（机械制造及其自动化专业论文）基于神经网络与模糊理论的异种金属摩擦焊质量评定.pdf

摘要 摘要 本文从摩擦焊接技术的发展需要出发，对摩擦焊接工艺，进行了相关的机理 研究分析，同时研究了摩擦焊接各工艺参数对焊接接头质量的影响规律。在对异 种金属摩擦焊接接头形成过程的分析和实验的基础上，用b p 网络建立了焊接接 头质量( 抗拉强度) 的预测和评价系统。 在b p 网络训练数据样本的采集中， 验，制订了详细的实验方案、实验方法， 提出了用正交试验设计的方法来安排实 以不同焊件直径下各工艺规范参数组合 对应的拉伸强度值，作为接头质量预测神经网络的训练样本。数掘处理采用极差 分析法，并用实例进行了验证，基于m a t l a b 语言进行了编程计算。保证了获得 训练样本的可信度与代表性。 在神经网络的训练中，分析了各种快速b p 算法的基本性能，并用实例进行 了仿真，在分析比较的基础上选用牛顿法做核心算法。实验结果表明，建立的神 经网络对异种金属摩擦焊接头抗拉强度的预测与评价的相对误差在1 0 以内，符 合实际生产的要求。 异种金属的摩擦焊接接头质量与摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、顶锻时问 以及焊件直径等都有直接的关系，这些因素又具有一定的模糊性。而实际生产中， 对焊接质量通常以单纯的“好”或“坏”来做定性评价，不能定量评价，缺乏合 理性。利用模糊数学的知识可对焊接质量进行量化评价，克服了定性评价的局限 性，对实际生产具有指导意义。 关键词： 摩擦焊接人工神经网络b p 算法正交试验设计模糊理论 a b s t r a c t w i t ht h en e e do ff u r t h e rd e v e l o p m e n to ff r i c t i o nw e l d i n gt e c h n o o g y ， t h i sp a p e rs t u d i e so nt h et h e o r yo ff r i c t i o nw e l d i n ga n dt h ep rj n cjp a l o ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r se f f e c t i n go nw e l d i n gj o in t o na n a l y z i n ga n d e x p e r i m e n t a ls t u d y i n go nt h ep r o c e s si nt h ef o r m i n gd i f f e r e n tm e n t a l f i c t i o nw e l d i n gj o i n t s ，t h ep a p e re s t a b l i s h e st h eb pn e t w o r kp r e d i c t i o n s y s t e mo ft h ec a p a b i l i t y ( t e n s i l es t r e n g t h ) o ft h ef r i c t i o nw e l d i n g j o i n t s t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g nt oc o l l e c td a t a ， a n dd r a wu pi nd e t a i le x p e r i m e n t a lp l a n ，a c t i n gt h ed a t ao ft e n s i l e s t r e n g t ha st h es a m p l eo ft r a i n i n gn e t w o r k t h ed a t ap r o c e s s i n gu s e sr a n g e a n a l y s i s ，a r ev a l i d a t e db yt h ee x a m p l e ，c a l c u l a t i n gi t sb yp r o g r a mb a s e d o nm a t l a b i ta s s u r e st h er e l i a b i l i t yo ft h ed a t a d u r i n gt h et r a i n i n go ft h en e u r a ln e t w o r k ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e v a r i o u sq u i c kb pa l g o r i t h ma n dp r e s e n t sq u a s i n e w t o na st h ep r i n c i p a l a l g o r i t h m t h ef o r e c a s tv a l u ee r r o ri sl o w e r1 0 ，w h i c hc a nr e a c ha tt h e n e e do fp r a t tic a lp r o d u c tio n t h eq u a l i t yo ff r i c t i o nw e l d i n gj o i n t si sr e l e v a n tt ot h ef r i c t i o n f o r c e ，f r i c t i o nt i m e ，f o r g i n gf o r c e ，f o r g i n gt i m ea n dd i a m e t e ro fp i e c e s ， a n dt h o s ef a c t o r sa r ef u z z y i np r a c tic a lp r o d u c ti o n ，“g o o d ”o r “h a d ” isr e g a r d e da st h em e a s u r eo ff r i c t i o nw e l d i n gj o i n t ，w h i c h i sn o t p r e c i s i o n t h i sp a p e rt a k e sa d v a n t a g eo ft h et h e o r yo ff u z z ym e a s u r i n g t h eq u a lj _ t yo ff r i c t i o nw e l d i n gj o i n t ，w h i c hc a nb eu s e dp r a c t i c a l p r o d u c t i o n k e yw o r d s ： f r i c t i o nw e l d i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kb pa l g o r i t h m o r t h o g o n a le x p e r i m e n t f u z z yt h e o r y h 第一章 绪论 1 1 摩擦焊 第一章绪论 摩擦焊( f r i c t i o nw e l d i n g ) 是在轴向压力与扭矩的作用下，利用焊件接 触端面之间的相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热，使接触面及其 近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接的一 种压焊方法。它是一个包含着热、力、冶金、传质、扩散及其相互作用的复杂过 程。摩擦焊以其优质、高效、节能、无污染、工艺适应性强的特点，在航空、航 天、核能、海洋开发等高技术领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车制造等产 业部门得到了广泛的应用“3 。 在摩擦焊焊接过程中，被焊的材料通常不熔化，仍处于固相状态。与熔焊相 比，首先摩擦焊不会产生与熔化和凝固冶金有关的一些焊接缺陷和焊接脆化现 象；其次，摩擦焊的焊接过程中的轴向压力和扭矩对焊接表面及近区的作用能够 产生一些力学冶金效应( 如：晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布、焊接表面 的“自清理”作用等) ；第三，摩擦焊的焊接时间短、热影响区窄、热影响区组 织无明显粗化。正是这些特点使摩擦焊能够得到与母材等强度的焊接接头，这也 是决定摩擦焊接头具有优异性能的关键因素。并且，摩擦焊的焊接过程中需要控 制的焊接参数也较其它焊接方法少，仅有压力、时间、速度、位移，所以该种连 接方法具有很高的可靠性。 摩擦焊具有广泛的可焊接性，不仅可以用来焊接普通钢、合金钢和有色金属， 而且还可以将两种性质完全不同的金属材料，诸如铸铁和钢焊在一起，也适用于 焊接性能差异较大的异种金属及异种材料，如铝与钢、合金与塑料、陶瓷等非金 属材料实现联接“1 。以及已经过最终热处理的材料或部件，如高温合金与结构钢 涡轮盘轴、高温合金与耐热钢双金属排气阀、d i a n 7 1 8 或r e n e 9 5 粉末合金材料 飞机发动机涡轮盘的焊接等”。 1 2 1 摩擦焊接工艺及其研究现状 熔化焊是在添加或不添加外来材料的情况下，利用各种类型的热源将被焊材 料( 母材) 熔化从而实现冶金结合的一种焊接方法。如手工电弧焊、埋弧焊、c 0 2 第一章绪论 焊、等离子柬焊、电子束焊、激光焊等。非熔化焊接方法又叫固相焊接方法，它 是在不熔化母材前提下形成原子间结合的一种焊接方法。摩擦焊接是固相焊接方 法中的一种，它是利用被焊材料的相对运动摩擦产生热量，使摩擦面及其附近材 料达到塑性状态，同时施加压力使接头达到冶金接合的焊接方法。与其它传统的 焊接工艺相比，具有以下的优点：“1 焊件准备容易，自动化程度高，效率高、成本低： 焊接质量高、可靠、焊件尺寸精度高； 焊机使用标准的三相电源，功率小、耗能低、节能效果显著； 摩擦焊技术有“四不用”的特点，即：不用焊条、焊丝、焊药、保护气 体等消耗性材料； 焊接过程清洁，无烟雾、焊渣，能锻制高质量的接头，在其接触区域对 接接头的生产率可达到1 0 0 ； 对焊接头的变形小，精度高，焊后处理方便； 对操作人员的技术要求低，且具有广泛的可焊接性。 在形式上，可分为连续驱动摩擦焊( d i r e c td r i v ef r i c t i o nw e l d i n g ) 和惯 性摩擦焊( i n e r t i a f r i c t i o nw e l d i n g ) 。近几年又出现了一些新的摩擦焊接工 艺，如：第三体摩擦焊、超塑性摩擦焊、连接非圆截面的线性摩擦焊、搅拌摩擦 焊和嵌入摩擦焊等，它们在粉末合金、复合材料、功能材料、难熔材料以及陶瓷 一金属等新型材料及异种材料领域得到了广泛的应用”。 摩擦焊涉及摩擦学、冶金学、传热学、力学、传质学等诸多学科。在摩擦焊 接进行过程中，材料表面要发生剪切、粘着、摩擦、相变、溶合、传质等现象， 伴随着热的传导、扩散等，焊接质量与母材性质、表面加工状况、轴向压力、周 向速度、顶锻压力、焊接时间、轴向缩短量等因素有关。 对摩擦机理的研究，许多科技工作者已作了很多工作，对于焊后在焊合区及 强烈塑性变形区出现再结晶晶粒的现象，文献 8 ，9 等在热扭转实验的基础上， 通过建立奥氏体晶粒尺寸和扭矩关系，研究了焊合区奥氏体晶粒大小与扭矩的关 系。杜随更“7 3 等分析了单晶d d 3 与细晶d a i n t l 8 高温合金摩擦焊接头组织，测试 了室温及高温下接头的强度与持久性能。得出摩擦焊接工艺对单晶高温合金的 “定向”及“单晶”特征，以及细晶高温合金的“细晶”特征均无明显改变；异 第一章绪论 种材料摩擦焊焊接头的力学性能可以达到母材性能。 0 t m i d l i n g 与g r o n g “”在分析摩擦焊接头温度与应变速率分布的基础上， 研究了沿轴向及径向晶粒尺寸的变化。 莲井与松井【1 1 】研究了摩擦表面状态对摩擦行为的影响，r e i c h e l m 与才荫先m 1 等提示了摩擦焊初始阶段表面所发生的摩擦现象以及出现的塑性变形和塑性流 动。杜随更”1 “1 等对焊接金属的再结晶过程及初始阶段的摩擦机制和摩擦系数进 行了研究，认为在摩擦焊的初始阶段，摩擦表面的摩擦机制主要为粘着摩擦，在 边缘区域存在着氧化摩擦。雷永平。”对摩擦焊过程中的塑性流动做了些有益的探 讨：通过对摩擦焊机理的分析，提出了以摩擦界面污物自清除率作为评价摩擦对 焊接接头“优”、“劣”的方法，并结合管结构的特点，分析了摩擦变形过程中摩 擦界面及界面塑性区金属质点的运动规律。 摩擦焊接不仅用于钢材之间的连接，而且用在陶瓷与铝之间的粘接，拓展了 该工艺的应用范围。w e i s sr 【14 】研究了陶瓷与铝的摩擦焊接后的残余应力和接头 的强度，采用棒料形式焊接。借助于有限元( f e m ) 方法计算了焊后的残余应力分 布及焊接过程中的温度场，并计算了失效概率( w e i b e l l 分布) 。s h i n o z a k ik 【l 珂等分 析了焊后的冶金性能，得出晶粒尺寸与焊按压力等的关系及晶粒大小的分布情 况，测试了蠕变持久极限等力学性能。傅耕1 6 】等研究了在强电场作用下，t 2 紫 铜和1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢摩擦焊焊接接头退火显微组织及其主要合金元素的扩散 行为的影响，得出了外加电场加快了焊合区金属的再结晶进程，提高了晶粒长大 速度，增大了晶粒尺寸，且使退火孪晶数量增多。 摩擦焊属于固态焊，不会出现像熔化焊过程中出现的气孔、缩孔、缩松等缺 陷“，但是当焊接不良时，在摩擦焊接头处会出现虚焊、灰斑、硫化物、未焊合 等缺陷。这些缺陷会严重降低焊接件的力学性能“8 。”1 。 1 2 人工神经网络 1 2 1 人工神经网络概述 人工神经网络【2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是在对人脑 组织结构和运行机制的认识理解基础之上模拟智能行为的一种工程系统，是由人 工建立的以有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续或断续的输入作状态晌 第一章绪论 种材料摩擦焊焊接头的力学性能可以达到母材性能。 0 tm i d l i n g 与g r o n g “”在分析摩擦焊接头温度与应变速率分布的基础上， 研究了沿轴向及径向晶粒尺寸的变化。 莲井与松井 1 i 研究了摩擦表面状态对摩擦行为的影响，r e i c h e l ”：与才荫先- ”1 等提示了摩擦焊初始阶段表面所发生的摩擦现象以及出现的塑性变形和塑性流 动。杜随更”1 等对焊接金属的再结晶过程及初始阶段的摩擦机制和摩擦系数进 行了研究，认为在摩擦焊的初始阶段，摩擦表面的摩擦机制主要为粘着摩擦，在 边缘区域存在着氧化摩擦。雷永平1 ”对摩擦焊过程中的塑性流动做了些有益的探 讨：通过对摩擦焊机理的分析，提出了以摩擦界面污物自清除率作为评价摩擦对 焊接接头“优”、“劣”的方法，并结合管结构的特点，分析了摩擦变形过程中摩 擦界面及界面塑性区金属质点的运动规律。 摩擦焊接不仅用于钢材之间的连接，而且用在陶瓷与铝之间的粘接，拓展了 该工艺的应用范围。w e i s sr 【“1 研究了陶瓷与铝的摩擦焊接后的残余应力和接头 的强度，采用棒料形式焊接。借助于有限元( f e m ) 方法计算了焊后的残余应力分 布及焊接过程中的温度场，并计算了失效概率( w e i b e l l 分布) 。s h i n o z a k ik i l ”等分 析了焊后的冶金性能，得出晶粒尺寸与焊接压力等的关系及晶粒大小的分布情 况，测试了蠕变持久极限等力学性能。傅莉【1 目等研究了在强电场作用下，t 2 紫 铜和i c r l 8 n i 9 1 1 不锈钢摩擦焊焊接接头退火显微组织及其主要台金元素的扩散 行为的影响，得出了外加电场加快了焊合区金属的再结品进程，提高了晶粒长大 速度，增大了晶粒尺寸，且使退火孪晶数量增多。 摩擦焊属于同态焊，不会出现像熔化焊过程中出现的气孔、缩孔、缩松等缺 陷“，但是当焊接不良时，在摩擦焊接头处会出现虚焊、灰斑、硫化物、未辉合 等缺陷。这些缺陷会严重降低焊接件的力学性能“”1 。 1 2 人工神经网络 121 人工神经网络概述 人工神经网络1 2 4 , 2 l 2 6 , 2 73 ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是在对人脑 组织结构和运行机制的认识理解基础之上模拟智能行为的种工程系统，是由人 工建立的以有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续或断续的输入作状态响 工建立的阻有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续或断续的输入作状态响 第一章绪论 种材料摩擦焊焊接头的力学性能可以达到母材性能。 0 t m i d l i n g 与g r o n g “”在分析摩擦焊接头温度与应变速率分布的基础上， 研究了沿轴向及径向晶粒尺寸的变化。 莲井与松井【1 1 】研究了摩擦表面状态对摩擦行为的影响，r e i c h e l m 与才荫先m 1 等提示了摩擦焊初始阶段表面所发生的摩擦现象以及出现的塑性变形和塑性流 动。杜随更”1 “1 等对焊接金属的再结晶过程及初始阶段的摩擦机制和摩擦系数进 行了研究，认为在摩擦焊的初始阶段，摩擦表面的摩擦机制主要为粘着摩擦，在 边缘区域存在着氧化摩擦。雷永平。”对摩擦焊过程中的塑性流动做了些有益的探 讨：通过对摩擦焊机理的分析，提出了以摩擦界面污物自清除率作为评价摩擦对 焊接接头“优”、“劣”的方法，并结合管结构的特点，分析了摩擦变形过程中摩 擦界面及界面塑性区金属质点的运动规律。 摩擦焊接不仅用于钢材之间的连接，而且用在陶瓷与铝之间的粘接，拓展了 该工艺的应用范围。w e i s sr 【14 】研究了陶瓷与铝的摩擦焊接后的残余应力和接头 的强度，采用棒料形式焊接。借助于有限元( f e m ) 方法计算了焊后的残余应力分 布及焊接过程中的温度场，并计算了失效概率( w e i b e l l 分布) 。s h i n o z a k ik 【l 珂等分 析了焊后的冶金性能，得出晶粒尺寸与焊按压力等的关系及晶粒大小的分布情 况，测试了蠕变持久极限等力学性能。傅耕1 6 】等研究了在强电场作用下，t 2 紫 铜和1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢摩擦焊焊接接头退火显微组织及其主要合金元素的扩散 行为的影响，得出了外加电场加快了焊合区金属的再结晶进程，提高了晶粒长大 速度，增大了晶粒尺寸，且使退火孪晶数量增多。 摩擦焊属于固态焊，不会出现像熔化焊过程中出现的气孔、缩孔、缩松等缺 陷“，但是当焊接不良时，在摩擦焊接头处会出现虚焊、灰斑、硫化物、未焊合 等缺陷。这些缺陷会严重降低焊接件的力学性能“8 。”1 。 1 2 人工神经网络 1 2 1 人工神经网络概述 人工神经网络【2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是在对人脑 组织结构和运行机制的认识理解基础之上模拟智能行为的一种工程系统，是由人 工建立的以有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续或断续的输入作状态晌 第一章绪论 应而进行信息处理。它由大量高度互联的简单处理单元组成，这些简单的处理单 元称为神经元。网络信息的处理由神经元之间的相互作用而实现，网络的知识结 构表现为神经元之间的物理联系，神经元的学习过程是确定各神经元联结权重的 动态演化过程，本质上是个超大规模非线性连续时间自适应信息处理系统，因 而具有快速容错、稳健的性质，其高度的自适应、自组织、自联想能力，是传统 信息处理系统无法比拟的。 神经网络的基本处理单元称为神经元，神经元的结构一般是一个多输入、单 输出的非线性器件。 人工神经网络( a n n ) 是随着科学人脑功能研究的发展而开始出现，并得到迅 速的发展。在2 0 世纪4 0 年代，心理学家m c c u l l o e h 和数学家p i t t s 合作提出了 人工神经网络的第一个神经元的m p m 模型，从此开始了人工神经网络研究的新时 代。1 9 4 4 年h e b b 提出了h e b b 规则，1 9 5 7 处r o s e n b l a t t 引入了感知器的概念， 1 9 6 2 年w i d r o w 提出了a d a l i n e ，2 0 世纪4 0 6 0 年代是人工神经网络研究的第 一个高潮。但在1 9 6 9 年，由于m i n s k y 和p a p e r 出版的p r e c e p t r o n 对a n n 的 悲观结论，a n n 的研究一度处于低潮。直到1 9 8 2 年，美国加州工学院物理学家 h o p f i e l d 提出了h n n 网络模型，并引入了计算能量函数的概念，a n n 的研究和应 用才迎来了第二个高潮，同时人工神经网络理论也得到了美、日、欧洲等国家的 高度重视，各种神经网络模型层出不穷：b p 网、r b p 网、h o p f i e l d 网及b s b 模 型、k o h o n e n 模型、a r t 模型等等，广泛的应用于自动控制、模式处理与识别、 图像与数据的压缩、金融业与经济模拟、模糊知识和处理、决策评估与优化等诸 多领域。 1 2 2 人工神经网络的基本原理 人工神经网络由许多小的处理单元互相联接而成，图卜1 所示是一个简化的 多输入、单输出的人工神经网络。每个单元的功能简单，但大量单元集成的、并 行的处理活动在识别、计算时具有较快的速度。 4 第一章绪论 图卜1 人工神经网络神经元的结构模型示意图 其输入输出关系可以描述为： s ，= 一x ，+ b ( 1 1 ) 以= g ( s 。) ( 卜2 ) r = f ( i t ，) ( 卜3 ) 式中：s ，一神经元所接受输入信号的总和； “一神经元的状态； 舅一神经元的阈值： f ( x ) 一神经元的触发函数( 阈值函数) ，它将处理单元的1 1 维向量( 输 入) 映射到预定的输出范围内( 输出) 。 神经元接受来自其它神经元的刺激电平( 输入) ，该信息首选经可变强度突 触( 连接权值) 传入神经元，神经元分别进行求和并通过传递函数进行函数变换， 产生一个输出，此输出即为神经元的当前状态。一般常用的传递函数有以下四种 线性函数：厂( z ) = 舡；阶跃函数：，( x ) = 化：三： 在这种模型中， 神经元没有内部状态，是一种最早提出的二值离散神经元模型：( 要) s i g m o i d 函数 ( 又叫s 型函数) ：，( x ) 2 再专：万该模型般也没有内部状态并连续取值，其输 入输出我常用对数或正切值等一类s 状曲线来表示，这类曲线反映了神经元的饱 和特性，且在全域内是连续的，是最常用的传递函数；双曲线函数： m o 。= 筹。 人工神经网络的信息处理功能是由神经元的输入输出和网络的拓扑结构，即 第一章绪论 神经元的连接方式决定的。人工神经网络具有很强的容错性，即局部的神经元损 坏后，不影响全局的活动。人工神经网络所记忆的信息是存储在神经元之间的权 值中，从单个权值看不出其存储信息的内容，它是分布式的存贮方式。人工神经 网络具有十分强的学习能力，人工神经网络的连接经和连接结构都可以通过学习 得到。 1 2 3 人工神经网络在焊接领域的应用 焊接过程是一个复杂的过程，存在许多不确定的模糊知识，往往需要根据经 验来做出决定，这种复杂性决定了其数学模型建立的困难性，使得过程监测、性 能预测和自动控制极为困难。而人工神经网络在解决高度非线性和严重不确定性 系统方面的巨大潜力，使其在焊接领域的应用倍受青睐。目前，人工神经网络在 焊接工艺参数设计、焊缝成形控制、焊接接头性能预测与监控、焊接缺陷的检测、 点焊质量控制等方面都已取得较理想的效果。 ( 1 ) 焊接工艺参数设计焊接工艺参数设计以前常采用专家系统技术来实现， 但有的专家系统技术在解决焊接工艺参数设计进程中存在知识获取困难、自学习 能力差以及“知识窄”等问题上，因此，将人工神经网络引入专家系统中，很好 地解决了这个问题。如彭金宇等利用三层b p 网络建立了手工电弧焊和埋弧焊焊 接参数设计网络，以焊接条件作为输入，以焊接参数分别作为各网络的输出，采 用带冲量项的改进b p 算法对网络进行训练。测试表明所设计的神经网络具有很 强的自适应能力、良好的容错与协调能力以及显著的联想能力。余圣甫等利用人 工神经网络对药芯焊丝焊接材料的焊接工艺性能与焊接材料的基本配方及焊接 工艺参数之间的关系进行了研究，将b p 算法与g a 算法结合起来，计算了y j 7 5 药芯焊丝焊接工艺性能为最佳的情况下，药芯焊丝药芯粉的配方。 ( 2 ) 焊缝成形控制焊缝成形控制是对焊缝几何尺寸进行调节。在弧焊焊缝 成形控制中，弧焊过程作为一个复杂系统具有高度的非线性、时变性和不确定性， 同时又存在多变量耦合作用，要对该过程建立一个精确的数学模型相当困难，而 人工神经网络可在不做任何假设的情况下对对象进行建模和控制。因此，将神经 网络引入焊缝成形控制与基于一定假设条件下建立熔池数学模型的控制方法相 比取得了较好的效果。a n d e n s o nk 等利用b p 神经网络在线建立了钨极氩弧焊 ( 3 t a w ( g a s t u n g s t e n a r c w e l d i n g ) 模型。b p 网络以焊接电流、焊接电压、焊接 6 第一章绪论 速度以及送丝速度作为输入，而以焊缝的熔深和熔宽作为输出。 ( 3 ) 焊接接头性能预测与监控王宸煜等把b p 神经网络用于镀锌钢板点焊 的质量预测中，将通过实验得到的点焊参数与相应点焊接头质量的实验数据供给 神经网络学习，通过其非线性映射的泛化能力自动提取所学习知识的特征，描述 点焊参数空间与点焊接头质量空间的映射关系。对b p 神经网络进行训练，结果 表明神经网络能够合理地预测焊接电流对镀锌板点焊性能的影响规律，说明将神 经网络用于镀锌钢板点焊性能的估测中是可行的。 ( 4 ) 焊接缺陷的检测焊接缺陷的检测方法是多种多样的，神经网络与各种 方法的相结合，能够获得更多的信息。用超声波检验中，常根据反射波的形状和 波幅变化柬判定焊接质量。采用人工神经网络的记忆和聚类处理的优点，可以实 现超声波智能检验。美国的g sk o h n e 用超声反射回波的各种时域特征，解 决了比声束直径小的缺陷的尺寸和方向的识别问题。 国外在9 0 年代初有英国学者j a v e d m a 和s a n d e r s s a + c 用镀锌钢 板点焊的电参数和熔核直径作为网络的训练样本，对一个多层自组织特征映射嘲 进行实验数据的离线训练，训i 练后的网络能够自动完成从输入欠量空问( 焊接压 力、焊接电流和焊接时间) 到输出矢量空间( 熔核尺寸) 的映射，并将这一网络 拉入实时系统中形成对镀锌银板点焊的质量控制。另外，美国的w jm e s s l a r 等”发的用于电阻点焊控制的a n n f u z z y 系统，英国pl i ，等用神经网络确 定t i g 焊接参数，日本学者t a k u m a m a s o r t i 等用神经网络的材料诊断和寿命估计 等。 13m a t i a b 语言 m a 廿a b 语言朝矩阵实验塞，是一种建立在向量、数组和矩阵基础上，薤向 科学与工程计算，实现计算结果可视化处理的高级语基，它把数值计算、矩障计 算、函数图形生成与处理、控制系统仿真、神经网络、信号处理等诸多强大的功 能集成在一个便于用户使用的交互环境中，为数学计算、公式推导、科研及设计 提供了一个翁掌、易用、高效的工具。由于语句的表达十分接近予人们的数学表 达习惯，因而远比f o r t r a n 语言、c 语言等其它高级编程语言好学，具有极高 的编程效率。 7 0 年代中期，c l e v em o l e r 等在美国国家科学基金的资助下研究开发了调用 7 第一章绪论 l i n p a c k 和e l s p a c k 的f o r t r a n 子程序库，分别用来求解线性方程和特征 值问题。7 0 年代后期，c l e v em o l e r 编写了方便使用l 1 n p a c k 和e l s p a c k 的 接口程序，并把这个接口程序取名为m a t l a b 。1 9 8 3 年初，如f l l ll i t t l e 受到m a t | a b 的启发，发现了其在工程领域内的潜在应用天地。他和m o l e r ，s t e v e 和b a n q e r t 一起合作开发第二代专业版的m a t l a b 。这一代的m a t l a b 的核心开始用c 语言编 写，同时增加了绘图和图形功能。1 9 8 4 年，m a t l a b 公司成立，推出了m a t l a b 最 初版本。1 9 9 2 年，m a t l a b 4 0 版本问世，并于1 9 9 3 年推出厂微机版和风w i n d o w s 版本。1 9 9 4 年的m a d a m 2 版本又扩充了功能、改进了图形设计。1 9 9 7 年， m a t h w o r k s 公司推出了适用于w i n d o w s9 5 的m a t l a b 5 0 和s i m l i n k2 0 ，实 现了3 2 位运作，数值计算速度也加快了，图形表现更丰富有效，编程更简捷直 观，用户界面更友好。 现在，m a t l a b 有3 0 多个工具箱( t o o l b o x ) ，功能极其强大，如神经网络、 优化、小波分析、信号处理、图像处理、控制系统、偏微分方程、模糊逻缉、统 计分析、样条、鲁捧、系统辨识等，为用于科学研究和工程计算，提供了一个方 便有效的工具。 本文中涉及到的计算程序都是基于m a t l a b 语言编写的。 1 4 本课题研究的内容和意义 1 41 课题研究内容 在分析与研究b p 网络的基本结构和原始b p 算法的基础上，对现有的各种 快速b p 算法的基本特性进行了比较分析，认为快速牛顿法是一种较好的b p 算 法，比较适合于实际应用。 研究了摩擦焊接各工艺参数对焊接接头质量的影响规律。采用正交试验设计 方法来安排实验，采集神经网络的训练样本，以不同焊件直径下各工艺规范参数 组合下对应的拉伸强度值，作为接头质量预测神经网络的训练样本。并采用极差 分析的方法处理实验数据，用实例通过结果验证，从而完成了神经网络训练样本 的采集，在实验数据处理中，基于m a t l a b 进行编程计算，完成了数据的处理， 并给出了相应的程序清单。 人工神经网络技术的应用显示了巨大的优越性，本课题研究利用了人工神经 第一章绪论 网络的学习特性，根据实验数据建立基于神经网络的摩擦焊接工艺参数( 工件直 径、摩擦压力、顶锻压力、摩擦时间、顶锻时间) 与焊接质量( 抗拉强度) 的评价系 统，并且基于m a t l a b 语言进行编程处理。同时将模糊理论引入评价之中，采用 模糊理论对焊接接头质量进行评价，收到较好的效果。 1 4 2 选题意义 实践证明摩擦焊接是一种经济效益显著的焊接方法，其工艺设计是一门经验 性很强、技巧性很高的学科。随着摩擦焊接研究的不断深入，已形成了一定的成 熟理论与实践法则。然而摩擦焊接工艺是随生产环境和生产发展而变化的。因而 焊接工艺设计不具有精确的定义和严密的分析，具有模糊推理的性质，与焊接质 量有关的一些指标难以量化。而摩擦焊接由于能够得到较好力学性能的焊接接 头，在实际的生产中得到了广泛的应用。同时，又由于摩擦焊接工艺参数选择的 复杂性，对焊接接头质量的评价显得尤为重要。传统上，根据经验值选定摩擦焊 接的工艺参数，采用破坏性的拉伸实验检测接头的质量和性能。这些方法显然费 时费力，不能适用规模化、自动化、智能化的现代化生产模式的需要，所以，如 何方便、智能地确定摩擦焊接的工艺参数、检测接头性能来指导实际生产已成为 该领域研究的热点。 从目前的研究进展来看，人工神经网络技术的应用已显示了巨大的优越性， 在焊接领域已有不少的学者在熔化焊工艺参数设计、接头性能估测、点焊质量控 制、m i g 焊接过程控制、h a z 性能预测等方面做了大量的尝试和研究。但是， 针对摩擦焊接这种先进的连接方法的工艺参数和质量预测评估还较少。 本文正是基于此，引入人工神经网络，建立可用于预测和评估的b p 网络模 型，同时，将模糊理论引入评价体系之中，并且基于m a t l a b 语言进行编程处理。 实现对摩擦焊接质量预测与评估。 第二章摩擦焊工艺介绍 第= 章摩擦焊工艺介绍 人们很早就有在对接物的表面以发热的方式把其粘接在一起的想法，在本 世纪初就有些尝试和应用，直至u 1 9 5 6 年c h u d i k o v 所作的科学试验才标志着这种想 法的实现。这是一个开创性的工作，证明了可以把金属棒采用摩擦焊接的形式可 获得高性能的焊接接头的可能性。从那以后，v i l l 等前苏联的科学工作者作了更 广泛的试验，并取得了一些成绩。1 9 6 0 年，这种工艺被介绍到美国，a m e r i c a n m a c h i n ea n df o u n d r yc o 的h o l l a n d e ra n dc h e n g 专门针对摩擦焊接的参数分 析和传热方面作了些开创性的工作。1 9 6 2 年c a r t e r p i l l a rt r a c t o rc o m p a n y 研 制出一台称之为“惯性”的摩擦焊机，从那时起，才有了惯性摩擦焊接和连续驱动 摩擦焊接的区分。 摩擦焊接是一种固相焊接方式。作为焊接工艺的一种，与电阻焊、闪光焊、 电弧焊等焊接形式有极大的差别。在焊接过程中发生剪切、粘着、摩擦等具有摩 擦特性的现象，同时产生相变、溶合等冶金现象，并伴随着传热、传质和扩散等 行为。摩擦焊接整个工艺过程特别复杂，其理论基础涉及到摩擦学、冶金学、传 质学、传热学、传力学等，焊接质量又受母材的性质、表面加工状况、轴向压力、 周向速度、顶锻压力、焊接时间、轴向缩短量等因素的制约。在摩擦焊接时，焊 接过程进行的时间短，母材通常不溶化，焊缝区域为锻造组织，接头不会产生熔 焊所特有的一系列缺陷和焊接脆化现象，这种优点特别适用于异种金属的焊接及 熔焊难以发挥作用的场合中，而焊接效率高的特点特别适合于自动化程度高的制 造业中。 摩擦焊的基本原理是将两个回形截面工件进行对接焊时，首先使一个工件以 中心线为轴高速旋转，然后将另一个工件向旋转工件施加轴向压力f ，接触端面 开始摩擦加热，达到给定的摩擦时间或规定的摩擦变形量时，立即停止工件转动， 同时施加更大的轴向压力f ：顶锻，完成焊接。焊接过程不添加任何填充金属，不 需焊剂，也不用保护气体，焊接时间短。图2 1 所示为普通摩擦焊接过程的原理 示意图。 两被焊工件接触面之间在压力下高速相对摩擦便产生两个很重要的效果：一 是破坏了结合面上的氧化膜或其他污染层，使纯金属暴露出来：另一个是发热， 1 0 第二二章摩擦焊工艺介绍 使接合面很快形成热塑性层。在随后的摩擦扭矩和轴向压力的作用下这些破碎的 氧化物和部分塑性层被挤出接合而形成飞边，剩余的塑性变形金属便构成焊缝金 属，最后的顶锻使焊缝金属获得进一步锻造，形成了质量良好的焊接接头。 f f ，誓 ( a ， f球一 蠢 、。 o ) f 攀 l建 、 西 r 2 1 摩擦焊接的分类 锄 图2 一l 普通摩擦焊接过程的原理示意图 摩擦焊接按焊接方式可分为连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊、直线摩擦焊三种 形式，在工业生产中以前两种最为常见。 2 1 1 连续驱动摩擦焊 连续驱动摩擦焊( c o n t i n u o u sd r i v i n gf r i c t i o nw e l d i n g ) 工艺发明得最 早，以前苏联为代表。它采用电机或液压系统连续提供动力，焊接的工件形式为 圆形回转体( 主要以棒材和管材为主) 。其焊接参数的变化规律如图所示，在整个 摩擦焊接过程中速度和压力几乎保持不变，并采用定时或给定轴向缩短量的方式 来控制焊接进行的时间。大量的研究表明，焊接质量取决于相对速度、摩擦压力、 轴向缩短量和顶锻压力因素，而且周向速度也相当重要，它直接决定焊接过程中 摩擦界面的最高温度，从而直接影响焊接的冶金质量。当轴向缩短量一定时，速 度太高，界面的峰值温度就大，加热时间长，有可能产生过热状态；反之，速度 太低，界面的峰值温度就低，加热时间短，产生的金相组织不理想，这两种情况 都导致接头质量低。 星三童壁堡堡王苎坌塑 ：一 譬 i 砷bf ，2 8 0 摩擦加帆制砒。 ： 岛 ，4 转速” r 轴向压力r， 厌举公 ，。 迨够夕 五 一 疋 一 图2 - 2 连续驱动摩擦焊过程中主要参数的变化规律 摩擦压力与周向速度相互作用，当周向速度高摩擦压力小时，变形的速率就 小，促使焊接过程延长，导致焊接接头产生过热，组织粗大；当速度小摩擦压力 大时，可提高变形速率，缩短焊接时间，但加热不足，焊接不充分，同样会降低 接头的焊接质量。对大多数材料而言，周向速度和摩擦压力值的匹配范围相当广， 进丽可产生理想的金相组织，获得高质量的焊接接头。 当周向速度和摩擦压力一定时，材料的变形速率与所焊接件的直径有关，在 对2 0 和3 5 钢的摩擦焊接研究表明，材料的变形速率m v 与直径d ( d = 6 6 4 m m ) 有以下 关系： m r = d 3 7 8 1 3 其中m v 单位为m m 3 s ，d 的单位为m m 。 试验室的研究表明，为保证焊接质量，对棒材的轴向缩短量可取为直径的 2 0 ；管材可取为直径的5 0 ( 直径范围为6 6 4 m m ) 。 焊接时间与材料的直径有以下经验公式：t = 0 0 0 5 d 2 其中t 为焊接时间，单位为秒，d 为直径，单位为f i l m 。这些经验公式对大多数 的碳钢和低强度合金是适用的，但对表面经硬化或化学处理的钢则有一定的局限 第二章摩擦焊工艺介绍 性。 当焊接产生的热充足时，旋转件停止转动，此时压力保持不变或有些提高， 产生顶锻压力，压力的大小取决于材料高温时的强度，可以保证焊接区能够固化。 顶锻压力太大，还使焊接区金属产生过量变形，从而使焊瘤增大，h a z 区长度缩 短，金属纤维会重新分布，严重时可使机构的断裂韧性下降，降低了疲劳性能。 反之，当顶锻压力太小时，会使焊接区固化不充分，焊缝可能存在裂纹或其它缺 陷，导致焊接工艺彻底失败。 连续驱动摩擦焊接受到速度、压力、轴向缩短量、焊接时间等因素的影响， 不太容易控制。 2 1 2 惯性摩擦焊 与连续驱动焊接相比，惯性摩擦焊接( i n e r t i af r i c t i o nw e l d i n g ) 采用 飞轮储能的方法，即装夹旋转件的卡盘与一个或两个飞轮相连，在焊接开始前就 把动能储存在飞轮上，焊接开始后把动能以摩擦的方式转化为热能，从而实现摩 擦焊接。焊接过程中的各参数变化规律如图2 3 所示。操作方法很简单：在摩擦 焊机的车架上装有夹爪，把准备焊接的两工件之一牢固地夹在该夹爪中，另一件 是被固定在飞轮上面液压操作的夹爪中。开动马达，达到预定转速后，夹有固定 件的车架朝飞轮转动的另一工件上，高速旋转产生的摩擦力使飞轮制动，使马达 与飞轮脱离。固定件在压力p 的作用下与旋转件接触，依靠飞轮上的能量，旋转 部分的速度在摩擦力的作用下逐渐减小，摩擦产生的热使摩擦面间的金属的温度 迅速升高，金属的强度降低，产生塑性流动，最终实现摩擦焊接。靠快速的摩擦 生热把材料加热到焊接温度，在轴向压力的作用下使两工件焊接在起，当动能 被消耗尽时，也就完成了焊接过程。因此，焊接过程中速度是时间的函数，而且 速度随焊接过程的进行是个递减的过程。 惯性摩擦焊接分为三个阶段，其最明显的标志是扭矩的变化。在第一阶段， 主导机制是干摩擦磨损，两对焊接头表面间的微凸体在压力的作用下互相嵌入发 生粘着，这个过程持续很短。因为，此时的速度最大，相对摩擦速度就高，于是 扭矩在很短的时间内达到某一峰值。储存的动能的很大一部分在这个阶段被极快 地消耗掉，转化为热能，使摩擦表面及次表面温度升高，强度降低，产生塑性流 动，尽管存在应变硬化，但起主导作用的是高温软化，因此摩擦扭矩很快下降。 第二章摩擦焊工艺介绍 接上飞轮主轴旋转施加轴向压力焊接完成 时间一 图2 - 3 惯性摩擦焊焊接过程的原理示意图 在第一阶段由于瞬时大量动能的输入，在摩擦表面形成了一层极薄的塑性 流，受绝热限制，热量传到金属的空间有限，于是形成了绝热剪切。这标志着第 二阶段的开始，该阶段应变硬化和热软化效应达到平衡，具有自我调节能力，在 曲线上可看到扭矩基本恒定。 在第二阶段和第三阶段相互转化区，能量的下降、应变速率的变化及相互作 用的过程特别复杂。摩擦扭矩基本保持不变，沿表面的温度梯度下降，窄的变形 区迅速变宽，绝热剪切现象逐渐消失。在第三阶段，由于转速和温度持续下降， 其主导机制是扭转顶锻，摩擦区材料的逐渐冷却使得扭矩又上升到一新的峰值， 摩擦面间的软化金属被不断地排出摩擦面形成焊瘤，当旋转完全停止后，标志着 第三个阶段的结束。 惯性摩擦焊接的能量输入以热流密度的形式表示如下： q ( r ，t ) = 5 8 a r n ( t ) 式中：a 一常数，由摩擦系数和单位名义压力决定： r 一半径； 1 4 第二章摩擦焊工艺介绍 n ( t ) 一速度，为时间的函数。 惯性摩擦焊接主要涉及到速度和压力两个参数，控制相对容易些。 21 3 直线摩擦焊 连续驱动摩擦焊接和惯性摩擦焊接的工件都为回转形式，其横截面可为圆、 正多面体等形状，只要为轴对称即可。而直线( 或圆棒) 摩擦焊接( l i n ef r i c t i o n w e l d i n g ) 可弥补前两种焊接形式的不足，能焊接板、螺旋桨的叶片等多种复杂 的形状，拓展了摩擦焊接工艺的应用范围。近几年来，这种工艺在喷气发动机的 制造和维修方面取得了比较好的成绩，因为它可以满足其它焊接工艺很难保证发 动机零部件所用材料和合金的焊接或堆焊质量。在现在的喷气发动机的制造中， 需在叶轮上加工出槽，将叶片安装在槽内，当叶片磨损后将其换掉，换上新的叶 片。使用直线摩擦焊，在新型的发动机叶轮的设计中可使叶片与发动机成为一体 化，大大改善发动机的性能。通用电气公司航空发动机部( c e a e ) 的p r a t t w h i t n