一 6 08 01 0 01 2 01 4 0 焊接电流：a 图3 - 3w 与焊接电流的关系( 庐o 8 m m ，v = 1 3 秒，圈) 从上述结果可以看出，d 、v 取值固定后，w 随焊接电流的增加呈线性增加。 3 2 2 焊丝直径d 对减振板树脂层脱开宽度w 的影响 在焊丝直径d 的 0 8l l t r l l ，1 2 衄 变化范围之间选取d = o 8m i l l ，1 0 i i m ， 1 2 m m ，其它参数分别固定不变。焊丝直径d 对w 的影响规律见囤3 4 一图3 - 6 。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 o 60 811 21 4 焊丝直径 1 1 1 1 1 1 图3 - 4w 与焊丝直径的关系( i = 8 0 a ，v = 1 6 秒圈) 一 0 6o 8l1 21 4 焊丝直径：舳 图3 - 5w 与焊丝直径的关系( i = i o o a ，f 2 0 秒圈) 试验值 一计算值 1 i 试验值 l 一计算值l 1 8 坞坦m 9 8 7 6 5 4 目i i l = m h 他 8 6 4 善釜 华中科技大学硕士学位论文 2 0 鲁 e 釜1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 一 0 60 8i1 21 4 焊丝直径：l l 】n 】 图3 - 6w 与焊丝直径的关系 从以上各图可见，当i 、v 取值固定后， 试验值 一计算值 ( i = 1 3 5 a ，v = 1 3 秒圈) w 随焊丝直径的增加呈线性减小。 3 2 。3 焊接时问对减振板树脂层脱开宽度w 的影响规律 在焊接时间v 的 1 1 秒圈，2 1 秒圈 变化范围之间选取v = 1 1 秒圈， 秒圈，1 5 秒圈、2 0 秒圈，其它参数固定不变。影响规律见图3 7 一图3 9 。 1 3 吕 b 釜1 2 1 1 1 0 9 8 _ l ，i l l 【，。 riti1l 1 01 11 21 3 1 41 51 61 71 81 92 02 12 2 焊接时问：秒圈 图3 7w 与焊接时间的关系( i = 8 0 a ，d = o 8 m m ) 试验值 | 一计算值 1 9 华中科技大学硕士学位论文 1 3 吕 星 _ 誉 1 1 9 1 0 1 11 2 1 31 4 1 51 61 71 81 92 02 1