甘煥春

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 廣東火電工程總公司，廣東 廣州510730）

0 前言

熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）是一種高質(zhì)量、高效率的焊接工藝[1]。其中，脈沖型熔化極氣體保護(hù)焊（P-GMAW，Pulsed Gas Metal Arc Welding）是一種焊接電流周期性變化的熔化極氣體保護(hù)焊，PGMAW進(jìn)一步擴(kuò)大了焊接規(guī)范區(qū)間，并且具有良好的保護(hù)效果。盡管P-GMAW焊接方法以其峰值電流和熔滴過(guò)渡是間歇可控的特點(diǎn)[2]，具有電流調(diào)節(jié)范圍寬，可實(shí)現(xiàn)全位置焊接，可有效提高焊縫質(zhì)量，減少熔滴過(guò)熱和焊接煙塵，降低環(huán)境污染和對(duì)人體傷害等優(yōu)點(diǎn)。但也存在焊接參數(shù)多，調(diào)節(jié)不便，需要具備相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的操作人員才能夠熟練操作的局限性[3]。

P-GMAW焊通過(guò)設(shè)置焊接電流和送絲速度對(duì)焊接輸入能量進(jìn)行控制。焊接電流參數(shù)的組合不同，產(chǎn)生的熔滴過(guò)渡類型也不同，為實(shí)現(xiàn)理想的焊接效果，需要對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行匹配。P-GMAW焊需設(shè)定的電流參數(shù)包括：峰值電流Ip，峰值時(shí)間tp，基值電流Ib和基值時(shí)間tb。另外，送絲速度v也直接影響對(duì)母材局部的焊接能量輸入。

為了使電焊機(jī)有更好的調(diào)節(jié)性能，國(guó)內(nèi)外焊接界一直致力于研究焊接參數(shù)的智能調(diào)節(jié)技術(shù)[4-5]。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，焊接專家系統(tǒng)也越來(lái)越受到人們的重視。在此將介紹一種在較大步長(zhǎng)標(biāo)定基礎(chǔ)上進(jìn)行的參數(shù)Newton插值自調(diào)節(jié)算法，并將這一算法運(yùn)用于P-GMAW焊鋼實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證其可行性。

1 參數(shù)自調(diào)節(jié)方法

傳統(tǒng)方法對(duì)P-GMAW焊的參數(shù)匹配采用逐點(diǎn)細(xì)膩的標(biāo)定，對(duì)每一焊接電流值對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行匹配，工作量極大。而基于大步長(zhǎng)的參數(shù)標(biāo)定，意味著改變?cè)诔跏蓟瘯r(shí)進(jìn)行細(xì)膩標(biāo)定的策略，只需要對(duì)若干典型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。以φ1.2 mm碳鋼焊絲的P-GMAW為例，假設(shè)焊接電流需要從80～350 A，那么可以設(shè)定步距為20 A，也就是說(shuō)對(duì)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 等電流所對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。如果有參數(shù)典型值，如拐點(diǎn)、急劇變化點(diǎn)等，則需要額外考慮，在典型值附近進(jìn)一步細(xì)化標(biāo)定。較之細(xì)膩標(biāo)定的方法，大步長(zhǎng)的參數(shù)標(biāo)定不會(huì)降低焊接參數(shù)準(zhǔn)確性，還能在大幅度減少標(biāo)定參數(shù)工作量的情況下，提高參數(shù)的適應(yīng)性。

而參數(shù)自調(diào)節(jié)算法是保證進(jìn)行大步距標(biāo)定精度的基礎(chǔ)，它通過(guò)局部Newton插值算法，在已標(biāo)定電流參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)未標(biāo)定焊接電流參數(shù)進(jìn)行自調(diào)節(jié)，從而使可選焊接電流內(nèi)的任意值都有較為準(zhǔn)確的參數(shù)匹配。局部Newton插值算法是實(shí)現(xiàn)參數(shù)自調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。

對(duì)于（xi，yi）（i=0，1，…，n），其中xi≠xj（i≠j），且yi=f（xi）；若有多項(xiàng)式pn（x）使得pn（xi）=yi=f（xi），其中i=0，1，…，n，則pn（x）為插值多項(xiàng)式，f（x）為被插值函數(shù)。

對(duì)于被插函數(shù)y=f（x），已知（xi，yi）（i=0，1，…，n）滿足y=f（x），若有f（x）=Nn（x）+Rn（x），則Nn（x）=稱為 Newton 插值多項(xiàng)式。其中為f（x）關(guān)于結(jié)點(diǎn)xi-k，xi-k+1，…，xi的k階均差。另有ωk（x）=（x-x0）…（x-xk-1）（k=1，2，…，n+1）。

通過(guò)大步距標(biāo)定的已知參考點(diǎn)，將數(shù)值代入Newton插值多項(xiàng)式，即可利用以上算法得到未標(biāo)定點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)值。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了避免高次插值多項(xiàng)的龍格（Runge）振蕩現(xiàn)象，同時(shí)考慮到在處理器上計(jì)算的速度要求，采用三點(diǎn)二次局部Newton插值。

大步長(zhǎng)標(biāo)定確定了專家數(shù)據(jù)庫(kù)的方向和骨架，為智能焊機(jī)確定了參數(shù)的參考點(diǎn)。局部Newton插值算法則是通過(guò)自調(diào)節(jié)產(chǎn)生細(xì)化的焊接參數(shù)匹配數(shù)據(jù)。自調(diào)節(jié)算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）將全部的焊接參數(shù)按產(chǎn)生屬性分為三類：初始化類（0類）、實(shí)際保存類（1類）、自動(dòng)生成類（2類）。初始化類就是大步距標(biāo)定的參數(shù)；實(shí)際保存類是在使用過(guò)程中保存的良好焊接參數(shù)；自動(dòng)生成類是通過(guò)參數(shù)自調(diào)節(jié)算法生成的參數(shù)。

（2）大步長(zhǎng)標(biāo)定完成后，已有參數(shù)全都是0類參數(shù)，其他參數(shù)存儲(chǔ)為空。當(dāng)調(diào)節(jié)至非標(biāo)定參數(shù)（如155 A）時(shí)，對(duì)0類參數(shù)采用局部Newton插值算法自動(dòng)生成，如果此參數(shù)合適或者經(jīng)微調(diào)后合適，可以將它保存為1類參數(shù)，如果不保存，則保留2類參數(shù)屬性。當(dāng)調(diào)節(jié)至標(biāo)定參數(shù)（如120 A）時(shí)，如果此參數(shù)合適或者經(jīng)微調(diào)后合適，可以將它保存為1類參數(shù)，并覆蓋原來(lái)的0類參數(shù)。

（3）后續(xù)使用中，當(dāng)調(diào)節(jié)至未標(biāo)定參數(shù)點(diǎn)時(shí)，按照“1類→0類→2類”的優(yōu)先級(jí)順序選取計(jì)算點(diǎn)，采用局部Newton插值算法自動(dòng)生成2類參數(shù)，如果參數(shù)合適或者經(jīng)微調(diào)后合適，可將它保存為1類參數(shù)。同時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)至已標(biāo)定1類、0類、2類參數(shù)點(diǎn)時(shí)，可以保存為新的1類參數(shù)，并覆蓋原來(lái)的屬性。

（4）持續(xù)按照“1類→0類→2類”的優(yōu)先級(jí)順序選取計(jì)算點(diǎn)，采用局部Newton插值算法自動(dòng)生成2類參數(shù)，經(jīng)微調(diào)合理后保存為1類參數(shù)，使專家數(shù)據(jù)庫(kù)保持動(dòng)態(tài)最佳狀態(tài)。

下面以基于大步長(zhǎng)參數(shù)自調(diào)節(jié)方法在φ1.2 mm碳鋼焊絲焊接中的應(yīng)用為例，試驗(yàn)討論此方法的實(shí)際效果。

2 試驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)

工藝試驗(yàn)條件和參數(shù)：采用自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，用φ1.2 mm碳鋼焊絲，在普通碳鋼板（厚度2～12 mm，根據(jù)電流大小選擇）上進(jìn)行平板堆焊。采用純氬氣作保護(hù)氣，氣體流量15 L/min，焊絲干伸長(zhǎng)12 mm。弧壓上限控制為45 V（弧壓超過(guò)45 V即認(rèn)為斷?。琍ID 參數(shù)為：Kp=2.2，Ti=100 ms，Td=500 ms，恒電流控制，等速送絲。

試驗(yàn)中標(biāo)定的點(diǎn)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為φ1.2mm碳鋼焊絲P-GMAW的大步距標(biāo)定專家數(shù)據(jù)，繪制成曲線如圖1所示。

可見(jiàn)在本試驗(yàn)中，峰值電流Ip、基值電流Ib分別為430 A和38 A固定不變的，平均電流的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)峰值電流時(shí)間tp和基值時(shí)間tb來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

表1 φ1.2 mm碳鋼焊絲P-GMAW大步距標(biāo)定專家數(shù)據(jù)

圖1 φ1.2 mm碳鋼焊絲大步距標(biāo)定曲線

圖2、圖3為焊接電流60 A、140 A時(shí)的波形和焊縫照片。

由圖2、圖3可知，焊機(jī)在中小電流域的表現(xiàn)是非常出色的。在大電流域（焊接電流等于300 A）的波形和焊縫照片如圖4所示。

由圖4可知，在大電流域，脈沖峰值電流時(shí)間比較長(zhǎng)。從過(guò)程來(lái)看，電弧穩(wěn)定，但是有一定的飛濺。從焊縫成形上看，可以認(rèn)為此參數(shù)是適用參數(shù)。

圖2 焊接電流為60 A時(shí)的波形和焊縫

圖3 焊接電流為140 A時(shí)的波形和焊縫

φ1.2 mm焊絲適用廣泛，因此在參數(shù)自調(diào)節(jié)的試驗(yàn)中進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。例如將焊接電流調(diào)節(jié)至175 A時(shí)，通過(guò)局部Newton插值得到參數(shù)（175 A，430 A，3.7 ms，38 A，9.3 ms，62①），用這組參數(shù)試焊，結(jié)果如圖5所示。

將焊接電流調(diào)節(jié)至229 A時(shí)，通過(guò)局部Newton插值得到參數(shù)（229 A，430 A，5.1 ms，38 A，7.3 ms，85①），用這組參數(shù)試焊，結(jié)果如圖6所示。

通過(guò)圖 5、圖 6以及對(duì) 53 A、78 A、102 A、146 A、263 A等電流的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，局部Newton插值算法是有效的。

3 結(jié)論

（1）基于大步長(zhǎng)標(biāo)定的參數(shù)Newton插值自調(diào)節(jié)算法，可以滿足焊接專家數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)生成的要求。

（2）該方法適用于P-GMAW焊接工藝中的參數(shù)匹配，并有較好的焊接效果。

圖4 焊接電流為300 A時(shí)的波形和焊縫

圖5 焊接電流為175 A時(shí)的波形和焊縫

圖6 焊接電流為229 A時(shí)的波形和焊縫

[1]劉文財(cái)，賀建軍，桂衛(wèi)華，等.多功能數(shù)字電焊機(jī)控制器的研究[J].電焊機(jī)，2005，35（5）：46-49.

[2]姚 屏，黃文超，薛家祥，等.脈沖參數(shù)對(duì)脈沖MIG焊焊接行為的影響[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，36（10）：140-144.

[3]楊 建，潘厚宏，王克軍.弧焊電源焊接參數(shù)預(yù)置系統(tǒng)的發(fā)展[J].電焊機(jī)，2010，40（9）：1-4.

[4]牛 永，薛海濤，李 桓，等.脈沖電壓峰值對(duì)雙絲脈沖MIG焊熔滴過(guò)渡及焊縫成形的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（1）：50-54.

[5]仝紅軍，上山智之.低頻調(diào)制型脈沖MIG焊接方法的工藝特點(diǎn)接設(shè)備原理與調(diào)試[J].焊接，2001（11）：33－35.