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 舒服華1  梁  芳2

 （1．武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院；2.武漢市儀表電子學(xué)校）

摘  要  提出了一種正交試驗與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的6005A鋁合金板材MIG電弧焊工藝參數(shù)多目標優(yōu)化方法。以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將多工藝目標參數(shù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為對單一目標灰色關(guān)聯(lián)度的優(yōu)化。解決了試驗數(shù)據(jù)不足的問題，簡化了優(yōu)化過程，提高了決策的準確性，驗證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞鋁合金；焊接；工藝參數(shù)；灰色關(guān)聯(lián)；優(yōu)化

中圖分類號0159；TG146. 21DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 006

 6005A鋁合金因其具有優(yōu)異的成形性、良好的焊接性、適宜的經(jīng)濟性、而被廣泛應(yīng)用于新型高速列車、城市軌道交通車體覆蓋件。6005A鋁合金車體主要是焊接而成，傳統(tǒng)MIG電弧焊仍然是重要的焊接方法之一。6005A鋁合金熔焊過程的難點在于其表面存在致密的氧化膜，這層氧化膜熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)大，氫及其他氣體在其熔化狀態(tài)下有很高的溶解度，容易產(chǎn)生氣孔；另外，焊后合金接頭區(qū)域凝固時易產(chǎn)生裂紋。因此，選擇恰當?shù)墓に噮��?shù)，減少或避免焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量，對制造出性能優(yōu)良的鋁合金車體十分必要�；疑�關(guān)聯(lián)度分析是一種多因素統(tǒng)計分析方法，它對數(shù)據(jù)的要求較低，能在很大程度上減少由于信息不對稱帶來的損失。通過正交試驗與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合進行6005A鋁合金MIG電弧焊工藝參數(shù)多目標優(yōu)化，可解決正交試驗信息不完備、數(shù)據(jù)處理粗糙等問題，有效提高決策的準確性和可靠性。

1  試驗方法

 試驗材料為6005A-T6鋁合金板材；焊接方法為半自動MIG焊；焊絲材料為國產(chǎn)ER5356。鋁合金母材和焊絲的化學(xué)成分見表1。焊接板材尺寸為100 mm×100 mm×12 mm，焊接方式為單面焊，中間開U型坡口，坡口傾角為600。焊接后的板材沿垂直于焊縫方向截取拉伸試樣，在WEW-1000B型萬能材料試驗機上測試其力學(xué)性能，拉伸速度為1 mm／min。

 影響6005A鋁合金MIG焊焊接效果的工藝因素較多，主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度、預(yù)熱溫度、送絲速度、保護氣體流量及多道焊等。選取焊接電流、焊接電壓、焊接速度、預(yù)熱溫度為優(yōu)化對象，以焊后6005A鋁合金板材的抗拉強度、焊接系數(shù)（ψ）和焊接接頭表面質(zhì)量(Z)為優(yōu)化目標。衡量焊接接頭表面質(zhì)量的指標有焊縫的熔透程度，在完全熔透的基礎(chǔ)上，焊縫還必須保證形狀均勻穩(wěn)定，成形連續(xù)，無裂紋和氣孔等缺陷。因此，焊接接頭表面質(zhì)量通過對焊縫表面成形的連續(xù)性和堆高、熔寬的穩(wěn)定性，焊接過程中產(chǎn)生的焊縫熱裂紋及焊后表面氣孔進行綜合評價，分值為100分，得分越高表示焊接接頭表面質(zhì)量越好�？梢�，6005A鋁合金MIG電弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化是一個多因素多目標優(yōu)化問題。在借鑒已有鋁合金焊接工藝研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合6005A鋁合金車體焊接特點，設(shè)計了以焊接電流、焊接電壓、焊接速度和預(yù)熱溫度為變量的L16 (44)正交試驗方案（見表2），試驗結(jié)果見表3。

2  試驗結(jié)果分析

 灰色關(guān)聯(lián)分析的基本步驟是首先確定原始數(shù)據(jù)序列，對其進行灰色關(guān)聯(lián)即量綱歸一化處理，然后分別求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，得到灰色關(guān)聯(lián)度，最后進行優(yōu)勢分析。先根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進行單工藝目標優(yōu)化，后根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度進行綜合目標優(yōu)化。也就是將多項工藝目標的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單項灰色關(guān)聯(lián)度的優(yōu)化問題，從而實現(xiàn)多項工藝目標的優(yōu)化，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

2.1  灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)處理

(1)確定原始數(shù)據(jù)序列  以表3中每個工藝目標下

k=1，2，…，16，結(jié)果見表4。

(3)求數(shù)據(jù)差序列  計算公式為：

(5)求灰色關(guān)聯(lián)度  計算公式為

求得的灰色關(guān)聯(lián)度見表5。

2.2單工藝目標灰色關(guān)聯(lián)分析

 分別針對抗拉強度、焊接系數(shù)、焊接接頭表面質(zhì)量進行單工藝目標的灰色關(guān)聯(lián)分析。 

由表5中各參數(shù)不同水平對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)求得針對各工藝目標的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，見表6～表8。

 根據(jù)灰色相關(guān)度的概念，關(guān)聯(lián)系數(shù)均值最大者為最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

 針對抗拉強度，由表6可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A1 B2 C2 D2；對抗拉強度影響由大到小的工藝參數(shù)依次為焊接電流、焊接電壓、預(yù)熱溫度、焊接速度。

 針對焊接系數(shù)，由表7可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A1 B2 C2 D2；對焊接系數(shù)影響由大到小的工藝參數(shù)依次為焊接電流、焊接電壓、預(yù)熱溫度、焊接速度。

 針對焊接接頭表面質(zhì)量，由表8可以看出，最佳工藝參數(shù)組合為A2 B2 C3 D4。對焊接接頭表面質(zhì)量影響由大到小的工藝參數(shù)依次為焊接速度、預(yù)熱溫度、焊接電流、焊接電壓。

2.3  多工藝目標灰色關(guān)聯(lián)度分析

 針對抗拉強度、焊接系數(shù)、焊接接頭表面質(zhì)量進行多工藝目標的灰色關(guān)聯(lián)分析，分析結(jié)果見表9。

 根據(jù)灰色相關(guān)度的性質(zhì)，灰色關(guān)聯(lián)度大小反映了各工藝參數(shù)不同水平對多項工藝目標的影響程度。比較各個水平，灰色關(guān)聯(lián)度值最高的水平為對多工藝目標綜合優(yōu)化的最優(yōu)水平。

 焊接電流對綜合工藝指標影響的灰色關(guān)聯(lián)度排序為：YA1>YA2>YA3>YA4

 焊接電壓對綜合工藝指標影響的灰色關(guān)聯(lián)度排序為：YB2>YB3>YB1>YB4

 焊接速度對綜合工藝指標影響的灰色關(guān)聯(lián)度排序為：YC3 >yC4>YC2 >YC1

 預(yù)熱溫度對綜合工藝指標影響的灰色關(guān)聯(lián)度排序為：yD2 >yD4 >yD3 >yD1

 因此，對于綜合工藝目標，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1 B2 C3 D2，即焊接電流為180 A、焊接電壓為18 V、焊接速度為12 mm／s、預(yù)熱溫度為200℃。

 從表9還可以看出，焊接電流對3項工藝目標綜合影響最大，其次是焊接速度、焊接電壓，對3項工藝目標影響最小的是預(yù)熱溫度。

3  試驗驗證

 根據(jù)上述灰色關(guān)聯(lián)分析得出優(yōu)化組合為A1 B2 C3 D2，對該優(yōu)化組進行驗證試驗，并將驗證結(jié)果與正交試驗中灰色關(guān)聯(lián)度較高組（第2組）試驗結(jié)果進行對比，見表10。

 可見，焊接接頭表面質(zhì)量提高了14. 08%，焊接系數(shù)提高了4. 8%，抗拉強度僅下降了0.83%，證明優(yōu)化效果顯著。

4  結(jié)  語

 以正交試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用灰色關(guān)聯(lián)理論的分析方法對6005A鋁合金板材MIG電弧焊工藝參數(shù)進行多目標優(yōu)化，最優(yōu)工藝組合：焊接電流為180 A，電壓為18 V，焊接速度為12 mm/s，預(yù)熱溫度為200℃。解決了正交試驗信息不全，數(shù)據(jù)處理簡單等問題，試驗驗證了優(yōu)化結(jié)果的有效性。