基于多因素分析的鋁焊接用焊劑組分優(yōu)化方法*

趙紅波， 王璟麗， 趙 勇，席敏敏， 劉 斌， 李 靖 編譯

（1. 國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心， 陜西 寶雞721008；2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721008；3. 北京隆盛泰科石油管科技有限公司， 北京100101）

0 前 言

產(chǎn)品加工制造技術(shù)的規(guī)模化已經(jīng)成為推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和進(jìn)步發(fā)展的主要因素， 在材料領(lǐng)域， 影響汽車制造技術(shù)的是金屬材料， 在所有金屬材料中， 鋁對(duì)汽車生產(chǎn)制造具有不可替代的價(jià)值。 焊接作為一種將兩塊或多塊金屬永久連接的加工工藝， 成為影響產(chǎn)品制造的主要因素。 目前， 對(duì)于鋁焊接研究的主要方向是獲得良好的焊接質(zhì)量及相應(yīng)適合的焊劑材料的開發(fā)。 作為生產(chǎn)應(yīng)用中普遍存在的金屬材料， 鋁幾乎與所有技術(shù)開發(fā)和研究領(lǐng)域都有著密切聯(lián)系， 因而促使焊接鋁所用的焊劑材料也得到了普遍的應(yīng)用。 作為鋁焊接過程中一種非常有用的保護(hù)劑， 焊劑能有效去除鋁表面由于暴露在空氣中而產(chǎn)生的AlOH層。 焊接前或焊接中， 如果對(duì)氧化鋁層不能及時(shí)清理 （除非將它的含量降低到最低）， 所形成的夾雜物將極大程度地影響焊縫質(zhì)量。 因此掌握適用于鋁焊接用焊劑的特征、 化學(xué)成分、 形態(tài)特征以及鋁和其合金的可焊性具有相當(dāng)重要的意義，通常采用多物理分析方法對(duì)鋁用焊劑進(jìn)行研究。對(duì)于鋁的焊接， 不管采用任何一種焊接方法都需要了解鋁用焊劑最佳的成分配比。

Achebo 和Ibhadode 研究發(fā)現(xiàn)， 鋁焊縫的抗拉強(qiáng)度值越大， 焊縫質(zhì)量越好。 鑒于此， 本研究以強(qiáng)度性能作為確定焊劑成分的標(biāo)準(zhǔn)， 結(jié)合焊劑組分中不同活潑元素的置換情況， 并依據(jù)專業(yè)的估算方法， 采用Hadamard 矩陣和田口試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法提出了一種最佳的焊劑成分，在以上研究基礎(chǔ)上， 對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的效率進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 四變量Hadamard 矩陣設(shè)計(jì)方法

兩水平多變量分析IV Hadamard 矩陣方法是基于兩水平4 個(gè)試驗(yàn)因素的設(shè)計(jì)， 其中， 4 個(gè)變量 （A、 B、 C、 D） 中的每一個(gè)因子均有一個(gè)高水平和低水平值。 不管成分和變量數(shù)目的多少， 所有設(shè)計(jì)方法中焊劑的不同變量之間的主要作用需要提前掌握、 計(jì)算或估算。 本研究確定的鋁焊劑的化學(xué)成分見表1。

表1 鋁焊劑的化學(xué)成分

采用Hadamard 矩陣設(shè)計(jì)的變量組合見表2，A、 B、 C 和D 為變量， 矩陣中的變量按照表1成分范圍確定， 其中， 表2 中注明 （+） 取值為焊劑成分范圍的高水平值， 注明 （－） 取值為焊劑成分范圍的低水平值； 第4 個(gè)變量D 在配方確定過程中被優(yōu)先考慮， 另外的變量A、 B、 C填入第1～3 列， D 變量預(yù)留列為空白。

表2 四變量Hadamard 矩陣設(shè)計(jì)

以表1 所給定的焊劑成分為基礎(chǔ)， 依照表2四變量Hadamard 矩陣設(shè)計(jì)， 以焊劑配方的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)和相加需為100%為準(zhǔn)則， 設(shè)計(jì)提出了8種焊劑初始配方的化學(xué)成分， 具體見表3。 采用8種焊劑分別進(jìn)行焊接， 每種焊縫按照聯(lián)邦檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)《材料檢測(cè)方法要求—FED－STD－151》 加工成5 個(gè)應(yīng)力檢測(cè)所需的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣， 并進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測(cè)， 其平均抗拉強(qiáng)度見表4。

表3 8 種焊劑初始配方的化學(xué)成分

表4 8 種新焊劑焊接件焊縫金屬的平均抗拉強(qiáng)度

依據(jù)主變量為焊劑材料的組分元素， 這里的抗拉強(qiáng)度由每種焊劑組分確定， 由此進(jìn)一步確定出主要變量對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響情況。 對(duì)應(yīng)表1 主要變量 （焊劑組分）， 按照xAhigh-xAlow公式對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響作用進(jìn)行計(jì)算可得： A 組元為17.75； B 組元為15.75； C 組元為-4.75； D 組元為-9.75。

在上述所得值的基礎(chǔ)上， 按公式 （1） 計(jì)算表2 中5、 6 和7 變量的差值。

其中， T 表示試驗(yàn)焊劑個(gè)數(shù) （T=8）， i 代表差值編號(hào) （如i=5， 6， 7）， 應(yīng)用公式 （1） 計(jì)算出各變量的差值見表5。

表5 各變量差值的計(jì)算結(jié)果

1.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的確定

3 個(gè)自由度的選定值為φ； 這里α = 0.05，在95%置信水平； tβ= 2.35 （tβ是在σ2不確定的情況下， 從t 分布單邊表的概率分中獲得）。 N高=N低， S=29.95， 將結(jié)果帶入公式 （2）， 計(jì)算結(jié)果為49.77。

1.2 檢測(cè)結(jié)果所需條件

如果平均值作用是正向的， 取低水平值μlow更好； 如果平均值作用是負(fù)向的， 取高水平值μhigh更好。

1.3 結(jié)果處理

由以上所確定的選定值為條件， 并參照以上檢測(cè)方法， 統(tǒng)計(jì)推導(dǎo)出最終的成分含量為A=30%、B=45%、C=30%和D=5%， 經(jīng)計(jì)算這些百分含量相加總和為110%。 如前所述， 需使組元質(zhì)量百分比相加總和為100%。 針對(duì)以上， 對(duì)各元素含量采用平均值來進(jìn)行了修正， 參照表1 確定的成分范圍， 低于平均值的值認(rèn)為是在較低的范圍內(nèi)， 高于平均值認(rèn)為是在較高的范圍內(nèi)， 反復(fù)采用這個(gè)方法使變量組合的臨界值不超過100%， 最終采用此方法獲得最優(yōu)的成分組合為A （27.5%LiCl）、 B （37.5%NaCl）、 C （30%KCl）和D （5%CaF2）。

采用確定的焊劑組分進(jìn)行焊接， 將焊縫按標(biāo)準(zhǔn)要求制備成拉伸試樣， 經(jīng)檢測(cè)所得抗拉強(qiáng)度為316 MPa， 由此證實(shí)該測(cè)試應(yīng)用模型的可靠性。

2 田口法

田口法是日本田口玄一為了提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量而總結(jié)形成的一種質(zhì)量工程方法。 該方法采用一個(gè)特殊的正交數(shù)組設(shè)計(jì)方法， 僅通過很少的試驗(yàn)數(shù)據(jù)就能達(dá)到對(duì)于整個(gè)工藝參數(shù)的研究， 本研究采用田口法預(yù)測(cè)了鋁焊接用焊劑的最佳組合。

參照表1， 采用田口法試驗(yàn)布局的自由度為7 的L8（24） 正交數(shù)組。 當(dāng)采用L8正交數(shù)組時(shí)，試驗(yàn)采用8 種工藝， 相應(yīng)的試驗(yàn)布局見表6。

表6 L8 (24) 正交數(shù)組下的試驗(yàn)布局情況

同樣采用表6 中每一種組分焊劑焊接5 道焊縫， 對(duì)每個(gè)焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)檢測(cè)， 8 種焊劑組分下焊接件焊縫金屬的平均抗拉強(qiáng)度見表7。

表7 8 種焊劑組分下焊接件焊縫金屬的平均抗拉強(qiáng)度

依照焊縫的抗拉強(qiáng)度值越大， 焊縫質(zhì)量越好準(zhǔn)則， 由公式 （3） 可得， 損失函數(shù)越大， 焊縫質(zhì)量性能越好。列出的相一致的S/N 信噪比確定。

將表8 中列出的值代入焊劑成分組分變量及水平中， 得到表9 的結(jié)果。

表8 與抗拉強(qiáng)度結(jié)果相關(guān)的S/N 信噪比

表9 不同焊劑組合下S/N 信噪比匯總

由表9 可見， 最佳焊劑成分為A2、 B2、C1、 D2， 得到成分組合為30%LiCl、 45%NaCl、30%KCl 和10%CaF2。 遵循成分組合質(zhì)量百分比100%原則， 采用如前所述的方法修正得出焊劑最終成分組合為： 27%LiCl、 37%NaCl、 30%KCl和6%CaF2。

由表9 可見， 當(dāng)水平值改變時(shí)， 相差較大的參數(shù)對(duì)可焊性產(chǎn)生較大的影響。 研究可見， 參數(shù)B的差值最大。 圖1 為焊劑設(shè)計(jì)的S/N 信噪比， 圖中紅線為S/N 信噪比總平均值。 Esme 認(rèn)為百分比大小表示一個(gè)因素減少變化的相對(duì)能力。 對(duì)一個(gè)高百分含量的因素， 一個(gè)很小的變化將對(duì)焊縫性能產(chǎn)生很大的影響。

圖1 S/N 信噪比

表10 列出了表9 中S/N 信噪比ANOVA 結(jié)果。公式（5） ～（7） 用于得出S/N 信噪比的平方和。其中公式（5） 和（6） 由Berginc 等人提出， 即

式中： Ts——所有結(jié)果的總和；

N——結(jié)果數(shù)量；

CF——校正系數(shù)。

同時(shí)， Scheaffer 和McClave 也提出公式（7），主要用于確定焊劑每種組元的平方和， 即

表10 最優(yōu)焊劑組分S/N 信噪比例變量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由表10 可見， NaCl 為鋁焊劑主要影響因子， 貢獻(xiàn)比值作用最大， 達(dá)到6.72%； 其次是KCl， 貢獻(xiàn)比值1.15%， 而LiCl 和CaF2貢獻(xiàn)因子較低， 分別為0.38%和0.19%。

對(duì)本次試驗(yàn)中所得研究成果， 采用確定的最優(yōu)配方進(jìn)行焊接試驗(yàn)， 并檢測(cè)焊縫力學(xué)性能。 在這里S/N 信噪比作為對(duì)焊縫性能影響最大的變量， 常用來預(yù)測(cè)、 判定焊劑性能及性質(zhì)的提高情況。

S/N 信噪比的預(yù)測(cè)采用公式 （8） 中η 最優(yōu)化組分或者水平來確定得到， 即

此處的ηm是S/N 信噪比的總平均值， η 表示最佳水平下的S/N 信噪比的平均值， n 是對(duì)焊接性能具有顯著影響的主要參數(shù)數(shù)量值。 應(yīng)用公式（8） 所確定的結(jié)果如下：

對(duì)于焊劑組分配方A2B2C1D2 來說

對(duì)于確定出焊接過程中的現(xiàn)有焊劑組分配方A1B1C2D1 來說

對(duì)于A2B2C1D2 也采用與上述相同的計(jì)算方法， S/N 信噪比值的增長(zhǎng)表明， 同一合金元素實(shí)際焊接后的焊縫化學(xué)成分比采用預(yù)測(cè)工藝參數(shù)所得的含量更大。 優(yōu)選焊接參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果及預(yù)測(cè)過程相比較結(jié)果見表11。

表11 驗(yàn)證試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

對(duì)初始焊接參數(shù)優(yōu)化后的S/N 信噪比提升了1.62， 使抗拉強(qiáng)度增加了1.08 倍， 由此可見， 采用田口分析方法可使抗拉強(qiáng)度得到顯著提高。

3 結(jié)果討論

通過采用Hadamard 多元化學(xué)成分法和田口法對(duì)焊劑組分優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明，Hadamard 多元法能產(chǎn)生多個(gè)焊劑組分， 同時(shí)， 在焊劑組分確定過程中， 一個(gè)變量與另一個(gè)變量關(guān)系密切， 采用該方法確定的焊劑組分為30%LiCl、45%NaCl、 30%KCl 和5%CaF2， 其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于100%。 為了使其質(zhì)量百分比達(dá)到100%， 對(duì)焊劑組分進(jìn)行了改進(jìn)， 形成新的焊劑組分： 27.5%LiCl、37.5%NaCl、 30%KCl 和8.5%CaF2， 該焊劑組分所焊焊縫的抗拉強(qiáng)度最高值為316 MPa。

田口法同樣也被用來優(yōu)化焊劑成分， 通過此方法確定焊劑成分， 30%LiCl、 45%NaCl、 30%KCl和10%CaF2。 對(duì)其進(jìn)行修正， 最終確定焊劑成分：27%LiCl、 37%NaCl、 30%KCl 和6%CaF2。 這種焊劑焊接后所得焊縫的抗拉強(qiáng)度為320 MPa。

在以上優(yōu)選的焊劑成分、 組分配方及不同研究人員的研究基礎(chǔ)上， Varley 在本研究中提出了一種特殊的鋁焊接用焊劑組分， 30%NaCl、 28%KCl、26%LiCl 和16%NaF2。 Glizmaneko 和Yevseyer 對(duì)于鋁焊接用焊劑也提出了新的組分范圍， 即0～30%LiCl、 0.6%KCl、 5～15%KF、 剩余量為NaCl。Davies 提出了組分范圍為0～30%LiCl、 0.6%KCl、5～15%KF， 剩余量為NaCl。 Manfredi 等人提出焊劑 組 分 為70%NaCl、 28%KCl 和2%CaF2。 但Utigard 等人卻提出了47.5%NaCl、 47.5%KCl 和5%氟化鹽鋁焊劑組分。 另外， 研究者通過對(duì)鋁焊劑焊接所得焊縫金屬進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)， 得出焊 縫 抗 拉 強(qiáng) 度 范 圍 在298 ～434 MPa； Ellis 和Padmanabham 檢測(cè)得出焊縫抗拉強(qiáng)度范圍在255～334 MPa； 并且Achebo 和Ibhadode 對(duì)焊縫金屬進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)， 得出焊縫抗拉強(qiáng)度為310 MPa。Weston 通過研究2219 和5083 鋁合金焊縫， 發(fā)現(xiàn)此類合金焊縫抗拉強(qiáng)度為270 MPa 和297 MPa。Yoon 也同時(shí)研究6061 鋁合金， 發(fā)現(xiàn)這類合金的抗拉強(qiáng)度為200 MPa。 Palmer 等人研究6061－T6鋁合金的拉伸性能， 發(fā)現(xiàn)這類合金的抗拉強(qiáng)度為310 MPa。 同時(shí)， 他們通過對(duì)6061－0 合金研究得出一致的強(qiáng)度值為117 MPa。

由此可見， 通過采用Hadamard 矩陣設(shè)計(jì)方法及田口優(yōu)化法修正所得最佳焊劑組分， 都在其他研究者設(shè)定的焊劑配方范圍之內(nèi)， 同樣也適用于它們的抗拉強(qiáng)度值。 由此可以確定， 本研究所確定的方法可以滿足不同研究者的需求， 并具有較好的實(shí)用性和參考價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

在焊劑組分確定過程中， 有不同比例選擇的多種方法， 采用Hadamard 多元法與田口法優(yōu)化確定出了新的焊劑組分， 并通過修正使新焊劑組分質(zhì)量百分比總和為100%。 Hadamard多元法與田口法應(yīng)用簡(jiǎn)單、 容易， 采用此兩種方法優(yōu)選形成的焊劑組分最終可得到最高的抗拉強(qiáng)度值。 兩種方法的不同之處在于，Hadamard 多元法最終可以確定出不同組元及成分之間的相互作用， 由于很多焊劑在生產(chǎn)制造過程中具有相當(dāng)寬泛的成分范圍， 對(duì)于研究者來說， 通常需要采用大量的焊接試驗(yàn)， 才能將成分縮小到最佳的范圍之內(nèi)； 田口法對(duì)于焊劑的成分研究及修正具有很好的實(shí)用性和可操作性， 但缺點(diǎn)是田口法在某些方面具有一定的不可靠性。

通過最佳焊劑組分的確定， 證明了多物理量分析方法及田口法使用的相關(guān)性， 從而為焊劑研究提供了參考。