一种钢壳塔环缝焊接参数在线监测及反馈控制方法及系统与流程

本发明属于桥梁钢结构焊接监控，尤其涉及一种钢壳塔环缝焊接参数在线监测及反馈控制方法及系统。

背景技术：

1、钢壳塔作为大跨径悬索桥的核心竖向承载构件，其桥位节段间环缝焊接质量直接决定桥梁的长期安全性与疲劳耐久性。现有焊接在线监控技术在以下三个层面存在根本性技术缺陷：

2、（一）热源能量表征失真。现有系统以焊接电流与电压之积除以焊接速度作为热输入的唯一表征量，该方法将电弧能量视为均匀分布于焊缝截面，忽略了弧柱内电流密度沿径向的非均匀分布特性及熔池截面形状对有效热流吸收的影响，导致相同宏观热输入值对应的实际熔透深度可能存在显著差异，热源能量表征精度不足。

3、（二）过程稳定性判据单一。现有方法以参数时间序列的统计标准差作为稳定性判据，该指标仅反映参数的幅值离散程度，无法捕捉焊接过程中周期性扰动与随机扰动的频域分布差异。当焊接过程受到低频规律性扰动（如焊工手势周期性抖动）时，标准差可能偏低而过程实际处于不稳定状态，误判率较高。

4、（三）质量评价维度间耦合效应缺失。现有多参数评价方法将热输入、送丝速度、焊接速度等质量影响因素视为相互独立的线性叠加分量，采用欧氏空间中的加权求和构建综合指标。然而上述参数在物理机制上存在强非线性耦合关系，以欧氏距离度量其综合偏差会产生严重的几何失真。

5、综上，亟需一种在上述三个维度同时实现技术突破的焊接质量在线评价与反馈控制方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种钢壳塔环缝焊接参数在线监测及反馈控制方法，包括：

2、步骤一，同步采集多源焊接参数并进行时间戳对齐：

3、步骤二，以弧柱中心为原点、以弧柱特征半径为尺度参数构建电流密度计算函数，计算电流密度；

4、步骤三，根据多源焊接参数计算熔池有效吸热截面半径，并结合电流密度，计算各采样时刻的弧柱有效热流密度积分值，并形成弧柱有效热流密度积分值序列；

5、步骤四，对弧柱有效热流密度积分值序列在滑动时间窗口内执行短时离散余弦变换，以低频截止阶数为界将变换系数的低频能量之和与全频段总能量之和作比，计算各采样时刻的热输入相位相干性指数；

6、步骤五，根据多源焊接参数计算坡口理论截面积和单位行走长度内的熔敷金属体积速率，并计算各采样时刻的坡口截面动态填充亏缺率；

7、步骤六，将弧柱有效热流密度积分值、热输入相位相干性指数和坡口截面动态填充亏缺率归一化后构成特征向量，计算特征向量相对于目标点的测地距离，将测地距离和曲率修正量共同映射为焊接质量综合评价指数；

8、步骤七，以焊接质量综合评价指数及其一阶差分构成二维状态向量，建立离散状态方程，在历史窗口内在线估计最大李雅普诺夫指数，根据最大李雅普诺夫指数与焊接质量综合评价指数的联合状态实施分级预警。

9、进一步的，同步采集多源焊接参数并进行时间戳对齐包括：在焊接过程中以统一采样频率同步采集焊接电流、焊接电压、送丝速度、焊接行走速度、环境温度、环境相对湿度、坡口间隙宽度、坡口角及钝边高度，以同一时钟基准对全部采集通道打时间戳，形成多维同步参数序列。

10、进一步的，弧柱中心为原点、以弧柱特征半径为尺度参数构建电流密度计算函数包括：

11、，

12、其中，为第时刻弧柱等离子体特征温度下距弧柱中心径向距离处的电流密度，为第时刻焊接电流，为弧柱特征半径，为弧柱温度-电流密度非线性耦合系数，为参考弧柱温度，为径向温度分布衰减系数，为第一类一阶修正贝塞尔函数，为弧柱径向集中系数；

13、计算第时刻弧柱等离子体特征温度包括：

14、，

15、其中，为额定工况下的弧柱等离子体特征温度，为额定焊接电流，为额定焊接电压，为第时刻焊接电压。

16、进一步的，计算熔池有效吸热截面半径包括：

17、，

18、其中，为第时刻熔池有效吸热截面半径，为第时刻坡口间隙宽度，为第时刻钝边高度，为第时刻坡口角。

19、进一步的，计算各采样时刻的弧柱有效热流密度积分值包括：

20、，

21、其中，为第时刻弧柱有效热流密度积分值，为焊接热效率系数，为第时刻弧柱电场强度，为第时刻焊接行走速度，为弧柱轴向热流衰减系数。

22、进一步的，计算各采样时刻的热输入相位相干性指数包括：

23、，

24、其中，为第时刻的热输入相位相干性指数，为低频截止阶数，为第时刻的滑动窗口内第个采样点的短时离散余弦变换系数，为滑动窗口长度。

25、进一步的，计算各采样时刻的坡口截面动态填充亏缺率包括：

26、，

27、其中，为第时刻的熔敷金属体积速率，为第时刻的坡口理论截面积，为第时刻的坡口截面动态填充亏缺率。

28、进一步的，将测地距离和曲率修正量共同映射为焊接质量综合评价指数包括：

29、，

30、其中，为第时刻的焊接质量综合评价指数，为第时刻的测地距离，为曲率修正量，为曲率惩罚系数，为第时刻的特征向量，为矩阵转置，为最大允许测地距离。

31、进一步的，第时刻的二维状态向量为：

32、，

33、其中，为第时刻的焊接质量综合评价指数变化量；

34、离散状态方程为：

35、，

36、其中，为第时刻的二维状态向量，为线性状态转移矩阵，为非线性修正项为；

37、，

38、其中，为非线性恢复系数，为耗散系数，为目标质量指数；

39、第时刻的最大李雅普诺夫指数为：

40、，

41、其中，为计算窗口长度，为对第时刻二维状态向量施加的无穷小扰动向量，为第时刻的雅可比矩阵。

42、本发明还提出一种钢壳塔环缝焊接参数在线监测及反馈控制系统，包括：

43、采集模块，用于同步采集多源焊接参数并进行时间戳对齐：

44、计算电流密度模块，用于以弧柱中心为原点、以弧柱特征半径为尺度参数构建电流密度计算函数，计算电流密度；

45、计算弧柱有效热流密度积分值模块，用于根据多源焊接参数计算熔池有效吸热截面半径，并结合电流密度，计算各采样时刻的弧柱有效热流密度积分值，并形成弧柱有效热流密度积分值序列；

46、计算热输入相位相干性指数模块，用于对弧柱有效热流密度积分值序列在滑动时间窗口内执行短时离散余弦变换，以低频截止阶数为界将变换系数的低频能量之和与全频段总能量之和作比，计算各采样时刻的热输入相位相干性指数；

47、计算坡口截面动态填充亏缺率模块，用于根据多源焊接参数计算坡口理论截面积和单位行走长度内的熔敷金属体积速率，并计算各采样时刻的坡口截面动态填充亏缺率；

48、计算焊接质量综合评价指数模块，用于将弧柱有效热流密度积分值、热输入相位相干性指数和坡口截面动态填充亏缺率归一化后构成特征向量，计算特征向量相对于目标点的测地距离，将测地距离和曲率修正量共同映射为焊接质量综合评价指数；

49、分级预警模块，用于以焊接质量综合评价指数及其一阶差分构成二维状态向量，建立离散状态方程，在历史窗口内在线估计最大李雅普诺夫指数，根据最大李雅普诺夫指数与焊接质量综合评价指数的联合状态实施分级预警。

50、如图4所示，与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

51、（一）以弧柱能量密度截面积分模型替代均匀热输入假设，将弧柱电流密度径向非均匀分布与熔池截面几何约束纳入热能表征，使有效热流密度计算精度显著提升，有效消除相同宏观热输入对应不同实际熔透深度的表征失真问题。

52、（二）以短时离散余弦变换相位相干性指数替代统计标准差作为过程稳定性判据，从频域角度区分低频规律性扰动与高频随机扰动对焊接稳定性的不同影响，有效解决时域标准差对低频规律性扰动的漏判问题。

53、（三）以李雅普诺夫指数替代简单阈值触发作为稳定性预判依据，从动力系统角度判断焊接过程是否趋向不稳定吸引子，将预警能力从参数越限的被动响应提升至系统动力学失稳的主动预判。