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短路过渡CO2气体保护电弧焊广泛应用于低碳钢和低合金钢等黑色金属材料的焊接,然而由于短路过渡电弧不稳定,它却存在焊缝成形差,金属飞溅大的缺点。基于系统科学和混沌理论,本文提出从非线性时间序列分析的角度来研究短路过渡电弧不稳定性的内在物理机理,旨在建立能够全面客观反映短路过渡CO2气体保护电弧焊稳定性的全新评价指标,获得评估CO2焊短路过渡电弧稳定性的更合理标准,从而为各种控制方法的设计优化奠定坚实的理论基础。
在依次改变送丝速度Vf、电弧电压Ua、保护气体流量Vq、焊接速度Vw和焊丝干伸长le等工艺参数的条件下,本文在低碳钢板(Q235)上进行了短路过渡CO2焊,实时采集焊接电流信号Ia,以此作为待分析的非线性时间序列。
基于短路过渡CO2气体保护电弧焊焊接电流时间序列,采用Grassberger-Procaccia算法(GPA),本文详细评估了焊接系统的关联维数D2和Kolmogorov熵K,首次证明了时间延迟τ对于短路过渡焊接系统的关联维数D2的数值评估影响不大,然而对于Kolmogorov熵K的精确评估却具有显著作用。针对GPA法关于关联积分C(r)的算法程序需要重复计算所有状态点点距｜Xi-Xj｜的弊端,提出了改进算法,减少了程序循环次数,提高了代码的执行效率。
分别基于GPA算法、Wolf算法和Pincus算法,对多种工艺实验下的短路过渡电弧焊系统的关联维数D2、最大Lyapunov指数λ1和焊接电流近似熵ApEn进行了详尽的数值分析,同时也计算了相应过程的熔滴短路过渡频率f,证明了在改变送丝速度Vf、电弧电压Ua或焊丝干伸长le的条件下,D2、ApEn和f与焊接过程的稳定性成正相关关系,而λ1与焊接过程的稳定性成负相关关系,D2、ApEn、λ1和f均成功刻画了CO2焊短路过渡过程稳定性的动态变化,它们均对焊接过程稳定性变化呈现出敏感表达的性质。
在改变保护气体流量Vq和焊接速度Vw的条件下,关联维数D2、最大Lyapunov指数λ1和焊接电流近似熵ApEn同样都能够准确捕获到焊接过程的稳定性状态变化,但熔滴过渡频率f却失去了表征焊接过程稳定性的能力,因此f只是短路过渡CO2 GMAW焊接过程稳定性的必要而非充分条件。
证明了当焊接过程的稳定程度较高时,焊接系统的关联维数D2和焊接电流近似熵ApEn也较大,说明短路过渡CO2气体保护电弧焊系统的状态空间复杂程度随着焊接过程稳定性的上升而增加,因此CO2 GMAW系统的状态空间复杂程度与其时间过程的平稳性紧密关联。综上所述,非线性特征不变量关联维数D2、最大Lyapunov指数λ1和非线性统计特征量近似熵ApEn全面刻画了CO2焊短路过渡电弧的稳定性,在准确评价短路过渡电弧的稳定性方面优于熔滴短路过渡频率f,因此具有潜在的理论研究和实际应用价值。