專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電子束焊接熔凝區(qū)形狀因子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，適用于各種金屬材料的電子束 焊接技術(shù)，涉及一種電子束焊接熔凝區(qū)形狀因子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法。
技術(shù)背景在高能束焊接領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法主要應(yīng)用于激光焊接研究。熊建鋼、張偉等建立了基于BP網(wǎng)絡(luò)的鈦合金(TI-6AL-4V)激光焊接工藝 參數(shù)優(yōu)化模型；該模型以激光功率、焊接速度和離焦量為輸入，以熔深 和焊縫寬度為輸出，實(shí)現(xiàn)了由工藝參數(shù)預(yù)測(cè)焊縫形狀(熊建鋼，張偉，胡 乾午.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的鈦合金YAG激光焊接工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 應(yīng)用激光，2001， 4(21): 243-246)。耿昌松等采用建立BP網(wǎng)絡(luò)模型的方 法，有效地實(shí)現(xiàn)了 A3鋼YAG激光深溶焊的熔深預(yù)測(cè)，相對(duì)誤差絕對(duì)值 的平均值在8%以內(nèi)；模型以激光輸出功率、焊接速度、保護(hù)氣流量和焦 點(diǎn)位置為輸入，以熔深為輸出(耿昌松，林泳，王旭友.YAG激光焊接參 數(shù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[J].焊接學(xué)報(bào)，2001,6,37-40)。于有生等人通過(guò)脈 沖激光焊接10Mn鍍鎳板的實(shí)例建立了焊縫形狀預(yù)測(cè)模型；模型以激光 發(fā)射頻率、脈沖寬度、激光功率和焊接速度為輸入，以熔深和熔寬為輸 出(于有生,李文杰.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在建立脈沖激光焊焊縫形狀模型中的 應(yīng)用[J].焊接技術(shù),2004,5:11 13)。林盾等運(yùn)用BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)1Grl8Ni97Si 不銹鋼YAG激光焊焊縫形狀；網(wǎng)絡(luò)輸入為焊接速度、激光功率、離焦 量，輸出為焊縫熔深、熔寬(林盾，陳俐.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模擬非線性系統(tǒng) 輸出中的應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,5:731-734)。 Jeng-Ywan Jeng 等建立了激光對(duì)接焊焊接質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，以材料厚度、對(duì)接間隙、激光 功率、焊接速度為輸入，以焊縫寬度、咬邊、焊接變形量為輸出。 W. S. Chang等結(jié)合有限單元法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)激光搭接焊焊點(diǎn)形 狀?明是成功的(CHANG W S,NA S J.Prediction of Laser-Spot-Weld Shape byNumerical Analys is and Neural Network[J] .Metallurgical and Materials Transactions, 2001,32B(3): 723-731 )。 J. M. Vitek等研究了 5754 鋁合金板YAG脈沖激光焊，以實(shí)驗(yàn)批次、平均能量、悍接速度、脈沖能量、脈沖時(shí)間為BP網(wǎng)絡(luò)輸入，以熔深、熔寬、半寬、熔化面積為輸出； 熔深、熔寬以及熔化面積的百分誤差大多數(shù)在20%或以內(nèi)(Vitek J M，F(xiàn)uerschbach P W，Smartt H B,et al.Neural Network Modeling of Pulsed-Laser Weld Pool Shapes in Aluminum Alloy Welds[R] .Proceedings of the laser materials processing conference, 1998)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究主要是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)工藝參數(shù) 因素對(duì)焊縫形貌特征的影響，所考慮的輸入層僅包括功率(電壓、電流)、 焊接速度等工藝參數(shù)，輸出僅為熔深、焊縫寬度、熔化面積、焊接變形 量等，輸入、輸出因素均較少。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)焊縫形狀特征的預(yù)測(cè)研究存在以下不足。首先，考 慮的輸入層參數(shù)(影響因素)較少、不夠全面，除了焊接工藝因素的影 響以外，對(duì)于高能束焊接還需要考慮束流品質(zhì)、材料特性因子、環(huán)境因 子等多種因素對(duì)熔凝區(qū)形狀的影響。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能夠全面的預(yù)測(cè)工藝參數(shù)因素對(duì)焊縫形 貌特征影響的一種電子束焊接熔凝區(qū)形狀因子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，電子束焊接接頭熔凝區(qū)是指在熱循環(huán)作用下經(jīng)歷了熔化、凝固和組 織轉(zhuǎn)變的區(qū)域，是決定焊接構(gòu)件的接頭性能的主要因素之一。在追求電 子束悍接深穿透的同時(shí)，技術(shù)人員希望控制焊接熔凝區(qū)的形狀。接頭熔 凝區(qū)成形除了取決于加速電壓、束流、焊接速度、聚焦電流等工藝參數(shù) 外，與電子束束流品質(zhì)、電子束與材料的交互作用，以及電子束所處的 壓強(qiáng)環(huán)境有關(guān)。熔凝區(qū)形狀因子是指能反映電子束焊接接頭力學(xué)性能的 熔凝區(qū)幾何形狀的參量，由影響電熔凝區(qū)形狀的一組因素組成，包括工 藝因子、環(huán)境因子、束流品質(zhì)因子、材料特性因子。 (一)接頭試樣制備采用對(duì)接接頭，焊接參數(shù)加速電壓90 150kV，束流20 100mA, 聚焦電流300 3000mA，真空度3xl(T2 8xlO-2Pa，槍距試件距離200 500mm，焊接速度100 1200mm/min。焊后采用線切割切取金相樣件， 鑲樣、磨樣、拋光及腐蝕后，采用掃描儀掃描并結(jié)合低倍顯微鏡觀測(cè)熔 凝區(qū)形狀整體形貌；(二) 測(cè)試接頭熔凝區(qū)形狀尺寸采用工具顯微鏡測(cè)試試樣熔凝區(qū)形狀特征尺寸:熔凝區(qū)熔深、熔凝 區(qū)熔寬、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔凝區(qū)余高、 熔凝區(qū)深寬比、熔凝區(qū)焊趾角、熔凝區(qū)過(guò)渡弧半徑。將80%的試樣的數(shù) 據(jù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的數(shù)據(jù)，另外20%用于驗(yàn)證與修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的 數(shù)據(jù)；(三) 構(gòu)建熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 根據(jù)工藝因子、束流品質(zhì)因子、材料特性因子及環(huán)境因子構(gòu)建熔凝區(qū)形狀因子與熔凝區(qū)形狀特征之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，工 藝因子、束流品質(zhì)因子、材料因子等因素作為輸入層的參數(shù)，熔凝區(qū)形 狀特征的熔深、熔寬、正面接頭熔寬、背面接頭熔寬、接頭余高、深寬 比、焊趾角、過(guò)渡弧半徑作為輸出層的參數(shù)，輸入層和輸出層之間建立 一層隱藏層。在各層中，神經(jīng)元的輸入記作x,，神經(jīng)元的輸出記作x，第/個(gè)神經(jīng) 元向下一層第y個(gè)神經(jīng)元的的權(quán)值記做^，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論aiCx) (1)其中a為非線性激活函數(shù)，可以取作Logister函數(shù) ) = 7"^ (2)或雙曲正切函數(shù)p(v) = a tanh(6v) ( 3 )對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，包括隱藏層神經(jīng)元數(shù)目的選擇，非線 性激活函數(shù)的選擇，輸出值的線性變換，當(dāng)輸入層的參數(shù)確定以后，形狀因子就可以表示成神經(jīng)元權(quán)值的非線性函數(shù)；(四) 熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練 輸入熔凝區(qū)形狀因子數(shù)據(jù)及熔凝區(qū)形狀特征的數(shù)據(jù)，按如下具體算法計(jì)算-(1) 權(quán)值初始化5=0 (4)(2) 前向計(jì)算<formula>formula see original document page 7</formula>(5)
其中/表示神經(jīng)元所在層數(shù)，《)是從第(/-1)層神經(jīng)元/指向第/層神經(jīng)元y的權(quán)值，乂是第/層神經(jīng)元/的輸出值；(3) 反向計(jì)算(6 )<formula>formula see original document page 7</formula>(4 ) 迭代權(quán)值直至滿足收斂條件 通過(guò)預(yù)留的驗(yàn)證數(shù)據(jù)確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差，調(diào)節(jié)各個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值M^ ，使得預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差平方和e = ;W->02最小。所述的工藝因子包括加速電壓、束流、聚焦電流及焊接速度；環(huán)境 因子為焊接時(shí)的真空度。本發(fā)明具有的有益效果，本發(fā)明從電子束焊接的機(jī)理出發(fā)，對(duì)大量 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提煉熔凝區(qū)形狀輪廓特征，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基 礎(chǔ)模型，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為輸入層數(shù)據(jù)輸入，通過(guò)不斷訓(xùn)練系統(tǒng)建立熔凝 區(qū)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型。將工藝參數(shù)、束流品質(zhì)、材料特性及真空環(huán)境等 多種非關(guān)聯(lián)因素作為輸入層，除常規(guī)的輸出結(jié)果外還包括深寬比、焊趾 角、過(guò)渡弧半徑等，全面考慮多種非關(guān)聯(lián)因素作為輸入層進(jìn)行求解建模， 輸出多個(gè)結(jié)果，屬于一種新型的處理非關(guān)聯(lián)多輸入多輸出的建模方法。 建模方法直接模型簡(jiǎn)潔，便于工程技術(shù)應(yīng)用，有利于規(guī)劃工藝方案，預(yù) 選工藝試驗(yàn)參數(shù)。模型將全面考慮各種因素的影響，有助于減少工程試 驗(yàn)的次數(shù)，節(jié)約材料，節(jié)省能源，提高工程研究進(jìn)度。本發(fā)明可為航空 構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造提供技術(shù)支持和存量資源，為工程技術(shù)人員提供技術(shù)經(jīng) 驗(yàn)。
圖1為本發(fā)明熔凝區(qū)典型形狀及尺寸定義示意圖，其中a.釘形，b. 鐘罩形，c.漏斗形，d.楔形；圖2為本發(fā)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)模型圖；圖3為本發(fā)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)熔凝區(qū)形狀因子模型結(jié)果圖。
具體實(shí)施方式
電子束焊接接頭熔凝區(qū)是指在熱循環(huán)作用下經(jīng)歷了熔化、凝固和組 織轉(zhuǎn)變的區(qū)域，是決定焊接構(gòu)件的接頭性能的主要因素之一。在追求電 子束焊接深穿透的同時(shí)，技術(shù)人員希望控制焊接熔凝區(qū)的形狀。接頭熔 凝區(qū)成形除了取決于加速電壓、束流、焊接速度、聚焦電流等工藝參數(shù) 外，與電子束束流品質(zhì)、電子束與材料的交互作用，以及電子束所處的 壓強(qiáng)環(huán)境有關(guān)。熔凝區(qū)形狀因子是指能反映接頭力學(xué)性能的熔凝區(qū)幾何 形狀的參量，由影響電子束焊接熔凝區(qū)形狀的一組因素組成，包括工藝 因子、環(huán)境因子、束流品質(zhì)因子、材料特性因子。本方法針對(duì)制備的接頭試樣，通過(guò)顯微鏡觀察并實(shí)測(cè)熔凝區(qū)形狀特 征及尺寸；分析熔凝區(qū)的特征及影響因素后，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)構(gòu)； 輸入大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練計(jì)算，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué) 模型。1. 接頭試樣制備采用對(duì)接接頭，鋼絲刷去除氧化膜后進(jìn)行電子束焊接，焊接參數(shù)-加速電壓90 150kV，束流20 100mA，聚焦電流300 3000mA，真空 度3xl。-2 8xl0-2pa，槍距試件距離200 500mm，焊接速度100 1200mm/min。焊后采用線切割切取金相樣件，鑲樣、磨樣、拋光及腐蝕 后，采用掃描儀掃描并結(jié)合低倍顯微鏡觀測(cè)熔凝區(qū)形狀整體形貌；2. 接頭熔凝區(qū)形狀尺寸測(cè)試采用工具顯微鏡測(cè)試電子束焊接接頭熔凝區(qū)特征尺寸熔凝區(qū)熔 深、熔凝區(qū)熔寬、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔 凝區(qū)余高、熔凝區(qū)深寬比、熔凝區(qū)焊趾角、熔凝區(qū)過(guò)渡弧半徑等。將試 樣數(shù)據(jù)的80%用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，另外20%用于驗(yàn)證與修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 型。3. 構(gòu)建熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 根據(jù)工藝因子、束流品質(zhì)因子、材料特性因子及環(huán)境因子構(gòu)建熔凝區(qū)形狀因子與熔凝區(qū)形狀特征之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，工 藝因子、束流品質(zhì)因子、材料因子、環(huán)境因子作為輸入層的參數(shù)，熔凝區(qū)形狀特征尺寸作為輸出層參數(shù)，輸入層和輸出層之間建立一層隱藏經(jīng)在各層中，神經(jīng)元的輸入記作x,.,神經(jīng)元的輸出記作x，第z'個(gè)神經(jīng) 元向下一層第/個(gè)神經(jīng)元的的權(quán)值記做w,。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論其中A為非線性激活函數(shù)，可以取作Logister函數(shù)<formula>formula see original document page 9</formula>或雙曲正切函數(shù)<formula>formula see original document page 9</formula>對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，包括隱藏層神經(jīng)元數(shù)目的選擇，激活 函數(shù)的選擇，輸出值的線性變換等。當(dāng)輸入層的參數(shù)確定以后，形狀因 子就可以表示成神經(jīng)元權(quán)值的非線性函數(shù)。4.熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算輸入數(shù)據(jù)，按如下具體算法計(jì)算-(1) 初始化 ,=0 (4)(2) 前向計(jì)算<formula>formula see original document page 9</formula>其中/表示神經(jīng)元所在在層數(shù)，是從第(/ - 1)層神經(jīng)元/指向第/層 神經(jīng)元y的權(quán)值，乂是第/層神經(jīng)元/的輸出值。<formula>formula see original document page 9</formula>(4) 迭代直至滿足收斂條件對(duì)于每一組因子，可由實(shí)驗(yàn)確定一組形狀特征參數(shù)與之對(duì)應(yīng)。每次實(shí)驗(yàn)可表示為0c，巧)，其中x表示控形因子參數(shù)，《表示形狀因子。利用 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立模型；調(diào)節(jié)各個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值^.,.,使得預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差平方和^i;(",-x)2最小。輸入所有全部試樣的80%作為建模數(shù)據(jù)，用來(lái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練建模，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所涉及到的變量，可以對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)作局部調(diào)整，把不變的輸入?yún)⒘窟M(jìn)行凍結(jié)。將預(yù)留的剩下20%試樣的工藝因子、束流品 質(zhì)因子、環(huán)境因子以及材料特性因子等數(shù)據(jù)作為輸入層數(shù)據(jù)輸入，通過(guò) 己建模型計(jì)算得出熔凝區(qū)形狀特征尺寸的預(yù)測(cè)值，與20%試樣的熔凝區(qū) 形狀特征尺寸熔凝區(qū)熔深、熔凝區(qū)熔寬、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面 接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔凝區(qū)余高、熔凝區(qū)深寬比、熔凝區(qū)焊趾角、熔 凝區(qū)過(guò)渡弧半徑作為實(shí)驗(yàn)值誤差比較，來(lái)檢驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的可靠性。 實(shí)施例一1.電子束焊接接頭試樣制備電子束焊接S=20mm TC4鈦合金試板工藝，采用平板堆焊方式以模 擬最佳的對(duì)接接頭形式，焊接材料TC4鈦合金的尺寸為 300mmx90mmx20mm。鋼絲刷去除氧化膜后在電子束焊機(jī)中施焊。焊接參數(shù)如下Ua—加速電壓，Ib—束流If —聚焦電流V—焊接速度，H—槍距試 件距離參數(shù)l:Ua=150kV，Ib =42mA,If =34211^,￥=600111111/1^101=251111111,真 空6xl0-3 Pa參數(shù)2:Ua=150kV，Ib =69mA，If =366111八,￥=600111111/1^11,11=251111111，真 空4xl(T3 Pa參數(shù)3:Ua=150kV,Ib =42mA,If =32411^，￥=400111111/1^11，11=251111111，真 空4xl0-3 Pa參數(shù)4:Ua=90kV，Ib=57mA，If=1654mA,V=750 mm/min，H-370mm,真空 3.2xl(T4 Pa參數(shù)5:Ua=90kV,Ib=62mA,If=1635mA,V=600 mm/min，I^370mm，真空 3.2xl(T4 Pa參數(shù)6:Ua=90kV，Ib=51mA，Irl644mA，V=450 mm/min,H-370mm,真空 3.8xl(T4 Pa參數(shù)7:Ua=150kV,Ib=78mA,Ip376mA，V=600 mm/min，I^251mm,真空 8xl(T3 Pa參數(shù)8:Ua=150kV，Ib=58mA，Ir312mA，V=600 mm/min，H-251mm，真空 6xl0隱3 Pa參數(shù)9:Ua=90kV,Ib=51mA,Irl681mA,V=300 mm/min，I^370mm,真空 3.8xl。-4 Pa參數(shù)10:U^150kV，I^69mA,I尸2220mA,V:800mm/min,H-370mm,真 空3.6xl(T4 Pa參數(shù)11 :Ua^0kV,Ib=5 lmA，I尸l 665mA，V=600mm/min，H=370mm，真 空3.8xl(T4 Pa參數(shù)12:Ua-90kV，It^41.8mA，I產(chǎn)1654mA，V-300 mm/min,H=370mm, 真空3.2X10-4 Pa參數(shù)13:Ua=150kV，Ib=56mA,If356mA，V=600 mm/min,H-251mm，真 空8xlO-3pa參數(shù)14:Ua=150kV，Ib=60mA，If=342mA，V=1000 mm/min，H二251mm，真 空6xl。-3pa參數(shù)15:Ua=150kV，Ib=42mA，If=348mA，V=700 mm/min，H二251mm,真 空4xl0"3pa通過(guò)Diabeam測(cè)試儀確定束流品質(zhì)的影響為電子束焊接熱效率為 90%，束流斑點(diǎn)直徑為0.54mm。焊后制備金相試樣，觀測(cè)到典型熔凝區(qū)形狀整體形貌如圖l所示。 2.接頭熔凝區(qū)形狀尺寸測(cè)試電子束焊接接頭熔凝區(qū)形狀特征尺寸定義如圖la,其中H—熔凝區(qū) 熔深/mm， B—熔凝區(qū)熔寬/mm、 W,—正面接頭熔凝區(qū)熔寬/mm、 W2— 背面接頭熔凝區(qū)熔寬/mm、 h—接頭熔凝區(qū)余高/mm、 H/B—熔凝區(qū)深寬 比；c^熔凝區(qū)焊趾角/ °、 r—熔凝區(qū)過(guò)渡弧半徑/mm。采用的悍接工藝 為臨界透，熔深H均為20mm， W2為0mm。采用工具顯微鏡等工具測(cè)試的電子束焊接接頭熔凝區(qū)形狀特征尺寸如下參數(shù)l:B=2.19mm，Wl=5.23mm， h=1.35mm， H/B=9.13,r=7.24 mm,a =220;參數(shù)2: B=3.26mm，Wl=10.88mm,h=0.95mm,H/B=6.13， r=16.01mm， a=21。；參數(shù)3: B=2.46mm,Wl=9.47mm,h=1.4 mm,H/B=8.13，r=l0.09mm， a=30。；參數(shù)4: B-1.85mm，W尸6.30 mm，h=1.37 mm,H/B=10.8,r=10.52 mm， a=19 參數(shù)5: B-2.59mm，W產(chǎn)6.30 mm，h=-0.37 mm，H/B=7.7,r=9.27 mm， a=ll0;參數(shù)6: B-2.96mm,W產(chǎn)8.15 mm,h=0.81 mm,H/B=6.7，r=12.32 mm， a=13。；參數(shù)7: B二3.2mm,W尸8.89 mm，h=1.05 mm,H/B=6.25,r=5.45 mm， a=15。；參數(shù)8: B-2.8mm，W產(chǎn)8.2mm,h二1.08 mm,H/B=7.14,r=7.93 mm ， a=29。；參數(shù)9: B-3.33mm，W產(chǎn)11.85mm，h-1.11 mm,H/B=6,r=5.8 mm，a=21。; 參數(shù)10: B-3.70mm,W尸10mm，h-1.85 mm,H/B=5.4,r=6.68 mm， a=18。；參數(shù)11: B-1.85mm,W產(chǎn)7.41mm，t^1.11 mm，H/B=10.8,r=7.07歸， a=19。；參數(shù)12: B=3.7mm,W產(chǎn)10mm,1^ 1.29 mm，H/B=5.4,r= 11.49 mm， a=14。；參數(shù)13: B-2.78mm,W產(chǎn)5.87mm,h-0.84 mm，H/B=7.19,r=3.97mm， a=140;參數(shù)14: B-3.08mm,W尸7.91mm，1^0.88 mm,H/B=6.49，r=7.97mm， a=15。；參數(shù)15: B-1.6mm，W尸4.94mm，1^1.28 mm，H/B=12.5，r=9.25mm， a=18。；3.構(gòu)建熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將束流品質(zhì)因子、材料特性因子、真空度環(huán)境因子以及工藝因子中 加速電壓、束流、聚焦電流、焊接速度等8個(gè)參數(shù)輸入層，熔凝區(qū)熔深、 熔凝區(qū)熔寬、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔凝區(qū) 余高、熔凝區(qū)深寬比、熔凝區(qū)焊趾角、熔凝區(qū)過(guò)渡弧半徑作為輸出層7 個(gè)參數(shù)，隱藏層為20個(gè)神經(jīng)元。構(gòu)建如圖2所示的熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。工藝參數(shù)數(shù)據(jù)Ua、 Ib、 If 、 V分別記作輸入Xp X2、 X3、 X4,束流品質(zhì)、真空度分別記作輸入^、 X6,材料特性中材料種類(lèi)、材料尺寸分別記作輸入A、 X8，熔凝區(qū)熔深、熔寬、熔凝區(qū)焊趾角、熔凝區(qū)過(guò)渡弧半徑、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔凝區(qū)余高分 別記作輸出^、 ^、少3、力、^、 K、 K。第/個(gè)神經(jīng)元向下一層第7個(gè) 神經(jīng)元的的權(quán)值記做,，輸入與輸出之間的關(guān)系可表示為 Ji二PiOuX, +w12 w3 +w14x4 +wl5 W6 +w17x7 +w18x8)少2 二972 (w21x1 + ^22叉2 + w23義3 + + "25工5 + + + "28義8)少7 ，7(w";^ + w72x2 + w73x3 + vv74x4 + w75jc5 + w76:t6 + w^x + w78x8) 4.熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算針對(duì)步驟3.中8x20x7的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將步驟1中工藝參數(shù)、束 流品質(zhì)、真空度數(shù)據(jù)輸入x,，步驟2中熔凝區(qū)形狀特征數(shù)據(jù)輸入^。采用metlab軟件按相應(yīng)算法計(jì)算。首先初始化= 0 ，通過(guò)前向算法計(jì)算 v )(一IX)(")乂'一"(")m=0乂其中/表示神經(jīng)元所在在層數(shù)，《)是從第(/-1)層神經(jīng)元^指向第/層 神經(jīng)元y的權(quán)值，乂是第/層神經(jīng)元_/的輸出值。然后反向算法計(jì)算《)(")伊)(v"(")) 丄層為輸出層《(《《"1)(")《+"(") 展為隱藏層《)("+1)=《)(")+a [《("-1)]+W '('一1)(")利用80%試樣數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。通過(guò)20%試樣驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行 驗(yàn)證，即將工藝因子、束流品質(zhì)因子、環(huán)境因子、材料特性因子等數(shù)據(jù) 作為輸入層數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)熔凝區(qū)形狀特征尺寸的預(yù)測(cè)值，與相應(yīng)實(shí)測(cè)值比較 確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差，來(lái)檢驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的可 靠性。調(diào)節(jié)各個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值^，使得預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差平方禾口e-ZW-_y,)2最小。經(jīng)訓(xùn)練計(jì)算確定，隱藏層激活函數(shù)/ = 10!11100，輸出層的激活函數(shù)為純線性函數(shù)，最終確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型函數(shù)為尸=丄2>,2+義2;<，其2 ,、)'中右邊第二項(xiàng)的引入是為了防止神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)度擬合，《二(yw y2， y3， y4， y5， y6 ， y》。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程中，為了避免各個(gè)參數(shù)之間比例 的失調(diào)，對(duì)輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，以所提供各個(gè)參數(shù)的最 小值為一l，最大值為l，具體參數(shù)按照比例插值的方式來(lái)確定。保持聚 焦電流變化，凍結(jié)其它輸入層參數(shù)，熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型 結(jié)果如圖4所示，可以預(yù)測(cè)不同聚焦電流下，熔凝區(qū)形狀特征的變化趨 勢(shì)。由于輸出層的激活函數(shù)為純線性函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)模型結(jié)果并 不局限在(-l，l)之間。
權(quán)利要求
1.一種電子束焊接熔凝區(qū)形狀因子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征是，(一)接頭試樣制備采用對(duì)接接頭，鋼絲刷去除氧化膜后進(jìn)行電子束焊接，焊接參數(shù)加速電壓90～150kV，束流20～100mA，聚焦電流300～3000mA，真空度3×10-2～8×10-2Pa，槍距試件距離200～500mm，焊接速度100～1200mm/min。焊后采用線切割切取金相樣件，鑲樣、磨樣、拋光及腐蝕后，采用掃描儀掃描并結(jié)合低倍顯微鏡觀測(cè)熔凝區(qū)形狀整體形貌；(二)測(cè)試接頭熔凝區(qū)形狀尺寸采用工具顯微鏡測(cè)試試樣熔凝區(qū)形狀特征尺寸熔凝區(qū)熔深、熔凝區(qū)熔寬、正面接頭熔凝區(qū)熔寬、背面接頭熔凝區(qū)熔寬、接頭熔凝區(qū)余高、熔凝區(qū)深寬比、熔凝區(qū)焊趾角、熔凝區(qū)過(guò)渡弧半徑，將80％的試樣的數(shù)據(jù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的數(shù)據(jù)，另外20％用于驗(yàn)證和修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)；(三)構(gòu)建熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)根據(jù)工藝因子、束流品質(zhì)因子、材料特性因子及環(huán)境因子構(gòu)建熔凝區(qū)形狀因子與熔凝區(qū)形狀特征之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，工藝因子、束流品質(zhì)因子、材料因子等因素作為輸入層的參數(shù)，熔凝區(qū)形狀特征的熔深、熔寬、正面接頭熔寬、背面接頭熔寬、接頭余高、深寬比、焊趾角、過(guò)渡弧半徑作為輸出層的參數(shù)，輸入層和輸出層之間建立隱藏層；在各層中，神經(jīng)元的輸入記作xi，神經(jīng)元的輸出記作yi，第i個(gè)神經(jīng)元向下一層第j個(gè)神經(jīng)元的的權(quán)值記做wij，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論其中 id="icf0002" file="A2008101345320002C2.tif" wi="3" he="3" top= "211" left = "43" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>為非線性激活函數(shù)，可以取作Logister函數(shù)或雙曲正切函數(shù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，包括隱藏層神經(jīng)元數(shù)目的選擇，非線性激活函數(shù)的選擇，輸出值的線性變換，當(dāng)輸入層的參數(shù)確定以后，形狀因子就可以表示成神經(jīng)元權(quán)值的非線性函數(shù)；(四)熔凝區(qū)形狀因子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸入熔凝區(qū)形狀因子數(shù)據(jù)及熔凝區(qū)形狀特征的數(shù)據(jù)，按如下具體算法計(jì)算(1)權(quán)值初始化wji＝0(4)(2)前向計(jì)算<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi></msubsup><msub> <mo>|</mo> <mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>v</mi> <mi>j</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>l</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <msub><mi>m</mi><mn>0</mn> </msub></munderover><msubsup> <mi>w</mi> <mi>ji</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>l</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>l</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中l(wèi)表示神經(jīng)元所在層數(shù)，wji(l)是從第(l-1)層神經(jīng)元i指向第l層神經(jīng)元j的權(quán)值，yil是第l層神經(jīng)元j的輸出值；(3)反向計(jì)算<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>w</mi> <mi>ji</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>l</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup> <mi>w</mi> <mi>ji</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>l</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>α</mi><mo>[</mo><msubsup> <mi>w</mi> <mi>ji</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>l</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><mi>η</mi><msubsup> <mi>δ</mi> <mi>j</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>l</mi><mo>)</mo> </mrow></msubsup><msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>l</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>(4)迭代權(quán)值直至滿足收斂條件通過(guò)預(yù)留的驗(yàn)證數(shù)據(jù)確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差，調(diào)節(jié)各個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值wji，使得預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的誤差平方和<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>ϵ</mi><mo>=</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mi>i</mi></munder><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </mrow>]]></math> id="icf0010" file="A2008101345320003C6.tif" wi="26" he="8" top= "174" left = "25" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束焊接熔凝區(qū)形狀因子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征是，所述的工藝因子包括加速電壓、束流、聚交電流及焊接速度；環(huán)境因子為焊接時(shí)的真空度。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，適用于各種金屬材料的電子束焊接技術(shù)，涉及一種電子束焊接熔凝區(qū)形狀因子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法。本發(fā)明采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法系統(tǒng)建立電子束焊接熔凝區(qū)形狀因子的數(shù)學(xué)模型，全面考慮了多種非關(guān)聯(lián)因素作為輸入層進(jìn)行求解建模，屬于一種處理非關(guān)聯(lián)多輸入多輸出的建模方法。
文檔編號(hào)G06N3/00GK101329169SQ20081013453
公開(kāi)日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月28日
發(fā)明者付鵬飛, 關(guān)永軍, 盧志軍, 王亞軍 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所