【摘要】：在被譽為“21世紀最具發(fā)展前景的先進焊接技術之一”的高能束焊接技術中,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、焊縫無氣孔等諸多優(yōu)點,廣泛應用于航空航天、核電等高端制造業(yè)領域。由于等離子弧獨特的物理特性,為穿孔型等離子弧焊接帶來一系列問題,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、可調工藝裕度窄等。因此,如何實現(xiàn)穿孔等離子弧焊接過程穩(wěn)定運行、適度拓寬工藝參數(shù)裕度,準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域極具挑戰(zhàn)性的難題之一。在圍繞宇航焊接結構(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、聲音信號以及穿孔熔池的視覺特征信號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態(tài)在線監(jiān)測及實時穩(wěn)定控制的新途徑。本文對2219鋁合金VPPAW過程焊縫熔透預測與控制問題進行了深入的研究,首先搭建了一套VPPAW過程多傳感器信息采集及控制系統(tǒng)平臺,該平臺不僅可以實現(xiàn)焊接過程多傳感器信息的實時采集和處理,還可以實現(xiàn)穿孔熔池動態(tài)過程的建模和閉環(huán)熔透控制。為了實現(xiàn)對2219鋁合金VPPAW過程穿孔熔池動態(tài)變化的監(jiān)測,設計了雙光路視覺傳感系統(tǒng),實現(xiàn)了工件正反面穿孔熔池圖像的同步采集。通過對不同熔透狀態(tài)下的熔池-小孔動態(tài)行為的分析,開發(fā)了基于組合部件模型(Part-based Model)的圖像識別算法以提取穿孔熔池的視覺特征。然后通過調節(jié)焊接工藝參數(shù)來改變電弧的穿透能力,觀察不同焊接工藝條件下的焊接質量對熔池特征參數(shù)的影響趨勢。在此基礎上,通過改進的背面視覺傳感系統(tǒng),深入研究背面小孔尺寸的動態(tài)變化特征與焊接質量的關系,并結合建立的VPPAW穿孔熔池受力模型分析其變化機理。受焊接過程可能存在強等離子弧、尾焰以及飛濺的影響,因而有時難以獲得清晰穩(wěn)定的視覺圖像。考慮到電弧聲包含了大量焊接過程的信息,為此,本文引入焊接電弧聲信號作為另外一種重要的傳感方式。在充分理解獨特的等離子弧焊“雙聲源特性”的基礎上,采用信號處理技術對焊接動態(tài)過程進行了深入研究,并提取了VPPAW過程的聲音時域特征、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態(tài)行為和實際焊接質量之間的關系,為基于電弧聲信號的VPPAW熔透狀態(tài)監(jiān)測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上,采用了一種基于t分布隨機領域嵌套(t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding,t-SNE)的流形學習方法,實現(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(Deep Belief Network,DBN)模型為分類算法,構建了基于多源信息特征的熔透分類模型,定性化地判斷VPPAW過程的實際熔透狀態(tài)。最后構建了自適應神經(jīng)模型推理系統(tǒng)(Adaptive neuro-fuzzy inference system,ANFIS)的焊縫成形預測模型,來預測當前時刻的背面熔寬值,從而為VPPAW后續(xù)閉環(huán)控制提供特征信息反饋值。在VPPAW焊接過程信息獲取、融合處理、知識建模的基礎上,針對難以建立控制器所需的精確模型的局限性,本文將無模型自適應控制(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,從而實現(xiàn)焊縫的穩(wěn)定成形。為了比較控制效果,設計了單變量的PID控制器和多變量的MFAC控制器并對這兩種控制器進行了仿真和驗證了控制器的有效性。對2219鋁合金變熱輸入、變散熱以及變厚度條件下進行一系列控制實驗,并且比較了兩種控制器的實際控制效果。實驗結果表明,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“中國制造 2025”和“工業(yè) 4.0”概念的提出，圍繞創(chuàng)新驅動、智能發(fā)展的主題，“高能束智能加工與綠色制造”成為了當今高端焊接技術和難點。作為先進的高能束焊接技術之一，變極性等離子弧焊接(Varity Plasma Arc Welding，簡稱 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，從而產生穩(wěn)定的穿孔熔池，實現(xiàn)中厚板焊雙面成型[1]。與常規(guī)的鎢極氬弧焊(Gas TungstenArc Welding，簡稱 G(如圖 1-1 所示)，，VPPAW 工藝通過高溫壓縮的等離子弧形成貫穿工件yhole)，從而實現(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生，被稱為“零缺陷”的焊接技術，并作為主力焊接工藝在航天器制造領域[2]。

第一章 緒論homay Pal 等人[7]首先應用響應面法(RSM)進行了一系列脈沖 MIG，并采集到了相應的焊接電流、電壓信息，然后對電信號進行特征為神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的輸入?yún)?shù)，從而預測得到工件的極限拉應強度的實時監(jiān)控，整個實驗系統(tǒng)如圖 1-2 所示。基于神經(jīng)網(wǎng)絡的智 Kim 等人[8]將采集到的 GMA 焊接過程電流、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、熔實現(xiàn)焊接參數(shù)的優(yōu)化設計。此外，文獻[9-10]主要研究了電阻焊過接電流對工件焊縫性能、電阻焊熔核尺寸、斷裂性能的影響，從而參數(shù)的優(yōu)化提供了指導依據(jù)。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG457.14

【參考文獻】

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2 春蘭;韓永全;陳芙蓉;洪海濤;;脈沖變極性等離子弧焊接系統(tǒng)及其特征信號分析[J];機械工程學報;2014年18期

3 春蘭;韓永全;郭靜;陳芙蓉;;鋁合金脈沖VPPA焊接電信號的小波分析[J];電焊機;2014年02期

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6 陳善本;陳波;馬宏波;林濤;;多傳感器信息融合技術在焊接中的應用及展望[J];電焊機;2009年01期

7 石s

本文編號：2671149