基于统计设计的钛合金脉冲钨极氩保护焊工艺参数与焊道形状关系的研究

工程科学与技术，国际期刊19（2016）15全长文章基于统计设计的M. Balasubramanian*印度Gummidipoondi RMK工程技术学院机械工程系A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：接收日期：2015年3月21日接收日期：2015年5月14日2015年6月12日接受2015年8月7日在线发布保留字：脉冲电流钨极氩钛合金焊接件的机械强度不仅受金属成分的影响，而且工艺参数和焊缝轮廓的选择也在确定强度方面起着至关重要的作用。建立了工艺参数与控制焊道形状的焊道参数之间的关系这是通过数学表达式的开发来实现的，将焊道尺寸与影响这些尺寸的重要过程控制变量相关联。此外，优化的工艺参数，以控制和获得所需的形状和质量的焊缝也有可能与这些表达式。分析了脉冲电流参数对钛合金脉冲钨极惰性气体保护焊（PCTIG）熔池形状的影响，即前高、后高、前宽和后宽Box–Behnken design was used todevelop empirical relationships, in- corporating© 2015 ， Karabuk University. Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在薄板的焊接过程中会遇到许多问题。这些问题通常与温度输入有关。熔焊通常涉及通过施加用于熔化待接合的金属的热量来接合金属。几乎所有传统的电弧焊接工艺都提供高的热输入，这反过来又导致各种问题，例如孔隙率、焊接板的翘曲、晶粒粗化、板涂层中存在的有用元素的蒸发等。使用适当的焊接工艺、程序和技术是解决这个问题的一种工具[1钨极氩弧焊（GTAW）是一种很好的薄板连接方法，但其焊接速度低，设备成本高脉冲电流钨极氩弧焊（PCGTA）焊接，发展于20世纪50年代，是GTAW工艺的一种变体，其涉及以选定的规则频率循环焊接电流。选择最大电流以提供足够的熔深和焊道轮廓，而最小电流设置在足以维持稳定电弧的水平[6，7]。这允许电弧能量被有效地用于在短时间内熔化控制尺寸的点，从而产生作为一系列重叠熔核的焊缝。相比之下，在恒流焊接中，熔化母材所需的热量仅在峰值电流脉冲期间供应，允许热量* 联系电话：+91 09841714830，传真：+91 04433303636。电子邮件地址：manianmb@gmail.com。由Karabuk大学负责进行同行审查消散到基材中，导致更窄的热影响区（HAZ）[8]。优点包括改善的焊道轮廓、对散热器变化的更大耐受性、更低的热输入要求、减少的残余应力和变形、熔合区微观结构的细化以及HAZ宽度的减小。影响该过程的四个独立参数是峰值电流、背景电流、脉冲频率和脉冲开启时间[7，8]。试验结果表明，采用该方法可显著改善不锈钢钨极氩弧焊（GTA）熔池的前高、前宽、后高和后宽[9，10]。然而，迄今为止，钛合金脉冲电流GTA焊接的研究报道较少。对4mm厚AISI 304L奥氏体不锈钢脉冲钨极氩弧焊工艺参数进行了优化。进行了调查，以研究频率相对于渗透和珠宽度渗透比（纵横比）的效果。采用三水平四因素对主效应图进行田口分析以优化工艺参数，并使用ANOVA确定各因素及其响应的贡献百分比。文章的关键发现阐明，采用高频脉冲可以实现具有优化纵横比的完全穿透[11]。中强铝合金（Al-Mg-Si合金）采用钨极惰性气体保护焊（TIG焊）进行焊接，由于其适用性较强，且经济性较好。在这种合金的较薄截面的单道TIG焊的情况下，http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.06.0012215-0986/© 2015，Karabuk University.由Elsevier B. V.制作和托管。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN （印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestch16M. Balasubramanian/工程科学与技术，国际期刊19（2016）15表1重要因素及其水平。S.No.因子符号单元水平−1 011峰值电流pAmps70 80902基极电流BAmps30 40503脉冲频率FHz3 69由于其优于传统的连续电流工艺，与该合金的连续电流焊接相比，使用脉冲电流参数可改善焊接的机械性能，因为在熔合区会发生晶粒细化[12]。研究了脉冲电流对钛基复合材料钨极氩弧焊（GTA）接头组织、硬度和不同温度下拉伸性能的影响。全熔透对接接头进行了有或没有电流脉冲。采用光学显微镜、硬度测试和扫描电镜对焊接接头的金相组织进行了分析。研究了焊接接头在不同温度下的拉伸性能，并与显微组织进行了关联。结果表明，电流脉冲导致焊缝显微组织和TiB晶须的细化以及增强物的重新分布，从而导致焊件在焊态条件下具有更高的硬度、拉伸强度和延展性[13]。2. 实验装置本节描述了本工作中使用的实验装置，并解释了优化待执行实验数量所采用的方法和焊缝几何尺寸测量方法。2.1. 材料和方法对1.6mm厚的钛合金（Ti-6Al-4V）薄板进行了单道次均匀焊接。焊后立即使用高纯氩气作为保护气体作为尾气，以防止氧气和氮气从大气中逸出。从文献中选择了脉冲电流GTA焊接的三个重要因素，如表1在表2所示的焊接条件下，用2 mm钨电极完成接头。采用1.6mm厚的退火钛（Ti-6Al-4V）合金板进行了大量的试验，以确定脉冲电流GTAW工艺参数由于各种因素，决定使用Box-Behnken设计，以最大限度地实验设计（DOE）是一套围绕研究不同变量对受控实验结果的影响的技术。一般来说，第一步是确定影响产品或过程的自变量或因素，然后研究它们对因变量或响应的实验通常在不同的因子值下运行，表2焊接条件。电源Lincoln Electric，美国极性/电压AC/22 Volts电极W + 2%钍（合金）电极直径2 mm保护气体氩气，10升/分钟焊接速度300 mm/min表3Box–Behnken号PBFFh，mmBh，mmFw，mmBw，mm1−1−100.0820.0656.8006.88021−100.0670.0465.2584.8683−1100.0800.0705.5504.95641100.0700.0557.1256.8255−10−10.0740.0446.3144.389610−10.0840.0536.5715.0567−1010.0880.0446.3144.38981010.0780.0536.5715.05690−1−10.0500.0315.5203.9671001−10.0620.0475.2865.620110−110.0580.0315.5203.967120110.0620.0475.2864.620130000.0520.0345.1434.480140000.0360.0215.2004.767150000.0500.0315.1004.580程度. 每次实验都涉及所研究因素水平的组合（表3）。Box-Behnken设计是一种响应曲面方法（RSM）设计，只需要三个水平来运行实验。它是一个特殊的三水平设计，因为它不包含实验区域顶点上的任何点。当立方体的角上的点表示由于物理过程约束而极其昂贵或不可能测试的水平组合时，这可能是有利的。2.2. 响应面法这种方法是一种统计和数学方法，是有用的建模和分析工程问题。在这项技术中，重要的目标是优化响应面，该响应面受脉冲TIG焊接的各种工艺参数的影响[14]。响应面方法程序如下：(a) 操纵充分和可靠的实验次数的反应考虑在内。(b) 得到了二阶响应面的数学模型。(c) 确定工艺参数的最佳解决方案集，这些参数可产生所研究响应的最大值或最小值。(d) 通过创建二维和三维图来显示工艺参数的影响2.3. 焊缝几何形状从每个接头切下焊缝样品，并在带式研磨机的帮助下使用120粒度的带对样品的横向面进行表面研磨，使用1/0级、2/0级和3/0级（515目尺寸）砂纸抛光。在圆盘抛光机上，先用氧化铝抛光，再用金刚石膏和绒布测量了熔池几何形状的几个关键参数，如焊道高度和焊道宽度（图1用丙酮清洗后的抛光试样用Kroll溶液进行宏观蚀刻，用精确度为1微米的工具显微镜测量珠粒几何形状。车头高度在0.035和0.088 mm，背部高度在0.021和前宽在5.100 ~ 7.125 mm之间，后宽在3.967 ~ 6.880 mm之间。M. Balasubramanian/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1517Fig. 1. 典型的焊池几何形状。考虑到先前的文献[153. 实验关系表示任何熔池尺寸的响应函数表示为Y = f（p，b，f）[15]，其中p为峰值电流，b为基极电流，f为脉冲频率。用于表示响应“Y”的图二. 熔池宏观照片。18M. Balasubramanian/工程科学与技术，国际期刊19（2016）15II I图三. 显示工艺参数对珠高度影响的曲面图。k kkYb0bixbx2bijxi xj（一）统计软件包。在确定重大系数后，建立了最终关系[18]。第一章1第一章1伊什季i，j前部高度（Fh）F0.0460.00313p0.002125b0.002f0.00125pb其中，b0是响应的平均值，b1，b2，. . .，B34是取决于参数的相应主效应和交互效应的系数。使用表达式[18]计算了系数值，计算值见表3。使用Student t检验在90%置信水平下检验所有系数的显著性，并使用SPSS在99%置信水平下使用f检验检验对开发的0.005直径0.009125f2mm后高（Bh）0.021330.00175p0.007b0.00125f0.0085pb0.00250.02233M. Balasubramanian/工程科学与技术，国际期刊19（2016）15193p2 0.015333b2 0.004833fmm（二）（三）20M. Balasubramanian/工程科学与技术，国际期刊19（2016）15正面宽度（Fw）电话：+86-510- 8888888传真：+86-510 - 8888888粤ICP备05016662号-1后宽（Bw）（四）在研究中使用的参数范围内，通过以编码形式替换它们各自的值。基于这些模型，主要和交互作用的工艺参数对珠几何形状的影响，如图所示。3和4结果显示了因果关系的总体趋势B4.609 0.148875p0.292375b 0.726125p2 0.547125f24.1. 解释响应图以了解0.97025pb4. 结果和讨论（五）焊道几何形状在脉冲电流钨极气体保护焊中，仅在峰值电流脉冲期间提供热能，使其在背景电流期间消散到基底金属中，从而降低上述实验关系可用于预测焊缝几何形状和形状关系热量在相邻的基材中积累，从而导致更窄的热影响区。 图图 3a示出 了见图4。 显示工艺参数对焊道宽度影响的曲面图。M. Balasubramanian/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1521在6Hz脉冲频率下，基础电流和峰值电流这两个因素对焊缝几何形状的前沿高度的影响。最小前高度为0.05，最大前高度为0.075毫米。当峰值电流保持在80 A时，基极电流和脉冲频率之间的相互作用分别产生最大0.064和最小0.046 mm的前端高度，如图3b所示。维持基极电流为40 A，脉冲频率和峰值电流的相互作用使最大前沿高度为0.075 mm，最小前部高度为0.035 mm（图3c）。至于后面的高度（图）。 3d），当脉冲频率保持在6 Hz时，最大值为0.07，最小值为0.025 mm的峰值电流和基极电流之间的相互作用时，获得。图中所示的响应图。图3e显示了脉冲频率和基极电流之间的相互作用，峰值电流为80 A。相互作用的影响产生的最大值为0.045毫米和最小值为0.025毫米的背部高度。图3f示出了在40A基础电流下脉冲频率和峰值电流这两个因素对焊缝几何形状的背面高度的相互作用效果。 获得0.025 mm的最小背部高度和0.05 mm的最大背部高度。图图4a示出了在6Hz脉冲频率下两个因素（基值电流和峰值电流）对焊缝几何形状的前沿宽度的交互作用。最小前宽为5.0mm，最大前宽为7.0 mm。 当峰值电流保持在80A时，基区电流和脉冲频率的相互作用分别产生最大5.40和最小5.15mm的前宽，如图所示。 4b. 将基极电流保持在40A，脉冲频率和峰值电流的交互作用获得6.20 mm的最大前宽和5.0 mm的最小前宽（图4c）。就背宽而言（图4d），当脉冲频率保持在6 Hz时，当峰值电流和基极电流之间存在相互作用时，获得最大值6.50 mm和最小图中所示的响应图。图4e显示了脉冲频率和基极电流之间的相互作用，峰值电流为80 A。交互作用产生的最大值为5.60 mm，最小值为4.40 mm的背宽。图4f示出了在40A基础电流下脉冲频率和峰值电流这两个因素对焊缝几何形状的背宽的相互作用效果。最小背宽为4.60 mm，最大背高为6.00 mm。这可能是由于变化引起的热输入差异脉冲频率。从0到6Hz的脉冲频率，脉冲之间的间隔很小，因此在某一时刻进入系统的热输入减小，并且珠的宽度和高度很小，但是当频率增加时，热输入增加，因此宽度和高度增加。珠高和珠宽呈现两种不同的变化趋势. 它遵循下降趋势，直到脉冲频率为6Hz，然后发现它增加，如图1A和1B所示。 3和4在这种情况下，在一定水平的脉冲频率（例如6Hz）之后，脉冲频率增加，并且看起来像连续电流，这导致更多的热输入，因此宽度和高度增加。在峰值电流的情况下也观察到相同的趋势最初，当峰值电流较小时，珠的宽度和高度较大，并且当峰值电流增加时，高度和宽度减小到例如80安培，然后对于不同的脉冲频率值，高度和宽度增加。发现6Hz的脉冲频率产生最佳结果。当脉冲频率较小时，随后的脉冲对熔珠的影响最小。另一方面，在高频率下，在熔池中引起的振动的振幅和温度的振荡被减小到更大的程度。因此，很明显，存在一个脉冲频率，在该频率下，效果是显著的。在本研究中，得出的结论是，当工艺参数保持在Box-Behnken设计的中心时，可以将珠宽度和珠高度保持最小。5. 结论在本实验研究中，响应面法和Box-Behnken设计的工艺参数优化的相关性进行了讨论。采用三水平三因子Box-Behnken实验设计。Box-Behnken电流脉冲确实有助于晶粒细化，从而减少HAZ并提高机械性能。利用MATLAB7.1软件包建立了钛板脉冲TIG焊的数学模型方程。利用模型方程得到的预测值与实验得到的实际值吻合较好。本研究证明Box-Behnken设计可以有效地应用于钛板脉冲TIG焊熔池几何形状的建模和优化，是一种较好的方法用最少的实验获得必要的数据。(1) Box–Behnken design used for developing empirical relation-ships to predict important weld bead geometry of pulsedcurrent GTA welded titanium(2) 所建立的数学关系式可方便地以程序的形式在自动焊接中使用，以获得所需的焊道尺寸。(3) 在所考虑的三个工艺变量中，脉冲频率和峰值电流的影响对大多数重要的珠参数具有积极影响。引用[1] L.W. 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