鄒小平，姜英龍，朱 旭，魏 超，徐 鍇，郭 梟，于可心

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0 前言

焊接工藝性作為焊縫質(zhì)量十分關(guān)鍵的影響因素，會直接影響接頭的完整性，并對焊接構(gòu)件的服役性能造成重要影響，是反映焊接質(zhì)量的一個重要考察指標。焊材焊接工藝性受焊接材料、焊接電源、焊接工藝窗口、試驗方法、焊工技能等多因素交互影響，焊道最終的成形性能會直接反應(yīng)焊接材料的工藝穩(wěn)定性[1-2]。目前，針對焊道成形的焊接工藝性研究大多數(shù)停留在經(jīng)驗階段，尚無滿足工程需求的綜合定量化評價標準，缺乏有效、可靠的定量化評價方法。GB/T 25776《焊接材料焊接工藝性能評價方法》中包含的評價指標大多數(shù)為單項，未提供多指標綜合性量化評價方法。

國內(nèi)外對于焊材工藝性的評價已開展了一定研究，在焊接材料工藝質(zhì)量評價方面，中北大學(xué)與德國漢諾威大學(xué)材料連接焊接工藝研究中心合作開發(fā)了漢諾威弧焊質(zhì)量分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了焊接材料工藝質(zhì)量的定量化評價[3]。在焊條工藝性評價方面，太原理工大學(xué)李亮玉等人應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)原理建立了焊條工藝性能綜合評判數(shù)學(xué)模型，選取了穩(wěn)弧性、脫渣性、焊縫成形、熔化系數(shù)、飛濺、粉塵五個指標對焊條工藝性進行綜合評價[4]。在焊接電弧穩(wěn)定性方面，日本大阪大學(xué)Masaya Shigeta等人研究了基于圖像處理的焊條電弧焊（Shileded Metal Arc Welding，SMAW）對電弧穩(wěn)定性和焊接飛濺產(chǎn)生的定量評價，采用二值化圖像中白色像素的計數(shù)方法對焊接飛濺的數(shù)量和大小進行評價[5]。在采用層次分析法進行工藝性評價方面，安納馬萊大學(xué)的V.Balasubramanian等人采用層次結(jié)構(gòu)模型通過稀釋率對碳鋼采用焊條電弧焊（Shileded Metal Arc Welding，SMAW）、熔化極氣體保護電弧焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）、鎢極氣體保護電弧焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）、埋弧焊（Submerged Arc Welding，SAW）、等離子弧焊（Plasma Arc Welding，PAW）方法的堆焊工藝性能進行定量和定性的研究[6]。裝甲兵工程學(xué)院孟凡軍等人采用層次分析法理論，與實際焊接經(jīng)驗相結(jié)合，建立了一種評價焊道表面成形質(zhì)量的評價體系[7]。雖然國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對焊材焊接工藝性的評價做了相關(guān)研究，但大多采用部分主要指標進行評價，考慮因素不夠全面，沒有進行全面、綜合的量化評價。

核電行業(yè)作為高科技產(chǎn)業(yè)，其設(shè)計與制造的技術(shù)含量高，質(zhì)量要求嚴，焊接工藝性尤為重要，影響核級焊材焊接工藝性的因素繁多。為實現(xiàn)核島主設(shè)備核級焊材焊接工藝性全面性、綜合性的量化評價，文中以核電用不銹鋼GTAW焊絲為研究對象，建立了焊接工藝性評價體系，避免了人為主觀因素，解決了影響因素復(fù)雜的問題，通過建立FAHP模型，著重考慮焊接過程穩(wěn)定性，提出了焊道顏色、焊道直線度的量化評價指標，實現(xiàn)了核電用不銹鋼GTAW焊絲焊接工藝性量化綜合評價，并設(shè)計試驗對模型的有效性、科學(xué)性進行了驗證。

1 FAHP模型建立

1.1 核電用不銹鋼焊絲工藝性評價體系建立

焊接工藝性的影響因素眾多且復(fù)雜，按照階段過程可將焊絲工藝性分解為焊絲本征指標、焊接過程穩(wěn)定性、最終焊道成形三個方面。其中焊絲本征指標包括翹距、松弛直徑、直徑公差等，焊接過程穩(wěn)定性包括電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡形式等，二者均會直接或間接地影響焊道最終成形。因此，文中以最終的焊道成形為研究重點。按照焊道成形影響因素的重要性程度及其考察指標，通過FAHP算法對不銹鋼焊絲焊道成形進行量化評價，建立了不銹鋼焊絲焊道成形評價體系，如圖1所示。體系中一級指標包括焊道尺寸、焊道顏色和直線度三個，其中焊道尺寸由熔寬、熔深、余高、接觸角四個二級指標評價，焊道顏色由顏色類型、面積占比評價，直線度由拐點、極差評價，熔寬、熔深、余高、接觸角二級指標由對應(yīng)的均值、方差三級指標評價。

各級指標建立優(yōu)先關(guān)系矩陣，采用加性一致性將優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣，計算各級指標的權(quán)重向量，創(chuàng)建底層指標的隸屬度函數(shù)，通過向量計算得出最終評價焊道成形的向量，為焊接工藝性提供量化數(shù)值，為決策提供依據(jù)[8-9]。

圖1 焊道成形綜合評價體系Fig.1 Comprehensive evaluation system of weld bead

1.2 權(quán)重分配與計算

對于核電用不銹鋼焊絲，焊縫成形的主要關(guān)注點為焊接接頭的幾何尺寸、焊道邊緣的整齊一致程度、焊道外觀顏色三個方面，采用模糊一致的方法，建立了0.1～0.9的優(yōu)先關(guān)系矩陣（也稱模糊互補矩陣）。對于不銹鋼焊絲焊道成形構(gòu)建的一級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣a（見表1），焊道尺寸的二級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣b1、焊道顏色的二級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣b2、直線度的二級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣b3，熔寬的三級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣c1、熔深的三級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣c2、余高的三級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣c3、接觸角的三級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣c4，根據(jù)各指標對于焊接質(zhì)量影響的大小建立優(yōu)先關(guān)系矩陣，表1中數(shù)值為行指標相對于列指標的模糊關(guān)系，且相對數(shù)值之和為1。

表1 一級指標優(yōu)先關(guān)系矩陣Table 1 First-grade index priority relationship matrix

一級指標通過加性一致性rij=rik-rjk+0.5的原則，按照式（1）改造后的模糊一致矩陣為α，依次對二級、三級指標進行模糊一致矩陣的改造。

再根據(jù)式（2）對各級指標進行權(quán)重向量的計算。

計算可得一級指標的權(quán)重向量為[0.533 0.167 0.300]，其中第一列為焊道尺寸占比，第二列為焊道顏色占比，第三列為直線度占比，各級指標權(quán)重向量計算結(jié)果如表2所示。

表2 各級指標的權(quán)重向量Table 2 Weight vector of each index

1.3 隸屬度函數(shù)的確定與評價

隸屬度函數(shù)采用相同規(guī)范下采樣指標均覆蓋在本隸屬度函數(shù)內(nèi)，各級指標建立優(yōu)、良、中、劣、差五個評價。本次試驗采用TS模糊模型，采用常用的三角形分布的隸屬度函數(shù)[11-13]，該方法可應(yīng)用于焊接質(zhì)量評價領(lǐng)域，但由于其主要針對帶極堆焊，考察因素與氣體保護焊有所不同，如圖2所示。其中橫坐標為最底層采樣數(shù)據(jù)的集合范圍，縱坐標為隸屬程度，同一個數(shù)值隸屬程度之和為1。

圖2 隸屬度函數(shù)示意Fig.2 Schematic diagram of membership function

2 量化評價指標計算

試驗采用TIG自動焊方法，在Q345B鋼板上依次進行單道堆焊，在相同工藝參數(shù)下采用四個廠家規(guī)格為Ф1.2 mm的ER309L焊絲進行單道焊接，分別標記為1#、2#、3#、4#。

焊接后對焊道顏色進行拍照，如圖3所示，圖中從上到下依次為1#～4#焊絲的焊道成形。對照片采用求積儀進行顏色面積的測量，導(dǎo)入繪圖軟件繪制焊道邊緣的理想直線，測量焊道邊緣與理想直線之間的拐點數(shù)量和最大偏差值，焊道顏色和直線度的指標采樣結(jié)果分別如表3、表4所示。觀察圖3中四個焊道的外觀形貌，根據(jù)經(jīng)驗可以確定2#焊道形貌最佳，但是1#、3#、4#焊道根據(jù)個人經(jīng)驗不同可能得出不同的結(jié)果，無法對其進行客觀準確的評價。

圖3 焊道成形Fig.3 Bead forming

表3 焊道顏色指標Table 3 Weld bead color index

表4 直線度指標Table 4 Straightness index

焊道尺寸對于焊接質(zhì)量有很大影響，從外觀上無法準確獲得熔深信息，因此對每個焊道進行解剖，每個焊道均取5個橫截面金相試件，采用體式顯微鏡分別測量每個焊道橫截面的熔寬、熔深、余高、接觸角，其中接觸角為焊道邊緣與母材之間的夾角。測量的四個焊道尺寸5組金相圖中的1組如圖4所示，對采樣后的數(shù)據(jù)進行均值和方差的計算，其結(jié)果分別如表5、表6所示。

圖4 焊道尺寸Fig.4 Weld bead size

表5 接觸角指標Table 5 Contact angle index

表6 焊道尺寸指標Table 6 Weld bead size index

根據(jù)熔寬、熔深、余高、接觸角的隸屬度函數(shù)和對應(yīng)的三級指標的權(quán)重向量[0.35 0.65]、[0.4 0.6]、[0.45 0.55]、[0.55 0.45]，計算得出的三級指標的評價向量為 C1、C2、C3、C4，其中每列分別對應(yīng)優(yōu)、良、中、劣、差，每行分別對應(yīng)熔寬、熔深、余高、接觸角。

根據(jù)焊道尺寸、焊道顏色和直線度的二級指標權(quán)重向量[0.317 0.217 0.200 0.267]、[0.55 0.45]、[0.6 0.4]和三級指標計算得出的評價向量相乘得到二級指標的評價向量為B1、B2、B3、B4，其中每列分別對應(yīng)優(yōu)、良、中、劣、差，每行分別對應(yīng)焊道尺寸、焊道顏色、直線度。

根據(jù)一級指標的權(quán)重向量和二級指標計算得出的評價向量相乘得到一級指標的最終評價向量為 A1、A2、A3、A4，向量中數(shù)值依次對應(yīng)優(yōu)、良、中、劣、差的隸屬程度。

3 結(jié)果分析

針對四個廠家的ER309L焊絲最終輸出的評價等級與評價結(jié)果如圖5所示，根據(jù)常用的最大隸屬度原則，可判定2#焊道隸屬“優(yōu)”的程度最高，1#、3#、4#焊道均隸屬“良”的程度最高，隸屬度由高到低排序為4#、3#、1#，這與實際情況不符，無法按照最大隸屬度原則實現(xiàn)1#、3#、4#的比較，這與基于經(jīng)驗對焊道成形的判斷結(jié)果一致，進一步證實了在四個焊道中2#是最優(yōu)。雖然根據(jù)最大隸屬度原則可以簡單方便的得出結(jié)論，但丟失的信息較多，有必要對根據(jù)最大隸屬度原則得出的結(jié)論進行有效性驗證，因此采用最大隸屬度有效性驗證方法對1#、3#、4#評價結(jié)果進行驗證[14]：

圖5 焊道評價等級分布Fig.5 Grade distribution of weld pass evaluation

式中β和γ分別表示最大向量和次大向量占各分量總和的比例，令

定義α=β'/γ'，α越大，最大隸屬度原則越有效，一般情況下，認為α＜0.5，不宜采用最大隸屬度原則。對于1#，α=0.37＜0.5，不宜采用最大隸屬度原則，對于3#，α=0.63＞0.5，采用最大隸屬度原則得出的結(jié)論比較有效，對于4#，α=0.48＜0.5不宜采用最大隸屬度原則。

在1#、3#、4#焊絲焊接外形質(zhì)量相差不大的情況下，僅憑經(jīng)驗無法給出準確評價。從次大隸屬度分布來看，1#、2#、3#、4#分別對應(yīng)中、良、優(yōu)、中。為實現(xiàn)四個廠家焊絲的綜合比較排序，采用優(yōu)的隸屬度和優(yōu)、良的隸屬度合并加和后評價對比結(jié)果，如圖6所示，其結(jié)果一致，從好到差的結(jié)果依次為2#、3#、1#、4#。

圖6 隸屬度評價對比Fig.6 Comparison of membership degree evaluation

通過FAHP的方法，可以在相同條件下給出其量化的評價指標，并且可以按照輸出向量優(yōu)的結(jié)果對焊道優(yōu)選提供支撐，后續(xù)可進一步優(yōu)化各參數(shù)集合的設(shè)定，使得評價更加合理。焊道評價主要以優(yōu)、良、中、劣、差五個等級進行評價，優(yōu)先采用優(yōu)的評價，在相同數(shù)值情況下采用優(yōu)和良之和進行評價。

4 結(jié)論

（1）建立了核電用不銹鋼焊絲工藝性量化評價FAHP模型，模型考慮了焊道尺寸、焊道顏色、直線度三個一級指標，并對各級指標細化分解為二、三級指標。

（2）試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果表明，模型對不同廠家焊絲的工藝性評價有較好的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)最終焊道成形的綜合量化評價。

（3）根據(jù)最大隸屬度原則判定，除2#隸屬于“優(yōu)”，1#、3#、4#均隸屬于“良”，按照量化指標優(yōu)、良綜合隸屬度排序，依次為2#、3#、1#、4#。