基于方差分析法的C-276合金脈沖電流自動(dòng)化鎢極氣體保護(hù)電弧焊參數(shù)優(yōu)化

鄭傳琴，王海娜

（河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南鄭州451450）

基于方差分析法的C-276合金脈沖電流自動(dòng)化鎢極氣體保護(hù)電弧焊參數(shù)優(yōu)化

鄭傳琴，王海娜

（河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南鄭州451450）

優(yōu)化C-276合金脈沖電流自動(dòng)化鎢極氣體保護(hù)電弧焊參數(shù)有著重要的意義。采用田口方法，設(shè)計(jì)了擁有4個(gè)焊接參數(shù)（脈沖電流、基值電流、脈沖電流占空比和脈沖頻率），3個(gè)水平等級(jí)，9組實(shí)驗(yàn)方案的正交實(shí)驗(yàn)，利用方差分析每個(gè)焊接參數(shù)的貢獻(xiàn)百分比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)脈沖電流、基值電流、脈沖電流占空比和脈沖頻率分別為165 A、77 A、60％和5 Hz時(shí)，焊件具有最大的熔深。

田口方法；C-276合金；脈沖電流自動(dòng)化鎢極氣體保護(hù)電弧焊

0　前言

C-276合金的焊接在軍艦和其他工業(yè)方面具有廣泛的應(yīng)用，但研究C-276合金脈沖電流自動(dòng)化鎢極氣體保護(hù)電弧焊參數(shù)對(duì)焊接熔深和焊縫的幾何形貌的影響還不是很多。在此主要研究了脈沖電流鎢極氣體保護(hù)電弧焊參數(shù)對(duì)焊接熔深和焊縫的幾何形貌方面影響。

1　實(shí)驗(yàn)方法

以4 mm厚的熱軋C-276合金板材為研究對(duì)象，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w（Mo）=16.35％、w（Cr）=15.82％、w（W）=3.44％、w（Co）=0.05％、w（Mn）=0.40％、w（Fe）=6.06％，余量為Ni。焊接過程中采用KEMPI DWE焊接機(jī)器手動(dòng)焊接，焊接方法為脈沖電流鎢極氣體保護(hù)電弧焊。首先采用Minitab-16軟件設(shè)計(jì)焊接參數(shù)，然后應(yīng)用田口方法設(shè)計(jì)具有4個(gè)焊接參數(shù)（脈沖電流、基值電流、脈沖電流占空比，脈沖頻率）、3個(gè)水平等級(jí)、9組實(shí)驗(yàn)方案的正交實(shí)驗(yàn)，其中脈沖電流、基值電流、脈沖電流占空比，脈沖頻率分別用A、B、C、D表示。焊接前將C-276合金板材用丙酮溶液清洗干凈。焊接過程中高純度的氬氣作為保護(hù)氣體，流速15 L/min。對(duì)焊接后截面組織進(jìn)行觀察，檢測(cè)焊接缺陷，同時(shí)測(cè)量焊接熔深。

2　基于田口法的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用田口方法設(shè)計(jì)最少的正交實(shí)驗(yàn)方案，正交性意味著每一個(gè)因素都單獨(dú)計(jì)算，相互之間互相不影響，四個(gè)焊接因素正交后的三個(gè)焊接等級(jí)如表1所示。由表1可知，每個(gè)因素均有三個(gè)等級(jí)，因此每個(gè)因素的自由度為2。考慮所有因素后的自由度為8。因此采用田口方法設(shè)計(jì)了9組實(shí)驗(yàn)，包含4個(gè)焊接參數(shù)，3個(gè)焊接等級(jí)，自由度為8的L9（34）的正交實(shí)驗(yàn)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1計(jì)算最優(yōu)水平等級(jí)

按照表1中設(shè)計(jì)的正交方案進(jìn)行焊接，焊后的焊道形貌如圖1所示，表面無明顯焊接缺陷。焊道橫截面的宏觀形貌如圖2所示。通過橫截面形貌計(jì)算的熔深如表2所示。

表1　焊接參數(shù)

圖1　9組正交實(shí)驗(yàn)的宏觀焊道形貌

圖2　焊道橫截面組織

表2　實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算的熔深和S/N比

一般情況下，衡量焊件的質(zhì)量特性有三個(gè)，分別為越高越好（HB）、越低越好（LB）以及名義上更好（NB）[6]。在本研究中將熔深作為焊件的一個(gè)特性，因?yàn)槿鄢厣疃仍缴钤胶?，因此S/N選擇HB特性來衡量，計(jì)算公式

式中S/N為性能統(tǒng)計(jì)；n為一組實(shí)驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)；Yi為第ith組實(shí)驗(yàn)的性能。本實(shí)驗(yàn)均為單道焊接，所以n=1，因此上述式（1）可以改寫為式（2）

按照上述公式計(jì)算9組正交實(shí)驗(yàn)的S/N，結(jié)果如表2所示?？紤]所有的因素，S/N的最大值所對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)即為優(yōu)化值。為了進(jìn)一步研究每個(gè)焊接因素對(duì)熔深的影響，需要計(jì)算每個(gè)因素條件下的S/N值，單一因素影響下的S/N值可以通過計(jì)算不同水平下的S/N值的平均值來獲得。例如，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)6和實(shí)驗(yàn)8的S/N的平均值即可獲得脈沖電流占空比這個(gè)因素在水平等級(jí)為1時(shí)的S/N值，采用相同的計(jì)算方法可以獲得每個(gè)因素在每個(gè)水平等級(jí)的S/N值，結(jié)果如表3所示。對(duì)不同水平等級(jí)下的每個(gè)參數(shù)的平均S/N值進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，脈沖電流和脈沖電流占空比對(duì)S/N值的影響較大，S/N值隨著基值電流和脈沖頻率的增加幾乎不發(fā)生變化，其中脈沖電流對(duì)S/N值的影響最大。由圖3a可知，脈沖電流在145～155A變化時(shí)，S/N值的增加速率較快；脈沖電流在155～165 A變化時(shí)，S/N值的增加速率相對(duì)減慢。由此說明，脈沖電流會(huì)強(qiáng)有力地影響熔池深度。圖3b和圖3d分別為S/N值隨基值電流和脈沖頻率的變化規(guī)律，幾乎為水平的。正如前言中所提，脈沖電流在獲得足夠熔深過程中起到了至關(guān)重要的作用，而基值電流的存在則具有提供穩(wěn)定電弧的作用。圖3c為S/N值隨脈沖電流占空比的變化規(guī)律，S/N呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，與40％～50％之間的S/N變化規(guī)律相比，在脈沖電流占空比在50％～60％之間的S/N值增加速率相對(duì)更大，在60％的時(shí)候具有最大的熔深（例如圖2g的焊道7），在脈沖電流占空比為40％的時(shí)候焊道具有最小的熔深（如圖2a的焊道1），這是因?yàn)殡S著脈沖電流占空比的降低，脈沖電流降低。采用田口方法優(yōu)化脈沖電流鎢極氣體保護(hù)電弧焊參數(shù)如表3所示，考慮焊接因素A、B、C，D可知，A3、B2、C3和D2時(shí)的S/N值最大，因此可以認(rèn)為A3、B2、C3和D2條件下的脈沖電流鎢極氣體保護(hù)電弧焊參數(shù)為最優(yōu)值，結(jié)果如表4所示。

圖3　S/N比值隨著焊接參數(shù)的變化規(guī)律

表3　每個(gè)因素在不同水平等級(jí)的S/N值

表4　優(yōu)化后的焊接參數(shù)

3.2方差分析

利用方差研究不同因素之間的相對(duì)重要性。在方差分析結(jié)果的過程中，SST為平方和，D為自由度，V為方差，P為整個(gè)方差中的貢獻(xiàn)百分比，計(jì)算公式如式（3）～式（6）所示。

式中SST為總的平方和；m為總的實(shí)驗(yàn)次數(shù)；ηi為在ith次實(shí)驗(yàn)中的S/N值。

式中SSP為所考慮的實(shí)驗(yàn)因素的平方和；P為其中的實(shí)驗(yàn)因素；j為P這個(gè)實(shí)驗(yàn)因素所在的水平等級(jí)；t為每個(gè)因素在每個(gè)水平的重復(fù)次數(shù)；Sηj為在水平等級(jí)j的這個(gè)因素的S/N值的總和。

式中VP為實(shí)驗(yàn)因素的方差；DP為每個(gè)因素的自由度。

式中PP為每個(gè)單一因素對(duì)總方差的貢獻(xiàn)百分比。采用方差分析結(jié)果的方法得到的每個(gè)因素對(duì)總方差的貢獻(xiàn)百分比如表5所示。

表5　利用方差分析熔深

方差分析結(jié)果表明，與其他焊接參數(shù)相比，脈沖頻率對(duì)熔深的影響最小，脈沖參數(shù)和脈沖電流占空比對(duì)熔深的影響很大，脈沖頻率對(duì)熔深的影響達(dá)到了76.61％，基值電流和脈沖頻率對(duì)熔深的影響可以忽略，熔深貢獻(xiàn)率僅為0.00％和0.10％。在方差分析中，如果誤差(Pe)對(duì)總方差的貢獻(xiàn)比例低于15％，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的重要因素將不會(huì)缺失。

3.3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證田口方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，按照表4中的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？梢圆捎檬剑?）預(yù)測(cè)最優(yōu)參數(shù)下的S/N比值

式中[S/N]m為所有S/N的平均值；[S/N]i為在最優(yōu)水平等級(jí)時(shí)的S/N平均值；y為影響質(zhì)量特征的主要設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量。從表2可以計(jì)算得到[S/N]m的值為4.11，由表3可知A3、B2、C3和D2的[S/N]i值分別為5.80、4.16、5.49和4.13。采用式（7）計(jì)算可得

采用式（2）估算相應(yīng)的熔深為2.3 mm。表6為S/N比值、熔深的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值，觀察可知實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值非常接近，除了基值電流不同，其余參數(shù)和焊道7的參數(shù)一樣，而基值電流對(duì)熔深的貢獻(xiàn)率為0％，因此可以基本認(rèn)為焊道7為優(yōu)化焊接參數(shù)后的焊道組織。

表6　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

4　結(jié)論

綜上所示，脈沖電流對(duì)熔深的影響最大，脈沖電流脈沖電流占空比是影響熔深的第二因素；基值電流和脈沖頻率對(duì)熔深的影響較小。熔深的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值基本接近；采用田口方法對(duì)C-276合金脈沖電流鎢極氣體保護(hù)電弧焊進(jìn)行優(yōu)化后的參數(shù)為：脈沖電流165 A，基值電流77 A，脈沖電流脈沖電流占空比60％，脈沖頻率5 Hz。

[1]P Jernstrm，J Uusitalo.采用熔化極氣體保護(hù)電弧焊的先進(jìn)管道焊接技術(shù)[J].電焊機(jī)，2014，44（5）：19-22.

[2]丁強(qiáng)，華勝，李力，等.TDW5000E超高頻脈沖方波氬弧焊機(jī)的研制[J].電焊機(jī)，2014，44（5）：33-38.

[3]文元美，黃石生，劉桂雄.脈沖TCGMAW電流脈沖電流占空比對(duì)熔滴過渡和焊縫成形的影響[J].電焊機(jī)，2012，42（2）：5-10.

[4]解生冕，吳開源，文元美，等.脈沖頻率對(duì)TCGMAW熔滴過渡行為的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2012（3）：69-72，116.

[5]文元美，黃石生，劉桂雄.脈沖TCGMAW電流頻率對(duì)熔滴過渡與焊縫成形的影響[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011（11）：88-91，103.

[6]張剛，黃健康，石玗，等.基于脈沖電流參數(shù)的鋁合金脈沖MIG焊過程控制[J].焊接學(xué)報(bào)，2013（12）:59-62.

C-276 alloy variance analysis of pulsed current gas tungsten arc welding parameters optimization based on electrical protection

ZHENG Chuanqin，WANG Haina
（He′nan Vocational College of Agricultrue，Zhengzhou 451450，China）

It′s significant to study optimizing C-276 alloy pulsed current gas tungsten arc welding parameters.In this paper，using the Taguchi method，designed with 4 welding parameters（pulse current，base current，pulse duty ratio and pulse frequency），3 levels，orthogonal experiment with 9 groups of experimental program，the percentage contribution of each welding parameters using variance analysis.The experimental results showed that，when the pulse current，base current，pulse duty ratio and pulse frequency were 165 A，77 A，60％and 5 Hz，with the maximum penetration welding.

taguchi methods；C-276 alloy；tungsten electrode gas shielded arc welding of pulse current

TG432

A

1001－2303（2016）02－0069-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.15

2015－04－21

鄭傳琴（1979—），女，河南商丘人，碩士，講師，主要從事電氣自動(dòng)化與自動(dòng)控制的教研工作。