郭磊，李思豪，郭利霞，王軍，陳平平，朱建濤

(1.華北水利水電大學(xué)，鄭州，450046；2.河南水谷研究院，鄭州，450046；3.河南省水環(huán)境模擬與治理重點實驗室,鄭州，450002；4.河南省富臣管業(yè)有限公司，新鄉(xiāng)，453400；5.河南省范縣水利局，濮陽，457500)

0 序言

近年來，隨著國內(nèi)跨流域調(diào)水工程的大規(guī)模發(fā)展，高水壓、長距離輸水工程問題突顯，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe,PCCP)以其高性能和相對較低成本已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其中包括中國南水北調(diào)工程和利比亞大人工河輸水工程等水利工程.PCCP 質(zhì)量安全直接關(guān)系水利工程能否長久安全穩(wěn)定輸水，鋼筒作為PCCP 的重要組成部分，如因鋼筒焊縫質(zhì)量問題發(fā)生高壓水流滲透，將直接威脅PCCP 應(yīng)用安全，引起“爆管”事件產(chǎn)生[1-4].因此對PCCP 鋼筒加工技術(shù)提出了更高的要求.要求焊縫具有良好的質(zhì)量，避免出現(xiàn)裂縫.

據(jù)統(tǒng)計，因PCCP 鋼筒焊縫出現(xiàn)裂縫而導(dǎo)致其失效，是PCCP 工程失事產(chǎn)生的主要原因之一[5]，為了避免這種情況發(fā)生，要進一步重點研究PCCP 鋼筒焊縫質(zhì)量以及焊接工藝控制參數(shù)[6-8].史亞貝[9]通過研究激光焊接工藝參數(shù)對AM80 鎂合金焊接熱裂傾向及接頭抗拉強度的影響，結(jié)果表明，焊接工藝參數(shù)是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的因素.陳云霞等人[10]以焊縫宏觀形貌、微觀組織等為評價依據(jù)通過正交試驗優(yōu)選CMT 搭接焊焊接工藝參數(shù).結(jié)果表明，在焊接電流40～ 60 A、焊接速度36～ 41 cm/min的條件下,能得到各項性能良好的焊接接頭.張玉等人[11]以管道焊縫雙裂紋的有限元模型為研究對象，建立了管道焊縫雙裂紋的有限元模型更為合理的評價模型.李志林等人[12]研究不同焊接工藝對奧氏體型及雙相型不銹鋼角焊縫力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明氬弧焊試件表現(xiàn)出了更好的力學(xué)性能.王龍等人[13]采用實心焊絲氣體保護焊與藥芯焊絲氣體保護焊組合的焊接方法對焊接工藝進行宏觀、微觀試驗研究，并制訂了適合于雙面不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝.通過上述文獻可知，焊縫工藝參數(shù)優(yōu)選對于延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命具有重要意義，但目前對不同焊接方式的工藝優(yōu)選研究大多基于數(shù)值模擬手段或宏微觀測試結(jié)果進行主觀評估選取，而以評價模型為手段，考慮焊縫工藝參數(shù)和質(zhì)量指標為對象進行綜合評價選取最優(yōu)工藝的研究較少.

現(xiàn)有的評價方法如：GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主觀法賦值指標權(quán)重、熵權(quán)法及層次分析法多為單因素評價，或主觀性較強.為了對焊縫工藝控制參數(shù)進行合理評價，提出改進MULTIMOORA 方法[14-19]對實測焊接參數(shù)與焊縫質(zhì)量特征指標進行多因素決策客觀評價，以引江濟淮段PCCP 管鋼筒焊縫為研究對象，以期為PCCP 鋼筒制造提出最優(yōu)焊接工藝控制參數(shù).

1 基本方法

1.1 決策表征集

根據(jù)GB/T 986—1988《埋弧焊焊接坡口的基本形式與尺寸》標準，螺旋焊縫應(yīng)滿足避免出現(xiàn)裂縫和質(zhì)量耐久等設(shè)計要求，針對螺旋焊縫控制技術(shù)工藝，選取鋼筒質(zhì)量決策表征指標為焊縫寬度，焊縫高度及咬邊深度.采用向量歸一法[20]對數(shù)據(jù)標準化處理.首先建立所選取的數(shù)據(jù)指標A={a1,a2,···,am}和所選取方案C={c1,c2,···,cn}，初始矩陣vij代表ai指標下cj方案的評價值，i=1,2,···,m;j=1,2,···,n，對V進行標準化，得到標準化矩陣

1.2 確定權(quán)重

1.2.1 OWA 算子理論

有序加權(quán)平均(ordered weighted averaging,OWA)算子理論多用于多水平?jīng)Q策問題，是一種通過主觀賦值去削弱極端值的一種方法，有序加權(quán)平均算子方法如下.

(1)邀請Z位專家對指標ai進行分數(shù)評定，結(jié)果記為(e1,e2,···,ez)，將打分結(jié)果降序排列，得到新數(shù)組用向量bi表示，bi=[bl+1]=(b1,b2,···,bz)，其中l(wèi)=0,1,2,···,z-1.

(2)運用組合數(shù)公式消除極端值，求得向量bi的加權(quán)向量wi=[wl+1].

(3)通過加權(quán)向量wi對評價指標賦權(quán)，求得指標ai的絕對權(quán)重

(4)計算指標集A中各指標的主觀權(quán)重

1.2.2 熵權(quán)法理論

熵權(quán)法[21]是一種通過客觀賦值來確定指標權(quán)重的方法.通過極差法對數(shù)據(jù)標準化處理，確定第i個指標熵值Hi.

式中：xij為第i個指標在第j個試驗方案下的標準化結(jié)果.

確定權(quán)重，如式(7)所示.

式中為第i個評價指標的熵權(quán)；Hi為第i個熵權(quán)指標.

1.2.3 權(quán)重優(yōu)化模型

權(quán)重確定方法體現(xiàn)了評價的主觀性和客觀性影響，將OWA 和熵權(quán)法耦合建立權(quán)重優(yōu)化模型，削弱各自影響，即

1.3 基于改進MULTIMOORA 方法的評價理論

文中涉及螺旋焊縫整體性能的評價，結(jié)合工程設(shè)計對各性能的不同需求，對該理論進行一定的擴展[22].

(1)比例系統(tǒng)法.計算方案ci的評價值yi.

(2)參照點法.通過該方法能確定每個焊縫數(shù)據(jù)指標的最優(yōu)參考點.

式中：ri為 第i個指標中的最優(yōu)參照點；g為對焊縫有益的指標.

確定試驗方案評價值zj.

式中：zj值 越小表示方案越好，最后根據(jù)zj值 的大小進行方案排序.

(3)完全相乘法.

式中：uj值越大表示對應(yīng)方案越好，根據(jù)uj值的大小進行方案排序.

(4)占優(yōu)理論.占優(yōu)理論通過上述幾種數(shù)據(jù)排序的結(jié)果進行整合為一種排序，得到最優(yōu)排序.

2 數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

研究的數(shù)據(jù)來源為現(xiàn)場采集，鋼筒焊縫圖片如圖1 所示.采集的焊接工藝控制參數(shù)為焊接電流、電弧電壓及焊接速度，共10 組，如表1 所示.檢焊縫測量儀器為HJC-40 型焊縫檢測尺，采集參數(shù)包括焊縫寬度、焊縫高度及咬邊深度，每項工藝參數(shù)對應(yīng)的焊縫質(zhì)量均不存在明顯焊接缺陷.為了避免采集數(shù)據(jù)的偶然性，同一組控制參數(shù)下焊縫質(zhì)量參數(shù)采集6 次，采集完成后計算得到各焊縫指標的平均值，如表2 所示.

圖1 實測焊縫Fig.1 Measured weld

表1 螺旋焊控制工藝參數(shù)Table 1 Spiral welding control process parameters

表2 螺旋焊焊縫質(zhì)量參數(shù)Table 2 Spiral welding seam parameters

2.2 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合表1 和表2 對采集數(shù)據(jù)進行初步分析發(fā)現(xiàn)，不同的焊接電流、電弧電壓及焊接速度對焊縫質(zhì)量有不同程度的影響.同時根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果[23-25]表明，在相同工藝控制參數(shù)下，焊縫高度、焊縫寬度越小，焊縫的表面平整度越好，則焊縫的質(zhì)量越高.現(xiàn)基于MULTIMOORA 方法對采集數(shù)據(jù)做進一步分析，通過綜合考慮焊縫質(zhì)量參數(shù)變化，得到最優(yōu)的工藝控制參數(shù).

3 基于改進MULTIMOORA 方法的螺旋焊縫控制工藝評價

3.1 建立評價指標

文中以試驗測量的焊縫寬度、焊縫高度、咬邊深度指標數(shù)據(jù)作為評價指標，其指標數(shù)據(jù)與焊接工藝參數(shù)具有直接相關(guān)性，并在滿足焊接效果的情況下，認為焊縫寬度、焊縫高度及咬邊深度最小為最優(yōu).采用MULTIMOORA 方法對螺旋焊縫控制工藝參數(shù)進行評價分析.

3.2 確定指標權(quán)重

3.2.1 OWA 算子確定指標權(quán)重

邀請5 名專家(均為從事螺旋焊縫10 年以上的高校教授、相關(guān)行業(yè)專家、現(xiàn)場技術(shù)人員)對各指標進行評分，每項指標評分分值在0～ 5 之間，并保留1 位小數(shù).分值越大，表示指標對螺旋焊縫參數(shù)影響越大，具體評分結(jié)果如表3 所示.

表3 專家評分結(jié)果(分)Table 3 Expert rating results

以焊縫寬度為例，針對所屬參數(shù)3 降序排序：b1=(4.5,4.0,3.5,3.0,1.6)，n=5，根據(jù)式(2)計算其加權(quán)向量：w1=(0.281,1,1.312,0.75,0.1).根據(jù)式(3)求得其絕對權(quán)重w-1=3.444.同理得到其它指標的絕對權(quán)重為：焊縫高度w-2=3.469；咬邊深度w-3=2.563.根據(jù)式(4)可以求得各指標主觀權(quán)重向量w1=(0.364,0.366,0.270).

3.2.2 熵權(quán)法確定指標權(quán)重

首先根據(jù)表1 試驗結(jié)果構(gòu)造出判斷矩陣A，然后采用極差法對不同指標數(shù)據(jù)標準化處理，以消除指標量綱差異，進而構(gòu)造出新的判斷矩陣，判斷矩陣數(shù)據(jù)與表2 一致.

3.3 基于MULITIMOORA 方法試驗組的排序

對所得到的焊縫判斷矩陣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的標準化處理，運用向量歸一法處理焊縫數(shù)據(jù)，消除焊縫各個指標間量綱所存在的差異，從而得到標準化的矩陣.具體數(shù)據(jù)如表4 所示.

表4 采用向量歸一法標準化后焊縫數(shù)據(jù)Table 4 Weld normalize data by vector normalization method

分別通過式(9)～ 式(12)采用改進的MULITIMOORA 比例系統(tǒng)法、參照點法和完全相乘法對數(shù)據(jù)評價值進行計算，確定評級值及排序結(jié)果.螺旋焊控制工藝綜合性能評價結(jié)果如表5 所示.

表5 各試驗組的評價值Table 5 Evaluation value of each experimental group

使用占優(yōu)理論對焊接工藝控制參數(shù)進行最終排序，將各排序結(jié)果進行累加，以排名總和大小進行最終排序，排序結(jié)果如表6 所示.由表6 綜合性能排名得出，第1 組與第2 組焊接工藝在綜合排序中數(shù)值比較接近，試驗結(jié)果中其指標數(shù)據(jù)均比較顯著，其差別在于焊接速度，分別為10.81 mm/s 和10.67 mm/s.在保證相同焊縫質(zhì)量的情況下，焊接速度的大小會影響到焊接生產(chǎn)率，故最終選取第一組控制工藝參數(shù)為最優(yōu).

表6 綜合性能評價排名Table 6 Evaluation of comprehensive performance ranking

4 結(jié)論

(1)不同的焊接工藝控制參數(shù)對焊縫寬度、焊縫高度及咬邊深度均有不同程度的影響，故對焊接質(zhì)量的要求不能局限于單一工藝控制參數(shù)，通過比例系統(tǒng)法、參照點法、完全相乘法及占優(yōu)理論多因素客觀綜合排序使得工藝控制參數(shù)優(yōu)選過程更為合理.

(2)通過對10 組工藝控制參數(shù)進行優(yōu)選，得出最優(yōu)工藝參數(shù)為焊接電流340 A、電弧電壓為24 V、焊接速度為10.81 mm/s.