（材料加工工程专业论文）基于人工神经网络的螺旋埋弧焊管焊缝形状预测研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于人工神经网络的螺旋埋弧焊管焊缝形状预测研究 材料加工工程 安琳( 签名) 徐学利( 签名) 摘要 焊接是一个涉及很多因素的复杂过程，要得到高质量的焊接结构，就要有效地控制 其焊接工艺参数。由于焊缝形状的好坏，反映了焊接工艺参数选择的正确与否，而工艺 参数的选择又直接影响着焊缝形状质量。因此，准确地预测焊缝形状特征参数，建立焊 接工艺参数与焊缝形状特征参数之间的映射关系具有十分重要的意义。 本文从分析螺旋埋弧焊管焊缝形状参数( 焊缝余高、焊缝熔深、焊缝熔宽、焊缝过 渡角、内外焊重合量等) 的影响因素出发，在工艺因素和结构因素不变的前提下，重点 研究了焊缝形状参数与主要工艺参数之间的关系。并利用人工神经网络在处理非线性问 题时的特长及其在组织自学习等方面的技术优势，建立了基于人工神经网络的，可对焊 缝形状的五个特征参数( 焊缝余高、焊缝熔深、焊缝熔宽、焊缝1 2 余高处的熔宽和焊 缝2 3 熔深处的熔宽) 进行预测的预测系统。 研究表明，创建切实可行的焊管焊缝形状预测模型，首先要建立实样数据库，包括 样本焊缝截面图像及其数学描述方程组和记录样本的工艺参数、焊缝形状特征参数等； 其次，利用计算机图像处理系统、数据库的储存和导出功能为焊缝形状特征参数预测提 供条件。 本文通过调用m a t l a b 中的神经网络工具箱来仿真训练建立起来的b p 神经网络模型， 经过精心设计和反复训练，得出了最佳的网络结构与参数。利用该模型可预测得到焊缝 形状特征参数，并能绘制出随工艺参数不同而变化的焊缝截面形状图形，使得预测具有 较大的直观性。 本文的界面设计是将b p 网络预测模型打包，并用m a t l a b 图形用户界面设计编辑器 g u i d e 开发出基于人工神经网络的螺旋埋弧焊管焊缝形状预测系统。 通过研究，证明以逆向思维的方式和现场收集的试样数据为研究基础，基于人工神 经网络的螺旋埋弧焊管焊缝形状预测是可行的。 关键词：人工神经网络；螺旋埋弧焊管；焊缝形状特征参数；预测；b p 网络；m a t l a b 论文类型：应用基础研究 i l 英文摘要 s u b j e c t ：r e s e a r c hf o rp r e d i c t i n gt h ew e l ds h a p eo fs s a wb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e ss i n ge n g i n e e r i n g n a m e ： a nl i n ( s i g n a t ur e ) i n s t r u c t o r ：x ux u e l i ( s i g n a t u r e ) a b s 。l 。地气c 。l 。 w e l d i n gi sac o m p l e xp r o c e s si n v o l v e dal o to ff a c t o r s c o n t r o l l i n gp a r a m e t e re f f e c t i v e l y c a ng e th i g l l c a l i b e rw e l d e dc o n s t r u c t i o n a st h ew e l ds h a p ei sg o o do rb a d ，r e f l e c t i n gt h e c h o i c eo fw e l d i n gp a r a m e t e r sa r ec o r r e c to rn o t ，a n di ti m p a c to nt h ew e l d i n gq u a l i t yd i r e c t l y t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt om a k ep e r f e c tf o r e c a s to ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fw e l d s h a p ea n de s t a b l i s ht h em a p p i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h ew e l d i n gp a r a m e t e r sa n dt h es h a p eo f g r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，i nt h ec o n t e x to ft h es h a p eo fs s a wp i p ew e l dp a r a m e t e r s ( w e l dh e i g h t , w e l dp e n e t r a t i o n ，w e l dw i d t h ，e t c ) i n f l u e n c ef a c t o r o nt h ep r e m i s eo ft h ew e l ds h a p e p a r a m e t e r sa n dt h ew e l d i n gp a r a m e t e r sw e r ep e r m a n e n c e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ew e l d s h a p ep a r a m e t e r sa n dm a i n l yt h ew e l d i n gp a r a m e t e r s i ss t u d i e d m a k i n gt h em o s to ft h e a d v a n t a g e so fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k si nd e a l i n gw i t ht h ei s s u eo f n o n l i n e a ra n di t se x p e r t i s e i i lm eo r g a n i z a t i o n ，s u c ha ss e l f - l e a r n i n gt e c h n o l o g ya d v a n t a g e s ，t h ef o r e c a s ts y s t e mi s e s t a b l i s h e d t h es y s t e mc a l l p r e d i c t i o nf o rm ef i v ec h a r a c t e r i s t i c so fw e l dp a r a m e t e r s ( w e l d h e i g h t ，w e l dp e n e t r a t i o n , w e l dw i d t h , w e l dw i d t ha th a l fw e l dh e i g h ta n dw e l dw i d t ha t2 1 3 p e n e t r a t i o n ) t h er e s e a r c hs h o w st h a tc r e a t i n gaf o r e c a s t i n gm o d e li n c l u d e st w ot o p i c s f i r s t , t o e s t a b l i s haf o r e c a s t i n gd a t a b a s e ，i n c l u d i n gs a m p l ei m a g e sa n dd e s c r i p t i o n s o fw e l d c r o s s s e c t i o ne q u a t i o nl i b r a r ya n dr e c o r ds u b - s a m p l e so fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，w e l dt h es h a p eo f t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u b - b a s e s e c o n d ，o f f e r i n go p t i m u mc o n d i t i o nf o rp r e d i c t i o n c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fw e l ds h a p eb yu s i n gc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m ，d a t a b a s e s t o r a g ea n de x p o r t f u n c t i o n s t h ep a p e rs i m u l a t e sa n dt r a i n st h eb u i l tb pn e u r a ln e t w o r kb yu s i n gt h en e u r a ln e t w o r k t o o lb o xo fm a t l a bs o f t w a r e t h eo p t i m a ln e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d b yd e s i g n i n gc h o i c e l ya n dt r a i n i n gr e p e a t l y w i t ht h i sm o d e l ，c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f w e l d s h a p ec a nb ep r e d i c t e da n dd r a w i n gw i t ht h ep r o c e s sp a r a m e t e r sv a r yd e p e n d i n g o nt h es h a p e o ft h ew e l di m a g ef o rt h ep u r p o s eo fv i s i b i l i t y i nt h i sp a p e r ，t h ei n t e r f a c ed e s i g ni st op a c k a g e db pn e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e la n d p r e d i c t i n gt h ew e l ds h a p eo fs s a wb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sd e v e l o p e dw i t h t 英文摘要 m a t l a bg r a p h i c su s e ri n t e r f a c ed e s i g ne d i t o r ( g u i d e ) t h r o u g ht h i sr e s e a r c hh a v ep r o v e dt om a k ep r e d i c t i o nm o d e la b o u tp r e d i c t i n gt h ew e l d s h a p eo fs s a wb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sf e a s i b l eo nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho f r e v e r s et h ew a yo f t h i n k i n ga n ds a m p l e s c o l l e c t e da tt h ep r o d u c t i o ns i t e k e y w o r d s ：a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；s s a w ；c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fw e l ds h a p e ； p r e d i c t i o n ；b pn e t w o r k ；m a t l a b i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期：2 咝! 么：型 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 龅触 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着石油工业的蓬勃发展，石油天然气输送管线将向高强度、大口径、大壁厚的方 向发展，焊接钢管的需求量会越来越大，质量要求会越来越高。在我国，石油天然气输 送用焊管工业技术装备水平近几年有了很大提高，国产大口径、高钢级焊接钢管以其过硬 的产品质量在西气东输、陕京复线等国家重点管道工程中得到广泛应用n 1 。尤其螺旋埋 弧焊焊管在石油化工、热力管网及城市给排水工程等领域有广泛的应用，在长距离输送石 油、天然气管道中更普遍采用。油气田管网几乎全部采用螺旋埋弧焊钢管，具有很高的安 全性、耐用性及经济性合理性。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于焊接水平的提高，出现在螺旋埋弧焊管焊缝中的缺陷大 大减少，而世界螺旋缝焊管制造技术也取得了很大进步，螺旋埋弧焊管的质量有了很大 提高。例如，可对其进行整体扩径或管端扩径，成型方法采用“两步法”( 在制造埋弧焊 管时，钢板成型后先用气体保护焊进行定位焊，然后再成型后的管坯在专门的焊接工位 上进行埋弧焊接，从而使成型过程与埋弧焊接过程得以分别独立进行) ，采用多丝焊等， 因而螺旋缝焊管的质量有了很大提高。此外，由于螺旋缝焊管相对直缝焊管有很多优势， 如受力合理、生产灵活( 同一宽度的钢带可生产不同直径的钢管) 以及投资费用低等优 点。因此欧洲的很多油气公司，例如，法国天然气公司( g a zd ef r a n c e ) 、西班牙天然气 公司( e n a g a s ) 、荷兰联合天然气公司( g a s u n i e ) 、德国鲁尔天然气公司( r h u rg a s ) 等， 开始改变过去在高压油气输送管道只使用直缝焊管的做法，有选择地将一些技术先进、 质量保证好的公司所生产的螺旋缝焊管用于高压油气输送管道。德国、法国、芬兰、西 班牙和土耳其等国家都有能够生产高质量的螺旋埋弧焊接钢管的公司。例如，德国的 s a l z g i t t e r 公司、欧洲钢管公司( e u r o p i p e ) 、法国j o e u f 的钢管厂、芬兰的r a u t a r u u k k i 公司和西班牙的s t s 公司等，并已向世界高压油气输送管道提供了大量的螺旋缝焊管。 据了解除了上述公司外，几乎所有的著名的大石油公司，包括美国埃克森公司( e x x o n ) 、 荷兰壳牌公司( s h e l l ) 、英国天然气公司( b r i t i s hg a s ) 、意大利s n a m 公司等都在输气 管道上使用了螺旋缝焊接钢管【2 】。我国也是将螺旋缝焊接钢管大量用于高压油气输送管 道的国家之一。所以，螺旋缝焊接钢管在高压油气输送领域的应用数量有逐渐扩大的趋 势。 虽然螺旋埋弧焊钢管焊缝的内在质量随着焊接材料的发展和焊接工艺的进步已得到 了较好的保证，完全可以满足产品标准的要求，但焊缝的外观质量与客户对钢管质量日益 严格的要求相比还有一定的差距口1 。 焊缝形状是决定焊接接头强度和有关性能的重要因素，焊缝形状的尺寸对焊缝的内 两安石油大学顺l 学位论文 部质量有很重要的影响。准确地预测焊缝形状，具有优化焊接工艺参数设计，提高焊接 接头质量，减少浪费等有重要的意义。 1 2 课题研究的目的与意义 由于螺旋埋弧焊管具有投资成本低、生产效率高、带钢宽度小、焊管直径最大可达 3 6 6 0 m m 的特点，在石油天然气输送管线工程得到广泛应用，为了确保管线建设的经济 性，使用的安全性和可靠性，就对其所用焊管提出质量要求，特别是焊缝质量，不仅要 求具有高的性能而且要求具有好的焊缝形状。而焊缝形状是由焊接工艺参数决定的。良 好的螺旋埋弧焊管焊缝成形，焊缝必须与母材过渡平缓，熔宽、熔深、余高等必须控制 在一定范围内，同时不应产生咬边、气孔、夹渣等缺陷，具有良好的冶金性能，这给企 业的焊接工艺技术及焊接生产制造提出了更高的要求。 焊接工艺设计是一门多学科交互作用的科学，并且焊接工艺是随着生产环境和生产 发展而变化的，与焊接质量有关的一些参数又难以量化，某些焊接工艺设计就不一定具 有准确的定义和严密的分析。焊缝形状和尺寸是焊接结构设计和制造过程必须考虑的重 要因素，也是决定焊接接头强度和有关性能的重要因素。焊缝的几何形状直接影响焊接 生产施工工期、结构形式、制造成本和设备投资等。对于提高焊接接头质量以及降低焊 接成本、减少不必要的浪费、控制焊接过程，防止焊接缺陷都有着非常重要的作用。 影响焊缝形状和尺寸的因素主要有：焊接电流、焊接电压、焊接速度等，在一定条 件下对焊接规范参数进行优化是非常复杂的工作，常用的方法是通过大量的焊接工艺试 验，获取焊接工艺参数与焊缝形状特征参数数据，然后根据这些数据确定焊接工艺参数， 这不仅需要浪费大量的时间、人力、物力和财力，而且其实验结果往往也局限在实验室 实验条件的范围内。通过建立焊接参数与焊缝形状特征参数之间关系的模型，对焊缝几 何形状进行预测和控制，可充分利用已有数据，减少试验次数，缩短从试验到实际生产 的周期。 但焊缝成形过程非常复杂，影响因素很多，焊缝形状变化十分多样，以焊缝的单一 成形参数作为标准，是不能客观地对焊缝成形质量参数进行评价。有关研究人员采用基 于大量实验数据的综合回归技术，建立了焊缝宽度、焊缝余高和焊缝熔深的数学关系式， 但因需要做大量试验，才能得到数据，而采用的数据都是需要利用正交试验或因子设计 方法在实验室取得的，虽然容易回归出规律性的东西，但又因为试验条件与生产实际有 较大的不同，因此得到的模型与实际生产相差甚远。 在实际生产中人们关心的是给定焊接工艺参数会得到怎样的焊缝。在新材料不断涌 现，自动化程度不断提高的今天，寻找最佳焊接规范以达到预期的焊缝形状是一件昂贵 而耗时的工作。人工神经网络作为探索预测焊缝形状的一种新方法，可在不作任何假设， 不需要任何经验知识的情况下对给定的实验数据进行学习，以一组权重的形式一种网络 2 第一章绪沧 的稳定状态，能精确地逼近输入输出之间的映射关系，从而获得反映实验数据内在规律 的模型。 人工神经网络是由大量简单的基本元件神经元相互连接，通过模拟人的大脑神 经处理信息的方式，进行信息并行处理和非线性转换的复杂网络系统【4 】。它模拟人脑的 信息处理功能，并对人脑神经网络进行高度抽象、简化和模拟，具有很强的自适应和自 学习能力，信息容量大，处理速度快，容错性好。人工神经网络对系统地描述抛开了传 统的建模方式，从大量离散的实验数据中经过提取其领域知识，并将这些知识表示为网 络连接权值的大小和分布，从而建立起相应系统的模型。目前，神经网络模型已有4 0 多种，其中应用最为广泛的神经网络模型有b p 网络、h o p f i e l d 网络、a r t 网络及c m a c 网络等。不同网络模型其输出类型、执行速度、信息容量、联想记忆特点、训练时间以 及实用性等方面存在较大差异。b p 网络是人工神经网络中理论比较成熟，应用广泛，具 有算法简单，结构明了的优点。焊接形状预测可抽象为从一组条件参量( 焊接电流、焊 接电压、焊接速度) 到一组结论( 熔深、熔宽和余高等) 的映射，完全适合用b p 神经 网络来建模。 因此，本文以螺旋埋弧焊管的焊缝形状为研究对象，从现场收集试样，得到工艺参 数后，对试样进行抛光、腐蚀和照相。把所得焊缝形状图片输入焊缝形状计算机图像处 理软件中，进行试样的焊缝形状处理、描述和评价分析，得到其质量参数。并把工艺参 数和质量参数输入到数据库，以备建立螺旋埋弧焊管焊缝形状预测模型时调用。在此基 础上，利用人工神经网络的b p 网络建立螺旋埋弧焊管焊缝形状模型，并对模型进行训 练和验证，达到预测出螺旋埋弧焊管焊缝形状特征参数，并绘制其图形的目的。 二 1 3 人工神经网络的应用 人工神经网络的应用极其广泛，19 8 7 年l a p e d e s 和f a r b e r 首先应用神经网络进行预测， 开e j t 人工神经网络预测的先河【卯。在此之后，人工神经网络广泛应用于人工智能、自 动控制、计算机科学、信息处理、机器人、模式识别等领域。 1 3 1 人工神经网络在焊接中的应用 早期人工神经网络主要应用于天气预报系统，随后人工神经网络应用快速渗透到包 括焊接在内的各个领域。如今已有如接头质量预测、焊缝熔敷金属力学性能预测、焊接 热影响区性能预测、焊接变形预测等【6 h 1 0 j 应用。 李迪等人，以g t a w 作为对象采用b p 神经网络方法对焊接过程进行建模及控制，建 立了静态过程c t a w 熔透情况下表征其质量的正面熔宽、背面熔宽与施焊参数之间的关 系。 张忠典等人，基于b p 网络，建立点焊加热过程中的动态电阻曲线和接头力学性能之 两安石油人学顾1 ：学位论文 间的关系模型。 刚铁等人，采用b p 神经网络研究了气孔、裂纹、未焊透三种缺陷回波特征的评价与 模式识别，并通过实验证明采用最佳特征子集作为样本的特征向量，获得了良好的识别 结果。 s h e n gc h a i c h i 和l ic h a n g h s u ，将基于模糊逻辑的r b f 神经网络用于等离子弧焊焊接 过程质量参数的预测，实验结果良好。 z h ul i n g y u n 等人，将r b f 神经网络用于焊接过程，得到了一种非破坏性的摩擦焊接 接头质量预测方法，实验结果较为理想。 l l l s o ok i m 和j o o n s i ks o n ，以保护气种类、焊接速度、焊接电流、电弧电压为输人， 以熔宽为输出，建立了熔化极气体保护焊过程的前向神经网络，并对比分析了b p 算法和 l m 算法，认为l m 算法有较好的学习能力，且速度较快，误差较低，适于g m a w 焊接过 程。 c h oy o n g 和r h e es e h u n ，建立了点焊过程中的动态电阻h o p f i l d 反馈网络模型，用以 预测点焊接头质量，实验结果良好。 v i n c e n td a n i e l 和m c c a r d l ej o h n ，建立了1 2 x 1 2 型k o h o n e n 网络，用于m i g 焊接过程三 种熔滴过渡模型( 喷射、球状、短路) 的识别，实验结果精度分别为1 0 0 ，9 9 1 和9 8 9 。 s t r o u dr 和s w a l l o ws ，将k o h o n e n 网络用于埋弧焊接过程的超声检测及控制。 武传松和r e h f e l d td ，通过实时测量熔化极气体保护焊( g m a w ) 焊接过程的电参 数，建立了k o h o n e n 网络，直接依据不同焊接工艺条件下焊接电压的概率密度分布曲线 ( p d d ) 以及短路过渡时间的频数分布曲线( c f d ) 自动识别焊接过程中的各种干扰信 号，用以质量监测。 r a m u h a i l ip 和u d p al ，建立了基于模糊逻辑的a r t 网络，用于焊接超声检测。 1 3 2 人工神经网络在焊缝形状预测中的应用 人工神经网络在各个领域中的大量应用，同时促使其在焊缝形状预测中的应用。为 此，国内外学者开展了相应的研究。 国内学者对焊缝形状的预测主要集中在焊缝的宽度和熔深以及堆高上【l o 】 【1 4 】。 华中科技大学熊建钢、张伟等人，建立了基于b p 网络的钛合金( t i 6 a i - 4 v ) y a g 激 光焊接工艺参数优化模型。该模型以激光功率、焊接速度和离焦量为输入，以熔深和焊 缝宽度为输出，实现了由工艺参数预测焊缝形状。 哈尔滨焊接研究所耿昌松等人，采用建立网络模型的方法，有效地实现了a 3 钢y a g 激光深溶焊的熔深预测，相对误差绝对值的平均值在8 以内。该模型以激光输出功率、 焊接速度、保护气流量和焦点位置为输入，以熔深为输出。 武汉理工大学于有生等人，通过脉冲激光焊接1 0 m n 镀镍板的实例建立了焊缝形状预 4 第章绪论 测模型。该模型以激光发射频率、脉冲宽度、激光功率和焊接速度为输入，以熔深和熔 宽为输出。经验证，预测结果与实际情况非常接近，精度很高。 林盾等人，运用b p 网络预测l c r l 8 n i 9 7 s i 不锈钢y a g 激光焊焊缝形状。网络输入为 焊接速度、激光功率、离焦量，输出为焊缝熔深、熔宽。验证结果表明模型的预测精度 较高，误差率小于1 0 。 马钢职工大学苏少航，利用b p 网络对采用脉冲激光焊接工艺焊接铝时的熔池形状进 行了预测，也取得了满意的结果。 台湾学者j e n g yw a n 等人，建立了激光对接焊焊接质量预测模型，以材料厚度、对 接间隙、激光功率、焊接速度为输入，以焊缝宽度、咬边、焊接变形量为输出。模型的 预测值非常接近实测值，均方根误差达n o 0 2 m m 。 西安交通大学张建勋、王军等人，将神经网络技术用于1 6 m n r 钢c 0 2 气体保护焊堆 焊焊缝几何形状预测的研究中。在构造b p 网络的过程中，以逼近焊缝上下表面轮廓的抛 物线方程系数为输出，较为全面地反映了焊缝截面形态。输入变量为焊接电流、电弧电 压和焊接速度。 上海交通大学包晔峰博士，进行了大电流m a g 焊的焊缝成形人工神经网络分析，用 焊缝宽度( b w ，下同) 、熔深( p ) 、焊缝堆高( b h ，下同) 、1 2 焊缝高度处焊缝宽 度( b w l 2 b h ) 、焊缝表面下l m m 处焊缝宽度( b w l m m ) 、2 3 熔深处焊缝宽度( b w 2 3 p ) 和焊缝截面积( a ) 等7 个几何特征参数描述焊缝形状。如此全面反应焊缝形貌特征的报 道在国内是不多见的。作者的研究结果表明所建b p 网络模型能较准确地预测焊缝成形特 征参数，且满足预测精度要求。通过作图法得到的焊缝横截面外形轮廓与实际焊缝吻合 较好。 台湾学者y s t a m g 等人，针对1 6 m m l1 0 0 纯铝板t i g 焊，建立b p 网络模型以反映焊 接工艺参数与焊缝形状间的关系。在此考察的焊缝形状包括焊缝正面下塌量、焊缝背面 宽度以及背面余高。网络输出与实测值之间的均方根误差小于0 0 0 1 m m 。 另外，江苏大学雷玉成等人，利用b p 丰0 0 经网络建立了铝合金穿孔型等离子弧立焊的 焊接工艺参数和焊缝形状关系预测模型。该模型以焊接速度、焊接电流、离子气的流量 和喷嘴到工件的距离为输入，以焊缝形状的各个参数如焊缝的正面熔宽、正面余高、焊 缝的背面熔宽、背面余高为输出。结果表明预测误差在8 以内。 相比之下，国外在焊缝形状预测方面的研究较为深入，预测结果也较形象些。 例如，w s c h a n g 等【1 5 】，结合有限单元法与神经网络技术预测激光搭接焊焊点形状 证明是成功的。对存在不同间隙的o 5 m m + 0 5 m m3 0 4 不锈钢板脉冲y a g 激光搭接点焊 的预测结果与实验值比较，其误差小于1 0 。 韩国学者j e o n g i c kl e e 等【l6 1 ，研究s s 4 1 碳钢g m a 对接焊，同时应用多元回归分析和 人工神经网络方法，并作了一番比较，得出结论是神经网络预测的误差率较小。 i s k i m 等f 1 7 】，研究了b v a h 3 2 钢多道对接g m a 焊，同样也对比了多元回归( 线性 两安石油大学颂f ：学位论文 及非线性) 与神经网络方法，其中的网络输出为焊缝堆高，结果如图1 1 ，从中看到l 、3 、 5 、6 号焊缝的网络输出与实际值很接近。又一次证明神经网络拟合效果很好。 图卜1 多元回归与神经网络方法预测焊缝堆高的结果比较 加拿大学者b i l l yc h a n 等 1 s l ，进行了厚度变化时g m a 堆焊a n n 建模。以焊接电流、 电弧电压、焊接速度和板厚为网络输入，以b w ，b h ，p e n e ，i 2 25 以及a 1 、a 2 为输出。 吻合得很好。 印度学者d s n a g e s h 等【1 9 】，研究了灰铸铁工件，低碳钢电极的m i g 焊，所建b p 网 络以电极送入速度、电弧功率、电弧电压、电流、弧长和焊接速度为输入，以熔深、熔 化面积为输出。给出的预测结果中只有一组误差超过了2 0 ，其他均在该值以下。 美国学者j m v i t e k 等【2 0 1 ，研究了5 7 5 4 铝合金板y a g 脉冲激光焊，以实验批次、 平均能量、焊接速度、脉冲能量、脉冲时间为b p 网络输入，以熔深、熔宽、半宽、熔 化面积为输出。他们的研究证明尽管训练数据较少，但所建网络的预测能力并未因此而 减弱，甚至能够同时预测热导焊和小孔焊的焊缝形状。 可以看出： a 人工神经网络技术的应用从一般的焊接方法到等离子焊、激光焊、埋弧焊，从常 见钢材到钛、铝等合金，足见该法用于预测的应用范围大。 b 对比人工神经网络的结果证明人工神经网络方法效果很好。 c 焊缝形状的描述具有多样性。 1 4 论文题目来源与研究内容 1 4 。l 题目来源 本文的题目来源于宝鸡石油钢管有限责任公司资助项目。 6 第一章绪论 1 4 2 研究内容 本文的主要研究内容： a 螺旋埋弧焊管焊缝形状描述的参数分析； b 影响螺旋埋弧焊管焊缝形状的因素； c 人工神经网络的特点及发展现状和趋势； d 人工神经网络在焊接中的应用： e 螺旋埋弧焊管焊缝形状人工神经网络预测模型的建立； 螺旋埋弧焊管焊缝形状人工神经网络预测训练； g 螺旋埋弧焊管焊缝形状人工神经网络预测评价。 两安石油人学硕十学位论文 第二章影响螺旋埋弧焊管焊缝形状参数的因素 由于焊缝形状直接影响着焊接接头质量以及焊接材料消耗量，焊缝形状预测一直是 一个重要的研究课题。研究简单、实用的预测方法，用以表明焊接工艺参数与焊缝形状 之间的关系，并能够较为准确地预测焊缝形状，对于优化焊接工艺参数设计，提高焊接 接头质量以及降低焊接成本，减少不必要的浪费，有着非常重要的作用。 焊接工艺参数是影响焊缝几何尺寸的主要因素，焊接工艺参数与焊缝几何尺寸的关 系是制定焊接工艺方案、控制焊接质量的重要依据。 2 1 螺旋埋弧焊管焊缝形状参数 所谓焊缝形状，一般是指焊接熔池的横截面1 2 2 。而典型的焊接熔池形状和尺寸可以 用半卵形或一个不标准的半椭球来比喻，这个形状可以描述深熔表面堆焊和对接焊缝的 状态。 焊缝形状是焊接质量、焊接工艺参数合理性及焊接参数控制稳定性的直接反映。即 焊缝质量的好坏直接可以用焊缝形状来进行描述。焊缝外观形状的主要几何参数有：焊 缝余高、焊缝宽度、焊缝过渡角、焊缝中凹、焊缝重合量等，如图2 1 所示。此外还包 括焊缝的熔合比。 2 1 1 焊缝余高 c 一焊缝余高b 一焊缝熔宽h 一焊缝熔深汐一焊缝过渡角 a 一焊缝中凹d 一内外焊重合量t 一钢板厚度 图2 - 1 焊缝形状示意图 焊缝余高( c ) 是焊缝外观形状控制的最主要参数之一。对于余高在g b t 3 3 7 5 9 4 焊接术语中的定义为：超出母材表面连线上面的那部分焊缝金属的最大高度。余高 还被称为焊缝的加强高，这是因为从承受静载荷强度角度出发，由于它可以增大接头有 8 第_ 二书影响螺旋埋弧焊管焊缝形状参数的因素 效截面积，从而可以起到加强作用，美国的现行标准仍用r e i n f o r c e m e n t ( 力l 强) 一词。大 多数焊接产品标准对焊缝余高均有明确要求。例如，在现行的a p is p e c5 l ， g b t 9 7 1 1 1 1 9 9 7 ，g b t 9 7 11 2 】9 9 9 等螺旋埋弧焊钢管标准中，对焊缝余高要求最严格 的是g b t 9 7 11 2 1 9 9 9 标准。该标准对焊缝余高的规定是：当钢管壁厚t 1 5 r n m 时，内、 外焊缝余高均小于等于3 m m ；当钢管壁厚 1 5 m m 时，内焊缝余高 3 m m ，外焊缝余高 4 m r n 。而且除修磨咬边外，焊缝余高不得低于钢管轮廓。但是，许多用户都对焊缝余 高提出了更严格的附加要求。例如在西气东输工程用螺旋缝埋弧焊钢管技术条件中 对莎1 0 1 6 m m 1 4 6 m m 和1 0 1 6 m m x1 7 5 m m 两种钢管都规定了内焊缝余高3 m m ，外 焊缝余高2 5 m m 的严格要求。 对螺旋埋弧焊钢管焊缝余高的控制，主要应防止焊缝余高超高，同时也应防止因焊 缝“马鞍形”过大、焊缝凹陷引起的焊缝高度低于钢管表面轮廓的现象。尤其需要引起 重视的是，在焊缝余高符合产品验收标准要求情况下的焊缝中间“脊棱”问题，因为这 种焊缝会在防腐时严重降低钢管焊缝处的防腐层厚度。 2 1 2 焊缝熔宽 焊缝熔宽( b ) 也称焊缝宽度，在g b t 3 3 7 5 9 4 焊接术语中被定义为焊缝表面两 焊趾间的距离。现行的螺旋埋弧焊钢管标准都未对焊缝宽度做出明确要求。 在确定焊缝宽度时主要应考虑以下几个因素：第一，保证焊缝的充分熔合，特别是 保证在焊缝有少量焊偏情况下的充分熔合，所以要求焊缝有一定的宽度；第二，保证焊 缝与母材的平缓过渡，避免出现窄而高的焊缝，所以需要焊缝宽度和焊缝高度保持一个 适当的比例。将焊缝的高度系数( 焊缝宽度和焊缝高度之比) 控制在一定的范围内。一 般焊缝的高度系数应不小于4 8 ；第三，保持一定的焊缝成形系数( 焊缝宽度和熔深之 比) 。避免出现窄而深的焊缝，防止焊缝产生裂纹、气孔和夹渣等内部缺陷；第四，在满 足以上要求的情况下，也不应一味加大焊缝宽度，因为这样一方面会增加焊丝、焊剂等 焊接材料的消耗。另一方面，也容易导致焊缝产生气孔、咬边等缺陷。因此，在确定焊 缝宽度时需要和焊缝余高、焊缝熔深等一起综合考虑，以使焊缝获得良好的外观和横截 面形状为基本原则。 2 1 3 焊缝熔深 焊缝熔深( h ) 是指焊接接头横截面上，母材或前道焊缝熔化的深度。在g b t 3 3 7 5 9 4 焊接术语中定义这个参数时考虑了焊接接头的多种形式和多道焊等多种因素，而对 于焊接接头为对接形式的螺旋缝焊管而言，熔深应理解为母材表面到熔化最深处的距离。 焊缝熔深主要影响焊缝的内在质量。熔深太浅则容易形成未焊透，未焊透作为某些 焊接结构接头的内部缺陷，会对焊接结构的质量及使用安全带来极大的危害及影响。螺 9 西安石汕人学硕：l ：学位沦文 旋缝焊管的焊接接头多为双面焊，所谓双面焊的“焊透”应该保证焊接接头有足够的重 合量。 2 1 4 焊缝过渡角 焊缝过渡角( 口) 是指焊缝外轮廓线在焊趾处的切线与管壁外轮廓线在焊趾处的切 线之间的夹角。在焊管焊缝形状中管壁外轮廓线与焊缝外轮廓线都是弧线，所以其过渡 角应该是两弧线在焊趾处的切线的夹角。焊缝过渡角是表示焊缝与母材过渡情况的参数， 过渡角越大，焊缝与母材过渡越平缓，反之亦然。对于焊缝与母材的过渡情况，现行的 螺旋埋弧焊钢管产品标准都只定性要求“钢管焊缝与母材过渡平缓 没有对焊缝的过渡 角大小提出定量要求。在对钢管的附加技术要求中，也未见有对焊缝过渡角提出明确规 定的。 过渡角的大小取决于两个因素：一是余高的大小，二是焊接过程熔池“偏流”的严 重程度。余高愈高，则焊缝的过渡角愈小。因此降低余高是增大过渡角的重要途径之一。 熔池的“偏流”是螺旋缝焊管的焊接特点造成的，螺旋缝焊管的熔池是在空间螺旋弧线 运动，在重力的作用下，熔池金属很容易向焊缝一侧流动，形成了焊缝一边高一边低， 即为“偏流”，螺旋缝焊管的直径越小“偏流”现象越严重，焊缝高的一侧过渡角小。因 此控制焊缝过渡角除应采取降低余高的工艺措施外，为了防止偏流还应该注意焊接工艺 因素，如上坡焊、下坡焊、焊点位置、焊丝倾角等的选择以及焊剂高温物理性能( 高温 黏度、表面张力等) 的调整。对过渡角的要求一般是伊1 3 5 。 2 1 5 内外焊重合量 内外焊重合量( d ) 是指内外焊缝熔深最低处之间的实际距离。而考察它的是重合 度，重合度是指焊缝重合与焊管壁厚的比值。内外焊缝的重合度主要影响焊缝的强度和 承载能力，如果焊缝的重合度小于或等于0 ，则会出现严重的焊缝缺陷层间未焊透。 2 2 影响螺旋埋弧焊管焊缝形状参数的因素 螺旋埋弧焊管焊缝形状参数直接反映着焊缝的外观质量和内在质量，而影响形状参 数的是螺旋埋弧焊管焊接规范参数和焊接工艺因素，其中焊接规范参数是影响焊缝形状 参数的主要因素。 2 2 1 焊接规范参数的影响 螺旋埋弧焊管的焊接规范参数包括：焊接电流、焊接电压和焊接速度，下面分别进 行简单的讨论。 l o 第= 章影响螺旋埋弧焊管焊缝形状参数的冈素 a 。焊接电流的影响 焊接电流对焊缝的形状尺寸有定的影响。在其他条件不变时，增加焊接电流使焊 缝熔深h 按接近正比的关系增大，并可用下式表达： h = k m i 式中k 为比例系数，随电流种类、极性、焊丝直径及焊剂的化学成分等因素的变 化而变化。 在其它条件不变的情况下，焊接电流与焊缝形状特征参数之间的关系，如图2 2 所示。 从图中可以看出，焊接电流的增加明显地提高了焊缝的焊透深度( 熔深) ，并使焊缝高 度( 余高) 有一定的增加。焊接电流对焊缝熔宽的影响不明显。 3 2 善2 4 懈 婺1 6 8 0 毒1 6 趔 鬓1 2 哦 赵8 i 咂 鼎 唑4 6 u u 7 0 08 0 09 0 01 0 0 0 焊接电流( a ) 图2 - 2 焊接电流对焊缝形状的影响 这是因为： 电流增大，工件上的电弧力和热输入均增大，热源位置下移，熔深增大。熔深与焊 接电流近于成正比关系。 电流增大，焊丝熔化量近于成比例地增多，由于熔宽近于不变，所以余高增大。 电流增大，弧柱直径增大，但是电弧潜入工件的深度增大，电弧斑点移动范围受到 限制，因而熔宽近于不变，焊缝成形系数则由于熔深增大而减少，熔合比亦有所增大。 在其他条件不变的情况下，增加电流县口增加了热输入量，从而使熔深增加，在焊缝 中心晶粒因缓冷而形成粗大的柱状晶，降低了焊缝金属的塑性并因晶粒粗大导致焊缝金 属的韧性降低，强度也随之降低，同时伴随着一些合金元素的烧损，飞溅大，使得焊缝 易出现焊接缺陷，例如烧穿、咬边。焊接电流过小，电弧不稳定，容易造成一些焊接缺 陷，例如未焊透、未熔合、夹渣等，且降低生产效率。 b 焊接电压的影响 焊接的电孤电压与电弧长度成正比。在电弧电压和电流数值相同时，若所采用的焊 剂不同，电弧的电场强度也可能不同。在其他条件不变的情况下，电弧电压对焊缝形状 的影响如图2 3 所示。可见，随电弧电压增高，焊缝熔宽显著增加，而熔深和余高略有降 低。 西安石油人学硕f ：学位论文 这是因为： 电弧电压增大后，电弧功率加大，工件热输入有所增大，同时弧长拉长，分布半径 增大，因此熔深略为减少，而熔宽增大，余高减少。 极性的不同，电弧电压对熔宽的影响程度也不同。 鲞 ， 锻 嬲 敏 曩 、_ ， 瞒 燧 蝴 骏 ， 醚 缒 翻 软 1 6 1 2 奄医v ) 图2 - 3 焊接电压对焊缝形状的影响 焊接电压对焊缝熔深、外表成形及母材稀释率的影响也很大，当其他条件不变时，增 加焊接电压而热输入量增加，这增加母材的稀释率。但当电压过高时，焊接电流值不能 保证，电弧失去稳定，溅渣量激增，同时会造成空气入侵，这时会形成夹渣等缺陷；电 压过低，焊丝存在粘连母材现象，且焊接过程变得很不稳定，易产生焊瘤。 c 焊接速度的影响 焊接速度对熔深和熔宽均有明显的影响。在焊接速度较小时，随焊接速度的增加， 弧柱倾斜和熔池金属向后流动，故熔深略有增加。但焊速达到一定数值后( 如单丝埋弧 焊速度大于6 7 c m m i n ) ，由于焊接线能量减小的影响增大，熔深和熔宽都明显减小。在 既定焊接条件下，焊接速度对焊缝形状的影响如图2 - 4 所示。 1 6 1 2 一 量8 一 醚 塍 剃4 雩生 0 4 5 3 5 墨2 5 懈 测1 5 蹬 5 1 0 8 量6 赵 i 咂 捌4 赜 2 0 20 4 0 60 8 速度( ，l m i n ) 图2 - 4 焊缝速度对焊缝形状的影响 舱 钒 掩 8 o 第一章影响蝶旋埋弧焊管焊缝形状参数的闪素 焊接速度增大时热输入量减少，使熔深、熔宽有所降低，余高也减少。焊速太快， 会造成咬边、未熔合等缺陷；焊速太慢，会造成金属液体满溢，使得熔深太大，甚至烧 穿，而且会造成余高过大。 焊接速度的高低是焊接生产率高低的重要指标之一。在实