外文翻譯--為了預測焊縫幾何形狀而進行的數(shù)學模型的研究 中文版

為了預測焊縫幾何形狀而進行的數(shù)學模型的研究 摘要 在最近的幾年中，自動化焊接或機器人焊接系統(tǒng)使用的比例顯著增長，為了進一步開發(fā)這些系統(tǒng)，研究模型的相關焊接工藝參數(shù)對焊縫的幾何形狀的預測是必需的。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)，將此實驗結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果進行比較。此試驗結果還能被用于開發(fā)一個數(shù)學模型用來解 釋氣體保護焊（ GMAW）工藝參數(shù)變量和焊縫幾何形狀之間的關系，進而使用最小二乘法理論， 以 期望的焊縫尺寸 為基礎，計算線徑、 焊接電壓 、 焊接速度 、 電弧電流等焊接工藝參數(shù)。（版權所有 1996 年加拿大礦業(yè)和冶金研究所。由 Elsevier 科學有限公司發(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時間 V 焊接電壓 W 焊縫寬度 1W焊縫寬度估計 實驗結果 理論結果 百分誤差 pC容積熱容量 散熱 熱輸入效率 簡介 由大量的焊接焊縫的工藝參數(shù) 的差異 導致的 焊縫 幾何形狀的不同可能會影響產(chǎn)品質量、生產(chǎn)效率和成本效益。因為涉及大量的參數(shù)，所以氣體保護焊 焊接工藝參數(shù)和焊縫幾何形狀之間的關系是非常復雜的，現(xiàn)在人們只能嘗試預測和理解氣體保護焊焊接 參數(shù) 變量對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際焊接過程的經(jīng)驗法。焊接研究所早期曾嘗試應用統(tǒng)計方法評估埋弧焊變量和焊 縫幾何形狀之間的關系，并取得了很大的成功。然而，此研究方法獲得的結果是不完整的，并且在車間應用或解釋埋弧焊工藝過程的特征時是沒有價值的。另一種方法是一個被稱為公差盒方法的優(yōu)化過程，使用它對焊接工藝過程的選擇進行優(yōu)化，并涉及許多后續(xù)試驗。這種技術能非常有效的提供一個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，但它很難處理三個以上的變量。 Shinoda,Doherty 和 McGlone 對 1978 年以前出版的這些理論進行了總結；McGlone 和 Chadwick 用數(shù)學的方法分析了 弧焊工藝變量和焊縫幾何形狀之間 的關系。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)學關系時，對于氣體保護焊過程中使用 的 焊絲藥芯 種類與角焊幾何形狀之間的關系 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氣體保護焊接過程的影響； Yang 等人，第一個擴展研究了焊縫沉積區(qū)域，并提出了電極的極性、擴展、電極直徑、焊接電流、電弧電壓、行駛速度、電源設置和通量堿度對焊縫沉積區(qū)的影響。 為了有效地利用自動化弧焊和機器人弧焊，開發(fā)一個容易編程并能把數(shù)據(jù)傳送給機器人的數(shù)學模型是非常重要的。這個數(shù)學模型在滿足所需焊件的機械性能的同時，還應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)學模型也可應用于各種不同厚度材料的焊接，并能適用于全位置焊接。在自動焊接系統(tǒng)中，數(shù)據(jù) 的 形式必須是可用于數(shù)學方程的形式。 本實驗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系的關鍵步驟，將實驗結果與輸入變量輸入到公式中而獲得的輸出變量的結果進行比較，去完善數(shù)學公式，以更好地預測氣體保護 焊過程中的輸出，開發(fā)數(shù)學模型可以準確解釋氣體保護焊變量 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)學模型方程，利用最小二乘法的理論 進行計算 ，即允許 以 所需的焊縫尺寸 為條件， 計算焊接工藝參數(shù)。 實驗步驟 在這個試驗研究中，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，響應是焊縫寬度，焊縫高度和焊縫滲透率。其中 可供選擇有 兩個線直徑（ 1.2 和 1.6 毫米） 、 三個層次的焊接速度（ 25， 33 和 41 毫米 /分鐘） 、三個層次的弧電流（ 180， 260 和 360A）和三個層次焊接電壓（ 20， 25 和 30V）。 焊接設備在先進制造中心和工業(yè)自動化生產(chǎn)中 的作用是 數(shù)據(jù)的收集和評估 。該設施由 Lincoln 氣體保護金屬極電弧焊接單元和日立機器人操縱器組成。氣 體保護金屬極電弧焊接單元包括：焊接電源、焊工遠程控制單元、焊絲焊炬 ；日立機器人操縱器由機器人控制單元和機器人教導盒組成。焊絲焊炬 的定位 和運動控制 通常由 日立的六軸聯(lián)動機器人控制器 來實現(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。在氣體保護焊接的工藝過程中，為了使兩個樣品達到平衡，兩個樣品常被放在相隔 50 毫米的兩側進行觀察，以消除端部效應。在 200 75 12mm 的低碳鋼的實驗板上進行的焊接過程相當于在 1204 個由 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，珠板焊縫技術的焊接過程，因為在焊接工藝更一般的情況下這種技術能簡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，實驗測試板均位于機器人控制器和機器人選擇的夾具中。當輸入焊機 的 氬氣保護氣體導通時，機器人便被初始化，開始進行焊接，一直持續(xù)到實驗運行完成。在此之后，實驗板可被當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驗板顯示出晶粒邊界和滲透深度。配置文件投影機的圖像放大倍率為 10 倍和 20倍，用于精確測量焊縫的幾何形狀。最后在聯(lián)系焊接幾何參數(shù)和焊縫幾何尺寸關系的基礎上進行實驗結果的分析。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 機器人和方程的模型分析 誤差估計水平 相關復映系數(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 結果與討論 假如在預測過程中假設焊縫完全穿透 ，并且 板焊傳熱只在板的平面中進行，那么理論上 可 在導電傳熱研究的基礎的上準確預測焊縫幾何形狀，。 Robers 和Wells 估計焊縫寬度可以通過下式計算得到： 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 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在氣體保護焊 焊 接過程中，由產(chǎn)品決定氣體保護焊焊接過程中的熱輸入速率。當焊接鋼時，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氣體決定的，實驗所得焊縫的寬度一般大于理論的焊縫寬度，而實驗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驗結果與理論計算結果 的二維（ 2D）數(shù)學模型的分析，所獲得的結果如下： 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 示出標準的誤差估計 、 多個相關性系數(shù) 、 上述相應模型描述的決定系數(shù)，這 兩個 方程的復相關系數(shù)的值 分別 為 0:702 和 0.6035。值得注意的是，方程（ 2）的復相關系數(shù)高于方程（ 3），焊縫的幾何尺寸的測量和計算值散點圖如圖 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：試驗結果 圖 2 計算焊縫寬度 比較測量和計算焊縫寬度 滲透，低估了焊縫寬度的趨勢，Christensen 等人發(fā)現(xiàn)了類似的結果。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模型在點源方 程的假設 下 和一定的限度內適合所有材料的焊接組合。此實驗是在假設了一個三維的導熱組態(tài)下進行的 ， 將此 實驗 結果與 Christensen 等人得到的實驗結果相比較，并用無量綱的參數(shù)繪制實驗結果的點圖， 圖 4 示出了無量綱的焊 縫寬度。即使散射的理論成果相當可觀，實驗的 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 也會存在 。 從圖 5 看出，它的理論結果超過 了 估計的焊縫滲透。此外，從上面的比較很明顯的看出，在各種型號模型的基礎上準確合理預測的焊縫幾何形狀，需要調整 焊接參數(shù) 以 使焊縫幾何形狀 更好地與實驗結果相符。由于傳導，對流， 輻射傳熱和大量傳熱都包括在氣體保護焊中，因此準確的分析模型的發(fā)展 趨勢 是非常復雜的，并且 有時分析 結果 與兩種閉環(huán) 控制 或自適應控制的目的相矛盾。這時，應考慮 用 一個回歸模型 來代替 分析模型 對焊縫幾何尺寸進行準確的分析 。 :試驗 結果 圖 3 計算焊縫滲透深度 比較測量和計算焊縫寬度 圖 4 無量綱的焊縫寬度的測量尺寸 ：測量焊縫寬度 ：計算焊縫寬度 由 Chandet 發(fā)表 的氣體保護焊工藝中的經(jīng)驗公式也被用來預測焊縫幾何特征。 在 生產(chǎn) 54 焊縫的 過程中，常用 矩陣設計和 矩陣 處理 的方式將 每個方程 結果輸入到上述經(jīng)驗公式中。 將 Chandel 方程的精確 結果 與實驗結果進行比較， 把每個焊縫寬度，焊縫高度和焊縫滲透的結果 繪制 在 分散點圖 中 ，理論結果描繪在 X 軸上 ，實驗結果描繪在 Y 軸上，還有一條與標繪點擬合最佳的線。顯而易見，沒有一條線能在一定精度內 合理 地預測實驗值。然而，當這些數(shù)據(jù)點的值繪制成散點圖時，會出現(xiàn)確定的相關性。在一定的百分誤差內 基于 理