CN114378422A - 一种搅拌摩擦焊接头装配质量的综合调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种搅拌摩擦焊接头装配质量的综合调整方法，依据焊缝接头强度需求，提出了一种综合考虑焊缝间隙、焊缝错边以及焊缝对中等三大要素的焊缝装配质量优化方法。避免了传统评价方法分别仅考虑单一装配要素对接头强度的影响，从而造成焊缝装配工艺设计时，单项工艺要素容差限值过于严格以至难以实施等问题。

Description

一种搅拌摩擦焊接头装配质量的综合调整方法

技术领域

本发明涉及一种焊缝装配质量评价方法，特别涉及一种采用搅拌摩擦焊技术，用于对接接头焊接时的焊缝装配质量评价方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接技术作为一项绿色高效的固相连接技术，能够实现铝合金、钛合金、镁合金、铜合金及钢等同种材料或异种材料之间的连接。经过二十多年的发展，该技术已在航空航天、舰船装备、轨道交通、新型汽车、电力电子等领域的相关结构件制造方面得到了广泛的应用。虽然搅拌摩擦焊技术已有广泛的应用领域，但其焊前装配质量对焊后的接头性能产生直接影响。

对搅拌摩擦焊接技术而言，焊缝间隙、焊缝错边以及搅拌针轴线与焊缝中心的对中情况(后文简称“焊缝对中”)等是构成其对接接头装配质量的三大要素(图1)，而“零间隙”、“无错边”、“正对中”则是焊缝装配质量的理想状态。但是在实际焊接生产过程中，由于受到焊接设备、工装夹具、结构加工精度、薄壁件曲翘变形等多个因素的影响，待焊接头的装配质量总会存在一定的偏差，而装配偏差往往会导致焊接接头性能的下降。鉴于装配质量的重要性，工业界针对搅拌摩擦焊接接头的装配质量开展了相关研究，分析了焊缝间隙、焊缝错变量以及焊缝对中等装配要素各自对接头强度的影响，并针对单个装配要素给出了容差限值。但是，在实际焊接过程中，焊缝间隙、错边及焊缝对中等装配质量要素偏离的问题是同时出现，焊接接头质量是上述三个要素的综合作用结果。而且，如要求每一个装配要素都符合容差限值范围，虽然可以保证接头的焊接质量，但会为焊前装配工艺参数设定带来过于严苛的限制条件，造成焊前准备时间长、工序繁琐、耗费成本高等一系列问题，并且降低了搅拌摩擦焊的工艺鲁棒性。因此，如何描述各装配要素对焊缝接头性能产生的综合影响，并能对装配工艺做出指导、改进和优化，目前仍未发现有效的解决办法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对焊接接头的搅拌摩擦焊接工艺，依据焊缝接头强度需求，提出了一种综合考虑焊缝间隙、焊缝错边以及焊缝对中这三大要素的焊缝装配质量优化方法，避免了传统评价方法分别仅考虑单一装配要素对接头强度的影响，从而造成焊缝装配工艺设计时，单项工艺要素容差限值过于严格以至难以实施等问题。

根据统计学原理，本方法通过响应面法确定焊缝装配质量与接头强度之间的关联性，构造出描述两者复杂关系的响应面函数。在此基础上，依据蒙特卡洛法，根据焊缝装配质量对焊缝的失效风险进行量化评估，以焊缝面临的失效风险来量化焊缝装配质量的技术指标，从而使得在焊缝装配工艺参数的选择上具有科学性和优化的依据。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种搅拌摩擦焊接头装配质量的综合调整方法，按照下述步骤进行：

步骤1，通过响应面实验搜集分析样本，根据响应面实验设计方法建立各自变量的边界值和重复检验次数，并以此开展采用不同装配要素参数条件下的工艺试验，并收集与相关参数对应的焊缝接头强度

步骤2，利用步骤1获得的数据进行多元回归拟合，得到代表各装配要素与接头强度之间相关性的响应函数

步骤3，将各装配质量要素视为服从正态分布的随机变量，有：

x_i～N(μ_i,δ_i),(i＝1,2,3)

其中μ_i是第i个装配质量要素容限偏差的中值，μ_i+3δ_i为容限上偏差值，μ_i-3δ_i为容限下偏差值；

构建功能函数，描述如下：Z(x)＝y(x)-σ_b

其中，σ_b为预定的接头断裂强度，y(x)为依据具体的装配质量条件下所预测的接头断裂强度。如果Z(x)＜0，说明焊缝强度小于预定的断裂强度，在此装配条件下得到的焊缝强度将不满足预定要求；反之，如果Z(x)＞0，说明焊缝装配质量满足预定要求

在进行综合调整时，使用利用蒙特卡洛法对焊缝断裂风险进行预测

在使用蒙特卡洛法进行风险分析前，需要构建一定数量服从正态分布变量的随机数，通常分为两步进行。首先，在区间(0,1)内通过乘同余法产生均匀分布随机数，然后通过坐标变换法将其转换为满足正态分布的随机数。此两种方法为计算统计学中的常用算法。基于上述两种方法，设N≥1000，在各装配要素中取N个服从正态分布的随机数，代入上式中进行计算，得到集合：

{Z₁(x)，Z₂(x)，…，Z_N(x)}

并将其中Z_j(x)(j＝1，2，…，N)＞0的个数记为n。取

表示在对应的装配条件下，该焊缝有概率为P的情况下满足预计接头强度大于预定破坏强度σ_b，则焊缝合格。据此，来对搅拌摩擦焊装配质量作出综合评价。

本发明将各装配质量的要素视为自变量，通过一定数量的工艺试验建立分析样本，以响应面法构建多装配要素与焊缝接头强度之间的相关性，并通过显函数做出定量描述。

依据预定的焊缝强度要求，本方法通过焊缝获得可靠接头强度的概率来度量焊缝装配质量。设随机变量X＝(x₁，x₂，x₃)，其中x₁，x₂，x₃分别代表焊缝间隙、焊缝对中和焊缝错边量的值。并通过下列公式描述焊缝的接头强度能否满足预定的接头强度：

Z(X)＝y(X)-σ_b (1)

其中，y(X)是由为依据具体的装配质量X所预计的接头断裂强度，σ_b为预定的接头强度。如果Z(x)＜0，说明预计焊缝强度小于预定的断裂强度，在此装配条件下得到的焊缝强度将不满足预定要求，可推断焊缝装配质量不合格；反之，如果z(x)＞0，说明焊缝装配质量满足预定强度要求，装配质量合格。针对焊缝转配质量的合格性的概率度量，表示为：

P_r＝P(Z＞0)＝∫∫∫_Z＞0f(x₁，x₂，x₃)dx₁dx₂dx₃ (2)

其中，f(x₁，x₂，x₃)为描述装配质量合格性的概率密度函数。

采用响应面法构建多装配要素与焊缝接头强度之间的质量相关性，并通过显函数表达式为：

其中，y(x)是响应函数，即代表焊缝的接头强度；x₁，x₂，x₃是多个自变量，分别代表焊缝间隙、焊缝对中和焊缝错边量；ε代表随机误差；β_hi为x_h和x_i之间的交互效应系数；β_ii为x_i的二次效应系数。

对于一定误差容限的各装配质量要素视为服从正态分布的随机变量。由于公式(2)中的概率密度函数难以获得解析表达式，因此需要借助蒙特卡洛法来求解。具体方法为：首先，在各装配要素中取N个随机数，为保证求解精度，要求N≥1000。其次，将获得的所随机数代入式(1)中进行计算，得到集合：

{Z(X₁)，Z(X₂)，…，Z(X_N)} (4)

将其中Z(X_j)(j＝1，2，…，N)＞0的个数记为n。取

表示在对应的装配条件下，该焊缝有概率为P的情况下满足预计接头强度大于预定破坏强度σ_b，则焊缝强度满足预定要求，同时意味着装配质量合格。据此，综合对搅拌摩擦焊装配质量做出评价。

与现有技术相比，本发明的技术方案将描述焊缝装配质量的多个要素与焊缝接头强度同时建立相关性联系，并通过多元回归构造的具有显示表达式的响应面函数来进行描述，建立了装配质量与接头焊缝接头强度之间的直观反映；同时将各装配要素视为服从正态分布的随机变量，并将装配要素容差上下限值与正态分布的期望与标准差建立联系，通过统计学方法描述焊缝发生断裂的概率，以此来判定容差上下限设定的合理性，从而为装配质量的量化评价提供依据与方法。

附图说明

图1为面向搅拌摩擦焊接工艺的对焊焊缝装配截面示意图，其中1-焊缝间隙、2-焊缝错边、3-焊缝对中。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。如图1所示，所述的焊缝为对接焊缝，其装配质量包括焊缝间隙、焊缝错边以及焊缝对中等要素，所述的焊缝间隙指在相邻板材厚度方向重合范围内的最小距离值，所述的焊缝错边指在相邻板材厚度方向不重合范围内的最大偏差值，所述的焊缝对中指在焊接过程，搅拌针轴线在焊缝横截面上的投影与焊缝间隙中线之间的偏差值。

1.通过响应面实验搜集分析样本。根据响应面实验设计方法建立各自变量的边界值和重复检验次数，并以此开展采用不同装配要素参数条件下的工艺试验，并收集与相关参数对应的焊缝接头强度。

2.利用上一步方法中获得的数据进行多元回归拟合，得到代表各装配要素与接头强度之间相关性的响应函数。

3.将各装配质量要素视为服从正态分布的随机变量，有：

x_i～N(μ_i,δ_i),(i＝1,2,3)

其中μ_i是第i个装配质量要素容限偏差的中值，μ_i+3δ_i为容限上偏差值，μ_i-3δ_i为容限下偏差值。

4.构建功能函数，描述如下：Z(x)＝y(x)-σ_b

其中，σ_b为预定的接头断裂强度，y(x)为依据具体的装配质量条件下所预测的接头断裂强度。如果Z(x)＜0，说明焊缝强度小于预定的断裂强度，在此装配条件下得到的焊缝强度将不满足预定要求；反之，如果Z(x)＞0，说明焊缝装配质量满足预定要求。

5.利用蒙特卡洛法对焊缝断裂风险进行预测。在使用蒙特卡洛法进行风险分析前，需要构建一定数量服从正态分布变量的随机数，通常分为两步进行。首先，在区间(0,1)内通过乘同余法产生均匀分布随机数，然后通过坐标变换法将其转换为满足正态分布的随机数。此两种方法为计算统计学中的常用算法，具体定义可参见参考文献^[1]。基于上述两种方法，设N≥1000，在各装配要素中取N个服从正态分布的随机数，代入上式中进行计算，得到集合：

{Z₁(x)，Z₂(x)，…，Z_N(x)}

并将其中Z_j(x)(j＝1，2，…，N)＞0的个数记为n。取

表示在对应的装配条件下，该焊缝有概率为P的情况下满足预计接头强度大于预定破坏强度σ_b，则焊缝合格。据此，来对搅拌摩擦焊装配质量作出综合评价。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种搅拌摩擦焊接头装配质量的综合调整方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

步骤1，通过响应面实验搜集分析样本，根据响应面实验设计方法建立各自变量的边界值和重复检验次数，并以此开展采用不同装配要素参数条件下的工艺试验，并收集与相关参数对应的焊缝接头强度；

步骤2，利用步骤1获得的数据进行多元回归拟合，得到代表各装配要素与接头强度之间相关性的响应函数；

步骤3，将各装配质量要素视为服从正态分布的随机变量，有：

x_i～N(μ_i，δ_i)，(i＝1，2，3)

其中μ_i是第i个装配质量要素容限偏差的中值，μ_i+3δ_i为容限上偏差值，μ_i-3δ_i为容限下偏差值；

构建功能函数，描述如下：Z(x)＝y(x)-σ_b

其中，σ_b为预定的接头断裂强度，y(x)为依据具体的装配质量条件下所预测的接头断裂强度。如果Z(x)＜0，说明焊缝强度小于预定的断裂强度，在此装配条件下得到的焊缝强度将不满足预定要求；反之，如果Z(x)＞0，说明焊缝装配质量满足预定要求。

2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊接头装配质量的综合调整方法，其特征在于，利用蒙特卡洛法对焊缝断裂风险进行预测。

3.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊接头装配质量的综合调整方法，其特征在于，在使用蒙特卡洛法进行风险分析前，需要构建一定数量服从正态分布变量的随机数，通常分为两步进行：首先，在区间(0，1)内通过乘同余法产生均匀分布随机数，然后通过坐标变换法将其转换为满足正态分布的随机数，设N≥1000，在各装配要素中取N个服从正态分布的随机数，代入上式中进行计算，得到集合：

{Z₁(x)，Z₂(x)，…，Z_N(x)}

并将其中Z_j(x)(j＝1，2，…，N)＞0的个数记为n。取

表示在对应的装配条件下，该焊缝有概率为P的情况下满足预计接头强度大于预定破坏强度σ_b，则焊缝合格。

4.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊接头装配质量的综合调整方法，其特征在于，针对焊缝转配质量的合格性的概率度量，表示为：

P_r＝P(Z＞0)＝∫∫∫_Z＞0f(x₁，x₂，x₃)dx₁dx₂dx₃

其中，f(x₁，x₂，x₃)为描述装配质量合格性的概率密度函数；

采用响应面法构建多装配要素与焊缝接头强度之间的质量相关性，并通过显函数表达式为：

其中，y(x)是响应函数，即代表焊缝的接头强度；x₁，x₂，x₃是多个自变量，分别代表焊缝间隙、焊缝对中和焊缝错边量；ε代表随机误差；β_hi为x_h和x_i之间的交互效应系数；β_ii为x_i的二次效应系数；

对于一定误差容限的各装配质量要素视为服从正态分布的随机变量，借助蒙特卡洛法来求解上述两式：首先，在各装配要素中取N个随机数，为保证求解精度，要求N≥1000；其次，将获得的所随机数代入下式Z(X)＝y(X)-σ_b中进行计算，得到集合：

{Z(X₁)，Z(X₂)，…，Z(X_N)}

将其中Z(X_j)(j＝1，…，N)＞0的个数记为n；取

表示在对应的装配条件下，该焊缝有概率为P的情况下满足预计接头强度大于预定破坏强度σ_b，则焊缝强度满足预定要求。

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