外文翻译--为了预测焊缝几何形状而进行的数学模型的研究中文版

为了预测焊缝几何形状而进行的数学模型的研究 摘要在最近的几年中，自动化焊接或机器人焊接系统使用的比例显著增长，为了进一步开发这些系统，研究模型的相关焊接工艺参数对焊缝的几何形状的预测是必需的。为了获得焊缝的几何形状与焊接工艺参数的关系，需要改变AS 1204指令下在12mm厚的低碳钢制造的部分渗透、单通、珠板焊缝的大量焊接工艺参数，将此实验结果与输入变量输入到已经发表的公式中获得的输出结果进行比较。此试验结果还能被用于开发一个数学模型用来解释气体保护焊（GMAW）工艺参数变量和焊缝几何形状之间的关系，进而使用最小二乘法理论，以期望的焊缝尺寸为基础，计算线径、焊接电压、焊接速度、电弧电流等焊接工艺参数。（版权所有1996年加拿大矿业和冶金研究所。由Elsevier科学有限公司发布）。 命名法 D线径 H焊缝高度 I电弧电流 Q热量的传入速度 P焊缝渗透 焊缝渗透的估算 S焊接速度 T熔化温度环境温度 时间 V焊接电压 焊缝宽度 焊缝宽度估计 实验结果 理论结果 百分误差 容积热容量 散热 热输入效率简介 由大量的焊接焊缝的工艺参数的差异导致的焊缝几何形状的不同可能会影响产品质量、生产效率和成本效益。因为涉及大量的参数，所以气体保护焊焊接工艺参数和焊缝几何形状之间的关系是非常复杂的，现在人们只能尝试预测和理解气体保护焊焊接参数变量对焊缝几何形状的影响。这些尝试包括：基于热流理论的理论研究法和基于实际焊接过程的经验法。焊接研究所早期曾尝试应用统计方法评估埋弧焊变量和焊缝几何形状之间的关系，并取得了很大的成功。然而，此研究方法获得的结果是不完整的，并且在车间应用或解释埋弧焊工艺过程的特征时是没有价值的。另一种方法是一个被称为公差盒方法的优化过程，使用它对焊接工艺过程的选择进行优化，并涉及许多后续试验。这种技术能非常有效的提供一个解决焊接工艺过程优化问题的方法，优化焊接变量的方法常常用于变化过程中的公差和生产速率的优化，但它很难处理三个以上的变量。 Shinoda,Doherty和McGlone对1978年以前出版的这些理论进行了总结；McGlone和Chadwick用数学的方法分析了弧焊工艺变量和焊缝几何形状之间的关系。埋弧焊焊接的工艺变量包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、斜角和电极直径。在研究焊接变量和角焊缝几何形状之间的数学关系时，对于气体保护焊过程中使用的焊丝药芯种类与角焊几何形状之间的关系中也有类似的研究；Chandel的研究包括电极的极性、焊接接头的渗透程度、熔化速度和焊珠大小对气体保护焊接过程的影响；Yang等人，第一个扩展研究了焊缝沉积区域，并提出了电极的极性、扩展、电极直径、焊接电流、电弧电压、行驶速度、电源设置和通量碱度对焊缝沉积区的影响。 为了有效地利用自动化弧焊和机器人弧焊，开发一个容易编程并能把数据传送给机器人的数学模型是非常重要的。这个数学模型在满足所需焊件的机械性能的同时，还应提供焊缝的几何尺寸参数和形状的联系，并且具有高的置信度。该数学模型也可应用于各种不同厚度材料的焊接，并能适用于全位置焊接。在自动焊接系统中，数据的形式必须是可用于数学方程的形式。 本实验研究中含有获得焊接过程参数和焊缝的几何形状之间关系的关键步骤，将实验结果与输入变量输入到公式中而获得的输出变量的结果进行比较，去完善数学公式，以更好地预测气体保护焊过程中的输出，开发数学模型可以准确解释气体保护焊变量与焊缝几何部分的渗透、单通、珠板之间的联系，并最终定义数学模型方程，利用最小二乘法的理论进行计算，即允许以所需的焊缝尺寸为条件，计算焊接工艺参数。实验步骤 在这个试验研究中，焊接过程中的工艺参数变量是线直径、焊接电压、电弧电流、焊接速度，响应是焊缝宽度，焊缝高度和焊缝渗透率。其中可供选择有两个线直径（1.2和1.6毫米）、三个层次的焊接速度（25，33和41毫米/分钟）、三个层次的弧电流（180，260和360A）和三个层次焊接电压（20，25和30V）。焊接设备在先进制造中心和工业自动化生产中的作用是数据的收集和评估。该设施由Lincoln气体保护金属极电弧焊接单元和日立机器人操纵器组成。气体保护金属极电弧焊接单元包括：焊接电源、焊工远程控制单元、焊丝焊炬；日立机器人操纵器由机器人控制单元和机器人教导盒组成。焊丝焊炬的定位和运动控制通常由日立的六轴联动机器人控制器来实现。焊接电极丝的确定主要依据于加工过程中焊件的机械性能、基体金属的物理特性、焊接尺寸和现有的电极库存。直径为1.2和1.6毫米的钢丝碳含量为0.07 - 0.15，锰含量为1.00-1.50，硅含量为0.60-0.85，硫含量小于等于0.035，磷含量小于等于0.025，铜含量小于等于0.5。在气体保护焊接的工艺过程中，为了使两个样品达到平衡，两个样品常被放在相隔50毫米的两侧进行观察，以消除端部效应。在2007512mm的低碳钢的实验板上进行的焊接过程相当于在1204个由0.25的C、0.4的Si、0.04的P组成的单位中使用部分渗透，单通，珠板焊缝技术的焊接过程，因为在焊接工艺更一般的情况下这种技术能简单模拟重要的焊接工艺过程，在焊接条件的输入路径特定时，实验测试板均位于机器人控制器和机器人选择的夹具中。当输入焊机的氩气保护气体导通时，机器人便被初始化，开始W图1 W:焊缝宽度H:焊缝高度P:焊缝渗透进行焊接，一直持续到实验运行完成。在此之后，实验板可被当作电源钢锯和已加工的端面使用，特殊端面还需要被抛光并用2.5硝酸酒精蚀刻溶液使实验板显示出晶粒边界和渗透深度。配置文件投影机的图像放大倍率为10倍和20倍，用于精确测量焊缝的几何形状。最后在联系焊接几何参数和焊缝几何尺寸关系的基础上进行实验结果的分析。图1为焊缝的几何参数的研究。 表1 机器人和方程的模型分析误差估计水平相关复映系数决定系数焊缝宽度焊缝渗透深度0.502340.345210.7020.60350.69620.596 结果与讨论 假如在预测过程中假设焊缝完全穿透，并且板焊传热只在板的平面中进行，那么理论上可在导电传热研究的基础的上准确预测焊缝几何形状，。Robers和Wells估计焊缝宽度可以通过下式计算得到： 焊缝渗透深度常被假定等于焊缝宽度的一半，焊缝横截面为半圆形。假设材料参数值是: ：试验结果图2 计算焊缝宽度 比较测量和计算焊缝宽度在气体保护焊焊接过程中，由产品决定气体保护焊焊接过程中的热输入速率。当焊接钢时，焊接工艺参数的值是由焊接电压、电弧电流、电极延伸和不同的保护气体决定的，实验所得焊缝的宽度一般大于理论的焊缝宽度，而实验所得焊缝渗透深度却通常低于理论焊缝渗透深度。线性回归分析常用于实验结果与理论计算结果的二维（2D）数学模型的分析，所获得的结果如下： (2) (3) 表1示出标准的误差估计、多个相关性系数、上述相应模型描述的决定系数，这两个方程的复相关系数的值分别为0:702和0.6035。值得注意的是，方程（2）的复相关系数高于方程（3），焊缝的几何尺寸的测量和计算值散点图如图2和图3所示，使用线性回归方程绘制出最佳的线。从图2和图3，可以发现，方程（2）和（3）有一种高估了焊缝渗透，低估了焊缝宽度的趋势，Christensen等人发现了类似的结果。此外，Friedman和Glickstein分析表明，在固定氩弧焊中较大直径的热源往往增加焊缝宽度，减少焊缝渗透。图4 无量纲的焊缝宽度的测量尺寸：测量焊缝宽度：计算焊缝宽度 :试验结果图3 计算焊缝渗透深度 比较测量和计算焊缝宽度Christensen等人发表的理论无量纲图表显示出了各种焊缝尺寸与焊缝工艺参数，他们宣称他们的这个模型在点源方程的假设下和一定的限度内适合所有材料的焊接组合。此实验是在假设了一个三维的导热组态下进行的，将此实验结果与Christensen等人得到的实验结果相比较，并用无量纲的参数绘制实验结果的点图，图4示出了无量纲的焊缝宽度。即使散射的理论成果相当可观，实验的无量纲焊缝宽度和理论的无量纲焊缝宽度之间的合理讨论也会存在。从图 5看出，它的理论结果超过了估计的焊缝渗透。此外，从上面的比较很明显的看出，在各种型号模型的基础上准确合理预测的焊缝几何形状，需要调整焊接参数以使焊缝几何形状更好地与实验结果相符。由于传导，对流，辐射传热和大量传热都包括在气体保护焊中，因此准确的分析模型的发展趋势是非常复杂的，并且有时分析结果与两种闭环控制或自适应控制的目的相矛盾。这时，应考虑用一个回归模型来代替分析模型对焊缝几何尺寸进行准确的分析。 图5 ：测量焊缝渗透 ：计算焊缝渗透：焊缝高度：焊缝渗透：焊缝宽度 由Chandet发表的气体保护焊工艺中的经验公式也被用来预测焊缝几何特征。在生产54焊缝的过程中，常用矩阵设计和矩阵处理的方式将每个方程结果输入到上述经验公式中。将Chandel方程的精确结果与实验结果进行比较，把每个焊缝宽度，焊缝高度和焊缝渗透的结果绘制在分散点图中，理论结果描绘在X轴上，实验结果描绘在Y轴上，还有一条与标绘点拟合最佳的线。显而易见，没有一条线能在一定精度内合理地预测实验值。然而，当这些数据点的值绘制成散点图时，会出现确定的相关性。在一定的百分误差内基于理论结果预测实验结果时常采用这种方法，精确的理论结果的计算常按下式进行计算 ： （4）图9 Chandel方程的精确分析这是将这些组的结果分为：0至5，5 至10，10至20，20至30，30至40，40至50和50以上七类的依据，这个焊道尺寸（焊缝宽度，焊缝高度和焊缝渗透）的分析结果示于图 9。