舒服华1 梁 芳2
（1．武汉理工大学机电工程学院；2.武汉市仪表电子学校）
摘 要 提出了一种正交试验与灰色关联分析相结合的6005A铝合金板材MIG电弧焊工艺参数多目标优化方法。以试验数据为基础，将多工艺目标参数优化问题转化为对单一目标灰色关联度的优化。解决了试验数据不足的问题，简化了优化过程，提高了决策的准确性，验证了方法的有效性。
关键词铝合金；焊接；工艺参数；灰色关联；优化
中图分类号0159；TG146. 21DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 006
6005A铝合金因其具有优异的成形性、良好的焊接性、适宜的经济性、而被广泛应用于新型高速列车、城市轨道交通车体覆盖件。6005A铝合金车体主要是焊接而成，传统MIG电弧焊仍然是重要的焊接方法之一。6005A铝合金熔焊过程的难点在于其表面存在致密的氧化膜，这层氧化膜热导率高，热膨胀系数大，氢及其他气体在其熔化状态下有很高的溶解度，容易产生气孔；另外，焊后合金接头区域凝固时易产生裂纹。因此，选择恰当的工艺参数，减少或避免焊接缺陷，提高焊接质量，对制造出性能优良的铝合金车体十分必要。灰色关联度分析是一种多因素统计分析方法，它对数据的要求较低，能在很大程度上减少由于信息不对称带来的损失。通过正交试验与灰色关联分析相结合进行6005A铝合金MIG电弧焊工艺参数多目标优化，可解决正交试验信息不完备、数据处理粗糙等问题，有效提高决策的准确性和可靠性。
1 试验方法
试验材料为6005A-T6铝合金板材；焊接方法为半自动MIG焊；焊丝材料为国产ER5356。铝合金母材和焊丝的化学成分见表1。焊接板材尺寸为100 mm×100 mm×12 mm，焊接方式为单面焊，中间开U型坡口，坡口倾角为600。焊接后的板材沿垂直于焊缝方向截取拉伸试样，在WEW-1000B型万能材料试验机上测试其力学性能，拉伸速度为1 mm／min。
影响6005A铝合金MIG焊焊接效果的工艺因素较多，主要包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、预热温度、送丝速度、保护气体流量及多道焊等。选取焊接电流、焊接电压、焊接速度、预热温度为优化对象，以焊后6005A铝合金板材的抗拉强度、焊接系数（ψ）和焊接接头表面质量(Z)为优化目标。衡量焊接接头表面质量的指标有焊缝的熔透程度，在完全熔透的基础上，焊缝还必须保证形状均匀稳定，成形连续，无裂纹和气孔等缺陷。因此，焊接接头表面质量通过对焊缝表面成形的连续性和堆高、熔宽的稳定性，焊接过程中产生的焊缝热裂纹及焊后表面气孔进行综合评价，分值为100分，得分越高表示焊接接头表面质量越好。可见，6005A铝合金MIG电弧焊工艺参数优化是一个多因素多目标优化问题。在借鉴已有铝合金焊接工艺研究成果的基础上，结合6005A铝合金车体焊接特点，设计了以焊接电流、焊接电压、焊接速度和预热温度为变量的L16 (44)正交试验方案（见表2），试验结果见表3。
2 试验结果分析
灰色关联分析的基本步骤是首先确定原始数据序列，对其进行灰色关联即量纲归一化处理，然后分别求取灰色关联系数，得到灰色关联度，最后进行优势分析。先根据灰色关联系数进行单工艺目标优化，后根据灰色关联度进行综合目标优化。也就是将多项工艺目标的优化问题转化为单项灰色关联度的优化问题，从而实现多项工艺目标的优化，获得最优工艺参数组合。
2.1 灰色关联分析数据处理
(1)确定原始数据序列 以表3中每个工艺目标下
k=1，2，…，16，结果见表4。
(3)求数据差序列 计算公式为：
(5)求灰色关联度 计算公式为
求得的灰色关联度见表5。
2.2单工艺目标灰色关联分析
分别针对抗拉强度、焊接系数、焊接接头表面质量进行单工艺目标的灰色关联分析。
由表5中各参数不同水平对应的灰色关联系数求得针对各工艺目标的平均灰色关联系数，见表6～表8。
根据灰色相关度的概念，关联系数均值最大者为最优的工艺参数组合。
针对抗拉强度，由表6可以看出，最佳工艺参数组合为A1 B2 C2 D2；对抗拉强度影响由大到小的工艺参数依次为焊接电流、焊接电压、预热温度、焊接速度。
针对焊接系数，由表7可以看出，最佳工艺参数组合为A1 B2 C2 D2；对焊接系数影响由大到小的工艺参数依次为焊接电流、焊接电压、预热温度、焊接速度。
针对焊接接头表面质量，由表8可以看出，最佳工艺参数组合为A2 B2 C3 D4。对焊接接头表面质量影响由大到小的工艺参数依次为焊接速度、预热温度、焊接电流、焊接电压。
2.3 多工艺目标灰色关联度分析
针对抗拉强度、焊接系数、焊接接头表面质量进行多工艺目标的灰色关联分析，分析结果见表9。
根据灰色相关度的性质，灰色关联度大小反映了各工艺参数不同水平对多项工艺目标的影响程度。比较各个水平，灰色关联度值最高的水平为对多工艺目标综合优化的最优水平。
焊接电流对综合工艺指标影响的灰色关联度排序为：YA1>YA2>YA3>YA4
焊接电压对综合工艺指标影响的灰色关联度排序为：YB2>YB3>YB1>YB4
焊接速度对综合工艺指标影响的灰色关联度排序为：YC3 >yC4>YC2 >YC1
预热温度对综合工艺指标影响的灰色关联度排序为：yD2 >yD4 >yD3 >yD1
因此，对于综合工艺目标，最优工艺参数组合为A1 B2 C3 D2，即焊接电流为180 A、焊接电压为18 V、焊接速度为12 mm／s、预热温度为200℃。
从表9还可以看出，焊接电流对3项工艺目标综合影响最大，其次是焊接速度、焊接电压，对3项工艺目标影响最小的是预热温度。
3 试验验证
根据上述灰色关联分析得出优化组合为A1 B2 C3 D2，对该优化组进行验证试验，并将验证结果与正交试验中灰色关联度较高组（第2组）试验结果进行对比，见表10。
可见，焊接接头表面质量提高了14. 08%，焊接系数提高了4. 8%，抗拉强度仅下降了0.83%，证明优化效果显著。
4 结 语
以正交试验数据为基础，利用灰色关联理论的分析方法对6005A铝合金板材MIG电弧焊工艺参数进行多目标优化，最优工艺组合：焊接电流为180 A，电压为18 V，焊接速度为12 mm/s，预热温度为200℃。解决了正交试验信息不全，数据处理简单等问题，试验验证了优化结果的有效性。
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