不锈钢与耐候钢异种金属MIG电弧钎焊工艺研究-

1、 本科生毕业设计论文不锈钢与耐候钢异种金属MIG电弧钎焊工艺研究院 系 材料科学与工程学院 专业班级 材控 姓 名 学 号 指导教师 2021年 5月 21 日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承当。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保存并向有关学位论文管理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。本人授权省级优秀学士论文

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3、耐候钢异种金属MIG电弧钎焊工艺进行了研究。采用MIG电弧钎焊对X2CrNiN18-7不锈钢薄板与Q355GNHD耐候钢薄板进行对接接头焊接实验，使用正交实验设计研究焊接电流、焊接电压、焊接速度对焊缝成型的影响，并找出最正确焊接接头的工艺参数。结果说明：对接接头焊接时，各因素对于对接接头焊接质量的影响程度为：焊接电流焊接电压焊接速度，最正确的工艺参数为焊接电流160A、焊接电压26.4V、焊接速度46cm/min。 通过对钎焊接头的微观组织进行观察并分析得到的结论为：钎焊接头微观组织中不锈钢与耐候钢母材均发生少量熔化且未熔化的母材与钎料形成一定厚度的界面结构，且在X2CrNiN18-7不锈钢与

4、CuAl8钎料连接的一侧界面结构出现了由Cu原子的渗透引起的渗透裂纹。对电弧钎焊焊接接头进行力学性能实验，得到的结果为：对于不锈钢与耐候钢母材，异种金属MIG电弧钎焊得到的焊缝的接头强度系数分别是0.618与0.958，说明焊缝接头的力学性能不如原母材局部，所以采用MIG电弧钎焊焊接不锈钢与耐候钢异种金属得到的焊缝为不能用于承载结构的焊缝。关键词：Q355GNHD耐候钢；X2CrNiN18-7不锈钢；MIG电弧钎焊；工艺参数Abstract It can greatly reduce the production costs by using weather resistant steel s

5、tainless steel as the substrate of flat roof and roof side in a low-floor rail vehicle. And the heat input of arc brazing is small, it can strictly control the welding distortion, the property of the base material after welding doesnt basically change. So it is energy-saving and efficient to seal th

6、e end frame of the body with brazing.The research on arc brazing of butt joint between Q355GNHD weathering steel and X2CrNiN18-7 stainless sheet was carried out in this paper.Butt welding experiments of X2CrNiN18-7 stainless steel sheet and Q355GNHD weathering steel sheet were carried out by using M

7、IG arc brazing,The influence of welding current, welding voltage and welding speed on weld formation is studied by orthogonal experimental design, and the optimum welding joint parameters are found out.The results show that the welding butt joint, butt joint of each of the factors to influence the w

8、elding quality, welding current, welding voltage, welding speed, the optimum technology parameters for the welding current is 160A, the welding voltage is 26.4V, the welding speed is 46cm/min.By observing the microstructure of the brazed joint, the following conclusions can be drawn: both the stainl

9、ess steel and the weathering steel base material in the brazing joint microstructure have a small amount of melting。Moreover, the melted parent metal and filler metal form a certain thickness interface structure。In addition, the crack on the interface between X2CrNiN18-7 stainless steel and CuAl8 so

10、lder appears to be caused by the penetration of Cu atoms.The mechanical properties of welded joints show that the joint strength coefficients obtained by arc welding of dissimilar metal MIG are 0.618 and 0.958 respectively.This shows that the mechanical properties of the welded joint are less than t

11、hat of the base metal, so the weld seam of the stainless steel and weathering steel can not be used in the load-bearing structure.Key Words：X2CrNiN18-7 stainless steel;Q355GNHD weathering steel;MIG arc brazing ; Process parameters目 录摘要IAbstractII1 绪论1 研究背景11.2 电弧钎焊的研究状况及应用2 电弧钎焊的工艺特点21.2.2 国内外研究现状21

12、.3 课题研究意义及内容41.3.1 课题研究意义41.3.2 课题研究内容42 试验材料、设备及方法52.1 试验材料与设备52.1.1 试验材料52.1.2 实验设备62.2 实验方法72.2.1 焊接试验过程72.2.1 正交试验简介72.2.3 试验设计82.3 焊接接头金相组织分析92.4 焊接接头性能实验103 结果与分析113.1 使用Taguchi法优化电弧钎焊工艺参数113.1.1 正交试验结果113.1.2 方差分析133.1.3 模型的验证与优化19203.2.1 母材的微观组织203.2.2 焊接接头微观组织分析213.2.3 渗透裂纹及其产生机理23 3.3 焊接接头

13、力学性能分析244 结论27致谢28参考文献291 绪论1.1 研究背景随着中国轨道交通特别是城铁与地铁的不断开展，高速化、轻量化、高强度已经成为我国铁路的开展趋势1。所以应在尽量降低车身重量的条件下，确定其有较好的结构强度与耐腐蚀性。但是由于耐候钢的耐腐蚀性能较差，不锈钢的焊接性能较差等缺陷，因此不锈钢与耐候钢焊接后形成的异种金属结构作为列车车体，将是解决这一问题的良好思路2。有些车体结构设计中车顶板采用X2CrNiN18-7不锈钢，顶板边梁采用Q355GNHD 耐候钢，既可保证边梁的结构强度又可减轻顶板的重量，且二者均具有较好的耐腐蚀性。目前实际生产中，对于车体中的不锈钢平顶板与耐候钢顶板

14、边梁处的接缝主要采用胶封工艺进行密封，也可考虑采用MIG 焊工艺进行密封焊接。但是，采用传统的MIG焊工艺，由于热输入较大，焊后工件会产生较大的变形，且矫形较为困难；而采用胶封工艺，受制与高分子材料的老化，其使用寿命有限。电弧钎焊是一种有别于传统钎焊的新型钎焊，在惰性气体的保护下，电弧在电极与工件间引燃，连接材料的熔点较低，在母材不熔化的情况下将填充材料熔化从而将工件焊接3。而对于普通的钎焊方法而言，其要求整体加热，焊接后工件的形变量增大，因此炉中钎焊或真空钎焊不适合异种金属间的焊接4。电弧钎焊与胶接工艺相比，MIG 钎焊后工件具有更高的可靠性和承载能力。同时具有热输入量低，母材熔化量小，加热

15、区域集中，操作简便等优势。而电弧钎焊在对接焊接薄板时能较容易实现单面焊双面成形，在焊接异种金属后得到的焊缝的热影响区与焊接变形均较小。因此本课题在焊接X2CrNiN18-7不锈钢与Q355GNHD 耐候钢异种金属时就采用了这种钎焊工艺。目前国内对不锈钢与耐候钢异种金属薄板MIG 钎焊工艺的相关研究报道较少。为此，本文针对X2CrNiN18-7不锈钢与Q355GNHD 耐候钢异种金属薄板进行MIG电弧钎焊工艺试验，从而选择最正确的工艺参数，并研究典型接头的外观成形及其力学性能，观察焊缝界面结构及其微观组织，按照相关技术标准进行焊接工艺评定。试验结果可为MIG 电弧钎焊工艺在车体焊接中的应用提供参

16、考依据，具有实际的工程研究价值。1.2 电弧钎焊的研究状况及应用 电弧钎焊的工艺特点电弧钎焊技术是一种将钎焊和电弧熔焊结合的技术，以传统熔焊常用的电弧为热源，采用熔点比母材低的焊丝，使其在电弧热的作用下熔化，在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，液态钎料在母材外表润湿、铺展并在母材间隙中填缝，钎料与母材相互扩散与熔解，最终实现母材的连接，其是一种新型的硬钎焊，惰性气体的保护下，钎焊时电弧位于焊接件与电极间。根据电极材料不同，电弧钎焊可以分为钨极氩弧钎焊TIG钎焊和熔化极惰性气体保护钎焊MIG钎焊。其中，MIG钎焊是在氩气保护下,采用特制的钎焊丝如铜基焊丝作为电极，使其在焊丝与母材间形成电弧，钎

17、焊丝在送丝机构的推进下连续输送并熔化，形成填充金属将工件连接起来5。经研究，电弧钎焊拥有以下特征6：热输入量小，而这对于需要控制变形的焊接件而言极其关键；在电弧钎焊的钢板上保存原有的防腐涂层；电弧钎焊造成的飞溅较少，能改善工作环境；防止焊接元件边缘熔化的可能性；对接头的热影响区组织与结构的影响较小；电弧钎焊的效率比拟高，可以实现自动化和机械化；比照于传统的钎焊，电弧钎焊拥有相当高的焊接效率；电弧钎焊可以实现焊接一些焊接性比拟差的材料，也能够连接异种材料。电弧钎焊还具有高效节能的特点，图1-1为MIG钎焊结构示意图。 aMIG钎焊 bMIG钎焊设备图1-1 MIG钎焊结构示意图1.2.2 国内外

18、研究现状Hadji Y, Haddad A等人通过TIG的钎焊工艺可以成功地使Ti3SiC2与308不锈钢连接.在TIG钎焊期间，Ti3SiC2 和Ti3SiC2/308不锈钢界面内同时发生强烈的相互作用，包括溶解和扩散。Ti3SiC2和308不锈钢填充物之间的界面区域由分解的Ti3SiC2区，相互作用层区和改性的308不锈钢区组成。当Ti3SiC2在TIG钎焊期间与308不锈钢熔融填料接触时，其开始分解为TiCx，液态Si与气态Si。同时，熔融308不锈钢深层渗透入Ti3SiC2中时会形成包含Fe，Cr，Ni，Ti，C，Si和TiCx相的复杂相结构。而Si的损失是由于其在TIG钎焊工艺期间的

19、蒸发7。Faruk Varol等人对TRIP800镀锌薄钢板进行MIG钎焊实验研究了焊接电流和热输入对焊接接头的影响。结果说明焊接电流为60安培时是一个临界值，超过60安培时焊接接头的抗拉强度会升高且填充材料会减少飞溅，在高电强度的条件之下，钎焊接头的强度接近于焊接母材的强度，同时也说明了较低的焊接热输入会减少钢板镀锌层的蒸发8。K. Nakata等人通过改良瞬时电压反响系统，智能数字滤波器和高EN比技术等电弧控制技术，改善了脉冲直流MIG和脉冲AC MIG工艺，即热输入可以通过脉冲DC MIG和AC MIG工艺进行控制。 0.7mm厚的软钢，0.8mm不锈钢和0.8mm镀锌钢等薄板，可以通过

20、那些脉冲MIG工艺连接而没有缺陷9。北京交通大学张强等采用熔化极活性气体(98%Ar+2%CO2)保护焊(MAG)方法,通过Q355GNHE高强度耐候钢与SUS304不锈钢两种母材研究了高耐候钢与奥氏体不锈钢对接接头的结构与性能。结果说明,对接接头的力学性能可以到达母材的强度水平，其焊接接头的强度可以到达母材的强度水平，但是拉伸的断裂处位于高耐候钢一侧的热影响区，说明此位置性能最差，接头的焊缝区组织为奥氏体与铁素体组织10。 中车张艳辉等依托不锈钢车体端底架结构中X2CrMnNiN21-5-1双相不锈钢与Q450NQR1耐候钢研究异种金属的焊接工艺。对X2CrMnNiN21-5-1与Q450N

21、QR1异种钢通过对接和角接焊缝进行力学性能与金相试验，选择出合理的异种钢焊接参数。结果说明，X2CrMnNiN21-5-1不锈钢和Q450NQR1耐候钢异种材料对接和角接焊缝熔合良好，接头质量优良，对接力学性能满足标准要求11。 中国一汽将电弧钎焊工艺运用于轻型车等生产中，且广汽本田、中国二汽的富康等也使用了电弧钎焊这种新型的钎焊工艺12。总结国内外学者们的研究可以发现，目前电弧钎焊的研究与运用已经逐渐成熟，不锈钢与耐候钢异种金属连接有较多成功的实例。如电弧钎焊在汽车行业与电器制造上运用较为广泛，德国奥迪与美国福特等公司在连接汽车车身、车门等就充分使用了这种技术。但这些研究根本都是基于镀锌钢板

22、，通过大量的实验优化出最正确的实验参数，并且大局部采用的都是MIG电弧钎焊或者熔钎焊以及少局部选择的是TIG钎焊。耐候钢与不锈钢异种金属的连接由于其优良的力学性能与良好的密封性能，因此进行耐候钢与不锈钢异种金属连接的MIG电弧钎焊工艺研究很有必要，本课题主要研究耐候钢与不锈钢TIG电弧钎焊时的各个工艺参数的影响，从而得出最优的工艺参数。1.3 课题研究意义及内容1.3.1 课题研究意义 为解决在轨道交通车辆制造过程中地板车辆平顶和顶板边梁连接时出现的问题，可采用MIG 电弧钎焊对X2CrNiN18-7不锈钢与Q355GNHD 耐候钢异种金属薄板进行焊接。本文针对X2CrNiN18-7不锈钢与Q

23、355GNHD 耐候钢异种金属薄板进行手工MIG钎焊工艺试验，研究典型接头的外观成形及其力学性能，观察焊缝界面结构及其微观组织，并且按照相关技术标准进行焊接工艺评定。试验结果可为MIG 钎焊工艺在车体焊接中的应用提供参考依据，具有实际的工程价值。1.3.2 课题研究内容以MIG电弧钎焊焊接电压、焊接电流与焊接速度三个因素设计对接接头正交试验，目的是研究不锈钢与耐候钢异种金属TIG电弧钎焊各工艺参数对于对接接头外观成形的影响，通过数学建模处理再找出适宜的焊接工艺参数。通过使用最正确焊接工艺参数焊接出350mm× 150mm×2mm的标准试板，再利用得到的异种金属对接接头进行金

24、相实验，刻画其微观界面，并对焊缝进行拉伸实验等力学性能测试。2 试验材料、设备及方法2.1 试验材料与设备2.1.1 试验材料（1） 母材焊接实验母材为350mm× 150mm× 2mm规格的Q355GNHD高耐候钢钢板与X2CrNiN18-7不锈钢钢板，进行正交试验时采用150mm× 120mm× 2mm的钢板。耐候钢是指在大气中具有良好耐蚀性的低合金高强度的耐大气腐蚀钢，耐候性为普碳钢的28倍，并且使用时间越长，耐蚀作用越突出13。Q355GNHD 高强度耐候钢含碳量低，合金元素含量较少，焊接性良好，在某高铁列车工程中应用于车体钢结构底架、侧墙、等1

25、4。Q355GNHD的化学成分如表2-1所示。表2-1 Q355GNHD的成分wt/%CSiMnPSCuCrNi不锈钢的全称是不锈耐酸钢，不锈钢的耐蚀性随含碳量增加而降。其焊接性良好，室温下塑性、韧性很好，焊接冷裂纹倾向较小。不锈钢结构具有平安性，经济性与特有的美性，虽然初期投入本钱较高，但具有较长的使用寿命，而且防锈、防火和其他维护费用大大降低，应用前景十分广阔15。X2CrNiN18-7化学成分如表2-2所示。表2-2 X2CrNiN18-7的成分wt/%CSiMnPSCrNNi2焊丝铜基焊丝在不锈钢、耐候钢外表具有良好的铺展性、流动性，钎焊接头强度高、塑性好，钎焊温度范围广，因此广泛应用

26、于不锈钢、高温合金等钎焊中16。而且CuAl8属于铝青铜焊丝，特别适合于纯铁粒皮和奥氏体铁皮的合缝焊接。焊接流动性好,焊缝成型好,也适用于钢与铜的合缝焊接，广泛运用于机械与船舶制造产业。综合考虑各种铜基焊丝的成分及性能后试验选用的焊丝为CuAl8，所选取的焊丝直径为1.0mm，其化学成分如表2-3所示。表2-3 CuAl8化学成分wt/%CuSiMnAlFeNiZnPb余量（3） 保护气体在焊接不锈钢与耐候钢异种钢时，由于氩气具有电离潜能小，可以保证起弧并维持稳定且适合实验室内操作便于研究等优点，在异种金属电弧钎焊试验中采用纯度为99.99%的氩气Ar作为保护气体。（4） 金相式样制备材料及腐

27、蚀剂金相式样制备材料为热镶嵌料。在金相试验前需对试样进行腐蚀，而异种金属所采用的腐蚀方式不同，金相式样中耐候钢使用4%的硝酸酒精腐蚀10秒左右，而不锈钢那么是使用硝酸、氢氟酸与水体积比为1：2：7的配制混合溶液腐蚀，腐蚀时间约80秒。2.1.2 实验设备试验采用的电弧钎焊机器人系统中，焊接设备采用日本安川YASNAC公司MOTOMAN-UP20型机器人，此焊弧机器人系统的构成为机器人本体、焊接电源为MOTOWELD-S350型一体化弧焊电源，机器人控制器采用YASNAC XRC UP20型，辅助系统送丝机构、保护气瓶等。采用全自动化机器人焊接，机器人系统设备示意图如图2-1所示。图2-1 焊接

28、机器人设备示意图 在完成对异种金属焊接之后需对接头进行一系列的性能检测试验，包括金相实验与力学性能检测试验。在这些试验过程中所需的仪器及设备主要有：DK7732型线切割机，J04-100角向磨光机，YMP-2B金相试样磨抛机，PXS5-T型显微镜，LWD300LMDT 型金相显微镜，WD-200B 型微机控制电子万能试验机等。2.2 试验方法2.2.1 焊接试验过程由于X2CrNiN18-7不锈钢和Q355GNHD 耐候钢母材的外表通常会存在油污，也会覆盖一层厚度不等的氧化膜，而氧化膜的存在会影响钎料与母材之间的润湿铺展。因此，焊前需使用角向磨光机对母材外表进行打磨，以去除工件外表的氧化膜等污

29、物，并在焊接前再用棉花蘸丙酮擦拭清洗钢板。在正式焊前使用MIG电弧钎焊对工件进行点固，然后采用专用夹具对薄板进行装夹与固定。试验中的对接接头为2mm-Q355GNHD+2mm-X2CrNiN18-7对接接头方式，如图2-2所示。使用夹具将钢板固定好后，启动钎焊程序进行焊接，焊接时沿试板长度方向进行焊接，焊接中时如实记录实际的焊接电压与焊接电流，焊后待钢板冷却后取出焊件并标号。图2-2 对接接头示意图2.2.1 正交试验简介正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全试验中挑选出局部有代表性的点进行试验，显然大大的减少了工作量是一种经济高效的实验设计方法。其也因此在科学研究中

30、得到广泛运用。日本统计学家田口玄一Taguchi博士将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。在研究不锈钢与耐候钢异种金属电弧钎焊的多工艺参数对焊接质量的影响时便采用了这种正交试验的方法。然而异种金属电弧钎焊工艺尚未得到最正确工艺参数组合，传统的方法需要做全试验方可找到最正确工艺参数组合，这样既消耗试验材料，又浪费大量时间。为解决这个问题，国内外研究人员采用Taguchi法设计的正交正交试验，大大减少了实验次数，具有很强的操作性和实用性，被广泛认可。ZAZ Aizuddin等人通过Taguchi法优化连接不同材料的电阻点焊工艺，最终证明Taguchi法是一种可靠的方法，并已成功优化了点焊参

31、数17。LH Shah等人采用Taguchi方法确定AA6061和AA7075铝合金之间不同摩擦搅拌焊接的最正确工艺参数，将田口L9正交阵列和优化方法应用于三个关键因素即旋转速度，横向速度和刀具倾斜角。通过田口参数设计方法确定最正确工艺参数水平。通过参数分析，计算出异种关节拉伸强度的预测值为209.7 MPa，与实验数据接近4.5误差18。K. Palani对AA8011摩擦搅拌焊接铝合金工艺参数的多响应DEA型Taguchi优化，以数字包络分析为根底的田口方法尝试了解AA8011铝搅拌区演化过程中转速，横向速度，刀具倾斜角与刀具倾斜角的多响应优化问题19。Pravin Kumar Singh

32、为了提高焊接接头的机械性能，在振动焊接技术中使用田口分析并成功完成对工艺参数的优化20。在异种金属电弧钎焊中，焊接电流，焊接电压，焊接速度等是影响焊缝成型质量的重要因素。以这些焊接参数作为控制因子，以焊缝外表成型质量作为评价指标，利用Taguchi法对FAB法埋弧焊接实验进行设计，对焊接实验结果进行方差分析，分析焊接工艺参数对焊缝成型质量影响重要性的顺序，探讨实验值和预测值是否吻合，最终获得最正确FAB法埋弧焊接工艺参数最正确组合。2.2.3 试验设计利用正交试验设计进行三因素三水平试验，取异种金属电弧钎焊的焊接电流、焊接电压、焊接速度为三个控制因子。并在每个控制因子中选择三个水平，进行正交试

33、验。其中，电弧钎焊焊接电压取90%、100%24V、110%这三个值，焊接电流取120A、140 A、160 A，焊接速度取46 cm/min、56 cm/min、66 cm/min。采用L9(34)正交表进行正交试验设计，即只需做9次正交试验即可，正交试验中的主要因素及其水平值如表2-4所示，正交试验中的各试验的焊接工艺参数详见表2-5所示。 表2-4 正交实验中的主要因素及水平值变量符号单位水平1水平2水平3焊接电流IA120140160焊接电压U%90100110焊接速度vcm/min465666表2-5 正交试验中的焊接工艺参数试验序号焊接电流A焊接电压(%)焊接速度(cm/min)1

34、120904621201005631201106641409056514010066614011046716090668160100469160110562.3 焊接接头金相组织分析在完成焊接后，需在试板相应位置截取金相试样并镶样，所取的金相尺寸为20mm×10mm。对金相试样用砂纸进行打磨，在打磨机上打磨时应保持水一定的流量，且拿紧试样以免弹飞，保持平整的向下稍用力压住即可。待金相试样平整且外表的划痕消逝之后再更换砂纸打磨，更换砂纸后将试样旋转90度再打磨。随后再使用抛光机进行抛光，抛光时需待试样划痕消失方可停止。因为是异种钢焊接，为保证腐蚀的质量以便于微观组织的观察，需采用分区域

35、腐蚀的方法进行腐蚀。X2CrNiN18-7不锈钢与钎料连接一侧采用硝酸、氢氟酸与水的体积比为1：2：7的配制混合溶液进行腐蚀后得到，腐蚀时间为80秒。金而金相试样中Q355GNHD 耐候钢与钎料连接一侧为使用体积比为4%的硝酸酒精腐蚀10秒左右得到。腐蚀时，对不锈钢与耐候钢分别腐蚀观察。为使观察金相效果很清晰，但要注意由于氢氟酸很容易挥发，每次该腐蚀液都需要重新配制才能到达预期效果。腐蚀过后用清水冲洗并用酒精擦去灰尘，用吹风机吹干式样后使用显微镜进行观察，然后就可以使用显微镜进行观察。宏观金相使用体式显微镜在7倍下观察并测量焊缝余高、熔深等数据值，使用金相显微镜在50倍、100倍、100倍、5

36、00倍下观察焊缝及母材组织。2.4 焊接接头性能实验接头的拉伸实验按标准?DIN-1900?的要求，首先在试板上截取拉伸试样，每一个接头都截取两个试样，拉伸试样如图2-3所示。采用WD-200B 型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，对于同一个接头进行的两次拉伸试验，为减小误差，取两次结果的平均值以得到钎焊接头的拉伸强度。两次拉伸试验结果的平均值需要与母材的抗拉伸强度进行比照。拉伸实验的具体操作过程为：先用游标卡尺测量拉伸试样的厚度并记录，然后将试样装夹到夹具上，注意试样要竖直装夹，不可前后倾斜，试样装夹好后将夹具紧固好；翻开电脑中的相应程序，设置相关环境参数后运行程序；试样拉断后，停止程序并

37、输出拉伸程序所采集的数据及描绘的曲线，卸下断裂的试样，再使用游标卡尺量取试样断裂处的钎料厚度即可。图2-4 拉伸试样3 结果与分析3.1 使用Taguchi法优化电弧钎焊工艺参数3.1.1 正交试验结果使用Taguchi法对X2CrNiN18-7不锈钢与Q355GNHD耐候钢异种金属的电弧钎焊实验进行设计。选择电弧钎焊的焊接电流、焊接电压、焊接速度为控制因子，焊缝成型质量Q和焊接接头的润湿角作为响应。使用设计与分析，9组实验所得焊缝成型质量考核指标见表3-1。表3-1 焊缝成形质量评定标准指标编号内容所占比例评分标准得分S1裂纹10正反面焊缝有裂纹0正反面焊缝裂纹1S2色泽5外表发暗灰色，无光

38、泽0外表发白，有金属光泽S3咬边10正反面焊缝有咬边0正反面焊缝无咬边1S4形状15焊缝不均匀，外表有波浪0焊缝均匀平直，外表无波浪1.5S5焊瘤5正反面焊缝有焊瘤0正反面焊缝无焊瘤S6外表凹陷25焊缝有较大程度凹陷和下塌焊缝略有凹陷和下塌0焊缝无凹陷和下塌S7未熔合15坡口出现未熔合0坡口无未熔合S8未焊透15反面未焊透0反面焊透1.5异种金属电弧钎焊正交试验得出的对接接头外观成形正面与反面分别如图3-1与3-2所示。正交试验的外观成形得分与接头润湿角的结果如表3-2所示，其中润湿角为异种金属接头两测润湿角的平均值。均值说明在相同控制因子下水平的平均值，如“得分情况项中，在焊接电流下的“均值

39、2是指序号4、5、6得分的平均值。同理，表中的极差R表示在相同控制因子下，均值的最大值与最小值之差。如“润湿角项中，焊接电压因素下的极差R即为润湿角“均值1与“均值2之差。焊缝1焊缝2焊缝3焊缝4焊缝5焊缝6焊缝7焊缝8焊缝9图3-1 对接接头外观成形正面焊缝1焊缝2焊缝3焊缝4焊缝5焊缝6焊缝7焊缝8焊缝9图3-2 对接接头外观成形反面表3-2 三因子三水平正交矩阵表及响应结果序号电流A电压%焊接速度cm/min得分润湿角11209046°21201005663°31201106674°414090566°5140100669°6140110

40、463°7160906634.40°816010046°9160110564°均值1得分情况均值2均值3R分均值1润湿角均值2均值3R角3.1.2 方差分析采用方差分析法进行正交试验的数据分析处理，使用的设计对正交试验结果进行回归分析。响应曲面设计可以拟合二阶以上的模型，它考虑因子之间的相互作用，采用多元二次回归方程来拟合因子和响应值之间的函数关系，从而指导多变量优化问题。方差分析主要用来分析统计每个因子对输出响应的奉献率，通过比对控制因子的方差，得出并观察控制因子对响应有重要影响的控制因子，本节以此检测各因子对响应影响的差异。通过逐步回归法使用简化后的

41、二次方模型对异种金属电弧钎焊焊缝成型质量与润湿角两个响应进行方差分析，分析结果见表3-3和表3-4。1方差分析输出结果表中F-value表示因子均差与残差均差之比。假设两方差值数值相差不大，那么两者比率接近1，此时说明此因子对响应无重要影响。prob.F 表示假定F为1的可能性。假设prob.F数值十分小小于0.05，表示因子对响应的影响较大，且prob.F值越小，因子对响应的影响越大。参数评价的精确度受各个样本的自由度影响。根据表3-3和表3-4方差分析结果可知，对于异种金属电弧钎焊焊缝成型质量，焊接电流和焊接电压是最主要的影响因子，其次是焊接速度。而此结论也与表3-2中得分情况的极差大小反

42、映的结果相同：R焊接电流=R焊接速度=1.7R焊接速度=1.4，表示焊接电流与焊接电压是最主要的影响因素，焊接电流次之。同理，对于电弧钎焊对接接头的润湿角而言，焊接电流是影响润湿角最重要的因素，焊接电压与焊接速度次之。综上所述，各因素对于对接接头焊接质量的影响程度为：焊接电流焊接电压焊接速度。表3-3 电弧钎焊焊缝成型质量方差分析结果变异源Source偏差总和Sum of squares自由度df均方差Mean square均方差比值F valuep-value prob.>FModel3significantI1U1v1Residual58表3-4 电弧钎焊焊缝润湿角方差分析结果变异源

43、Source偏差总和Sum of squares自由度df均方差Mean square均方差比值F valuep-value prob.>FModel3significantI1U1v1Residual582各个因素对响应的影响图3-2表示当焊接速度是56cm/min时，焊接电流I和焊接电压U对电弧钎焊焊缝成型质量的影响的等高线图。由图可以看出，随着焊接电流的和焊接电压的增加，电弧钎焊焊缝成型质量评分随之增加，且焊缝成型质量较好。等高线图3-3表示当焊接电压为100%时，焊接电流I焊接速度v对电弧钎焊焊缝成型质量的影响。通过等高线图可知，随着焊接电流的增加和焊接速度的减小，电弧钎焊焊缝成

44、型质量评分随着增加。图3-4表示当焊接电流为140A时，焊接电压U和焊接速度v对电弧钎焊焊缝成型质量的影响。由图可知，当焊接电压增加与焊接速度减小时，电弧钎焊焊缝成型质量也更好。图3-2 焊接电流与焊接电压对焊缝成型质量影响等高线图图3-3 焊接电流与焊接速度对焊缝成型质量影响等高线图图3-4 焊接电压与焊接速度对焊缝成型质量影响等高线图图3-5 焊接电压与焊接电流对接头润湿角影响等高线图等高线图3-5说明当焊接速度为56cm/min时，焊接电流I和焊接电压U对电弧钎焊接头润湿角影响。由图可以得出，随着焊接电流焊接电压的增加，焊缝润湿角随之减小，即润湿性也随之增强。在钎焊中，润湿角指钎料与母材

45、间的界面和钎料熔化后钎料外表切线之间的夹角，因此，确保接头润湿角较小，钎料才能良好且顺利地填充钎缝间隙。图3-6 焊接电压与电流对焊缝成型质量影响曲面响应图图3-7 焊接电压与速度对焊缝成型质量影响曲面响应图图3-8 焊接电流与速度对电弧钎焊焊缝成型质量影响曲面响应图图3-63-8表示不同焊接工艺参数组合对电弧钎焊焊缝成型质量影响的三维响应曲面图。综合比拟曲面响应图可知，焊接电流与焊接电压对电弧钎焊焊缝成型质量影响最大，焊缝成型的质量与焊接电流成正相关，亦随着焊接电压提升而增大。相对于电弧钎焊的焊接电流与电压，焊接速度对焊缝外表成型质量影响较小，焊缝成型质量随着焊接速度的降低而提升。三维响应曲

46、面图3-9说明当焊接速度为56cm/min时，焊接电流和焊接电压对电弧钎焊接头润湿角的影响。由图可以明显观察到，焊接电流越大，焊接电压越大，润湿角就会越小，润湿性就越好，焊缝成型的质量也会随之提高。图3-9 焊接电压与电流对电弧钎焊接头润湿角影响曲面响应图3基于实验的预测模型基于正交试验的异种金属电弧钎焊焊缝成型质量及接头润湿角的预测模型的目的是更好的优化焊接工艺参数，图3-10与3-11是利用Design E响应面分析软件基于正交试验得到的异种金属电弧钎焊焊缝成型质量Q与接头润湿角数学模型的三维立体图，而所建立的焊缝成型质量Q与接头润湿角的模型如公式3-1与3-2所示。钎焊焊缝成型质量评分Q

47、=-41667*焊接电流I+83333*焊接电压%*焊接速度v 3-1 钎焊接头润湿角= 0.15825*焊接电流I*焊接电压%*焊接速度v 3-2 图3-10 焊缝成型质量模型三维立体图图3-11 接头润湿角模型三维立体图3.1.3 模型的验证与优化图3-12 焊缝成型质量Q的实测与预测值对应关系 图3-13 润湿角的实测与预测值对应关系图3-12和图3-13表示异种金属电弧钎焊焊缝成型质量及接头润湿角实验实际值与模型预测值的对应关系图。图中的直线上的点对应相同的横纵坐标，由图可知，通过实验所建立的模型比拟合理，因为两个响应的预测残差可以忽略不计，且图中的点均匀地分布在对角线两侧。表3-5

48、焊缝成型质量的最正确工艺参数组合编号焊接电流焊接电压焊接速度焊缝成型质量可信度11601104621103160110 表3-5是软件Design E的3组电弧钎焊最正确工艺参数组合。通过表3-5可以得出，焊缝成型质量较好的最正确工艺参数组合为焊接电流为160A，焊接电压为11026.4V，焊接速度46cm/min，所预测的数学模型较为合理。使用最正确参数，即焊接电流为160A，焊接电压为11026.4V，焊接速度46cm/min所焊接出的不锈钢与耐候钢对接接头外观成形如图3-14所示。最正确工艺参数下的焊接接头，其焊缝外表色泽较为金黄，焊接过程并未过多的被空气氧化，焊缝形状饱满、边界平直、宽

49、度适中并且外表有均匀稳定的焊接波纹，根本没有咬边和焊瘤等焊接缺陷的发生。焊缝的成形较好，根据表3-1的评分标准可得9.5分，与实际的预测值相同，即所得的评分标准符合预测的数学模型。这也可以说明焊接电流160A、焊接电压26.4V、焊接速度46cm/min的最正确工艺参数下所取得的焊接对接接头质量是最正确的。正面反面图3-14 对接接头焊缝成形3.2 焊接接头金相组织分析虽然MIG电弧钎焊是在母材不熔化而钎料熔化的前提下进行的焊接，但由于焊接过程中热量的堆积和材料的导热系数不高等原因，常导致母材也有一定程度上的熔化，因此在实验焊接的接头之中都有着一定的母材熔化区域。钎料与母材连接处的成分与组织均

50、会发生变化，因此就会产生钎料向母材扩散形成的扩散区和熔化母材向焊缝区生长形成的熔合区，从而对接头的质量产生重大影响，因此研究接头的金相组织就显得十分重要。3.2.1 母材的微观组织母材的微观组织如图3-14所示。由图可知，Q355GNHD耐候钢的微观组织为铁素体+珠光体，组织中仅含有少量的珠光体，且在先共析铁素体基体的晶粒之间呈不规那么块状17或条状分布，如图所3-14a所示。X2CrNiN18-7不锈钢属于奥氏体不锈钢，其微观组织由奥氏体和残留高温铁素体组成，如图3-14b所示。 aQ355GNHD耐候钢 bX2CrNiN18-7不锈钢图3-14 母材微观组织3.2.2 焊接接头微观组织分析

51、异种金属电弧钎焊对接接头宏观截面如图3-15所示。由图3-15分析可知，接头局部母材均发生熔化，但熔化量比起传统的熔化焊较少。在电弧热作用下，钎料熔化铺展填充对接焊缝，Q355GNHD不锈钢与X2CrNiN18-7耐候钢两种母材均发生熔化。但由于热输入较小，相较于熔化焊而言母材熔化局部较小，因此钎料与母材之间根本为钎焊连接，根据母材的熔化程度将接头分成几个不同的区域进行分析。如图3-15所示，在耐候钢与钎料连接的一侧，A区中母材几乎不熔化；从A区到B区母材发生少量熔化；而B区到C区之间母材的熔化量逐渐增大；D区的熔化量最大，母材熔化深度为0.143mm。而在不锈钢与钎料连接的一侧，E区中母材的

52、熔化量最大，熔化深度为0.531mm，约为板厚的四分之一；从E区到F区，钎料与母材均发生熔化；而F区到G区之间，母材熔化量减少；从G区到H区，母材根本没有发生熔化。图3-15 焊接接头宏观形貌对Q355GNHD耐候钢与钎料CuAl8连接的一侧的各个局部进行组织分析，如图3-16所示，A区的耐候钢母材熔化量非常小。CuAl8与微量熔化的Q355GNHD混合，得到一层相对薄的过渡层，如图3-16a所示。而更靠近焊缝的B区和C区的Q355GNHD发生熔化且熔化量逐步增大，钎料和熔化的母材相互混合得到一定厚度的界面反响层，如图3-16b与3-16c所示。同理，如图3-16d所示，D区的Q355GNHD

53、熔化量很大，于是就会形成较厚大的界面反响层。 aA区 bB区 cC区 dD区图3-16 耐候钢与钎料连接各区域金相组织200× 对于X2CrNiN18-7不锈钢与钎料连接的一侧的各个局部进行组织分析，如图3-17所示，E区不锈钢母材熔化量很大，钎料与熔化的母材充分混合后，在元素的相互扩散下，形成较厚的钎焊过渡层，如图3-17a所示。在F区和G区中的X2CrNiN18-7不锈钢母材发生熔化比拟明显，钎料与熔化的母材相互混合而形成一定厚度的界面反响层，如图3-17b与3-17c所示。而对于H区的不锈钢母材X2CrNiN18-7，其熔化量十分少，钎料与熔化的母材混合形成较薄的钎焊反响层，如图3-16d所示。 aE区 bF区 cG区 dH区图3-17 不锈钢与钎料连接各区域金相组织200×3.2.3 渗透裂纹及