熔化極氣保焊焊接電流和電弧電壓的數(shù)據(jù)屬性

摘要：熔化極氣保焊在不同的工況條件下，因焊接工藝需要不同的金屬過渡形式而對焊接電流與電弧電壓輸出波形提出了相應(yīng)要求。與此同時，焊接過程因受多方面因素影響產(chǎn)生隨機(jī)、偶發(fā)的信息亦反映在焊接電流或電壓波形的數(shù)據(jù)構(gòu)成中，從而使源于焊接過程中各種影響因素的數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)是由多個不同性質(zhì)的概率密度函數(shù)的疊加。以往對弧焊參數(shù)的表達(dá)一般都以大數(shù)定律為前提，對數(shù)據(jù)是按照正態(tài)或近似正態(tài)的總體假設(shè)計算其統(tǒng)計值。然而，這一統(tǒng)計假設(shè)及其計算方法，對熔化極氣保焊過程的數(shù)據(jù)信息處理僅僅是部分可行，對于基于波控或脈沖電流模式的弧焊信息在大多數(shù)工況下已不再有效，不僅會導(dǎo)致參數(shù)平均值、熱輸入等物理量的誤差，而且會使弧焊過程中偶發(fā)的離群數(shù)據(jù)及其隱性關(guān)鍵信息無法獲知。文中的工作在對熔化極氣保焊焊接電流和電弧電壓數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，解釋了焊接過程產(chǎn)生不同數(shù)據(jù)分布性質(zhì)的原因，提出了在當(dāng)前焊接向自動化和信息化深度發(fā)展中，重構(gòu)弧焊參數(shù)的表達(dá)方式，提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的科學(xué)性和有效性，從而防止和避免對弧焊過程信息認(rèn)識和應(yīng)用中可能產(chǎn)生的誤讀和誤導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：GMAW;焊接電流;電弧電壓;數(shù)據(jù)分布性質(zhì);統(tǒng)計方法

中圖分類號：TG434.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）09-0001-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.01

0? ? 前言

熔化極氣體保護(hù)電弧焊接是一種廣泛應(yīng)用的焊接方法。焊絲一方面作為電極形成電弧熱源，另一方面是填充材料實現(xiàn)金屬材料之間的連接。為滿足迅速發(fā)展的機(jī)器人與自動化焊接、激光電弧復(fù)合焊、電弧增材制造等領(lǐng)域?qū)饘偬畛渚炕?、過程穩(wěn)定性等技術(shù)需求，促進(jìn)了對填充金屬、焊接熱輸入以及構(gòu)成焊接工藝各參數(shù)的深入認(rèn)識，在焊接規(guī)范制定、優(yōu)化焊接工況以及焊接生產(chǎn)過程質(zhì)量檢測等方面，數(shù)據(jù)的正確性及其分析有效性已成為一個突出的問題。

為實現(xiàn)工藝要求的金屬過渡方式，需要由弧焊電源輸出相應(yīng)的焊接電流與電弧電壓波形相匹配，與此同時，弧焊過程因受多因素影響而產(chǎn)生隨機(jī)、偶發(fā)的信息疊加在上述波形上，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)來源于不同的統(tǒng)計總體，并使數(shù)據(jù)的分布是多個或不同概率密度函數(shù)的集合。

以往對焊接參數(shù)的表達(dá)一般都以大數(shù)定律為前提，按照中心極限定理正態(tài)或近似正態(tài)的總體假設(shè)對數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。其基本條件是[1]：

（1）對于獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量序列{Xn}，具有公共的數(shù)學(xué)期望μ和方差σ 2;

（2）獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量序列，只要存在有限的方差，都漸近于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

上述數(shù)據(jù)處理的這一前提條件，對弧焊過程數(shù)據(jù)信息的分析中需要注意到以下兩個問題：一是當(dāng)弧焊過程電參數(shù)的數(shù)據(jù)分布性質(zhì)不滿足以上兩個基本條件時，可能產(chǎn)生的誤差和誤判及其影響程度;二是如何找回“ 消失 ”在上述前提的數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計結(jié)果中的離群數(shù)據(jù)及其隱性關(guān)鍵信息。

文中的工作在對熔化極氣保焊焊接電流和電弧電壓數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，解釋了焊接過程產(chǎn)生不同數(shù)據(jù)分布性質(zhì)的原因，提出了在當(dāng)前焊接向自動化和信息化深度發(fā)展中，需要重構(gòu)焊接參數(shù)表達(dá)方式，提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計量科學(xué)性和有效性的途徑，防止在焊接制造信息化的實施中由于統(tǒng)計量的錯誤而產(chǎn)生數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控結(jié)果的“ 硬傷 ”。

1 熔化極氣保焊數(shù)據(jù)分布的特點及其統(tǒng)計屬性

1.1 從短路到混合過渡的波形及其數(shù)據(jù)的分布特點

圖1、圖2分別是典型的CO2短路過渡（圖1a、1b）和短路-滴狀混合過渡（圖2a、2b）工況下焊接電流與電弧電壓波形以及對應(yīng)數(shù)據(jù)的概率密度分布。從焊接電流與電弧電壓的數(shù)據(jù)分布形式可見，無論熔滴是短路過渡還是混合過渡過程，其數(shù)據(jù)構(gòu)成包含兩個主要物理現(xiàn)象：其一是電弧能量傳輸（燃弧時段）的數(shù)據(jù)信息，其二是質(zhì)量遷移（熔滴短路時段）的數(shù)據(jù)信息;數(shù)據(jù)的總體分布是這兩個物理過程信息的概率密度疊加。因此，其數(shù)據(jù)的性質(zhì)已不滿足大數(shù)定律“ 獨(dú)立同分布 ”且“ 具有公共的數(shù)學(xué)期望值 ”的統(tǒng)計前提，其數(shù)據(jù)分布的狀態(tài)也與正態(tài)分布相異。

當(dāng)電流增大，熔滴過渡方式從短路過渡轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌线^渡方式（見圖2），從焊接電流和電弧電壓的概率密度分布圖上可見，由于短路的減少，100 A以下電流數(shù)據(jù)和短路后再燃弧形成的較高電壓值都明顯減少，即熔滴過渡的兩個物理過程產(chǎn)生的變化使其數(shù)據(jù)分布的變化是與其對應(yīng)的，但兩個物理量數(shù)據(jù)“ 重疊 ”分布的特征依然存在。

M21保護(hù)氣體的短路過渡焊接參數(shù)調(diào)試試驗結(jié)果如表1所示，焊接電流和電弧電壓波形如圖3所示。采用正態(tài)假定統(tǒng)計計算焊接參數(shù)的變化并觀測統(tǒng)計值與熔滴過渡關(guān)系。試驗1#的電弧電壓均值為23.0 V，焊接電流為144 A;試驗2#的電弧電壓均值為22.7 V，焊接電流為148 A，二者改變量僅為1%左右，但短路頻次從88.7次/s 變?yōu)?5.9次/s。同時可以看到，兩次焊接試驗參數(shù)統(tǒng)計值的變異系數(shù)（均大于15%）不僅不可用于統(tǒng)計學(xué)意義上的對比[1]，而且對短路過渡的主要特征量（短路頻次）不能做出有效分析與評估，其原因就在于這一工況下的焊接參數(shù)的數(shù)據(jù)分布已不具有基于大數(shù)定律的統(tǒng)計要求，如圖4所示，從而導(dǎo)致統(tǒng)計值的無可比性。

1.2 脈沖電流條件下熔滴過渡的波形及其數(shù)據(jù)的分布特點

圖5是一個脈沖電流條件下焊接電流與電弧電壓的波形以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)概率密度分布例子。從數(shù)據(jù)分布形式可見，具有多參數(shù)組合的脈沖電流波形傳遞電弧能量的特征，對應(yīng)于脈沖周期各時段對電弧維持、熔池加熱與成形、焊絲末端能量分配、金屬過渡量及其過渡時刻等信息，因此，在數(shù)據(jù)分布上必然表現(xiàn)為不同物理過程多因素概率密度函數(shù)的疊加（見圖5b），對其數(shù)據(jù)的處理和分析亦不滿足大數(shù)定律的統(tǒng)計前提。在過程的特征量統(tǒng)計計算結(jié)果中缺乏必要的特征信息，難以實現(xiàn)從焊接參數(shù)到焊接效果的可分析和可評估。

為了驗證同一工況下焊接參數(shù)統(tǒng)計值是否具有可比性，數(shù)微調(diào)前后的統(tǒng)計結(jié)果（保護(hù)氣體I1）如表2所示。

從圖5、圖6中數(shù)據(jù)的分布及對比表明，仍然是數(shù)據(jù)的分布屬性導(dǎo)致了上述統(tǒng)計值已不具有對焊接參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化的指導(dǎo)作用。

在弧焊過程檢測及統(tǒng)計分析中，還注意到對于概率密度小于0.1%的數(shù)據(jù)，已不能有效獲取和反映其具有的物理意義。而這些小概率數(shù)據(jù)在實際的焊接過程中往往包含了有關(guān)熔滴的張力、飛濺量、工藝的調(diào)整方向以及弧焊電源的動態(tài)性、與焊接工藝之間的匹配性等諸多關(guān)鍵技術(shù)信息。

2 弧焊過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理方法的討論

如前所述，對弧焊過程兩個主要參數(shù)的測量與分析中，已注意到兩個方面問題：其一是數(shù)據(jù)分布的性質(zhì)，關(guān)系到統(tǒng)計方法的科學(xué)性和統(tǒng)計結(jié)果的正確性;其二是對小概率數(shù)據(jù)的處理與分析，關(guān)系到對 “ 關(guān)鍵信息 ”的有效獲取與利用，避免因其流失而導(dǎo)致焊接質(zhì)量的失控。

（1）沿用至今的弧焊過程焊接電流和電弧電壓的檢測方法源于20世紀(jì)30年代以來手工焊條電弧焊的工藝實施需求。尤其是同類藥皮成分的焊條，在焊接過程參數(shù)的數(shù)據(jù)分布上（見圖7），電弧電壓和焊接電流的總體數(shù)據(jù)在99%以上或99.9%以上適用大數(shù)定律的正態(tài)統(tǒng)計方法，焊接參數(shù)統(tǒng)計值的誤差能控制在3%或以下[2-4]，這樣即能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)中對工藝規(guī)范通用性與參數(shù)可互比的技術(shù)需求。

而對熔化極氣保焊的焊接電流和電弧電壓的數(shù)據(jù)分析表明，在相當(dāng)多工況下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分布已不滿足上述的統(tǒng)計前提，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計時經(jīng)常誤入“ 兩類統(tǒng)計錯誤 ”的“ 陷阱 ”[1]，從而造成統(tǒng)計值僅能起到相對量的記錄作用，不能表達(dá)出焊接過程數(shù)據(jù)中多因素耦合、多總體分布的特征及其包含的關(guān)鍵信息。

（2）對于不同的焊接電流波控方法而導(dǎo)致現(xiàn)行焊接過程統(tǒng)計量誤差及其物理意義不明確問題在焊接界早有報道[4-8]。德國D. Rehfeldt 教授曾對十余種不同電流波形的GMAW焊接電流、電弧電壓以及焊接電弧輸出功率等的計算方法作了推導(dǎo)和結(jié)果對比。在試驗工況下（保護(hù)氣體M21），采用逐點積分法得到的實際功率與傳統(tǒng)的電流和電壓平均值乘積方法相比，兩種計算結(jié)果之間的相對誤差從-7.3%到+25.3%不等，其中脈沖GMAW工況下對焊接電弧功率計算的相對誤差可達(dá)25%[4]。

（3）近年來，國際焊接界多位資深專家對現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR 18491.2015、焊接制造行業(yè)規(guī)范EN1011、ISO/TR 17671-1等涉及的焊接電弧熱輸入計算方法提出了質(zhì)疑和修正意見，已經(jīng)影響到諸如接頭的t8/5冷卻時間、防止氫致冷裂的有效熱輸入、不同外特性弧焊電源焊接參數(shù)設(shè)置差異以及各焊機(jī)廠商自行開發(fā)的“ 一元化 ”旋鈕調(diào)節(jié)產(chǎn)生效果不可對比等多方面問題[6-8]。

弧焊過程典型工況的一組檢測結(jié)果與對比如表3所示[6]。其中，“ 平均功率 ”采用的是“ 平均值乘積法 ”;實際功率采用了“ 逐點積分法 ”，并把焊絲干伸長計入計算公式中。由表3可知，僅在噴射過渡（Spray Transfer）模式下兩種統(tǒng)計計算結(jié)果是一致的，即在該工況下的焊接電流與電弧電壓數(shù)據(jù)的分布服從于大數(shù)定律。

（4）在信息技術(shù)的支持下，對弧焊過程中瞬間、偶發(fā)的異常數(shù)據(jù)都已能夠進(jìn)行實時檢測并做出相應(yīng)的評估，能夠為焊接過程數(shù)據(jù)的正確統(tǒng)計表達(dá)及其物理現(xiàn)象的細(xì)致分析提供技術(shù)支持。例如，對焊接過程的主要影響因素，如焊絲成分、表面狀態(tài)、導(dǎo)電性能、熔滴過渡時刻、弧焊電源的動態(tài)調(diào)控性等隱性、隨機(jī)的小概率數(shù)據(jù)，通常僅占數(shù)據(jù)總量的0.1%左右或以下，但包含了可優(yōu)化、可調(diào)整的“ 關(guān)鍵信息 ”。由此就能把以往對弧焊過程參數(shù)的粗放式表達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)的特征量，將促進(jìn)焊接工藝從傳統(tǒng)經(jīng)驗向基于數(shù)據(jù)信息分析的根本轉(zhuǎn)變[9-11]。

表4列出了一些典型的由小概率數(shù)據(jù)構(gòu)成的“ 關(guān)鍵信息 ”。表中的焊接電流和電弧電壓小概率數(shù)據(jù)分別記為ISP 和USP，后綴L和H分別表示數(shù)據(jù)分布位于在數(shù)軸左端和數(shù)軸右端（參見圖6），用于定量分析偶發(fā)事件的影響程度[9]。

3 結(jié)論

弧焊自傳統(tǒng)手工焊伊始，其對經(jīng)驗的依賴以及參數(shù)的粗放表達(dá)等短板一直相當(dāng)突出，使焊接制造至今仍難以跨入現(xiàn)代工業(yè)與制造工藝信息鏈的“ 門檻 ”。幾十年來“ 被固化 ”的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和參數(shù)檢測方法延續(xù)至今，已影響了焊接制造過程信息的精準(zhǔn)感知和精量調(diào)控，以及對焊接產(chǎn)品質(zhì)量的精細(xì)管理。因此，在焊接信息化迅速發(fā)展的大趨勢下，改進(jìn)和完善對焊接過程參數(shù)的定量表達(dá)方式，將具有十分重要的意義[11]。

文中旨在探討弧焊過程信息有效解讀的途徑，重點討論了以下三個問題：

（1）對多源物理作用的焊接過程數(shù)據(jù)應(yīng)有針對性地采用正確統(tǒng)計計算方法，把以往相對粗放的、不完整的數(shù)據(jù)信息表達(dá)提升為可分析、可對比、可評估的精量表達(dá)。

（2）要重視和實現(xiàn)對所獲得的數(shù)據(jù)中源于不同總體信息的分別處理和分析，尤其是對小概率數(shù)據(jù)信息中“ 關(guān)鍵信息 ”的獲取與認(rèn)知。

（3）要增強(qiáng)焊接參數(shù)與焊接制造實際工況相關(guān)性和有效性的認(rèn)知，從而避免在使用和推廣焊接生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)及其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中因?qū)π畔z測與統(tǒng)計方法的誤用而導(dǎo)致信息意義的誤讀和誤判。

謹(jǐn)以本文紀(jì)念已故的中國焊接界老朋友、國際焊接界資深專家、焊接信息化的先驅(qū)者、《電焊機(jī)》雜志編委、德國萊布尼茨（Leibniz University）大學(xué)Dr. D. Rehfeldt教授。

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