钛合金小尺寸电阻点焊工艺优化与质量监控

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钛合金在航空航天技术、船舶等工业领域有着非常重要的应用价值。然而,钛及钛合金材料的加工与连接技术仍然存在很多关键问题亟待进一步研究。本文以0.4mmTC2钛合金板的焊接技术为研究对象,对其电阻点焊焊接机理、焊接工艺优化以及焊接质量在线监控进行了详细的研究。  通过准静态拉剪实验,得到了不同焊接工艺参数下的焊点熔核尺寸和抗剪强度以及相应的失效模式。在此基础上,将钛合金的焊接质量分为三类:不良焊点、良好焊点以及发生喷溅的焊点。通过微观金相实验,研究了三类不同焊接质量下的TC2钛合金电阻点焊接头的微观组织特点。综合实验结论,得到了TC2钛合金小尺寸电阻点焊的焊接机理。  选取焊接时间、焊接电流与电极压力三个焊接参数为研究对象,以焊点的拉剪失效能量为表征焊接接头质量的指标。依据响应曲面法中的Box-Behnken实验设计进行焊接试验,得到了焊接工艺参数与拉剪失效能量之间的响应曲面方程。利用该模型讨论了焊接工艺参数对焊接接头质量的影响;敏感性分析表明焊接电流的改变对焊点失效能量的改变量最大。利用人工蜂群算法得到了最优的焊接工艺参数。  采用主成分分析考虑了焊接接头熔核直径、抗剪强度、拉剪失效能量和熔核渗透率这四个指标有可能存在信息重合的问题,以加权的手段得到了表征焊接质量的综合焊接质量指标。将多响应优化问题转化为简单的单响应优化问题。采用爬山法和满意度函数法得到了最优的焊接工艺参数,验证实验表明采用此焊接工艺参数,可以得到令人满意的焊接质量。该最佳焊接工艺参数可以使熔核直径、抗剪强度、失效能量和熔核的渗透率同时达到最优。  利用数据采集系统采集TC2钛合金小尺寸电阻点焊过程中的主要焊接参数,对点焊过程中上下电极间电压曲线和电压—电流(U-I)曲线进行分析与研究。结果表明钛合金点焊过程中焊接参数的变化对上下电极间电压和U-I曲线的变化有很大的影响,且具有一定的规律性。从两个曲线中分别找出表征焊接质量的特征量,利用人工智能算法的非线性映射与模式识别能力,实现对三类焊点质量的在线识别与监测。并且比较了利用电压曲线和U-I曲线监测钛合金点焊质量的特点:前者适用于直流或高频交流点焊机在恒电流模式下的焊接质量监控;后者适用于恒电流、恒电压与恒功率焊接模式下的焊接质量监控。  本文建立了TC2钛合金小尺寸电阻点焊性能特征与焊接机理的相互关系、有效的焊接质量监控手段以及可靠的焊接工艺优化方法。本文的研究工作,对全面认识TC2钛合金电阻点焊焊接机理以及钛合金点焊在航天航空、船舰、兵器等方面的应用与质量控制具有非常重要的现实意义。
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