（材料加工工程专业论文）e5015碱性电焊条智能化系统.pdf

摘要碱性电焊条e 5 0 1 5 智能化系统 摘要 课题开展了电焊条配方与性能之问智能化研究。 以碱性电焊条e 5 0 1 5 为研究对象，采集了五十组电焊条配方组分的化学成分和与 其对应的焊条熔敷金属各项力学性能数值。在深入分析碱性电焊条配方冶金行为的基 础上，选取配方组分中的化学成分c 、s i 、m n 、s 、p 作为输入、熔敷金属的力学性能 作为输出，采用bp 算法人工神经网络，使用m a t l a b 软件，建立起了化学成分与 力学性能之间的非线性关系。 为解决智能预报准确性，搭建了以c 、s i 、m n 、s 、p 五组数据作为输入、三个 节点隐含层、一个力学性能值作为输出的神经网络模型，通过最多3 0 0 0 次的训练， 成功地建立了电焊条配方化学成分与其力学性能之间的映射关系。实现了对e 5 0 1 5 碱性电焊条抗拉强度，屈服强度，冲击强度，延伸率的预报，各项预报误差均可控制 在2 以下。 课题采用v b 语言构建了适用于焊接材料设计、管理e 5 0 1 5 碱性电焊条智能化专 家系统。系统借用a c t i v x 部件调用m a t l a b ，可以实现对配方的查阅、对力学性能的 智能化预报和其他技术资料的查询。该软件系统界面友好，使用方便。 关键字：电焊条，人工神经网络，力学性能预报 a b s t r a c t 硕i ：学位论文 a b s t r a c t c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lp r o d u c t i o no fe l e c t r o d e s ，i na c c o r d a n c ew i t hp r a c t i c a l r e q u i r e m e n t s ，t h ee x p e r ts y s t e mh a sb e e nb u i l tf o raw e l d i n gm a t e r i a ld e s i g n ，m a n a g e m e n t o fs o f t w a r e t h er e l a t i o n so ft h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h ee l e c t r o d ea n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a r ee s t a b l i s h e d ，w h i c hc a np r e d i c tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h r o u g ht h e c h e m i c a lc o m p o s i t i o ni nr a wm a t e r i a l s t h ee s t a b l i s h m e n to fn o n 1 i n e a rr e l a t i o n s h i pi sb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k e 5 0 15e l e c t r o d ei st h eo b j e c tf o rr e s e a r c h t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f r a wm a t e r i a l s ( c ，s i ， m n ，s ，p ) a si n p u t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa st h eo u t p u t ，u s i n gm a t l a b a n db pa r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ，n o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pi se s t a b l i s h e d v bi su s e dt oe s t a b l i s hp r e d i c t i o ns y s t e mo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s e n t e r i n gc h e m i c a l c o m p o s i t i o no fr a wm a t e r i a l s i n t e r f a c eb yv b ，t h r o u g ha c t i v xc o m p o n e n t su s i n g m a t l a b ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp r e d i c t i o nc a ng ob a c kt ot h ei n t e r f a c e k e y w o r d s ：e l e c t r o d e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k p r o p e r t i e sp r e d i c t i o n i l 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 顾 ：学位论文e 5 0 1 5 碱性电焊条智能化系统研究 1 绪论 1 1 前言 焊接是一种将材料永久连接，已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的 质量、可靠性和寿命，以及生产的成本、效率。我国不仅是世界机械制造业大国，也 是一个钢结构制造业大国。2 0 0 4 年，我国用钢量达3 1 亿，其中1 6 亿用于焊接结构， 占用5 1 钢量。并且焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、 市场反应速度快等优点，焊接结构的应用将日益增多。在熔焊方法中大都以焊接材 料作为填充金属，焊接材料是决定了焊缝成分和质量的关键因素。我国焊条与焊丝在 1 9 9 6 年的产量为6 2 9 6 万吨，发展至u 2 0 0 3 年已达1 9 2 9 万吨。焊接材料的产量虽有增 加，但在品种、规格特别是质量方面与国外相较仍有相当大的差距嘲。其重要原因就 是焊接材料设计的落后。同时近年来，一些新型材料的出现，对焊接方法及焊接材料 提出了更高的要求。因此必须寻求更科学，更先进的焊接材料设计方法。 1 2 焊接材料设计及其智能化发展 焊接材料，包括焊条、焊丝( 实芯焊丝和药芯焊丝) 、焊剂、焊带等，已广泛用于 船舶、桥梁、车辆、压力容器、化工设备、工程机械、海洋设施及原子能工业等各个 领域，在国民经济建设中起着十分重要的作用。 根据焊条药皮的性质不同，焊条可以分为酸性焊条和碱性焊条两大类。药皮中含 有多量酸性氧化物( t i 0 2 、s i 0 2 等) 的焊条称为酸性焊条。药皮中含有多量碱性氧化 物( c a o 、n a 。0 等) 的称为碱性焊条。碱性焊条脱硫、脱磷能力强，药皮有去氢作用。 焊接接头含氢量很低，故又称为低氢型焊条。碱性焊条的焊缝具有良好的抗裂性和力 学性能，但工艺性能较差，一般用直流电源施焊，主要用于重要结构( 如锅炉、压力 容器和合金结构钢等) 的焊接。e 5 0 1 5 碱性焊条在市场中有着重要的地位。国内此品 种焊条设计、生产落后导致产品的质量不高，需要对它进行配方重新设计。 但是我国目前在焊材的设计方法上仍然以手工设计为主，一般是凭借设计者的经 验，参考典型配方，初步拟定各物质的含量，再通过实验加以调变，逐步完善或改造 创新。在合金系统的设计和某些主要成分的用量上，辅以简单计算进行粗估，设计周 期长、开发成本高。 这就是焊条配方“经验法 设计。经验法是指制定焊条药皮的初步配方，需有必 要的焊接冶金知识和一定的经验，一般情况下，采用模拟法制定焊条药皮的组成试验 基础配方。根据所研制的焊条的技术指标要求，选定的焊芯，药皮类型等，寻找已有 1 绪论硕f ：学位论文 成功的焊条药皮配方，运用焊接冶金理论知识和实践经验进行认真分析，找出异同。 此法简便易行，但需要一定的技术储备和实践经验。最后再通过试验来进行调整。一 般情况下，焊条药皮基础配方设计，只是初步设计，离目标还是有差距的，甚至会很 大。所以焊条药皮必须通过试验来进行调整。 药皮配方调整试验中，有先调工艺性能为主后调理化性能指标，由于通常工艺性 能调整比理化性能调整容易，所以试验方法比较多，特别是用于靠药皮过渡合金成分 较少的焊条。但是经验法具有定的盲目性，甚至会出现很大偏差，并且对经验的要 求也相当的高。 当然也可以通过计算的方法设计焊条配方焊条药皮几乎每种原料都由多种化学 元素或化合物组合在一起。因此在设计焊条药皮初步配方时，只能抓住主要的化学成 分，得出单项原料的主要化学成分在配方的占有值，然后将各种原料的同类化学成分 逐一相加，其总和即为该配方的主要成分。常用的有“单因子轮换法 ，只改变一个 因子，其他因子固定不变，求其最佳含量，一直到求出比较“满意 的试验结果为止。 虽然上述方法简单，但试验设计不具科学性，不能考察各因子之间的交互作用，试验 信息片面性大。事实上，在单因子轮换法试验中，各因子的含量都在不断的发生变化， 因此所求出的某因子的“最佳 含量未必是最佳的口1 。 因此出现了多种焊接材料设计的试验优化技术方法，如回归正交设计、旋转设计、 d 一最优设计和混料回归设计等。回归正交设计是将回归技术和正交设计技术相结合而 发展起来的一种新型设计技术。正交设计是利用正交表实现的，而正交表是利用组合 数学理论构造的一种数学表格，构造该表格的核心思想是均衡分布。先根据试验的因 素和各因素的水平数，选择适当的正交表安排试验，再利用数理统计的方法处理数据， 在诸多的因素中找到对试验结果有显著影响的主要因素，确定使结果达到最佳的因素 水平n 1 。为了寻求最佳配方，建立数学模型的需要，越来越要求以较少的试验建立精 度较高的回归方程。国内外有人用正交多项式，一次回归正交设计，数学规划法建立 了焊条性能指标数学模型。但正交多项式方法存在的缺点是不能求出的回归方程各系 数之相关，不利于方程的理论分析；一次回归正交设计这种方法取一维水平数太少。 只有两水平，对建立成分和力学性能方程是可以的，选用二次回归正交设计方法，这 种方法每个因子取五水平，主要以三水平做试验，选样方程的可信度较高强1 。而且求 出的回归方程含有自变量的各系数之间不相关，这大大方便了理论分析。使用这种方 法可以减少试验次数，克服经验法在开发新焊条时的盲目性。 在配方设计中，也有采用了均匀设计的方法该方法是我国著名数学家方开泰与 中国科学院院士王元教授于1 9 7 8 年共同提出的，近年来才得到广泛介绍，它与目前流 行的正交设计方法相比有许多明显的优点田1 。正交设计方法中每个因素的水平都需重 2 硕二l ：学位论文 e 5 0 1 5 碱性电焊条智能化系统研究 复多次试验，每两个因素的水平组成一个全面试验方案，具有“整齐可比，均匀分散 的特点，但试验量相对较大均匀设计略去“整齐可比 ，只考虑试验点在试验范围 内均匀散布的一种试验设计方法，也是通过一套精心设计的表来进行试验设计的，每 个因素的每个水平只做一次试验。 但焊条药皮通常由几种或十多种成分组成，焊条配方的设计是一个多因子试验设 计问题，在高温冶金反应过程中，各因子之间存在着复杂的交互作用。在焊接材料性能 与其组分之间没有固定的函数关系可遵循，这给焊接材料的设计造成了较大的困难。 若要通过对焊接材料组分中的各因子进行全面试验寻求最优配方，则因试验次数太 多，往往是不可能实现的。例如，要考察5 因子对焊接材料性能的影响，每个因子取5 个水平，则需做5 5 = 3 1 2 5 次试验。 随着近几十年来计算机技术的飞速发展和广泛普及，计算机辅助技术已经在很多 领域发挥了巨大的作用，将计算机技术应用于焊材设计必将大大缩短开发周期、降低 开发成本，提高设计质量水平。 人工智能是一门包括计算机科学、控制学、信系论、语言论、神经生理学、心理 学、数学、哲学等多种学科相互渗透发展起来的学科。人工智能包括人工神经网络、 专家系统、模式识别和智能机器人等，目前用于焊接材料的研究的主要集中在人工神 经网络和专家系统两个方面。 基于焊条材料化学成分和熔敷金属力学性能之间存在着密切的联系以及焊接冶 金的复杂性，本课题将采用神经网络对此问题进行分析。人工神经网络能作为通用算 法用于试验数据的处理。它建立起的网络模型更能精确地逼近输入与输出之间的映 射，消除了回归法处理非线性问题时的缺点，由于神经网络不需要建立输入输出之间 的复杂关系，而是通过一组权值来实现输入与输出之间的映射，使得模型的输出结果 更接近于实际情况，精度更高。 1 3 智能化系统发展现状及在焊接领域的应用 从1 9 5 6 年著名的达特茅斯会议算起，人工智能学科诞生已经半个世纪，先后出现 有符号主义、联结主义和行为主义。符号主义方法以物理符号系统假设和有限合理性 原理为基础，联结主义方法以人工神经网络和进化计算为核心，行为主义方法则侧重 研究感知和行动之间的关系。 人工智能通常被认为计算机一个分支，事实上它的研究范畴一直很广泛，涉及到 哲学、认知科学、行为科学、脑科学、生理学、心理学、语言学、逻辑学、物理学、 数学以及信息论、控制论和系统论等众多学科领域。借用数理逻辑来形式化，用计算 3 i 绪论硕i ：学位论义 机作为载体，提供关于形式化计算和符号处理的理论，模拟人类某些智能行为和方法， 构造具有一定智能的人工系统，让计算机去完成以往需要人的智力才能胜任的工作， 从而诞生了“人工智能”这一新的学科 人工智能包括人工神经网络、专家系统、模式识别和智能机器人等，目前用 于焊接材料的研究的主要集中在人工神经网络和专家系统两个方面。 1 3 1 专家系统应用现状 专家系统( e x p e r ts y s t e m s ) 是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系 统，其善于处理强非线性关系，特别适用于需要大量专家经验与知识来解答问题的领 域。专家系统一般由知识库、数据库、推理机、解释部分以及接口5 部分组成。其工 作方式亦可筛单地归结为：运用知识，进行推理。 材料设计专家系统是指具有相当数量积累的经验、归纳的实验规律和总结的科学 原理，且能应用这些知识求出满足设计材料约束的目标工艺的计算机程序系统。它们 不仅有利于方便一般科技人员学习、掌握有关材料设计的工艺知识，而且，还能大幅 度地减少新产品的研制、开发的时间和经费，并降低产品的生产成本h ，。 2 0 0 4 年许春义等研制了铝合金焊接工艺设计专家系统。该系统可以被多个用户在 企业的局域网上同时使用。深圳大学的张培新等丌发了矿渣微晶玻璃专家系统口引， 可对这一领域新材料的设计作出指导和辅助。除了材料设计，专家系统还在材料优选、 性能预测和缺陷诊断、加工过程仿真、监视和控制方面发挥日益重要的作用。 从1 9 8 5 年专家系统才开始应用于焊接领域。目前，很多国家焊接领域不同方面研 究专家系统。根据国际焊接学会的统计资料表明，英国、美国、日本、德国、法国、 丹麦、瑞典等国家开展这方面的研究工作。在焊接领域较早研究的是英美德同等国家。 英美等国已有一些商品化的焊接专家系统。其中焊接工艺设计或工艺选择专家系统占 相当大的比重。国外已经有了很多开发成功的系统，如日本r i i c h i r im i z o g u c h i 等人 提出一个焊接技术专家系统的结构框图，7 个独立的知识模块1 个合适的数据库和处理 软件相连。英国培尔法斯特皇家学院机械工程系t a y o r 博士利用专家系统外壳，研制 了一个船舶用钢埋弧焊工艺制定专家系统；英国m a r c h w o o d i 程试验室构造了一个蒸 汽管道焊接专家系统。 我国从2 0 世纪8 0 年代末开始焊接专家系统研究，1 9 8 8 年南昌航空工业学院的方字 同等人首次介绍了他们的研制的“一个用于选择焊接方法的模型与其计算机e s 。同 时清华大学和哈尔滨工业大学先后进行了系统研究。天津大学、上海交通大学、西安 交通大学等科研院所，独自或与企业全作，相继进行了e s 的开发。国内开发的专家系 统按照内容可分为工艺选择、工艺设计、缺陷诊断、裂纹预测、焊接c a d 等类型。 4 硕t 学位论文 e 5 0 1 5 碱性电焊条智能化系统研究 表1 1 为我国开发的焊接工艺设计与选择专家系统研究成果。 表1 1我国开发的焊接1 ：艺设计与选择专家系统 辅助系统名称类型 开发者或资料来源 焊接方法选择专家系统工艺选择 南昌航卒i 、i i ，学院 铝合金焊接f ：艺制定专家系统哈尔滨t 业大学 弧焊 ：艺选择：i ：艺专家系统哈尔滨工业人学 焊接l ：艺规程设计专家系统哈下大、哈锅炉厂 碳钢及合金结构钢s m a w 专家系统天津人学 c 0 2 气体保护焊i ：艺参数专家系统j r 艺选择天津焊接研究所 铸铁焊修专家系统河北农业大学 弧焊i ：艺制定及咨洵专家系统 清华大学燕山年i 化 焊接材料选择专家系统工艺选择清华大学 弧焊ji ：艺专家系统d r i a w p c s i 0 人连铁道学院 焊接i ：艺专家系统h j g y - y 5湘潭大学 锅炉及压力容器焊接生产一i ：艺规程制定e s：j _ ：艺选择甘肃i ：业人学 压力容器焊接上艺设计专家系统 ：艺选择西安交通人学 但焊接专家系统的发展仍不成熟，大多数专家系统推理过程简单，所有焊接专家 系统仅覆盖人工智能的两个领域即知识表达和智能推理，焊接材料研究方面，大多还 停留在数据库，并没有出现推理性的专家系统n 们。 1 3 2 人工神经网络应用现状 人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k s ) 也简称为神经网络或称作连接模型， 它是一种模范动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这 种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到 处理信息的目的。人工神经网络具有自学习和自适应的能力，可以通过预先提供的一 批相互对应的输入一输出数据，分析掌握两者之间潜在的规律，最终根据这些规律， 用新的输入数据来推算输出结果，这种学习分析的过程被称为“训练 。 ( 1 ) 非线性非线性关系是自然界的普遍特性。大脑的智慧就是一种非线性现象。 人工神经元处于激活或抑制二种不同的状态，这种行为在数学上表现为一种非线性关 系。具有阈值的神经元构成的网络具有更好的性能，可以提高容错性和存储容量。 ( 2 ) 非局限性一个神经网络通常由多个神经元广泛连接而成。一个系统的整体行 为不仅取决于单个神经元的特征，而且可能主要由单元之间的相互作用、相互连接所 决定。通过单元之间的大量连接模拟大脑的非局限性。联想记忆是非局限性的典型例 子 ( 3 ) 非常定性人工神经网络具有自适应、自组织、自学习能力。神经网络不但处 5 1 绪论硕t ：学位论文 理的信息可以有各种变化，而且在处理信息的同时，非线性动力系统本身也在不断变 化。经常采用迭代过程描写动力系统的演化过程。 ( 4 ) 非凸性一个系统的演化方向，在一定条件下将取决于某个特定的状态函数。 例如能量函数，它的极值相应于系统比较稳定的状态。非凸性是指这种函数有多个极 值，故系统具有多个较稳定的平衡态，这将导致系统演化的多样性。 神经网络的结构图如图1 1 。 图1 1 神经网络结构图 1 9 4 3 年，心理学家w s m c c u l l o c h 和数理逻辑学家w p i t t s 建立了神经网络和数学 模型，称为m p 模型。1 9 4 9 年，心理学家提出了突触联系强度可变的设想。6 0 年代，人 工神经网络的到了进一步发展，更完善的神经网络模型被提出，其中包括感知器和自 适应线性元件等。1 9 8 2 年，美国加州工学院物理学家j j h o p f i e l d 提出了h o p f i e l d 神经网格模型。 人工神经网络模型主要考虑网络连接的拓扑结构、神经元的特征、学习规则等。 根据连接的拓扑结构，神经网络模型可以分为： ( 1 ) 前向网络网络中各个神经元接受前一级的输入，并输出到下一级，网络中 没有反馈，可以用一个有向无环路图表示。这种网络实现信号从输入空间到输出空间 的变换，它的信息处理能力来自于简单非线性函数的多次复合。网络结构简单，易于 实现。反传网络是一种典型的前向网络。 ( 2 ) 反馈网络网络内神经元间有反馈，可以用一个无向的完备图表示。这种神 经网络的信息处理是状态的变换，可以用动力学系统理论处理。系统的稳定性与联想 6 硕卜学位论文e 5 0 1 5 碱性电焊条智能化系统研究 记忆功能有密切关系。 神经网络因其具有独特的自适应学习、强容错、大规模并行处理及联想记忆等特 点，已在模式识别、优化控制、故障检测、性能预测、信号处理等领域得到广泛应。 在国内国外已经取得很多的成果。 表1 2 及表1 3 分别为我国与国外神经网络近年来的成果。 表i 2 国内神经网络近年米研究成果 论文名称作者日期 焊接上艺参数中的b p 神经网络与 遗传算法结合 叶建雄张晨曙 2 0 0 8 基于神经网络焊接数值模拟研究俞鸿斌倪昀 2 0 0 8 及上艺参数优化 遗传算法与神经网络结合优化焊 接接头力学性能预测模型 董志波魏艳红2 0 0 7 r b f 神经网络在后桥壳体焊接中舒伟军倪昀 2 0 0 7 的应用研究 基于人工神经网络的焊接熔池形苏少航 状预测 2 0 0 7 基于自适应模糊神经网络焊接接 头力学性能预测 张艳飞董俊慧 2 0 0 7 t i g 焊快速制造神经网络焊接参 罗勇 2 0 0 7 数控制器 基于b p 神经网络的5 a 0 6 铝合金电 子束焊接熔深预测 汪兴均黄文荣 2 0 0 7 基于粗糙一模糊神经网络的焊接 高顶张长明 2 0 0 6 图像缺陷识别 表1 3 国外神经网络近年来研究成果 论文名称作者日期 a s t u d y o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s sv a r i a b l e sa n d k i m l s ，s o n j 2 0 0 3 b e a dp e n e t r a t i o nf o rr o b o t i cc 0 2a r cw e l d i n g s ，k i m i g t r a e e yc o o l ， t h ey i e l da n du l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho fs t e e lw e l d s b h a d e s h i a h k d h ， 1 9 9 7 m a c k a y dj c e s t i m a t i o no f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f e r r i t i cs t e e l l a l a m s h ， b h a d c s h i ahk dh ， 2 0 0 0 w e l d s m a c k a y dj c m o d e l i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg t a ww e l d so f w e iy a n h o n g ， c o m m e r c i a lt i t a n i u ma l l o y s 谢t l la r t i f i c i a ln e u r a l b a d e s h i a hk d h ， 2 0 0 5 n e t w o r k s o t a m a it t m e c h a n i c a lp r o p e r t yp r e d i c t i o no f c o m m e r c i a l l yp u r e w e iy a n h o n g , b a d e s h i a h k d h ， 2 0 0 5 t i t a n i u mw e l d sw i t ha r t i f i c i a ln e u n ln e t w o r k s o t a m a i 7 i 绪论硕卜学位论文 1 4 本课题的主要来源 1 4 1 选题背景 基于焊条材料化学成分和熔敷金属力学性能之间存在着密切的联系以及焊接冶 金的复杂性，本课题将采用智能推理对此问题进行分析。 结合生产实际需要，创建专家系统，形成完整的焊接材料的性能预测、工艺知识 及生产管理。在此理论基础上，本课题将智能化系统应用于电焊条的性能预报，以 e 5 0 1 5 焊条为研究对象进行试验研究，是将人工智能应用于多因子交互作用下的非线 性工程实践的尝试。 本课题所研究的内容是焊接技术发展的热点研究方向，具有较新颖的学术价值和 实际应用价值。系统开发完成后，能达到国内同期先进水平。 前几届利用m a t l a b 采用了神经网络对e 4 3 0 3 焊条的化学成分与其力学性能关系 为研究对象进行试验研究，是将人工智能应用于多因子交互作用下的非线性工程实践 的尝试，已经取得很大的成果，利用验证数据测试网络的泛化能力，得到较好的力学 性能预报结果，分析了预报误差的产生原因，对焊条性能参数做出了比较准确的预报， 但仍存在着一些问题。 1 4 2 课题研究的主要内容 结合焊条实际生产情况，根据实际要求，构建适用于焊接材料设计、管理软件的 碱性电焊条智能化专家系统总体框架。具体研究内容如下： ( 1 ) e 5 0 1 5 碱性焊条的特性，并采集原材料中c 、s i 、m n 、s 、p 化学成分及性能 参数的试验数据； ( 2 ) 确定建立人工神经网络的软件并熟悉使用； ( 3 ) 选择合适的智能化系统模型，确定相关参数，建立智能化系统； ( 4 ) 使用编程软件，建立好管理界面。 在整个课题设计中会遇到的几个主要的问题： ( 1 ) 智能化系统的选择因为前几届采用的是神经网络系络来建立化学成分与性 能之间的非线性关系，已经取得了一些成就，但问题依然存在。需要进一步采用智 能化系统来完善已取得的成就。 ( 2 ) 试验数据的采集参与南京林肯电器有限公司工作，与南京林肯电器有限公司 进行了合作，采得c 、s i 、m n 、p 、s 的一些焊接材料化学成分，以及焊条的性能参 数数据。 r 硕i j 学位论义 e 5 0 1 5 碱性电焊条智能化系统研究 ( 3 ) 神经网络的建立在已取得的数据中，使用m a t l a b 建立起它们方间的非线性 关系。需要确立神经网络的参数，以及不断的调试。 9 2 e 5 0 1 5 碱性电焊条冶金反j 避及配方分析硕 ：学位论文 2e 5 015 碱性焊条冶金反应及配方分析 目前，熔焊中大部分是以焊接材料作为填充金属，并依靠焊接材料来完成熔焊过 程中各个阶段的冶金作用。焊条不仅影响焊接电弧的稳定性，而且直接影响到焊缝金 属的化学成分和力学性能。普通通用焊条由药皮和焊芯两部分组成。药皮在焊接过程 中起着复杂的冶金反应和物理、化学变化，基本上克服了光焊条在焊接时出现的间题， 所以说药皮也是决定焊缝金属质量的主要因素之一。 药皮在焊接过程中有机械保护作用。 ( 1 ) 焊条药皮熔化后产生大量的气体笼罩着电弧区和熔池，基本上把熔化金属与 空气隔绝开来。这些气体能在电弧区、熔池周围形成一个很好的保护层，防止空气中 的氧、氮侵入，起到了保护熔化金属的作用。 ( 2 ) 渣保护焊接过程中药皮被电弧高温熔化后形成熔渣覆盖着熔滴和熔池金属， 这样不仅隔绝空气中的氧、氮，保护焊缝金属，而且还能减缓焊缝的冷却速度，促进 焊缝金属中气体的排出，减少生成气孔的可能性，并能改善焊缝的成形和结晶，起到 渣保护作用。 药皮在焊接过程中能改善焊接工艺性能使电弧稳定燃烧、飞溅少、焊缝成形好、 易脱渣和熔敷效率高等。在焊接过程中，要保证电弧能正常、稳定地燃烧，除阴极发 射电子外，还必须使电弧空间的气体易电离，气体越易电离，气体导电性越好，电弧 燃烧越稳定。为此，在药皮中加入低电离电位的物质，来提高电弧燃烧的稳定性。 药皮在焊接过程中还冶金作用，通过熔渣与熔化金属冶金反应，除去有害杂质( 如 氧、氢、硫、磷) 和添加有益的合金元素，使焊缝获得合乎要求的力学性能。 e 5 0 1 5 是我国使用最多的低氢焊条，具有较好的工艺性能，主要用于低碳钢等重 要结构的焊接。随着焊接结构日趋向高参数、高容量、高性能、大型化方向的发展， e 5 0 1 5 焊条的应用范围将进一步扩大。e 5 0 1 5 焊条国内一般采用h 0 8 a 焊芯，通过药皮过 渡台金元素对熔敷金属进行台金化。对其中的化学成分进行控制能保证其性能，如抗 拉强度，延伸率等。 e 5 0 1 5 碱性焊条，e 代表焊条，5 0 表示抗拉强度，1 表示全位置焊接，5 表示低 氢钠焊条。焊接前要经过3 5 0 ，2 小时烘干，采用短弧，窄道焊接，随时用随时烘 干，被焊接工件要清理油、水、锈。 2 1 合金元素的冶金反应 e 5 0 1 5 焊条熔敷金属的合金元素有c 、s i 、m n 、s 、p 。碳在焊缝的优点是能提高强 1 0 硕：卜学位论文碱件电焊条e 5 0 1 5 智能化系统 度，但碳增多会造成焊缝中容易形成气孔和裂皱，所以必须严加控制。m n 能提高焊 缝金属强度的，同时还能脱硫，提高焊缝抗热裂能力，焊缝中的含锰量应大于0 8 。 但锰量过高，如超过1 5 ，则在强度增高的同时，焊缝韧塑性开始下降，所以锰含 量应控制在l - 3 1 5 以下。硅一方面能提高强度，同时又能降低焊缝金属中 的氧，提高抗气孔能力，但过量的硅，如超过0 6 5 ，对焊缝的韧塑性不利。e 5 0 1 5 焊条在正常配制和工艺条件下，碳主要来自焊芯及药皮中的中碳锰铁，碳在冶金过 程中起脱氧作用而被烧损，焊缝渗碳量与焊芯含碳量相比是较少的；硅主要来自涂料 中加入的低硅铁来自焊芯外。 ( 1 ) m n 的脱氧 在药皮加热阶段锰有先期脱氧作用。锰会与碳酸盐或高价氧化物分解出的二氧化 碳及氧发生反应，在熔滴和熔池内锰进行着沉淀脱氧： m n + f e o = ( m n o ) + f e 锰脱氧反应的产物m n o 转移到熔渣中，因此熔渣中的m n o 含量增加。m n o 又与熔 渣中的酸性氧化物s i o 。、t i 0 2 等相结合而成为复杂化合物，进入熔渣中。 ( 2 ) c 的脱氧 c + f e o = f e + c o c + c o 。= 2 c 0 c + 0 2 = c 0 2 反应结果是金属脱氧，而碳自身被氧化，高温时c 的脱氧能力要远远超过m n 。 在熔池凝固过程中生成的c o 极易形成气孔。由于焊条药皮中含有足够的脱氧剂锰铁， 此类焊条具有较强的抗气孔能力。 ( 3 ) 还原反应 2 m n + ( s i o b ) = s i + 2 ( m n o ) 上述反应生成的s i 转移到焊缝金属中，保证了焊缝金属中所必须的硅，使得焊 缝金属获得较好的力学性能。 ( 4 ) 脱硫反应 使用钛钙型焊条焊接低碳钢时，硫通常以m n s 和f e s 的形式存在于焊缝金属中。 钛钙型焊条的脱硫，通常是使用与硫亲和力大与铁的合金元素，通常选用m n 来脱硫。 其反应式为： f e s + m n = f e + m n s 2 e 5 0 1 5 碱性电焊条冶会反应及配方分析硕i ：学位论文 采用m n 脱氧时的产物m n o 也可以进行脱硫： f e s + m n 0 = f e o + m n s 反应生成的m n s 浮入熔渣中。 在熔焊过程在中，c 和m n 含量决定着脱氧、脱硫过渡锰合金的程度，直接影响熔 敷金属的力学性能。适当的c 和m n 含量使得焊缝金属强化，具有良好的力学性能。 考察焊条内在性能的主要检测指标有熔敷金属抗拉强度，熔敷金属屈服强度，熔 敷金属的延伸率及熔敷金属冲击韧性。与内在性能指标直接关联的是焊条的化学成 分。焊条的化学成分包含焊芯和药皮配方的成分。具体体现在c 、s i 、m n 、s 、p 五大 元素上。其中的s i 、s 、p 是作为控制元素被严格限制的。而c 、m n 贝l j 体现一定的成分 调整范围。 2 2 焊条配方分析 e 5 0 1 5 碱性电焊条配方由还原钛铁矿，人造金红石、白泥、云母等。 下面给出电焊条原材料( 矿物类) 标准 表2 1 还原钛铁矿化学成分 级别 t i 倪f e ocsp i5 4 o7 00 0 3 0 0 0 3 0 o 2 0 i i5 2 o 9 00 0 3 5o 0 4 0 表2 2 石英化学成分 级别 s i 0 2f e 2 0 3sp i9 7 o 0 5 00 0 4 0o 0 4 0 i i9 5 0 表2 3 硅铁化学成分 a 1 i nc rps 牌号 s i f e s i 7 5 a 1 0 5 - a7 4 0 - 8 0 0o 5 00 4 00 3 00 0 3 5 o 0 2 1 2 硕：l ：学位论文碱性t 乜焊条音5 0 1 5 智能化系统 f e s i 7 5 a o 5 一b7 2 o 一8 0 00 5 00 0 0 4 0 f e s i 4 54 0 0 - 4 7 0o 7 00 5 0 硅4 5 雾化 4 0 0 - 4 7 00 5 00 0 5 0 表2 4 碳钢盘条化学成分 牌号cm ns ic rn ic usp h 0 8 a 0 0 3 00 0 3 0 0 3 0 - 0 o 2 0o 3 0o 2 0 h 0 8 e0 0 30 0 2 0 0 0 2 0 6 0 h 0 8 c o 1 0 0 1 0o 1 00 1 00 0 1 50 0 1 5 0 ，8 1 h 0 8 m n ao 0 7 1 0 0 2 0o 3 00 2 00 0 3 00 0 3 0 h 0 8 m n 2 0 1 l1 8 0 - 20 6 5 - 0 9 s i1 05 表2 5锰铁化学成分 s ip cs 类别牌号 m n ii iii i 不大于 低碳 f e m n 8 4 c o 48 0 - 8 7 0 4 00 1 50 0 2 1 0 02 0 0o 3 0 锰铁 f e m n 8 4 c o 78 0 - 8 5o 7 00 2 0o 0 3 中碳 f e 1 1 1 8 2 c 1 oo 1 0 7 8 8 51 5 02 5 00 2 0o 3 5 锰铁 f e m n 8 2 c 1 5 1 5 0 o 0 3 高碳 f e m n 6 8 c 7 06 5 - 7 2 7 0 02 5 0 4 5 0o 2 5 0 4 0 锰铁 表2 6 长石化学成分 l级别 s i 0 2a 1 2 0 3k 2 0 + n a 2 0k 2 0sp i 1 3 2 e 5 0 1 5 碱性电焊条冶金反心及配方分析硕i ：学位论文 i 6 3 7 37 0 1 5 0 - 2 4 01 2 o0 0 4 00 0 4 0 i i6 0 6 58 0 2 3 总体设计思路 总体设计图如图2 1 图2 1 总体设计图 从图2 1 中可知总体设计图总共包括了数据存储模块、性能预报模块及技术资料 管理模块。 1 、性能预报模块 性能预报模块即神经网络模块。根据原材料的c 、s i 、m n 、s 、p 的化学成分含 量通过训练调整好网络的权重值，再对力学性能进行预报。整个模块设计好之后，用 户不需要知道模块的内部结构，只需要输入原始的化学成分数据，即可得到力学性能 的预报数据。本课题采用b p 建立网络模型。 2 、技术资料管理模块 焊条生产与使用过程有许多的技术指标，技术资料管理模块中就集成了大量的技 术资料，为焊条的生产与使用提供参考。 2 、数据存储模块 数据存储模块就是对焊条材料的数据进行保存。根据原材料的化学成分进行预报 得出了力学性能数据，需要对这些数据进行保存的操作。 1 4 硕i ：学位论文e 5 0 1 5 碱性电焊条智能化系统研究 3 焊条性能预报系统研究 3 1 误差反传算法( b p ) 神经网络 人工神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统方面存在巨大潜力。人工神 经网络可以处理模糊的和不完整的知识，有很强的自学习、自适应和自组织能力，且 具有简单易用和黑箱控制的特点，非常适合处理焊接这种非线性复杂体系：因此，建 立一种预测焊缝熔敷金属化学成分的神经网络模型，对于提高焊缝熔敷金属化学成分 预测的准确性，具有重要的现实意义：人工神经网络的实质反映了输入转化为输出的 一种数学表达式，这种数学关系是由网络的结构确定的，而神经网络的结构必须根据 具体问题进行设计和训练。 人工神经网络是一种具有生物神经系统结构和功能特点的智能化网络。该网络在 结构上由大量简单单元广泛互连而成，在功能上能在一定程度上模拟生物神经系统与 真实世界物体做出的交互反映。多层前向神经网络是最常用、最流行的神经网络模 型，误差反传算法( b p ) 是最著名的多层前向网络训练算法，因其具有简单、易行、计 算量小、并行性强等特点，目前是多层前向神经网络训练的首选算法。b p 网络每层 的神经元对输入进行加权求和，对和进行阈值处理产生输出值。它利用多层误差修正 梯度下降法进行离线学习，经过样本集支持下的若干次学习，网络各层之间的权重得 到充分调整从而获得并表达出样本中所蕴含的知识这种知识不像传统专家系统那样 以规则的形式显式表示出来，而是以隐式的方式分布存储各权。 神经网络模型的种类很多，不同的网络具有不同的适用范围，其应用范围主要取 决于具体的应用任务，本课题决定采用误差反传( b p ) 算法。很多试验已经证明了对于 闭区问内的一个连续函数，隐含层神经元足够多时，在大多数情况下用一个隐含层的 神经网络就可以以任意精度来逼近。 焊条化学成分与焊后熔敷金属的力学性能之间没有固定的函数关系可遵循。人工 神经网络以实验数据为基础，经过有限次迭代计算而获得的一个反映实验数据内在规 律的数学模型。m a t l a b 神经网络工具箱则是运用较多且较为成熟的工具。 用m a t l a b 语言编程，用b p 算法建立三层前向神经网络对焊缝熔敷金属化学成分 ( c 、s i 、s 、p ) 与熔敷金属力学性能指标之间的关系进行研究。采集了5 0 组试验 数据，随机选取3 0 组数据作为神经网络学习的训练样本，剩余的数据作为网络训练后 的测试样本，用于验证神经网络模型的预测结果与实际的试验结果是否一致，从而验 证网络模型的准确性。 在网络开始训练时，网络的初始权值是在一个固定范围 一1 ，+ l j 内按均匀分布 随机产生的。针对具体的网络结构模型和学习样本，都存在一个最佳的学习率，它们 l s 3 焊条预报系统研究顾。 ：学位论文 的取值范围一般在 o ，1 之间。考虑n b p 算法存在着收敛速度慢、易陷于局部极小这 两个主要问题。网络训练完成达到需求后，用训练好的网络，将测试样本的力学性能 指标抗拉强度、屈服强度、延伸率等作为输入信号输入到网络的输入端，经过测试后 获得的网络的输出值，即预测值与测试样本的试验值相比较。通过神经网络模型训练 后，熔敷金属化学成分预测值与试验值可以很好地相符，说明新建立的神经网络预测 模型是能达到预期要求的。 神经网络是单个并行处理元素的集合。在自然界，网络功能主要由神经决定，可 以通过改变连接点的权重来训练神经网络完成特定的功能。一般的神经网络都是可调 节的，或者况可训练的，这样一个特定的输入便可得到要求的输出网络根据输出和目 标的比较而调整，直到网络输出和目标匹配。 3 1 1 神经元模型 单神经元图3 1 所示为一个单标量输入且无偏置的神经元。这个输入标量通过 乘以权重为标量w 的连结点得到结果w p ，这仍是一个标量。 输入无偏置辛串经元 厂、厂、 i一，。 一， 搿嚣 “秒) 输入有偏爱神经元 厂、厂弋 p ! 撑= 奠叩+ 妇 图3 1 单神经元 这里，加权的输入w p 仅仅是转移函数f 的参数，函数的输入是标量a 。右边的神经 元有一个标量偏置b ，你既可以认为它仅仅是通过求和节点加在结果w p 上，也可以认 为它把函数f 左移了b 个单位，偏置除了有一个固定不变的输入值l 以外，其他的很像 权重。标量n 是加权输入w p 和偏置b 的和，它作为转移函数f 的参数。函数f 是转移函数， 它可以为阶跃函数或者曲线函数，它接收参数n 给出输出a ，注意神经元中的w 和b 都是 可调整的标量参数。神经网络的中心思想就是参数的可调整。这样，就可以通过调整 权重和偏置参量训练神经网络做一定的工作，或者神经网络自己调整参数以得到想要 的结果。 1 6 硕+ ：学位论义e 5 0 1 5 碱性 乜焊条智能化系统研究 正如上面所提到的，在神经元中，标量b 是个可调整的参数。它不是一个输入。 可是驱动偏置的常量1 却是一个输入而且当考虑线性输入向量时一定要这样认为。 带向量输入的神经元一个有r 个元素输入向量的神经元如图3 2 所示。这旱单个输 入