基于参数自调节的P-GAMW数据库建立方法

2013-03-12 06:51:42甘焕春

电焊机 2013年7期

甘焕春

（中国能源建设集团广东火电工程总公司，广东广州510730）

0 前言

熔化极气体保护焊（GMAW）是一种高质量、高效率的焊接工艺[1]。其中，脉冲型熔化极气体保护焊（P-GMAW，Pulsed Gas Metal Arc Welding）是一种焊接电流周期性变化的熔化极气体保护焊，PGMAW进一步扩大了焊接规范区间，并且具有良好的保护效果。尽管P-GMAW焊接方法以其峰值电流和熔滴过渡是间歇可控的特点[2]，具有电流调节范围宽，可实现全位置焊接，可有效提高焊缝质量，减少熔滴过热和焊接烟尘，降低环境污染和对人体伤害等优点。但也存在焊接参数多，调节不便，需要具备相当经验的操作人员才能够熟练操作的局限性[3]。

P-GMAW焊通过设置焊接电流和送丝速度对焊接输入能量进行控制。焊接电流参数的组合不同，产生的熔滴过渡类型也不同，为实现理想的焊接效果，需要对焊接参数进行匹配。P-GMAW焊需设定的电流参数包括：峰值电流Ip，峰值时间tp，基值电流Ib和基值时间tb。另外，送丝速度v也直接影响对母材局部的焊接能量输入。

为了使电焊机有更好的调节性能，国内外焊接界一直致力于研究焊接参数的智能调节技术[4-5]。此外，随着计算机技术的发展，焊接专家系统也越来越受到人们的重视。在此将介绍一种在较大步长标定基础上进行的参数Newton插值自调节算法，并将这一算法运用于P-GMAW焊钢实验中验证其可行性。

1 参数自调节方法

传统方法对P-GMAW焊的参数匹配采用逐点细腻的标定，对每一焊接电流值对应的参数进行匹配，工作量极大。而基于大步长的参数标定，意味着改变在初始化时进行细腻标定的策略，只需要对若干典型参数进行标定。以φ1.2 mm碳钢焊丝的P-GMAW为例，假设焊接电流需要从80～350 A，那么可以设定步距为20 A，也就是说对80 A、100 A、120 A、140 A、160 A、180 A、200 A、220 A、240 A、260 A、280 A、300 A、320 A、340 A、350 A 等电流所对应的焊接参数进行标定。如果有参数典型值，如拐点、急剧变化点等，则需要额外考虑，在典型值附近进一步细化标定。较之细腻标定的方法，大步长的参数标定不会降低焊接参数准确性，还能在大幅度减少标定参数工作量的情况下，提高参数的适应性。

而参数自调节算法是保证进行大步距标定精度的基础，它通过局部Newton插值算法，在已标定电流参数的基础上对未标定焊接电流参数进行自调节，从而使可选焊接电流内的任意值都有较为准确的参数匹配。局部Newton插值算法是实现参数自调节的关键技术。

对于（xi，yi）（i=0，1，…，n），其中xi≠xj（i≠j），且yi=f（xi）；若有多项式pn（x）使得pn（xi）=yi=f（xi），其中i=0，1，…，n，则pn（x）为插值多项式，f（x）为被插值函数。

对于被插函数y=f（x），已知（xi，yi）（i=0，1，…，n）满足y=f（x），若有f（x）=Nn（x）+Rn（x），则Nn（x）=称为 Newton 插值多项式。其中为f（x）关于结点xi-k，xi-k+1，…，xi的k阶均差。另有ωk（x）=（x-x0）…（x-xk-1）（k=1，2，…，n+1）。

通过大步距标定的已知参考点，将数值代入Newton插值多项式，即可利用以上算法得到未标定点的相应数值。在实际应用时，为了避免高次插值多项的龙格（Runge）振荡现象，同时考虑到在处理器上计算的速度要求，采用三点二次局部Newton插值。

大步长标定确定了专家数据库的方向和骨架，为智能焊机确定了参数的参考点。局部Newton插值算法则是通过自调节产生细化的焊接参数匹配数据。自调节算法的实现过程如下：

（1）将全部的焊接参数按产生属性分为三类：初始化类（0类）、实际保存类（1类）、自动生成类（2类）。初始化类就是大步距标定的参数；实际保存类是在使用过程中保存的良好焊接参数；自动生成类是通过参数自调节算法生成的参数。

（2）大步长标定完成后，已有参数全都是0类参数，其他参数存储为空。当调节至非标定参数（如155 A）时，对0类参数采用局部Newton插值算法自动生成，如果此参数合适或者经微调后合适，可以将它保存为1类参数，如果不保存，则保留2类参数属性。当调节至标定参数（如120 A）时，如果此参数合适或者经微调后合适，可以将它保存为1类参数，并覆盖原来的0类参数。

（3）后续使用中，当调节至未标定参数点时，按照“1类→0类→2类”的优先级顺序选取计算点，采用局部Newton插值算法自动生成2类参数，如果参数合适或者经微调后合适，可将它保存为1类参数。同时，当调节至已标定1类、0类、2类参数点时，可以保存为新的1类参数，并覆盖原来的属性。

（4）持续按照“1类→0类→2类”的优先级顺序选取计算点，采用局部Newton插值算法自动生成2类参数，经微调合理后保存为1类参数，使专家数据库保持动态最佳状态。

下面以基于大步长参数自调节方法在φ1.2 mm碳钢焊丝焊接中的应用为例，试验讨论此方法的实际效果。

2 试验方法和设计

工艺试验条件和参数：采用自动行走机构，用φ1.2 mm碳钢焊丝，在普通碳钢板（厚度2～12 mm，根据电流大小选择）上进行平板堆焊。采用纯氩气作保护气，气体流量15 L/min，焊丝干伸长12 mm。弧压上限控制为45 V（弧压超过45 V即认为断弧），PID 参数为：Kp=2.2，Ti=100 ms，Td=500 ms，恒电流控制，等速送丝。

试验中标定的点有：60 A、80 A、100 A、120 A、140 A、160 A、180 A、200 A、220 A、240 A、260 A、280A、300A等。表1为φ1.2mm碳钢焊丝P-GMAW的大步距标定专家数据，绘制成曲线如图1所示。

可见在本试验中，峰值电流Ip、基值电流Ib分别为430 A和38 A固定不变的，平均电流的调节是通过调节峰值电流时间tp和基值时间tb来实现的。