發(fā)布時(shí)間：2020-05-19 16:12

【摘要】：在被譽(yù)為“21世紀(jì)最具發(fā)展前景的先進(jìn)焊接技術(shù)之一”的高能束焊接技術(shù)中,鋁合金穿孔型變極性等離子弧焊(VPPAW)由于具有能量密度高、穿透力強(qiáng)、焊縫無(wú)氣孔等諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天、核電等高端制造業(yè)領(lǐng)域。由于等離子弧獨(dú)特的物理特性,為穿孔型等離子弧焊接帶來(lái)一系列問(wèn)題,如等離子弧焊接熔池-小孔穩(wěn)定性、工藝規(guī)范參數(shù)敏感性、可調(diào)工藝裕度窄等。因此,如何實(shí)現(xiàn)穿孔等離子弧焊接過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行、適度拓寬工藝參數(shù)裕度,準(zhǔn)確表征鋁合金變極性等離子弧焊接小孔行為、熔池特征信息以及穩(wěn)定成形控制一直是焊接領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的難題之一。在圍繞宇航焊接結(jié)構(gòu)(件)焊接智能制造的背景下,本文嘗試發(fā)展一種基于等離子弧的電信號(hào)、聲音信號(hào)以及穿孔熔池的視覺特征信號(hào)等多源信息智能處理、鋁合金變極性等離子弧焊穿孔行為動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制的新途徑。本文對(duì)2219鋁合金VPPAW過(guò)程焊縫熔透預(yù)測(cè)與控制問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究,首先搭建了一套VPPAW過(guò)程多傳感器信息采集及控制系統(tǒng)平臺(tái),該平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程多傳感器信息的實(shí)時(shí)采集和處理,還可以實(shí)現(xiàn)穿孔熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的建模和閉環(huán)熔透控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)2219鋁合金VPPAW過(guò)程穿孔熔池動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè),設(shè)計(jì)了雙光路視覺傳感系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了工件正反面穿孔熔池圖像的同步采集。通過(guò)對(duì)不同熔透狀態(tài)下的熔池-小孔動(dòng)態(tài)行為的分析,開發(fā)了基于組合部件模型(Part-based Model)的圖像識(shí)別算法以提取穿孔熔池的視覺特征。然后通過(guò)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)來(lái)改變電弧的穿透能力,觀察不同焊接工藝條件下的焊接質(zhì)量對(duì)熔池特征參數(shù)的影響趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)改進(jìn)的背面視覺傳感系統(tǒng),深入研究背面小孔尺寸的動(dòng)態(tài)變化特征與焊接質(zhì)量的關(guān)系,并結(jié)合建立的VPPAW穿孔熔池受力模型分析其變化機(jī)理。受焊接過(guò)程可能存在強(qiáng)等離子弧、尾焰以及飛濺的影響,因而有時(shí)難以獲得清晰穩(wěn)定的視覺圖像�？紤]到電弧聲包含了大量焊接過(guò)程的信息,為此,本文引入焊接電弧聲信號(hào)作為另外一種重要的傳感方式。在充分理解獨(dú)特的等離子弧焊“雙聲源特性”的基礎(chǔ)上,采用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了深入研究,并提取了VPPAW過(guò)程的聲音時(shí)域特征、頻域特征以及梅爾頻率倒譜系數(shù)(MFCC)。最終分析這些聲音特征與背面小孔動(dòng)態(tài)行為和實(shí)際焊接質(zhì)量之間的關(guān)系,為基于電弧聲信號(hào)的VPPAW熔透狀態(tài)監(jiān)測(cè)和成形控制提供了熔透特征值。在穿孔熔池圖像和等離子弧聲音的多源信息特征層融合的基礎(chǔ)上,采用了一種基于t分布隨機(jī)領(lǐng)域嵌套(t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding,t-SNE)的流形學(xué)習(xí)方法,實(shí)現(xiàn)了高維特征空間的降維和可視化。其次以深度信念網(wǎng)絡(luò)(Deep Belief Network,DBN)模型為分類算法,構(gòu)建了基于多源信息特征的熔透分類模型,定性化地判斷VPPAW過(guò)程的實(shí)際熔透狀態(tài)。最后構(gòu)建了自適應(yīng)神經(jīng)模型推理系統(tǒng)(Adaptive neuro-fuzzy inference system,ANFIS)的焊縫成形預(yù)測(cè)模型,來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的背面熔寬值,從而為VPPAW后續(xù)閉環(huán)控制提供特征信息反饋值。在VPPAW焊接過(guò)程信息獲取、融合處理、知識(shí)建模的基礎(chǔ)上,針對(duì)難以建立控制器所需的精確模型的局限性,本文將無(wú)模型自適應(yīng)控制(Model-Free Adaptive Control,MFAC)引入到VPPAW的焊縫成形控制中,以背面熔寬為被控量,從而實(shí)現(xiàn)焊縫的穩(wěn)定成形。為了比較控制效果,設(shè)計(jì)了單變量的PID控制器和多變量的MFAC控制器并對(duì)這兩種控制器進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證了控制器的有效性。對(duì)2219鋁合金變熱輸入、變散熱以及變厚度條件下進(jìn)行一系列控制實(shí)驗(yàn),并且比較了兩種控制器的實(shí)際控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以焊接電流作為單變量的PID控制器雖然能防止焊縫發(fā)生焊漏,但不能得到均勻一致的焊縫成形。利用焊接電流和等離子氣流量的多變量MFAC控制器能夠得到均勻一致的焊縫成形,從而獲得較理想的穩(wěn)定焊縫成形控制效果。
【圖文】：

VPPAW 工藝概況隨著“中國(guó)制造 2025”和“工業(yè) 4.0”概念的提出，圍繞創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能發(fā)展的主題，“高能束智能加工與綠色制造”成為了當(dāng)今高端焊接技術(shù)和難點(diǎn)。作為先進(jìn)的高能束焊接技術(shù)之一，變極性等離子弧焊接(Varity Plasma Arc Welding，簡(jiǎn)稱 VPPAW)由于具備能量密度高、電弧穿以及焊接效率高的諸多優(yōu)點(diǎn)，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的穿孔熔池，實(shí)現(xiàn)中厚板焊雙面成型[1]。與常規(guī)的鎢極氬弧焊(Gas TungstenArc Welding，簡(jiǎn)稱 G(如圖 1-1 所示)，，VPPAW 工藝通過(guò)高溫壓縮的等離子弧形成貫穿工件yhole)，從而實(shí)現(xiàn)鋁合金工件的穩(wěn)定熔透。由于該工藝可以很好地抑制等缺陷的產(chǎn)生，被稱為“零缺陷”的焊接技術(shù)，并作為主力焊接工藝在航天器制造領(lǐng)域[2]。

第一章 緒論homay Pal 等人[7]首先應(yīng)用響應(yīng)面法(RSM)進(jìn)行了一系列脈沖 MIG，并采集到了相應(yīng)的焊接電流、電壓信息，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行特征為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的輸入?yún)?shù)，從而預(yù)測(cè)得到工件的極限拉應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1-2 所示�；谏窠�(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智 Kim 等人[8]將采集到的 GMA 焊接過(guò)程電流、電壓參數(shù)均作為模型從而獲得最終的焊縫尺寸，其中包括背面焊縫寬度、焊縫高度、熔實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，文獻(xiàn)[9-10]主要研究了電阻焊過(guò)接電流對(duì)工件焊縫性能、電阻焊熔核尺寸、斷裂性能的影響，從而參數(shù)的優(yōu)化提供了指導(dǎo)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG457.14

【參考文獻(xiàn)】

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