工程科学与技术，国际期刊19（2016）811全长文章基于田口灰色关联分析的Arun Kumar Srirangan，Sathiya Paulraj*印度泰米尔纳德邦Tiruchirappalli 620015国家技术学院生产工程系A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：2015年8月28日收到2015年10月20日接受2015年12月21日在线发布关键词：多目标优化机械性能冶金特性Incoloy 800HT钢在高温环境下具有较高的强度、良好的耐腐蚀性和抗氧化性，被选为第四代电站的主要材料之一。采用灰色关联分析法对Incoloy 800HT不锈钢采用直径1.2mm的N82焊丝进行钨极惰性气体保护焊工艺的多目标优化焊接输入参数在确定所需的焊接质量方面起着至关重要的作用。试验按L9正交表进行.选择的输入参数为焊接电流、焊接电压和焊接速度。选择的质量目标的输出响应是极限拉伸强度和屈服强度（在室温下，750 °C）和冲击韧性。采用灰色关联分析方法，同时考虑多个输出变量，对输入参数进行优化确定了最佳参数组合为A2B1C2. 焊接电流为110 A，电压为10 V，焊接速度为1.5 mm/s。使用ANOVA方法评估因素对焊接件整体质量的重要性。最佳和最小灰色关联度的机械性能的输出通过冶金特征进行验证：© 2016，Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.1. 介绍Incoloy 800H是一种奥氏体铁镍基超级合金，具有良好的强度和在高温下明显的抗氧化性和抗渗碳性[1]。该合金被选为第四代核电站的主要材料之一。优越的机械性能与耐高温腐蚀性相结合，使这种合金适用于许多涉及长期暴露于高温腐蚀性气氛中的应用。Incoloy 800H的其他应用是发电机组中的过热器管和气冷核反应堆中的高温热交换器管[2]。TIG焊接使用非自耗电极，并由惰性气体（如氦气或氩气）保护，以保护熔化的焊池和红热填充焊丝免受大气污染。TIG焊是一种多目标、多因素的金属加工技术。该工艺可用于在几乎所有位置连接厚度为1-6 mm的许多常见金属，如钢，镁和铝[3]。工艺参数直接或间接地影响焊缝的几何形状、焊接件的机械和冶金性能。* 通讯作者。联系电话：+91 431 2503510;传真：+91 431 2500133。电子邮件地址：psathiya@nitt.edu（S. Paulraj）。由Karabuk大学负责进行同行审查http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.10.0032215-0986/© 2016，Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.焊接接头的质量主要取决于输入的工艺参数[4]。输入工艺参数的控制是制造商获得具有所需焊接质量的良好焊接接头的常见问题[5]。传统上，熟练的操作员或工程师根据试错法选择参数，这对于每个新的焊接产品来说都是耗时的，以获得具有所需规格的焊接接头然后检查焊缝以确定是否符合规范[6]。目前，试验设计（DoE）、进化算法和计算网络被广泛应用于建立焊接过程输入参数和焊接接头输出变量之间的数学关系，以确定能获得所需焊接质量的焊接输入参数。Sapkal和Teslang[7]应用田口方法优化工艺参数电流、电压和焊接速度，以获得低碳钢上的最大熔深。Patel和Chaudhary[8]研究了工艺参数对AISI 1020材料焊缝硬度的影响 ， 这 些 材 料 用 于 使 用 GRA 的 TIG 和 TIG 焊 接 工 艺 。Balasubramanian [9]获得了钛板脉冲TIG焊的数学模型方程，并得出结论，所开发的数学关系可以以程序的形式容易地用于自动焊接，以获得所需的焊道尺寸。Haragopal等人[10] 优化了工艺参数，提高了机械强度，铝合金点焊接头的力学性能 的出版社：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/jestch812A.K. Srirangan，S. Paulraj/ Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）811表1基本金属的化学成分。表4计算的碳锰硫SiCuCRFeAlTiNiExp. 号UTS [R.T]Y.S [R.T]UTS [750 °C]Y.S [750 °C]韧性0.0650.688<0.0100.0940.09120.7946.300.4770.38030.65155.7681852.2042655.3333151.8255234.64788255.8179452.144655.4324851.908635.56303355.4483452.9149355.1252751.060934.96376455.9596152.5965555.5142552.1127835.56303根据L9正交表进行实验它是555.4644651.9297455.2877152.1138634.96376得出的结论是，电流是影响最终拉伸强度和冲击能量压力的最重要因素。Sathish等人[11] 采用田口法对异种管接头TIG焊工艺参数进行了他们得出结论，较高的热输入导致较低的拉伸强度。Padmanabhan等人[12]优化了脉冲TIG焊GRA工艺参数，使AZ31B镁合金获得最大Aydin等人[13]使用基于田口的灰色关联分析研究了搅拌摩擦焊工艺的优化，以获得最佳参数组合，从而获得有利的抗拉强度和伸长率Sathiya等人[14]使用人工神经网络优化了Incoloy 800H接头的摩擦焊接工艺参数从上述文献可以看出，在Incoloy 800HT的GRA可以用来优化TIG焊接工艺参数，以获得理想的本文采用遗传算法对TIG焊工艺参数（焊接速度、焊接电流和焊接电压）进行了多目标优化。输出响应是拉伸强度和屈服强度（室温，750 0 C）和冲击韧性。通过灰色关联度分析，确定了最重要的影响因素采用方差分析方法通过金相显微组织和断口扫描电镜观察，对试验获得的最佳灰级和最低灰级试样的力学性能进行了验证。2. 实验程序使用Lincoln TIG机，采用极性直流负极[DCEN]对接焊接尺寸为150 × 100 × 4 mm的Incoloy 800 HT板基础垫衬的化学组成在表1中给出。用于焊接的输入工艺参数是焊接电流、电压和焊接速度。氩气用作保护气体，流速为15 lpm。几表2控制因素和水平。因子单元1级2级3级焊接电流一90110130电压V101214焊接速度mm/s1.21.51.8655.7463852.0511855.2847251.8417635.26856755.4539152.1196755.1094251.2139134.32007855.0891151.9143354.7132650.5577534.48552955.3900651.7456955.0429751.1446134.32007表5数据处理后各性能特征的顺序Exp. 没有UTS [R.T]Y.S [R.T]UTS [750 °C]Y.S [750 °C]韧性10.780090.3921950.7741110.8147080.26373220.837260.3411690.8979230.868097130.41267510.5143750.3233410.517872410.72770410.999308150.4311940.1574150.71717610.51787260.7550460.2612780.7134440.8251410.76309370.4190770.319850.4945890.4216680800.144235000.1331190.34572100.411630.3771320进行试验以选择工艺参数的上限和下限。选择田口L9正交表，并进行相应的实验。工艺参数及其水平见表2。选择的目标函数是极限拉伸强度和屈服强度（室温，750 °C）和冲击韧性。按照ASMESEC IX标准进行了拉伸试验和根据ASTM E23-04指南进行冲击测试。测量值见表3。在焊缝横截面切割焊接试样，用不同等级的金刚砂片抛光，然后进行氧化铝抛光和金刚石抛光，以获得0.05 μm的光洁度。用于显示接头显微照片的蚀刻剂为15ml HCL+10mlHAC+10mlHNO3。对焊接接头进行了金相组织分析和断口扫描电镜分析。3. 灰色关联分析从原始响应值转换为此，使用“越大越好”的等式（1）根据这些S/N比值进行后续分析。这在表4中示出。表3利用L9正交表进行实验布局，并给出性能结果.Exp. 号焊接电流（A）电压（V）焊接速度（mm/s）抗拉强度[R.T]（MPa）Y.S [R.T]（MPa）UTS [750 °C]（MPa）Y.S [750 °C]（MPa）韧性（J）190101.2614.34407.58584.34390.1954290121.5617.87404.79591.05393.9460390141.8592.13442.33570.51357.31564110101.5628.07426.41596.64403.31605110121.8593.23394.9581.28403.36566110141.2612.8400.46581.08390.92587130101.8592.51403.63569.47363.66528130121.2568.14394.2544.08337.2539130141.5588.17386.62565.13360.7752A.K. Srirangan，S. Paulraj/ Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）811813我我我 表6灰关联系数与灰关联度。粗体数字表示获得的最高响应Exp.号灰色关联系数秩UTS [R.T]Y.S [R.T]UTS [750 °C]Y.S [750 °C]韧性级10.6945310.4513430.6888110.7296160.4044430.593749520.7544430.4314690.8304590.79126110.761526230.45984410.5072920.4249320.5090990.5802336410.6474210.99861810.929208150.4678120.3724160.63871310.5090990.597608460.6711820.4036420.6356830.7408960.6785120.625983370.4625670.4236750.4973090.4636790.3333330.436113780.3333330.3687960.3333330.3333330.3657940.346918990.4331710.3333330.4594020.4452880.3333330.4009068SN10 log1n1（一）其中i = 1，. . m; k = 1，2，3，. . .n; m =实验数据数目;101在GRA中，首先将实验数据归一化。利用归一化后的数据求出灰关联系数，将与选定实验结果相关的GRC值取平均值，得到灰关联度。3.1. 灰关联生成n =否。因子; yi（k）=原始序列; yi*（k）灰度后的值关系生成; min yi（k）和max yi（k）分别是yi（k）的最小值和最大值。归一化值见表5。3.2. 灰色关联系数（GRC）灰色关联系数的计算采用公式（3）：GRG可以分为三种类型，即越小越好，越大越好或名义上是一个更好的（NB）标准。极限抗拉强度、屈服强度kminmaxoikmax（三）强度和冲击韧性是越大越好的准则，则用公式（2）表示：ymin yi k式中，kai是灰色关联系数，koi是你好和y i *k;y0k最大值表示最大的最大值，最小值表示最小的最小值。yi*kmaxkminyk（二）3.3. 灰色关联度表7灰色关联度响应表 粗体数字表示哪个水平对获得高质量焊缝的参数有显著影响。灰色关联度（GRG）（i）通过取与每个观测值相关的GR系数的平均值来确定，如等式（4）所示： 1Qik（四）我1其中，Q =响应的总数量，n表示响应的数量。输出响应的数量GRG i表示Fig. 1. 灰色关联度主效应图。IJ符号参数1级2级3级主效应（最大值-最小值）秩一电流0.6451690.7175990.3946450.3229541B电压0.6530230.5686840.5357070.1173153C焊接速0.5222160.6972130.537980.1749962814A.K. Srirangan，S. Paulraj/ Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）811表8ANOVA表。符号因子自由度总和小二乘平均平方F %贡献参考或理想序列与比较序列之间的关系。如果与其他组相比，对于等效的过程参数组获得更大的GRG，则将其视为最有利的最佳设置。A电流20.1723080.0861547.84517958.09329B电压20.0219640.0109821.58969211.77162C焊接2 0.0562260.028113 4.06957930.1351速度错误2 0.0138160.006908共计8 0.264314图二、 单个参数的贡献百分比。4. 结果和讨论采用L9正交表对Incoloy 800HT合金进行TIG焊接，研究焊接工艺参数（焊接电流、电压和焊接速度）对输出响应、抗拉强度、屈服强度和冲击韧性的影响已采取的努力，以确定最佳的焊接参数，有效地焊接Incoloy 800HT。4.1. 使用GRA的利用GRA复杂优化方法，可以有效地解决问题。灰色关联度越高，多响应特性越好.表6显示了所有实验的灰色关联度因此，很明显，实验4具有用于最佳多响应特性（诸如极限拉伸强度、屈服强度和韧性）的最佳参数设置。4.2. 使用信噪比的GRG响应表输入参数的每个水平的平均灰色关联度值如表7所示。这些是通过对所有级别的过程参数中的每个级别组取平均值计算的因为它表示参考之间的相关性水平图三. 图中显示了拉伸试验样品在室温下的断裂位置。A.K. Srirangan，S. Paulraj/ Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）811815见图4。 图中显示了750 °C下拉伸试验样品的断裂位置。序列与实测序列的平均灰度值越高，表明它们之间的相关性越强。它指示工艺参数的最佳水平。结果表明，最佳工艺参数为A2B1C2，即电流110 A，电压10 V，焊接速度1.5mm/s。影响焊接质量的主要因素是电流，其次是焊接速度和焊接电压。 图 1为灰色关联度主效应图。4.3. 焊接参数的方差分析ANOVA是一种计算方法，可显著评估每个参数变异对总体响应变异的贡献。其用于确定输入参数的重要性。采用统计软件Minitab 16.0研究焊接参数，即焊接电流、电压和焊接速度的重要性。使用GRG计算ANOVA，用于分析工艺参数的重要性。从方差分析可知，焊接电流（58%）对焊缝质量的影响最大，其次是焊接速度（30%）和电压（12%）。方差分析表显示，结果与灰色关联分析密切相关。ANOVA结果见表8。TIG焊接工艺参数对输出响应的影响如图所示。 二、拉伸试验是用于评定焊接工艺的最基本类型的机械试验之一。通过执行此测试，很容易确定材料将如何对拉伸施加的力作出反应当材料被拉伸时，可以发现焊接接头的强度以及伸长率故障点是非常重要的，它通常被称为极限拉伸强度。Incoloy 800HT的基材在接收条件下的极限拉伸强度所有焊接试样的强度均高于母材。本节讨论了为什么实验4和8的输出响应与一些冶金特性有关图3显示了拉伸试验样本的断裂位置。从图中可以看出，对于实验编号4，断裂位置距离焊接中心10 mm，而对于实验编号8，断裂发生在焊接区域从在拉伸测试期间获得的输出结果来看，与实验8相比，实验4的%伸长率高9%。Alloy 800HT在高温环境中具有广泛的应用。图4示出了热拉伸测试的样品断裂位置。热拉伸结果表明，试验4的强度高于试验8.从结果中可以清楚地看出，合金800H可以承受高温而不会损失其强度。与室温拉伸性能相比，高温拉伸显示出良好的强度，只有少量的强度损失。4.4. 断口分析通过扫描电子显微镜对冲击试样的断裂表面进行分析有两种类型的断裂，脆性和韧性，这取决于材料在断裂前进行塑性变形的能力。韧性断裂模式在裂纹前经历了广泛的塑性变形816A.K. Srirangan，S. Paulraj/ Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）811图五、 冲击试验试样的 断 口 形 貌 （a）实验4（b）实验8。见图6。 焊接区域的显微组织（a）实验4（b）实验8。裂纹是稳定的，除非施加的应力增加，否则裂纹可以抵抗进一步扩展在脆性模式下，裂纹是不稳定的，并迅速扩展，而不增加所施加的应力。韧性断裂模式在大多数应用中是优选的。图5a对应于实验4拍摄的断口图像，显示了深而宽的凹坑，其揭示了韧性断裂模式，而图5b对应于实验8，主要显示了解理，其揭示了脆性断裂模式。4.5.微观结构分析实验4和8的焊接区域的显微组织示于图1中。 6a&湾实验4的显微组织显示完全奥氏体结构，在整个焊接区域具有细胞状和等轴晶粒，而焊接区显微组织显示更硬的树枝状结构，其更容易开裂。较硬的枝晶组织可能是由于在焊接期间较高的热输入。焊接区的结构清楚地解释了为什么实验4和8的机械强度存在变化5. 结论在这项研究中，田口L9阵列与灰色关联分析已被用来优化多个性能特征，如极限拉伸强度和屈服强度（室温，750 °C）和冲击韧性。的最优组合确定了焊接质量的3个灰色关联度检验参数基于GRG的方差分析结果，观察到焊接电流（58%）对多个响应产生显著影响，其次是焊接速度（30%）和电压（12%）。力学性能与冶金特性相关冲击断口分析表明，实验4为韧性断裂模式，实验8为脆性和韧性混合断裂模式。焊接区域的显微组织显示实验4的胞状结构更细，而实验8由于较高的热输入而形成更硬的枝晶。引用[1] B.格里森湾李，铬氧化皮形成合金的循环氧化，寿命预测和主要和次要合金添加剂的影响，Les Embiez，法国，2004年。[2] A.作者：J. Steinkusch，渗碳- 介 绍 性 调 查 ， 脱 线 。科洛斯49（1998）221[3] P. Kumar，K.P. Kolhe，S.J. Morey，C.K. Datta，使用气体混合物的铝合金脉冲气体保护钨极电弧焊（GTAW）的工艺参数优化，Mater。Sci. 2（2011）251-257。[4] S. Datta，A.班焦帕德亚伊峰J.Adv.Manuf.Technol.39（2008）1136-1143。[5] F. 科拉汉湾Heidari，一种预测和优化GMAW焊缝几何形状的新方法，Int. J.Aerosp. 5（2）（2011）138-142。[6] S. Subramaniam，D.R.怀特，J.E.琼斯，D.W.李文，脉冲熔化极气体保护焊脉冲参数选择的实验研究，焊接。Res. Suppl.（1999）66-172。A.K. Srirangan，S. Paulraj/ Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）811817[7] S.V. M.T.萨帕卡尔Telsang，使用田口设计方法的焊接参数优化，Int. J. Adv.Eng. Res. Study 1（2012）28-30。[8] N.P. S.C. Chaudhary，金属惰性气体保护焊和钨极惰性气体保护焊焊接强度的参数优化，方差分析和灰色关联分析，国际焊接学会。J. Res. Mod. Eng. 紧急情况Technol. 1（3）（2013）48-56.[9] M. Balasubramanian，使用统计设计预测PCTIG焊接钛合金的最佳熔池几何形状，工程科学。Technol.Int.J.（2015）doi：10.1016/j.jestch.2015.06.001.[10] G. 哈尔戈帕尔，P.V.R.Ravindrareddy，G.Chandra Mohan Reddy，J.V.苏伟，铝合金焊接工艺参数设计，北京：机械工业出版社。70（2011）844-850。[11] R. Sathish湾纳文山口Nijanthan，K.Arun Vasantha Geethan，R.Vaddi Seshagiri，使用GTAW的异种管接头的焊接性和工艺参数优化，Int. J. Eng. Res. Appl. 2（3）（2012）2525-2530。[12] G. 帕德马纳班河谷Balasubramanian，AZ31B镁合金最大抗拉强度的脉冲钨极氩弧焊工艺参数优化，有色金属学报。Soc. China 21（3）（2011）467[13] A. Hakan，A. Bayram，E. Ugur，Y.卡赞科卢湾应用灰色关联分析和田口方法优化搅拌摩擦焊工艺参数，Mater。Technol. 44（4）（2010）205[14] K. 放 大 图 片 作 者 ： Anand ， Birendra Kumar Barik ， K.Tamilmannan ，P.Sathiya，人工神经网络建模研究预测Incoloy 800H接头的摩擦焊接工艺参数，Eng. Sci. Technol. Int. J. 18（2015）394
我的内容管理
展开
