（材料加工工程专业论文）酸性电焊条智能化专家系统的开发研究.pdf

硕 论文睦叶电焊簪智能化专家系统的开发研究 摘要 构建了酸性电焊条智能化号家系统( w m p s ) 的总体结构，实现了原材料录入、 焊条性能预报、质磕管珲和知识咨询等模块功能，并用v i s u a lb a s i c 编译w i n d o w s 标准界面，便于使用，实用性强。 性能预报模块基于人工神经网络原理，以e 4 3 0 3 酸性焊条为研究对象，跟踪 实际生产过程，采集样本数据，以焊条( 包括药皮和焊芯) 原材料成分的m n 、c 含最作为输入，熔敷金属机械性能作为输出，建立了反映焊条配方与熔敷金属机 械性能之间映射关系的网络模型，采用改进后的b p 算法训练嘲络。根据网络训 练的结果可定量地进行焊条性能预报。研究结果表明：该模型预测的结果同实验 值之间有很好的对应关系。 v r m p s 建立了完备的数据库系统，可以对焊条信息进行添加、查询及统计， 为焊接材料的设计、生产和管理提供智能化手段，不仅适用于酸性焊条还可推广 用于其它焊接材料的研究。该系统通过测试运行，效果良好。 关键词：电焊条，专家系统，人工神经网络，性能预测 硕士论文 酸q 电焊条钾能化号家系统的开发研究 a b s t r a c t t h ef r a m eo ft h ee x p e r ts y s t e mo f a c i d i t ye l e c t r o d e s ( w m p s ) h a sb e e nd e s i g n e d t h e r ea r ef o u rm o d u l e s ：m a t e r i a lr e c o r d i n g ，e l e c t r o d e sp r o p e r t i e sp r e d i c t i o n ，q u a l i t y m a n a g e m e n ta n dk n o w l e d g ec o n s u l t a t i o n aw i n d o w ss t a n d a r di n t e r f a c eh a sb e e n d e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i c i ti sv e r yc o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a b l e b a s e d0 1 1t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，t h ef a 3 0 3a c i d i t ve l e c t r o d e sa r es t l l d i e d i nt h ee l e c t r o d e sp r o p e r t i e sp r e d i c t i o nm o d u l e a f t e rt r a c i n gt h ep r o d u c t i o n ，t h e s t y l e b o o kd a t ah a sb e e nc o l l e c t e d am e c h a n i c a lp r o p e r t i e sp r e d i c t i o nm o d e lf o rw e l d m e t a lw a sb u i l tu p o nt h ep r o d u c t i o nd a t a i nt h em o d e l ，t h ec o n t e n to fm n ，co f e l e c t r o d e ( i n c l u d i n gc o v e r i n ga n dc o f ew i r e ) a r eu s e da st h ei n p u to fn e t w o r k 。a n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw e l dm e t a la l eu s e da so u t p u to fn e t w o r k i nt h er e s e a r c h ，a b a c kp r o p a g a t i o na l g o r i t h mi su s e da san e u r a ln e t w o r k sl e a r n i n gr u l e b a s e d0 1 1t h e r e s u l to fn e t w o r k se s t i m a t i n g ，t h ep r e d i c t i o no fe l e c t r o d ep r o p e r t yc a nb er e a l i z e d t h er e s u l ts h o w s ：t h e r ea r eg o o dc o 盯e h t i o n sb e t w e e nt h ep r e d i c t e dr e s u l t sa n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t a w m p sh a se s t a b f i s h e dt h ei n t e g r a t e dd a t a b a s e i tt a i la d d ，d e m a n da n da n a l y z e t h ee l e c t r o d e si n f o r m a t i o n i to f f e r sa ni n t e l l i g e n tm e a n st ow e l d i n gm a t e r i a ld e s i g n ， p r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t i ti sn o to n l ys u i t a b l ef o ra c i d i t ye l e c t r o d e s ，b u ta l s of o r o t h e r s w m p sh a sb e e nt e s t e dw e l l i tc a nr u ne f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：e l e c t r o d e ，e x p e r ts y s t e m ，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 声明 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。与我一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：兰捌k 卫护多年月声 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：啦妒缉莎月 硕卜论文静叶电挥条钾能化专家系统的开发研究 1 绪论 1 1 引言 随着我罔现代化建设的发展，焊接结构正向大容鼍、高参数、大型化方向发 展，这对焊接材料( 包括焊条、焊丝、药芯焊丝、焊剂等) 的品种及质屡要求越 来越高。多年来我国焊接材料的产量虽然有了较大的增加，但在品种、规格特别 是质最方面尚不能满足国家建设的需要，相当一部分依赖进口。其蕈要原因之一 就是焊接材料的设计、生产和管理方法落后。耍使焊接材料的综合性能达到最优， 就必须寻求更科学、更先进的设计、生产和管理方法【l 】。 1 2 焊接材料生产与管理的智能化发展 现代高科技把工业生产带入了一个全新的领域，焊接设备、技术和材料的发 展也进入了一个全新的时代，这也要求焊接材料的设计、生产和管理全面智能化。 从8 0 年代中期歼始，有些国家( 如原苏联、原婀德) 开始研究药皮组份与 焊条性能指标日j 的数学模型，所采用的试验方法仍比较落后，试验鼍大，数学模 型的精度较差伪。随着计算机技术的不断发展，国内外已开始探索把计算机辅助 设计( c a d ) 的方法用于焊接材料设计，并取得了可存的进展。国内现已开发出 “焊接材料计算机辅助设计软件系统( w m c a d ) ”就是综合运用了试验优化技术、 数理统计、最优化技术、计算机技术等现代科学技术俩。近年来兴起的神经网 络技术更是为焊接材料的研究开辟了新的途径。神经网络除了可以记忆数据，同 时也对试验规律进行了复杂的非线性拟合。通过比较，可以得出人工神经网络能 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f h j 的映射，消除了同j 厂i 法处理非线性问题时的缺点，由于神经网络不需要 建立输入输出之问的复杂关系，而是通过一组权值来实现输入与输出之问的映 射，使得模型的输出结果更接近于实际情况，精度更高，冈此把人工神经网络引 入焊接材料的研究有着巨大的应用潜力。 焊接材料种类繁多，应用非常广泛，要全面管理焊接材料数据，如果仅依靠传 统的管理方式手册、图表进行查询、添加、修改、删除及保存管理。必将给 焊接工作者带来相当繁重的劳动，降低了焊接生产的效率。为了快速有效地管理 种类繁多、应用范围各异的焊接材科数据，将先进的科技和管理思想应用于焊接 材料的生产管理是非常必要的。 从2 0 世纪7 0 年代末，日本、英国、荚固等工业发达的国家，相继开始了焊接 数据库系统的研究工作，并开发出了许多这方面的软件。目前与焊接材料相关的 帝十论文酸性电焊条智能化等家系圣觅的开发研究 焊接材料手册、图表数据。不同材料f 与牌号对应的材料信息如同标、焊剂类型、 焊接电源、化学成分、主要用途等的数据库相继建立，大大提高了焊材管理的效 率射。 网络技术的发展让焊接材料的管理理念又往前迈了一大步。1 9 9 4 年。荚图爱 迪生焊接研究所( e w i ) 创建了嗍e w i o r g 嘲站。这是网络上最早的焊接资源站 点，开创了焊接信息网络化应用的先河。1 9 9 9 年，哈尔滨工业大学现代焊接生产 技术国家重点实验室与大庆油田股份有限公司合作，研制开发了摹于 c l i e n t s e r v e r 模式的焊接工艺管理数据库系统，实现了焊接工程数据库网络化， 推进了我国焊接工程数据库的发展和应用嗍。 随着现代科技的不断进步和管理理念的不断更新，焊接材料的管理也必将越 来越智能化。 1 3 人工智能在焊接材料领域的应用 人工智能是一门包括计算机科学、控制学、信系论、语占论、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，其研究对象可以旷j 纳 为“机器智能、智能机器”。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：e 要集中在人工神经网络和专家系 统两个方面5 问。 1 3 1 人工神经网络在焊接材料中的应用现状及发展趋势 人工神经网络是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种 大规模并行的非线性动力学系统。从1 9 4 3 年m c c u l l o c h 和p i t t a 提出神经元模 型至今，神经网络的研究在国内外取得了飞速发展。 人工神经网络吸取了生物神经网络的许多优点，冈而有其固有特点： ( 1 ) 高度的并行性 神经网络是由许多相同的简单处理单元并联组合而成，虽然每个单元的功能 简单，但大量简单处理单元的并行活动，使其对信息的处理能力与效果惊人。 ( 2 ) 高度的非线性全局作用 神经网络的每个神经元接受大量其他神经元的输入，并通过并行网络产生输 出影响其他神经元，这种集体性行为实现了从输入状态到输出状态空间的非线性 映射。 ( 3 ) 良好的容错性与联想记忆功能 神经网络记忆的信息是存储在神经元之问的权值中，是分布式存储方式，这 使得网络具有良好的容错性，并能进行聚类分析、特征提取等模式信息处理工作 2 颂十论文酸哗电煌蒹智能化专窄系统的开发研究 以及模式分类等模式识别工作。 ( 4 ) 十分强的自适应、自学习功能 神经嘲络可以通过训练和学习来获得网络的权值与结构，呈现出很强的自学 习能力和对环境的自适应能力。并能运用学习知识对非学习内容进行分析，具有 一定的泛化能力。用 神经网络冈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 广泛应用。目前。人工神经网络在焊接工艺参数设计、焊接接头性能估测、焊接 过程控制、性能预测等方面都己获得较理想的效果，在焊接材料方面，神经网络 技术的应用也越来越广泛深入嘲。表1 3 1 列出了国外开发的一屿典型神经网络 研究成果一q 4 】。 表l - 3 1国外典型神经嘲络研究成果 论文名称 研究者类型 q u a l i t ye s t i m a t i o n o fr e s i s t a n c e s p o t c h o y o n g j o o n 。r h e e质量预测 w e l d i n gb yu s i n gp a t t e r nr e c o g n i t i o nw i t h s e h u n n e u r a ln e t w o r k s e v a l u t i o no ff u n c t i o no fs p o t l e l d e dt a k u r e am a s n o t i质量 j o i n tu s i n g u l t r a s o n i c i n s p e c t i o n s h i n k en o b o r ua n d 检验 ( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u t i o no nt e n t i o nm j o t o n oh i t o s b i s h e a r i n gs t r e n g t hw i t hn e u r a ln e t - w o r k ) o p t i o n a ld e s i g no fn e u r a ln e t w o r d sf o r i i i s o ok i m ，j o o n s i k实时控制 c o n t r o li nr o b o t i ca r ew e l d i n g r o b o t i c ss o n a n dc o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g n e u r a ln e t w o r k sb a s e d l e a r n i n g a n dmaj a v e da n dsac质量 a d a p t i v ec o n t r o lf o rm a n u f a c t u r i n gs y s t e ms a n d e r s 检验 h p p l i c a t i o no fb a y e s i a nn e u r a ln e t w o r kt oh i d e t o s h i f u j i i ， 质量 m a t e r i a ld i a g n o s i sa n dl i f ea s s e s s m e n t k i y o s h ln o g ie ta i 预测 文献n 5 1 应用m a t l a b 语言及其神经网络工具包，通过b p 神经网络，对w r s 型金属基陶瓷药芯焊条堆焊层耐磨性进行模拟和预测。结果表明，该方法能够较 准确地预测该药芯焊条在泥砂磨损中的耐磨性能。文献1 6 1 利用v b 语言开发了均 硬 论文酸叶电僻条智能化专家系统的开篾研究 匀设计软件并进行配方均匀设计试验，对神经网络模型的建立进行了详细的研 究，用均匀设计的样本对建它的预测纤维系型焊条熔化特性的人工神经网络模型 进行训练。试验结果表明：该模型可根据药皮成分对焊条熔化特性进行较为准确 的预测。南京理工大学徐越兰教授建立的神经网络模型，以焊条原材料化学成分 预报熔敷金属抗拉强度，相对误差达到1 0 【1 7 1 。表1 3 2 列出了国内开发的一 些典型神经嘲络研究成果墟嘲。 表1 3 2 国内典型神经网络研究成果 论文名称研究单位类型 焊条熔敷金属抗拉强度预报神经网络模型南京理工大学质量预测 a n n 在焊接街头抗弯强度预测中的应用 上海交通大学质量预测 焊接工艺参数的神经网络智能设计请华大学参数选择 铝钢异种材料摩擦焊接质量的人工神经嘲络识别西；l l ；r 业大学材料学院质量预测 神经网络在定量损伤识别研究中的戍用清华大学质量检验 基于人工神经网络的焊接工艺专家系统中国【程物力研究院 参数选择 基于均匀设计的神经网络额测焊条熔化特性 石家庄铁道学院 质量预测 结构锅挥条熔敷金满化学成分的人工神经髓络 亟机械科学研究院哈尔滨 铡系统焊接研究所 质量预测 1 3 2 专家系统在焊接领域中的应用现状 专家系统的研究工作开始于1 9 6 5 年。在焊接领域开展专家系统工作是从 1 9 8 5 年才开始的。目前，许多围家在焊接领域的不同方面开展着计算机号家系统 的研究工作，这已成为焊接工作者的研究热点之一。开展这方面研究工作的国家 有英圉、美国、日本、德固、法国、丹麦、瑞典等国家瞄l 。其中英国、荚国、德 周，日本是比较早在焊接领域开展专家系统研究工作的圉家。涉及的领域主要包 括焊工考试、工艺设计或工艺选择、焊接成本估算、焊接缺陷或设各故障诊断、 焊接c a d 等方面。 。 我国从8 0 年代末开始焊接专家系统的研制，最早见于报道的是南昌航空工 业学院焊接方法选择专家系统。清华大学哈尔滨工业大学、天津大学等也相继进 行了焊接专家系统的研究与开发2 4 嘲。到目前已经获得大量的研究成果，并应 4 动 论文酸性电焊条智能化号家系绩的开髓研究 用到实际工程中。南京理工大学黄俊开发的肇于神经网络焊接材料设计系统实现 了向导式的焊条的计算机辅助设计，可用于新氆焊接材料的设计，又可用于老产 品的改进和提高【2 6 】。 目前总的看来，焊接专家系统的发展还不够成熟，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，而 普遍缺乏获取新知识的能力。尤其是在焊接材料研究方面，大多还停留在数据库， 并没有出现推理性的专家系统。 1 3 3 计算机软件在焊接领域的应用 计算机技术飞速发展，其在焊接领域中的应用也越来越广泛和深入，尤其作 为软件形式在焊接中的应用极大的推动了世界焊接领域的技术革新，类型丰富， 延伸到各个方面【2 7 】。 国内外的焊接应用软件主要是由多家公司为焊接工程师提供软件包，这些 软件包可分为工程控制软件和独立运行软件两类。其中独立运行的软件包括焊接 工程数据库，数值计算和数值模拟，焊接手册及其解释程序，专家系统，焊工 培训软件以及焊接市场销售分析预测软件等。近几年，关于焊接材料的软件开发 也越柬越多，基本是数据库的建立，能够支持信息收集、查询和编辑功能玲2 9 1 。 计算机网络的发展也为焊接领域的开辟了新的天地，局域网和广域网使生产 自动化，管理智能化成为了可能，并在近年中取得了较大的突破，很多企业都以 将其转变成自身的生产力，增强了综合实力和巾- 场竞争力。 i 4 本课题的主要来源 i 4 1 本课题的选题背景 e 4 3 0 3 焊条具有优异的焊接工艺性能及机械性能，一直占据着我国焊材市场 的主导地位，是国内焊材市场中消耗营最大的品种。据统计，国产e 4 3 0 3 焊条的 产最占全圉焊条总蘑的8 0 以上，但是设计、生产和管理的落后导致产品的质景 不高，甚至近年来有品质下降的问题。实际生产中焊条的设计、生产和管理迫切 需要加大智能化发展的力度。 1 4 2 选题意义 本课题针对焊接冶金的复杂性、焊接材料设计和焊接材料性能之间存在多因 子交互作用复杂，利用神经网络研究焊条原材料化学成分和熔敷金属机械性能之 间的关系。结合生产实际需要，建立焊接材料数据库，创建专家系统，形成具有 完整的焊条性能推断、焊材管理和知识咨询的功能的软件包。在此理论基础上， 5 硕卜论文酸世电焊条智能化专家系绩的开发研究 本课题将人1 神经嘲络应用于电焊条的性能预报，以e 4 3 0 3 焊条为研究对象进行 试验研究，是将人工智能应用于多冈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，具固有较新颖的学术 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。 1 t3 课题来源 本课题与江苏省产品质景监督检验中心所合作，开发以焊接材料性能预报为 核心的酸性电焊条智能化专家系统。 1 4 4 本课题的主要研究内容 结合焊条实际生产情况，根据工程实际要求，构建适用于焊接材料设计、管 理的酸性电焊条智能化专家系统总体框架。具体研究内容如下： ( 1 ) 创建焊接材料智能化专家系统w 肝s 框架结构； ( 2 ) 采集并整理用于性能预报的试验数据： ( 3 ) 选择合适的神经网络模掣，确定网络参数，建立焊条机械性能预报网络 模型； ( 4 ) 建立专用焊接材料数据库，存储相关焊接材料数据，实现对焊接材料科 学管理。 6 硕论文酸畦电焊条智能化争寡系绩的开发研究 2 酸性电焊条智能化专家系统总体设计方案 2 1 设计思想 酸性电焊条智能化专家系统( 简称v n m p s ) 的基本设计思想是以焊条性能预 报为核心，根据焊条生产的实际需求，建它高效全面的生产管理系统，从原材料 迸厂到产品出厂实行智能化管理。 2 2 酸性电焊条智能化专家系统的构成及功能模块的划分 2 2 1 酸性电焊条智能化专家系统的构成 酸性电焊条智能化争家系统采用模块化设计，最后各模块进行集成。该系统 由原材料录入模块、性能预报模块、质疑管理模块、工艺咨询模块、用户管理模 块五大功能模块构成，结构图如图2 2 1 所示。系统采用w i n d o w s 标准窗口，工 作人员只要根据不同的需求选择不同的菜单按照提示进行操作即可。 图2 2 1w l a p s 总模块图 2 z2 酸性电焊条智能化等家系统的模块功能 酸性电焊条智能化专家系统摹于实用性、科学性和系统性的考虑，要求w m p s 具有下述功能：进厂原材料录入、查询：根据给定的组分预报焊接材料强：记录 焊条有关质适信息，可以添加、修改、查询：提供相关金属材料的焊接工艺参数； 7 帝士论文酸性电焊条钾镌化专家系统的开笈研究 国家相关锄、准的查询；根据不同用户设置不同权限。该软件不仅可用于焊接材料 的生产质量管理，还可以用于对于新型焊接材料的设计参考。 2 2 2 1 原材料录入模块 原材料的购买、录入及管理往往给生产带来很多琐碎的问题，也极大地影响 着整个生产链的效率。将原材料的购买信息和使用信息都存入数据库，这样既方 便了工作人员录入，在查询记录时，也节省了大量的时间和精力，不仅提高了效 率，而且也保证了信息录入和查询的准确性。 2 2 2 2 性能预报模块 根据已知焊条配方的含量预报焊接材料的工艺性能和机械性能是焊接材料 设计和生产中经常需要解决的技术问题。把数据输入已建立的数学模型，利用预 报模块即可达到此目的。这样，不做试验就可以评价设计方案和己投产的药皮配 方，这对于调整配方具有蘑要指导意义。在此预报模块中，以e 4 3 0 3 焊条为研究 对象，选用b p 网络构建嘲络模型。 2 2 2 3 质量管理模块 生产过程中，传统的质襞监控、记录和查询容易造成信息丢失等失误最终导 致产品质琏的下降。质壁管理模块把焊条产品的化学性能、机械性能及工艺性能 集中由数据库管理，可对上述各性能进行检索、阅读、增写、修改、删除等操作， 实现对各质鐾信息的科学管理，并可在批量生产后进行统计，对生产中的质蹬问 题进行深入的研究。 2 2 2 4 工艺咨询模块 焊条生产和使用过程中涉及到的工艺规范较为繁多，有标准和非标准，工艺 咨询模块里集成了大量的工艺参考信息，包括了焊条设计配方、焊条使用的焊接 工艺和固家标准查询等。 2 2 。2 5 用户管理模块 酸性电焊条智能化专家系统是一个多用户生产管理系统，可以满足不同用户 的不同需求，也可以根据不同的用户设置使用权限，给操作人员划分清楚工作范 围，这不仅保证了系统数据的安令性，也给系统的使用和维护带来了高效性。 2 3 酸性电焊条智能化专家系统流程分析 系统流程是用户在使用本系统时的工作过程。本系统是一个多用户系统，工 作流程从用户登陆模块开始，对用户的身份进行认证。在工作流程中，只有系统 b 颂 论文酸叶电焊簪智能化专家系统的开慰研究 管理员才能使用系统的全部功能，一般用户只能使用部分功能。 本系统的流程分析如图所示 本章小结： 图2 3 1w m p s 系统流程图 ( 1 ) 确立了整个酸性电焊条智能化号家系统的设计思想：把焊条性能预报定 为核心内容，对系统进行模块化设计； ( 2 ) 划分各个功能模块，明确每个模块的具体功能； ( 3 ) 确定该系统为多用户系统，分析整个系统的流程，制定出系统的流程图 以指导系统的开发。 9 硕卜论文 酸叶电焊条智能化专家系统的开发铲究 3 焊条性能预报研究 3 1f a 3 0 3 焊条性能分析 我国的e 4 3 0 3 普通碳钢焊条的发展，从引进澳大利1 匝天然金红石为主体材 料，到现在充分利用国产资源钛铁矿自行设计研制所形成的“钛铁矿+ 钛自 粉；人造金红石；还原钛铁矿”为主体材料经历了三个配方体系。发展到今天， 国内焊条行业的研究人员为了适应商品市场的竞争和降低生产的需要，基本上揉 和了上述三个体系的优势，并相继广泛采用了以还原钛铁矿、大理石为主体，以 人造金红石( 或天然金红石) 、钛铁矿( 少用或不用钛白粉) 为辅的多种材料所 形成的e 4 3 0 3 配力新体系 3 0 1 。 3 1 1 药皮的化学成分分析 在熔焊方法中大都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机械性能。普通通用焊条由药皮和焊芯两部分组成。焊条药 皮在焊接过程中起着机械保护、冶金处理、改蕾焊接工艺性能等蘑要的作用，以 保证熔敷金属获得具有合乎要求的化学成分和机械性能，并使焊条具有良好的焊 接工艺性能1 3 1 。 药皮的组成物及其性能直接影响到焊接过程的稳定性和熔敷金属的质盛。而 一种焊条的药皮配方中，组成物至少有七、八种之多。e 4 3 0 3 焊条的药皮是钛 钙硭，属酸性渣系。必须说明，由于各焊条制造厂原材料来源不同，即使是同一 类型药皮的焊条，其配方也有不同，本试验所用的配方是南京焊条厂提供的实际 生产配方，见表3 1 1 。 表3 1 1 焊条配方及其成分蔓要作用 成分名称含量主要作用 还原钛铁 4 4 6 t i 0 2 在5 5 以上，在焊接过程中可降低熔渣表面张力，利于焊缝成形 矿 还原钛铁矿中的t i 0 2 在熔池反应过程中与f e o 结合形成f e o * t i 0 2 ， 减小了熔渣中f e o 的质量浓度，降低了熔渣的氧化性，可提高焊条抗 气孔能力。另外，还原钛铁矿在1 1 5 0 ( 2 焙烧过程中。产生一定数量 的铁粉，铁粉在焊条药皮中具肓改善焊接工艺性能的作用。 人造金红5 9 t i 0 2 一般在8 5 以上，具有稳弧、造渣，调整熔渣物理性能、改善焊 石 缝成形、减少飞溅等作用。是钛钙型焊条药皮中差要成分之一。 1 0 移 论文酸性电焊条钾能化专家系统的开发研究 钛f l 粉2 t i 0 2 一般在9 8 以上，在药皮中主要起增加姆性的作用。由于钛白粉 价格昂贵，粘稠度较低。在药皮中对周围药粉颗粒缺乏束缚力，会降 低焊条药皮强度，并容易造成焊条尾部发红。目前在焊条配方设计中 一般不用或少量使用。 自泥9 9 应以 l _ 0 3 含量低为选用原则，否q 熔渣的熔点和粘度会提高，并易 长石7 9使焊缝金属中央杂物增多。加入硅酸盐主要目的是提高药皮的压涂性 粗云母 5 3能及造渣。它盯降低熔清碱度，细化熔滴颗粒，提高焊条熔化系数。 试验中发现：当药皮中长石、云母相对含量提高时，容易增大飞溅。 白土3 特别是当焊机空载电压较低时，容易出现断弧现象。 大理石 8 6 既是造气荆，又是碱性造渣刺。它可以增加熔渣流动性。降低产生气 孔和氧白点的倾向，并对脱硫、脱磷、抗裂纹有利。碳酸盐的加入。 自云石2 6 使耀性和韧性有所改善，t 日用量成控制在1 5 以下。 中碳锰铁 9 2 铁合金以中碳锰铁形式加入。它除有脱硫、脱磷作用外，还向焊缝中 渗合金，以保证熔敷金属中锰含量为0 3 0 6 。通常加入量7 1 0 , 6 。 竹粉 1 有机物毛要作用是气体保护，同时对引弧、再引弧和压涂【艺也有影 响一般加入量4 ，如竹粉或微晶纤维等。 3 1 2 焊芯的化学成分分析 焊芯在焊接时有两个功用：一是传导焊接电流，产生电弧；二是焊芯本身熔 化作为填充金属，与熔化的肇体金属熔合成焊缝。手弧焊时，焊芯金属约占整个 焊缝金属的5 0 9 一7 0 ，所以焊芯的化学成分和性能也会直接影响焊缝的质最。 本试验中e 4 3 0 3 焊条采用h 0 8 a 焊丝做焊芯，化学成分见表3 1 2 。 表3 1 2 钢芯的化学成分( ) 牌号碳锰 硅 铬镍铜硫 磷 h 0 8董0 10 3 - 0 5 5荟o 0 3毒0 2墨0 3至o 2 量0 0 4薹0 0 4 h 0 8 a耋0 10 3 - 0 5 5薹0 0 3矗0 2薹o 3董0 2 薹0 0 3 主0 0 4 3 1 3 熔敷金属的机械性能 本课题上要讨论熔敷金属的机械性能。机械性能是指金属材料在外力作用下 l l 硕卜论文 酸性电焊条智能化专家系统的开发研究 所表现出来的特性。考察焊条机械性能的主要检测指标有熔敷金属抗拉强度0b ， 熔敷金属屈服强度os ，熔敷金属的延伸率6 和冲击功( a k v ) ，g b 5 1 1 7 - - 8 5 中 e 4 3 0 3 机械性能要求如表3 1 3 所示： 表3 i 3e 4 3 0 3 焊条t 要件能和特点 睥号犁号 化学成分( )机械件能 特点及用途 6b 4 2 咖p a 钛钙型药皮焊条，具有优异 c 0 1 2 的焊接 艺性及良好的力 6s 3 3 0 f p a j 4 2 2 e 4 3 0 3m n0 3 o 6 学性能，用丁焊接重要的 6 2 2 s i 0 2 5 低碳钢结构，如造船、建筑 a k v 2 7 j ( o c ) 机械等 3 1 4 主要化学成分和机械性能的关系 e 4 3 0 3 电焊条焊芯中和药皮中对熔敷金属机械性能影响的主要是合金元素c 和m n 。 c 和m n 对焊缝金属有两个作用：一是脱氧脱硫作用，另一是强化作用。 m n 在药皮加热阶段有先期脱氧作用。矾n 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，同时，在溶滴和熔池内i n 进行沉淀脱氧。锰脱氧反应 的产物m n 0 含量增加。m n o 又与熔渣中的酸性氧化物s i0 2 、t i 0 2 等结合成复合化 合物进入熔渣中。而c 是自身被氧化，在熔池凝固过程中生成的c o 逸出，使得 焊缝中c 的成分不至于过高而影响其力学性能( 3 2 1 。 ( 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 ( 3 1 1 ) 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 0 2 、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 0 2 = 2 c 0 c + 0 2 = c 0 2 反应结果是会属脱氧， ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 而碳自身被氧化，高温时c 的脱氧能力要远远超过 预 论文酸叶电傅条智能化专家襄镜的开发研究 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，此类焊条具囱_ 较强的抗气孔能力。 ( 3 ) 还原反应 2 ：m n + ( s i 0 2 ) = s i + 2 ( m n 0 ) ( 3 i 5 ) 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 使用钛钙氆焊条焊接低碳钢时，硫通常以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 h 1 来脱硫。其反应式为： f e s + m n = f e + m n s( 3 1 6 ) 采用蜘脱氧时的产物m n o 也可以进行脱硫： f e s * m n o = f e o + m n s( 3 1 7 ) 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 接影响熔敷金属的机械性能。适当的c 和m n 含最使得焊缝金属强化，具有良好 的机械性能。 其中，主要是焊芯和中碳锰铁中的m n 过渡的，i i i i 影响c 含肇的土要组分 有中碳锰铁、还原钛铁矿和人造金红石，化学成分分别见表3 1 4 、3 1 5 、3 1 6 。 表3 1 4 中碳锰铁化学成分( ) 牌号 s i ncsps i f e m n 7 8 c l 07 8 0 8 5 0量1 o耋o 0 3矗0 3 0薹2 5 f e m n 7 5 c l 57 5 0 8 2 o 善1 5薹0 0 3薹0 3 0主2 5 表3 1 5 还原钛铁矿化学成分( ) t i 0 2 f e o f e o + f e 2 0 3 cs - p ；5 0 至9耋1 2 o 1 0 0 2 5 耋o 0 5至0 0 5 硕 论文酸叶电焊条智能化专家彖缓的开发研究 表3 i 6 人造金红石化学成分( ) 级别t i 0 2 csp l耋9 0薹0 0 l矗o 0 3主0 0 3 2妻8 5 9 0薹0 o l薹0 0 3薹o 0 3 3善8 0 8 5薹0 0 1薹o 0 5薹0 0 5 3 2 数据采集 3 2 i 试验所需数据 本课题以神经网络模拟焊条化学成分和机械性能之间的非线性关系，试验的 数据e 要是焊条化学成分和焊缝熔敷金属的机械性能。 本章第一节分析了e 4 3 0 3 焊条的化学性能，c 和m n 是决定焊缝熔敷金属力 学性能的上要化学成分，所以试验将焊条的c 和作为需采集的焊条化学成分 的试验数据。 焊条中的c 主要来源于焊芯、还原钛铁矿、中碳锰铁和人造金红石。根据衷 3 1 2 3 1 6 计算，人造金红石中的c 所占的比重是中碳锰铁中c 的1 5 0 0 ，是 还原钛铁矿中c 的1 2 5 0 。经过大量的前期试验，证实了人造金红石中的含c 壁 对于机械性能影响极小，考虑到尽量减少试验的影响因素，试验将人造金红石的 含碳景剔除，只考虑焊芯、还原钛铁矿和中碳锰铁中的c t 3 3 1 。 抗拉强度( 6b ) 、屈服强度( 6s ) 、延伸率( 6 ) 与冲击功( a k v ) 是熔敷 金属的机械性能的主要指标，试验取这四个指标作为需采集的熔敷金属机械性能 的试验数据。 3 2 2 试验条件及规划 试验在南京电焊条厂完成，主要设备和实验条件有：电焊条生产线、化学成 分分析实验室、焊接工艺室和机械性能检测室组成。 主要步骤如下： ( 1 ) 对进厂原材料取样并进行合金化学分析，采集所需的c 、含量数据； ( 2 ) 由焊条生产线按配方生产出e 4 3 0 3 焊条； ( 3 ) 将焊条按照标准实行熔焊，取样测定焊缝熔敷金属机械性能： ( 4 ) 对采集数据进行统计，分析试验中的影响因素。 1 4 田l 论文 酸蛙电焊箍智能化专家系铣的开发研究 3 2 3 试验数据采集 3 2 3 i 原材料化学成分检验试验 根据国家标准钢铁及合金化学分析方法，试验利用燃烧气体容量法测定 原材料中的含c 量，利用硝酸铵氧化容量法测定中碳锰铁中的含量，利用高 碘酸钠( 钾) 光度法测定焊芯中的含壁蚓。 试验步骤： ( 1 ) 对不同批次的原材料焊芯、还原钛铁矿和中碳锰铁取样5 0 组； ( 2 ) 根据g b 2 2 3 4 8 5 测定中碳锰铁中的含m n 量： ( 3 ) 根据g b 2 2 3 6 3 8 5 测定焊芯中的含m n 量； ( 4 ) 根据g b 2 2 3 6 9 8 5 测定焊芯、还原钛铁矿和中碳锰铁中的含c 量； ( 5 ) 记录数据，进行统计分析。 3 2 3 2 熔敷金属机械性能检验试验 由相应的原材料生产出合格的焊条，从中抽取5 0 根。根据同标碳钢焊条 g b 5 1 1 7 8 5 ，制各试板，进行焊接，做熔敷金属拉伸试验和焊缝金属冲击试验翊。 采用2 0 r a m 厚q 2 3 5 作为试板，焊条为e4 o 的e 4 3 0 3 焊条，主要焊接工艺参 数如f ： 电流：1 4 0 1 8 0 a ；焊层：8 1 0 层，每层焊2 道；层日j 温度：1 1 0 1 8 0 c 。 试样位置及试板尺寸如图3 2 1 所示： i7 搿州饼 板厚t = 2 0 m m ，根部问隙c = 1 3 r a m 垫板厚e = 1 0 m m 图3 2 1 机械性能试验试板尺寸图 3 2 4 采集数据分析 冈为神经网络对数据样本有一定的要求，所以样本数据必须先经过分析， 零 v 璎 骧 簌 絮 妒十论文 盼性电挥条智能化号家系统的开发研究 得出分布规律，然后选取合适的学习样本用于神经网络学习训练。 3 2 4 i 原材料化学成分采集数据分析 试验所测得原材料中都在标准范围之内。 由于焊芯的进厂批次较多，因此焊芯的c 、 h 1 含霞一股有较多的变化。中碳 锰铁和还原钛铁矿由于用基相对较少，所以进厂的批次也较少，相对应的变化频 率也较小。 下图是部分原材料化学成分的统计图： 图3 2 2 部分原材料化学成分的统计图 可以看出：线材中的c 、含最采集数据分布分散，分别在o 0 2 和0 2 0 6 之问频繁波动。而还原钛铁矿的c 含量呈现出一定的区间阶段性，呈现出5 个阶梯平台。中碳锰铁中的c 、 h 1 含最也呈现出区间阶段性，且各区间值之间的 差别较小。这蝗分布对神经网络的学习样本的选取起着决定性的影响。 3 2 4 2 焊条机械性能检验分析 机械性能的数据都在标准范围之内，其中，抗拉强度( 6b ) 、屈服强度( 6s ) 、 延伸率( 6 ) 是一个测定值，而冲击功( a k v ) 则是p h - - 个试验值平均求得。 阴组数据可以按数量级分成两部分，一部分足抗拉强度( 6b ) 和屈服强度 ( 6s ) ，在3 0 0 5 0 0 问，另一部分足延伸率( 6 ) 和冲击功( a k v ) ，在i 0 0 以 内。 以f 是部分数据的统计图： 硕卜论丈 酸忭电焊条智能化专家系统的开发研究 a l 星5 2 0r 弋1 垦5 0 0b 一l 避兰三j b 睫1 一 卜i 兰二兰二= 兰宴 o 1 0 2 0 3 0 d j a 一屈服强度b 一抗拉强度c 一延伸率d 一冲击功 图3 2 3 部分机械性能数据的统计图 从统计图可以看出，屈服强度和抗拉强度具有相同的变化趋势，丽延伸率和 冲击功的变化规律明显不同。 屈服强度和抗拉强度的波动值。般在5 l o ，而延伸率和冲击功的波动 值在1 0 2 0 。 3 2 5 数据采集过程中的影响因素 ，数据采集过程中，有许多不稳定因索影响了数据采集的准确性，主要何以下 几点： ( 1 ) 钢芯，中碳锰铁，还原钛铁矿，三种进料按不同的进料批次罩抽出，因 此原材料都会有不同程度的波动； ( 2 ) 焊接时电流和电压的不稳定： ( 3 ) 焊接时不同的焊工操作水平的不同； ( 4 ) 自然情况对原材料的影响，如：天气潮湿会造成原材料粉子过粘，生产 出的焊条质量会差别较大。 但这些因素都是不可控制的，只能尽量减小其对数据采集的影响。因此，在 1 7 妒士论文 陵叶电焊条钾能化专家系统的开发研究 这屿方面，以后的试验中可以进一步提高要求，力求精确。 3 3 神经网络的建立和学习训练 3 3 1 神经网络应用原理 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 冈。 在本试验中，采集数据完全来自实际生产，要求网络的设计和训练能够适应 实际生产。 3 3 1 1 神经网络技术的选取 焊条化学成分与焊后熔敷金属的力学性能之间没有同定的函数关系可遵循， 而人工神经网络以其独特的自组织学习、快速处理、高度容错、联想记忆和可以 逼近任意复杂的非线性系统等特点。它无需人们预先给定公式的形式，而足以实 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，因此与其他技术相比，神经网络特别适合于研究复杂非线性系统的特性。 目前，在人工神经网络的实际应用中，绝大部分的神经网络模型是采用b p 网络和它的变化形式，b p 网络也是人们研究最多、认识最清楚的一类网络，是 前馈网络的核心部分，