外文翻譯--為了預(yù)測(cè)焊縫幾何形狀而進(jìn)行的數(shù)學(xué)模型的研究 中文版

為了預(yù)測(cè)焊縫幾何形狀而進(jìn)行的數(shù)學(xué)模型的研究 摘要 在最近的幾年中，自動(dòng)化焊接或機(jī)器人焊接系統(tǒng)使用的比例顯著增長(zhǎng)，為了進(jìn)一步開發(fā)這些系統(tǒng)，研究模型的相關(guān)焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫的幾何形狀的預(yù)測(cè)是必需的。為了獲得焊縫的幾何形狀與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系，需要改變 AS 1204指令下在 12mm 厚的低碳鋼制造的部分滲透 、 單通 、 珠板焊縫的大量焊接工藝參數(shù)，將此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與輸入變量輸入到已經(jīng)發(fā)表的公式中獲得的輸出結(jié)果進(jìn)行比較。此試驗(yàn)結(jié)果還能被用于開發(fā)一個(gè)數(shù)學(xué)模型用來解 釋氣體保護(hù)焊（ GMAW）工藝參數(shù)變量和焊縫幾何形狀之間的關(guān)系，進(jìn)而使用最小二乘法理論， 以 期望的焊縫尺寸 為基礎(chǔ)，計(jì)算線徑、 焊接電壓 、 焊接速度 、 電弧電流等焊接工藝參數(shù)。（版權(quán)所有 1996 年加拿大礦業(yè)和冶金研究所。由 Elsevier 科學(xué)有限公司發(fā)布）。 命名法 D 線徑 H 焊縫高度 I 電弧電流 Q 熱量的傳入速度 P 焊縫滲透 1P焊縫滲透的估算 S 焊接速度 T 熔 化溫度 環(huán)境溫度 1t時(shí)間 V 焊接電壓 W 焊縫寬度 1W焊縫寬度估計(jì) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 理論結(jié)果 百分誤差 pC容積熱容量 散熱 熱輸入效率 簡(jiǎn)介 由大量的焊接焊縫的工藝參數(shù) 的差異 導(dǎo)致的 焊縫 幾何形狀的不同可能會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本效益。因?yàn)樯婕按罅康膮?shù)，所以氣體保護(hù)焊 焊接工藝參數(shù)和焊縫幾何形狀之間的關(guān)系是非常復(fù)雜的，現(xiàn)在人們只能嘗試預(yù)測(cè)和理解氣體保護(hù)焊焊接 參數(shù) 變量對(duì)焊縫幾何形狀的影響。這些嘗試包括：基于熱流理論的理論研究法和基于實(shí)際焊接過程的經(jīng)驗(yàn)法。焊接研究所早期曾嘗試應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估埋弧焊變量和焊 縫幾何形狀之間的關(guān)系，并取得了很大的成功。然而，此研究方法獲得的結(jié)果是不完整的，并且在車間應(yīng)用或解釋埋弧焊工藝過程的特征時(shí)是沒有價(jià)值的。另一種方法是一個(gè)被稱為公差盒方法的優(yōu)化過程，使用它對(duì)焊接工藝過程的選擇進(jìn)行優(yōu)化，并涉及許多后續(xù)試驗(yàn)。這種技術(shù)能非常有效的提供一個(gè)解決焊接工藝過程優(yōu)化問題的方法，優(yōu)化焊接變量的方法常常用于變化過程中的公差和生產(chǎn)速率的優(yōu)化，但它很難處理三個(gè)以上的變量。 Shinoda,Doherty 和 McGlone 對(duì) 1978 年以前出版的這些理論進(jìn)行了總結(jié)；McGlone 和 Chadwick 用數(shù)學(xué)的方法分析了 弧焊工藝變量和焊縫幾何形狀之間 的關(guān)系。埋弧焊焊接的工藝變量包括焊接電流 、 焊接電壓 、 焊接速度 、 斜角和電極直徑。在研究焊接變量和角焊縫幾何形狀之間的數(shù)學(xué)關(guān)系時(shí)，對(duì)于氣體保護(hù)焊過程中使用 的 焊絲藥芯 種類與角焊幾何形狀之間的關(guān)系 中也有類似的研究；Chandel 的研究包括電極的極性、焊接接頭的滲透程度、熔化速度和焊珠大小對(duì)氣體保護(hù)焊接過程的影響； Yang 等人，第一個(gè)擴(kuò)展研究了焊縫沉積區(qū)域，并提出了電極的極性、擴(kuò)展、電極直徑、焊接電流、電弧電壓、行駛速度、電源設(shè)置和通量堿度對(duì)焊縫沉積區(qū)的影響。 為了有效地利用自動(dòng)化弧焊和機(jī)器人弧焊，開發(fā)一個(gè)容易編程并能把數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是非常重要的。這個(gè)數(shù)學(xué)模型在滿足所需焊件的機(jī)械性能的同時(shí)，還應(yīng)提供焊縫的幾何尺寸參數(shù)和形狀的聯(lián)系，并且具有高的置信度。該數(shù)學(xué)模型也可應(yīng)用于各種不同厚度材料的焊接，并能適用于全位置焊接。在自動(dòng)焊接系統(tǒng)中，數(shù)據(jù) 的 形式必須是可用于數(shù)學(xué)方程的形式。 本實(shí)驗(yàn)研究中含有獲得焊接過程參數(shù)和焊縫的幾何形狀之間關(guān)系的關(guān)鍵步驟，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與輸入變量輸入到公式中而獲得的輸出變量的結(jié)果進(jìn)行比較，去完善數(shù)學(xué)公式，以更好地預(yù)測(cè)氣體保護(hù) 焊過程中的輸出，開發(fā)數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確解釋氣體保護(hù)焊變量 與 焊縫幾何部分的滲透 、 單通 、 珠板之間的聯(lián)系，并最終定義數(shù)學(xué)模型方程，利用最小二乘法的理論 進(jìn)行計(jì)算 ，即允許 以 所需的焊縫尺寸 為條件， 計(jì)算焊接工藝參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)步驟 在這個(gè)試驗(yàn)研究中，焊接過程中的工藝參數(shù)變量是線直徑、焊接電壓、電弧電流、焊接速度，響應(yīng)是焊縫寬度，焊縫高度和焊縫滲透率。其中 可供選擇有 兩個(gè)線直徑（ 1.2 和 1.6 毫米） 、 三個(gè)層次的焊接速度（ 25， 33 和 41 毫米 /分鐘） 、三個(gè)層次的弧電流（ 180， 260 和 360A）和三個(gè)層次焊接電壓（ 20， 25 和 30V）。 焊接設(shè)備在先進(jìn)制造中心和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中 的作用是 數(shù)據(jù)的收集和評(píng)估 。該設(shè)施由 Lincoln 氣體保護(hù)金屬極電弧焊接單元和日立機(jī)器人操縱器組成。氣 體保護(hù)金屬極電弧焊接單元包括：焊接電源、焊工遠(yuǎn)程控制單元、焊絲焊炬 ；日立機(jī)器人操縱器由機(jī)器人控制單元和機(jī)器人教導(dǎo)盒組成。焊絲焊炬 的定位 和運(yùn)動(dòng)控制 通常由 日立的六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人控制器 來實(shí)現(xiàn) 。 焊接 電極絲的確定主要依據(jù)于加工過程 中焊件 的機(jī)械性能 、 基體金屬的物理特性、焊接尺寸和 現(xiàn)有的電 極庫存。直徑為 1.2 和 1.6 毫米的鋼絲碳含量 為 0.07 - 0.15，錳含量 為 1.00-1.50，硅含量 為 0.60-0.85，硫含量小于等于 0.035，磷含量小于等于 0.025，銅含量小于等于 0.5。在氣體保護(hù)焊接的工藝過程中，為了使兩個(gè)樣品達(dá)到平衡，兩個(gè)樣品常被放在相隔 50 毫米的兩側(cè)進(jìn)行觀察，以消除端部效應(yīng)。在 200 75 12mm 的低碳鋼的實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行的焊接過程相當(dāng)于在 1204 個(gè)由 0.25的C、 0.4的 Si、 0.04 的 P 組成的單位中使用部分滲透，單通，珠板焊縫技術(shù)的焊接過程，因?yàn)樵诤附庸に嚫话愕那闆r下這種技術(shù)能簡(jiǎn)單模擬重要的焊接工藝 過程，在焊接 條件的 輸入路徑特定時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試板均位于機(jī)器人控制器和機(jī)器人選擇的夾具中。當(dāng)輸入焊機(jī) 的 氬氣保護(hù)氣體導(dǎo)通時(shí)，機(jī)器人便被初始化，開始進(jìn)行焊接，一直持續(xù)到實(shí)驗(yàn)運(yùn)行完成。在此之后，實(shí)驗(yàn)板可被當(dāng)作電源鋼鋸和已加工的端面使用，特殊端面還需要被拋光并用 2.5硝酸酒精蝕刻溶液使實(shí)驗(yàn)板顯示出晶粒邊界和滲透深度。配置文件投影機(jī)的圖像放大倍率為 10 倍和 20倍，用于精確測(cè)量焊縫的幾何形狀。最后在聯(lián)系焊接幾何參數(shù)和焊縫幾何尺寸關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。圖 1 為 焊縫的幾何參數(shù) 的研究。 圖 1 W:焊縫寬度 H:焊縫高度 P:焊縫滲透 W 表 1 機(jī)器人和方程的模型分析 誤差估計(jì)水平 相關(guān)復(fù)映系數(shù) 決定系數(shù) 焊縫寬度 焊縫滲透深度 0.50234 0.34521 0.702 0.6035 0.6962 0.596 結(jié)果與討論 假如在預(yù)測(cè)過程中假設(shè)焊縫完全穿透 ，并且 板焊?jìng)鳠嶂辉诎宓钠矫嬷羞M(jìn)行，那么理論上 可 在導(dǎo)電傳熱研究的基礎(chǔ)的上準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊縫幾何形狀，。 Robers 和Wells 估計(jì)焊縫寬度可以通過下式計(jì)算得到： 11 1 1 425PQW S t C T S 焊縫滲透深度常被假定等于焊縫寬度的一半， 焊縫 橫截面為半圓形。 假設(shè) 材料參數(shù)值是 : 230 . 0 9 1 / , 4 . 5 / , = 0 . 4 1 /pc m s C J c m C k J c m C s在氣體保護(hù)焊 焊 接過程中，由產(chǎn)品決定氣體保護(hù)焊焊接過程中的熱輸入速率。當(dāng)焊接鋼時(shí)，焊接工藝參數(shù)的值是由焊接電壓 、 電弧電流 、 電極延伸和不同的保護(hù)氣體決定的，實(shí)驗(yàn)所得焊縫的寬度一般大于理論的焊縫寬度，而實(shí)驗(yàn)所得焊縫滲透深度卻通常低于理論焊縫滲透深度。線性回歸分析常用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果 的二維（ 2D）數(shù)學(xué)模型的分析，所獲得的結(jié)果如下： 1 8 . 6 3 3 7 4 0 . 5 4 9 4WW(2) 1 0 . 8 3 9 4 0 . 5 5 2 7PP(3) 表 1 示出標(biāo)準(zhǔn)的誤差估計(jì) 、 多個(gè)相關(guān)性系數(shù) 、 上述相應(yīng)模型描述的決定系數(shù)，這 兩個(gè) 方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)的值 分別 為 0:702 和 0.6035。值得注意的是，方程（ 2）的復(fù)相關(guān)系數(shù)高于方程（ 3），焊縫的幾何尺寸的測(cè)量和計(jì)算值散點(diǎn)圖如圖 2 和圖 3 所示，使用線性回歸方程繪制出最佳的線。從圖 2 和圖 3，可以發(fā)現(xiàn)，方程（ 2）和（ 3）有一種高估了焊縫：試驗(yàn)結(jié)果 圖 2 計(jì)算焊縫寬度 比較測(cè)量和計(jì)算焊縫寬度 滲透，低估了焊縫寬度的趨勢(shì)，Christensen 等人發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。此外， Friedman 和 Glickstein分析表明，在固定氬弧焊中較大直徑的熱源往往增加焊縫寬度，減少焊縫滲透。 Christensen 等人發(fā)表 的 理論無量綱圖表顯示 出了 各種焊縫尺寸與焊縫工藝參數(shù) ，他們宣稱他們的這個(gè)模型在點(diǎn)源方 程的假設(shè) 下 和一定的限度內(nèi)適合所有材料的焊接組合。此實(shí)驗(yàn)是在假設(shè)了一個(gè)三維的導(dǎo)熱組態(tài)下進(jìn)行的 ， 將此 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果與 Christensen 等人得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，并用無量綱的參數(shù)繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果的點(diǎn)圖， 圖 4 示出了無量綱的焊 縫寬度。即使散射的理論成果相當(dāng)可觀，實(shí)驗(yàn)的 無量綱焊縫寬度 和理論的無量綱焊縫寬度之間的合理討論 也會(huì)存在 。 從圖 5 看出，它的理論結(jié)果超過 了 估計(jì)的焊縫滲透。此外，從上面的比較很明顯的看出，在各種型號(hào)模型的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確合理預(yù)測(cè)的焊縫幾何形狀，需要調(diào)整 焊接參數(shù) 以 使焊縫幾何形狀 更好地與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。由于傳導(dǎo)，對(duì)流， 輻射傳熱和大量傳熱都包括在氣體保護(hù)焊中，因此準(zhǔn)確的分析模型的發(fā)展 趨勢(shì) 是非常復(fù)雜的，并且 有時(shí)分析 結(jié)果 與兩種閉環(huán) 控制 或自適應(yīng)控制的目的相矛盾。這時(shí)，應(yīng)考慮 用 一個(gè)回歸模型 來代替 分析模型 對(duì)焊縫幾何尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確的分析 。 :試驗(yàn) 結(jié)果 圖 3 計(jì)算焊縫滲透深度 比較測(cè)量和計(jì)算焊縫寬度 圖 4 無量綱的焊縫寬度的測(cè)量尺寸 ：測(cè)量焊縫寬度 ：計(jì)算焊縫寬度 由 Chandet 發(fā)表 的氣體保護(hù)焊工藝中的經(jīng)驗(yàn)公式也被用來預(yù)測(cè)焊縫幾何特征。 在 生產(chǎn) 54 焊縫的 過程中，常用 矩陣設(shè)計(jì)和 矩陣 處理 的方式將 每個(gè)方程 結(jié)果輸入到上述經(jīng)驗(yàn)公式中。 將 Chandel 方程的精確 結(jié)果 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較， 把每個(gè)焊縫寬度，焊縫高度和焊縫滲透的結(jié)果 繪制 在 分散點(diǎn)圖 中 ，理論結(jié)果描繪在 X 軸上 ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果描繪在 Y 軸上，還有一條與標(biāo)繪點(diǎn)擬合最佳的線。顯而易見，沒有一條線能在一定精度內(nèi) 合理 地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)值。然而，當(dāng)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的值繪制成散點(diǎn)圖時(shí)，會(huì)出現(xiàn)確定的相關(guān)性。在一定的百分誤差內(nèi) 基于 理