基于多能特征的摩擦焊工艺参数的优化.doc

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（外文翻译）基于多性能特征的摩擦焊工艺参数的优化Optimization for friction welding parameters with multipleperformance characteristics年 级:2008级学 号:20084952姓 名:厚磊专 业:材料成型及控制工程指导老师:戴虹 基于多性能特征的摩擦焊工艺参数的优化 Paulraj Sathiya S. Aravindan A. Noorul Haq摘要 摩擦焊接是一种固液相交替存在的压力焊接方法。虽然，摩擦焊在工业应用中已经积累了一些经验，但是想要得到最佳工艺参数却仍然是一项很艰巨的任务。本次工作，是对取得最佳参数的设计进一步的推进。本文提出了一种对于如何优化摩擦焊接接头工艺参数并获得多个性能特点（如拉伸强度和金属损耗）的影响的调查。本文基于田口实验方法设计了一个实验，在这个实验中，输出的变量是焊缝的抗拉强度和金属损失，这些输出变量根据输入变量来决定，而输入变量包括加热压力（），加热时间（），顶锻压力（）和顶锻时间（UT）。这个研究的主要目的是使拉伸强度最大化，金属损失最小化。经过统计分析，实现这些工艺参数的最佳的组合。最后通过在最佳工艺参数条件下实验，验证这些组合。关键词：摩擦焊接；金属损失；微观结构的研究；田口实验法；抗拉强度1 引言 不锈钢是一种以铁为基体的合金，包含了多种其他元素，这一特点使得它能够应用在广泛的领域，如化工，石油化工，化肥，日用设备，食品加工，制药设备，低温容器，换热器和饮料行业。摩擦焊是一种固态连接过程，通过控制焊件的接触面所产生的热量来使得焊件连接到一起。在受热条件下，材料达到软化状态，塑性状态的材料开始与另一种材料形成融合层，最终形成高质量的焊缝。摩擦焊方法已显示出可观的经济性和技术优势。为了获得高质量的焊接接头，要采用合适的焊接参数。焊接过程是一个多输入与多输出的连接过程，在这个过程中，接头质量与焊接参数密切相关。因此，需要做许多实验来确定最佳输入参数的组合以此来得出最佳的输出参数。许多研究人员用传统技术，研究了摩擦焊工艺参数对钢接头质量的影响和工艺参数优化的过程。然而关于类似不锈钢的摩擦焊的文章的很少有的，故而采用非传统的方法来优化焊接参数是一种新的想法。比如金正日和李承晚（2001）用遗传算法优化气体保护焊(GWAM)焊接工艺参数来获得理想的几何焊缝。而田口实验方法是一个对设计和分析系统的应用，以此来达到设计和提高产品质量的目的。近些年来，田口试验方法已经成为了在研发过程中提高产品质量的有力工具，因此能够高效、节约的生产高质量的产品。本研究通过田口实验方法介绍了一种程序，以此来确定最佳工艺参数，因此可以适当的在复杂的系统中应用这项技术，比如在焊接工艺过程中的应用。另一个好处是，没有外部因素影响焊接现象，有可能实现连续的研究。通过实验，可以找到最佳的工艺参数的设置。控制焊接接头的输入变量是加热压力，加热时间，顶锻压力，顶锻时间，输出变量是拉伸强度和金属损失。为了确定产生最大拉伸强度和最小的金属损失的焊接工艺参数，需要在一个广泛的焊接条参数范围内进行，使得出的实验结果与观察得出结果能够非常吻合。2 优化焊接工艺参数的田口实验在田口实方法中，不通过增加成本而获得高质量的接头的关键是优化工艺参数。这是因为优化工艺参数，可以提高产品质量特性，而且从田口实验方法中获得的最佳工艺参数对环境条件的变化和其他的一些因素的影响不敏感。基本上，古典工艺参数的设计（蒙哥马利），虽然易于使用，但是很复杂。特别是当工艺参数数量增加的时候，需要做大量的实验。为了解决这个问题，田口实验方法使用一种特殊的正交列阵表的设计，用一小部分实验来研究全部的范围内的工艺参数。田口实验法建议用损失函数所需要的值来衡量质量特性的差值。在选择工艺参数的过程中，考虑到多个质量特性，田口实验方法需要进行修改，以评估几种损失函数所对应的不同的质量特性。田口实验参数的设计，是通过设计工艺参数的设置，来优化性能，减少系统性能波动的各种来源。在这项研究中，通过使用加权方法使得损失函数融入到整体损失函数中，整体损失函数数值又进一步转换成一个信号比S/N。通常情况下，有三种质量特性的的S/N比率，一种是比值越低越好，一种是比值越高越好，还有一种是比值越接近越好。每种水平的工艺参数的S/N比率的计算要以S/N分析为基础，抛开质量特性的差别不计，一个大的S/N比率对应的是个更好的质量特性。因此，工艺参数的最优化水平是S/N比的最高水平。此外，进行统计方差分析是为了明白哪种工艺参数具有统计学的意义。然后就能够预测出最佳的工艺参数组合。最后，再在通过实验来验证从设计中所获得的最佳工艺参数。3 实验过程3.1 材料材料相类似的接头，比如铁素体不锈钢(A/S/430)通过摩擦焊来进行焊接。试样的尺寸是，直径16mm，长度130mm，铁素体不锈钢的化学组成列在表一之中。焊接之前，搭接面要进行机加工，要用化学方法去清洗表面以除去污染物。表格1 AISI 430母材的化学成分元素CCrNiMnSiSPMoNbFe百分比0.1216.390.451.590.42无0.0280.220.1平衡3.2 摩擦焊实验设备一台实验室连续驱动摩擦焊机，最大负载达到150KN的，功率为15/20Kw 图1本机提供四个速度等级的主轴装置，分别是1125、1500、2250、3000转。加热时间、加压时间、顶锻压力、顶锻时间、进给速度、制动延迟时间、顶锻延迟时间，这些参数，在机器允许的范围内可以调至任何数值。恒定的主轴转速（1125转），进给率（0.8mm/s），制动延迟时间（0.8秒），顶锻延迟时间（0.3秒）。其他参数，如加热压力、加热时间，顶锻压力、顶锻时间，在机器设置的范围内可以是多种多样的。3.3 金属损失由于闪光而造成的试样的轴向短缩被称为金属损失，这种损失的材料可以被认为是燃烧掉了。燃烧掉的物质可以被定义为焊接前后试样的长度差，应该通过优化燃烧过程来获得高强度的焊接接头。闪光的特点是考虑减少物质损失的重要因素。过低的燃烧损耗是由于工艺参数选择不当而造成的端面接触不合理的现象。但是过高的损耗又有会是一种材料的浪费。3.4 微观结构的研究摩擦焊焊接接头微观结构的研究是用光学显微镜进行的，接头完整性的分析是通过显微镜在接头区域进行的。3.5 拉伸试验接头的拉伸强度是通过拉伸试验来测定的，试样准备按照ASTM标准。本次试验是在FIE生产的40吨的万能试验机上进行的。三个接头对每套工艺参数进行测试，最后得出平均数据。4 工艺参数优化选择在本环节中，一步步的用田口实验方法来优化铁素体不锈钢的摩擦焊工艺参数，再对优化的焊接工艺参数进行确定和验证。4.1 正交阵列实验与其他优化分析方法相比，田口实验方法确定了由有限元分析得出的最佳结果，同样确定了进行激光焊接的有限元数据分析时，影响焊接参数的主要因素。这种方法已经给广泛的应用于精密制造行业和其他的一些领域。在本次研究中，要考虑四不同的工艺参数，即加热压力，加热时间，顶锻压力，顶锻时间。不同的焊接参数值列在表2中。在这项研究中，一个L9的正交列表有8个自由度，当L9正交列表被使用时，需要做九个实验来研究整个焊接参数范围。用正交表L9设计的关于摩擦焊的工艺参数的实验列在表3中，而用正交表L9设计的的关于摩擦焊实验的结果列在表4中。表格2：焊接参数及其等级标号焊接参数单位第一级第二级第三级A加热压力Mpa658095B加热时间s369C镦压压力Mpa160170180D镦压时间s357表格3：用L9正交列表设计的实验布局实验组号加热压力加热时间镦压压力镦压时间拉伸强度金属损失111115419.62122253410.03133352810.84212355111.45223154911.96231254212.67313256112.98321355213.39332154613.5表格4：输出变量的权重系数情况编号拉伸强度权重系数金属损失权重系数10.70.320.80.230.90.14.2 多响应的S/N比率 田口实验法用于实现一个理想的的实验过程或产品设计。S/N计算公式的设计，使得实验者在实验过程中总是选择最优级别的设置，以此来优化质量特性。S/N比值越大，产品质量越好，或者是性能越强在本文中，原始的响应值转换为S/N比值。在这项研究中，加权方法用于具有多个性能特点的摩擦焊工艺参数的优化4.3 方法 第一步：依据相应的要求，利用下面的公式计算S/N比值(i) 比值越大越好 (4.3.1)在此公式中，yij的重复次数观测到的响应值其中，i = 1, 2,.n; j = 1,2.k这是一个应用性问题，在此过程中，所寻求的是使得性能最优化的质量特性。这就是被称为比值越大越好的一类问题。(ii) 比值越小越好 (4.3.2)这是一类被称为越小越好的类型的问题.(iii) 比值越接近越好 (4.3.3)这就是所谓的越接近越好类型的问题，在这种方法中，实验者试图尽量减少计算数据与某一给定值之间的均方差，以任何方式来调节给定目标的平均值，呈现出来的优化约束的问题。在此标准化过程中，它将单一的输入的数据进行均匀分布，再将它归入某一个可能的范围，然后进行下一步的数据分析。现在已经有一些方法来解决多元响应的优化问题。在本次研究中，加权法就被用于具有多种性能特点的摩擦焊参数的优化。通常情况下，权重系数纯粹是由工程判断决定的，但是它任然很难确定，并且很难为每一个实际案例中的响应界定一个明确的权重系数。第二步：yij通过下列的公式标准化为，以此来避免采用不同单位所造成的影响，并减少变异性。我们有必要在用灰色关联理论或其他任何方法分析原始数据之前对他们进行标准化，在同一阵列中的值中扣除一个适当的值，使得这个数组的值接近于1。因为标准化过程影响排列，所以我们也要分析标准化过程在结果先后顺序的方面的敏感性。 (4.3.4)（该公式用比值越大越好的S/N比的计算） (4.3.5)（该公式用于比值越小越好的S/N比的计算） (4.3.6)（该公式用于比值越接近越好的S/N比的计算）第三步：在本文中，考虑到三种情况，用加权方法把多响应转化成单一性能指标，权数列在表4中。第四步：利用从上面获得的权值(W1, W2,Wj)，计算S/N比的加权值。WSNi=WiZ11+W2Z12+WjZij (4.3.7)第五步：确定影响因素的最佳组合S/N比的加权值最大化会产生更好的产品质量，因此基于S/N比的加权值，估计每个因素的影响，并确定每个可控因素的最佳水平。例如估计i因素的影响，我们计算每一个j水平的S/N比的加权值（WSN）的平均值，记作WSNij,，接下来是影响，记作Ei,，定义为Ei=max(WSNij)-min(WSNij) (4.3.8)如果i因素是可控的，那么j的水平被定义为 (4.3.9)第六步：进行方差分析确定的重要因素第七步：利用下面的增加的模型来计算预测的最佳条件。在这里，我们使用从式子4.3.8 和 4.3.9中获得的因素水平。 (4.3.10)Gm=S/N比平均值;平均S/N比值第j个水平的第i个重要因素；q=重要因素个数。9个实验的S/N比权重值经过计算，列在表5中。S/N比值的标准化对每个级别摩擦焊工艺参数的影响，经过总结归纳，列在表6到表8中。这些列表源自于多响应的S/N比值和矩阵列表。具有最高的S/N比值的焊接参数将会被当做是那个参数的最好的水平。每个因素所对应的最大值用黑体表示出来。从表格6到表格8，从S/N值响应表中，我们可以总结出，预先设置的摩擦焊工艺参数等级是A3 B1 C3 D2，例如，加热压力是95兆帕，加热时间是3秒钟，顶锻压力是180兆帕，顶锻时间是5秒钟，在三种情况中都要考虑权重系数。虽然参数已预先设定过了，但是实验依旧要再次进行和检验。得出结果要与预测值和实验数据相比较。4.4方差分析方差分析的主要目的是调查显著影响质量特性的焊接参数，这是通过把全部的S/N比的可变性分为对每个焊接参数有利和有害的方面而完成的。可变性的是由所有的相关的S/N比与之的差值的平方而计算出来的。在全部的差值平方的值中，焊接参数所影响的那部分所占的比例可以被用来衡量焊接参数对质量特性的改变的重要性。三种情况方差分析的的结果列在表9到11中。5 结果和讨论5.1 确认试验最后一步是，预测和证实，使用最佳等级的焊接工艺参数能优化质量特性。考虑到焊接工艺参数对质量特性影响很大，可以通过表格5来计算最佳等级的焊接工艺参数条件下所预测的S/N比值。试验根据表12的优化工艺参数来进行，结果也列在表12中。上述优化的工艺参数是由田口实验技术获得的，并把其与预测值和实验结果相比较。比较结果列在表13中。5.2 微观结构研究典型的摩擦焊焊接接头微观结构图如图2所示。焊接接头被垂直切断，并通过金相显微镜进行观察，典型的微观图反映了接头不同区域内的不同微观形态结构，并对这些微观图进行介绍和分析。在焊缝区，焊接热影响区，和母材区所观察到的典型的微观图如图2ac所示。把焊缝区与焊接热影响区的图片2a和c与母材金属图片2b相比较，所观察到的微观结构有显著变化。在焊接热影响区的晶粒相对粗糙，虽然铁素体不锈钢有高成分的铬，他们在加热时一般不转化为奥氏体，而是在晶界处有形成碳化铬的可能性，就如图2观察到的那样。在塑性区(焊缝金属)可以观察到细化的晶粒结构，然而，当比较接头融合区的结构组织时，铁素体不锈钢焊缝粗糙的晶粒是一个更大的问题。在固态连接中，特别是在摩擦焊中，由于严重变形，会在焊接区域观察到晶粒细化的现象，这会使得焊缝质量提高。母材的微观结构可以在未变形区得到。会观察到晶粒被拉长成为平行的粗条状。未变形区距离融合线的距离大约要超过1.3毫米，部分变形区距离融合线的距离0.5到1毫米。5.3 拉伸试验通过田口实验所获得的最佳输入参数，被用在摩擦焊接头的实验上，来对这些焊接接头的拉伸强度和金属损失进行评估。表12 给出了类铁素体不锈钢接头的摩擦焊理论与实验的输入与输出参数。表13显示了田口实验方法确认的结果，同时也给出了预测值与实验值。为了获得更高的强度，焊接时间应该尽可能的短，加压压力应该尽可能的高。低的摩擦压力会导致低的加热速率，这会使得，当温度梯度降低的时候，相邻的材料的温度升高。接头区域的强度会与母材相当。当摩擦焊时间很短的时候，热效应可能会变得不规律，导致未熔合区的形成，当焊接时间超过最佳焊接时间很多的时候，不仅会降低生产效率，增加母材的消耗，同时也会导致晶粒粗化，和焊缝区的强度的下降。表格5：S/N比权重值实验组号拉伸强度（兆帕）金属损失 （毫米）拉伸强度的S/N比金属损失的S/N比拉伸强度的S/N比的标准值金属损失的S/N比标准值S/N比权重系数T1T2T3M1M2M30.7T*0.3M0.8T*0.2M0.9T*0.189.60.1284854.66356-19.67630.4090200.286310.327210.36811252853554010.210.10.3518054.5514-20.05840.200800.128480.179100.186330.19356351953053510.9110.500454.45058-20.722500.351800.179100.186330.19356455254555511.511.20.6252654.81702-21.16440.703740.500400.642730.663070.6834554555055212.111.911.854.79017-21.53570.653900.625260.645300.648170.65102653854554212.612.712.554.67428-22.00760.429610.783940.535900.500460.46503756255057013.112.812.954.97128-22.23461.00.860270.958090.972050.98602855156054513.513.113.454.83716-22.49950.742420.949350.804490.78380.7631954754055013.813.513.454.73778-22.65010.551561.00.686090.641240.5964表格6：第一种情况下的焊接参数S/N比响应表试样焊接参数123A加热压力0.19030.60790.8162B加热时间0.62900.54290.44251C镦压压力0.54220.502640.56964D镦压时间0.539170.557690.51758设置 A3B1C3D2表格7：第二种情况下的焊接参数S/N比响应表试样焊接参数123A加热压力0.19460.60390.79903B加热时间0.654110.53940.40402C镦压压力0.537150.496880.56352D镦压时间0.538870.552940.50574设置 A3B1C3D2表格8：第三种情况下的焊接参数S/N比响应表试样焊接参数123A加热压力0.198950.599810.78184B加热时间0.679170.535890.36553C镦压压力0.532080.491120.557406D镦压时间0.538510.548200.49389设置 A3B1C3D2表格9：第一种情况下的方差分析结果的汇集试样焊接参数自由度平方和均方差FA加热压力20.6091660.30458185.3804B加热时间20.051930.0259615.8003C镦压压力20.00670.0003350.2038错误00.0011020.001643综合80.6710820.08388表格10：第二种情况下的方差分析结果的汇集试样焊接参数自由度平方和均方差FA加热压力20.570830.28541152.62B加热时间20.09390.469525.106C镦压压力20.006720.003361.7969错误00.000260.00187综合80.675190.08439表格11：第三种情况下的方差分析结果的汇集试样焊接参数自由度平方和均方差FA加热压力20.533570.2667824.7499B加热时间20.147870.073936.8587C镦压压力20.019940.009970.92494错误00.014840.010779综合80.693260.0866575表格12：实验参数优化结果实验数组A加热压力B加热时间C镦压压力D镦压时间拉伸强度金属损失1953180556012.6表格13：结果确认预测值实验值优化值第一种0.81620.898650.08245第二种0.920630.91500.00563第三种0.781840.931430.149595.4 断口分析在所有的样本中，实验失败往往发生在融合线或非常接近融合线的地方。为了明白断裂行为，要扫描电镜对断口进行分析。图3a和b显示了用扫描电镜观察拉伸试验试样的断口的结果。从扫描电镜得到的断口微观图，可以观察到摩擦焊铁素体不锈钢接头模式主要表现出韧性断裂和小坑状。材料的剪切流也可以在断口处观察到。6 总结接下来的是本次研究中的到的很重要的结论(1)类不锈钢摩擦焊工业研究已取得成功，如采用AISI430铁素体不锈钢的焊缝处理。(2)经过处理的焊接接头与融合的接头相比较，显示出更好的拉伸强度和冶金特性。由于搭接面的严重变形，可以在接头区域观察到比较细的晶粒结构。(3)拉伸试样的失败主要与焊缝结合区相关。断口形成主要与材料剪力流向有关。(4)在所有的基本材料的试验中，金属损失量会随着摩擦焊时间的增长而增加。(5)根据田口实验得到的最佳输入参数，对摩擦焊接头进行处理，接头会显示出更好的质量。图2 (a)摩擦焊焊接接头 (b)AISI 430母材 (c)焊缝金属的微观结构图3 断口图参考文献1Al-Bsharat, A.S., Hassan, A.M.: Improvements in some properties of non ferrous metals by the application of the ball burnishing process. 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