基于改進(jìn)MULTIMOORA 方法的PCCP焊接工藝參數(shù)優(yōu)選

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yáng)，457500)

0 序言

近年來，隨著國(guó)內(nèi)跨流域調(diào)水工程的大規(guī)模發(fā)展，高水壓、長(zhǎng)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(duì)較低成本已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其中包括中國(guó)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(zhǎng)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(duì)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(jì)，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(jìn)一步重點(diǎn)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(duì)AM80 鎂合金焊接熱裂傾向及接頭抗拉強(qiáng)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(píng)價(jià)依據(jù)通過正交試驗(yàn)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(xiàng)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(duì)象，建立了管道焊縫雙裂紋的有限元模型更為合理的評(píng)價(jià)模型.李志林等人[12]研究不同焊接工藝對(duì)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(shí)心焊絲氣體保護(hù)焊與藥芯焊絲氣體保護(hù)焊組合的焊接方法對(duì)焊接工藝進(jìn)行宏觀、微觀試驗(yàn)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(xiàn)可知，焊縫工藝參數(shù)優(yōu)選對(duì)于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的使用壽命具有重要意義，但目前對(duì)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(cè)試結(jié)果進(jìn)行主觀評(píng)估選取，而以評(píng)價(jià)模型為手段，考慮焊縫工藝參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)為對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)選取最優(yōu)工藝的研究較少.

現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法如：GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主觀法賦值指標(biāo)權(quán)重、熵權(quán)法及層次分析法多為單因素評(píng)價(jià)，或主觀性較強(qiáng).為了對(duì)焊縫工藝控制參數(shù)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)MULTIMOORA 方法[14-19]對(duì)實(shí)測(cè)焊接參數(shù)與焊縫質(zhì)量特征指標(biāo)進(jìn)行多因素決策客觀評(píng)價(jià)，以引江濟(jì)淮段PCCP 管鋼筒焊縫為研究對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，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(jì)要求，針對(duì)螺旋焊縫控制技術(shù)工藝，選取鋼筒質(zhì)量決策表征指標(biāo)為焊縫寬度，焊縫高度及咬邊深度.采用向量歸一法[20]對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理.首先建立所選取的數(shù)據(jù)指標(biāo)A={a1,a2,···,am}和所選取方案C={c1,c2,···,cn}，初始矩陣vij代表ai指標(biāo)下cj方案的評(píng)價(jià)值，i=1,2,···,m;j=1,2,···,n，對(duì)V進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)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(qǐng)Z位專家對(duì)指標(biāo)ai進(jìn)行分?jǐn)?shù)評(píng)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(yùn)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(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，求得指標(biāo)ai的絕對(duì)權(quán)重

(4)計(jì)算指標(biāo)集A中各指標(biāo)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(biāo)權(quán)重的方法.通過極差法對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，確定第i個(gè)指標(biāo)熵值Hi.

式中：xij為第i個(gè)指標(biāo)在第j個(gè)試驗(yàn)方案下的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果.

確定權(quán)重，如式(7)所示.

式中為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)；Hi為第i個(gè)熵權(quán)指標(biāo).

1.2.3 權(quán)重優(yōu)化模型

權(quán)重確定方法體現(xiàn)了評(píng)價(jià)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(jìn)MULTIMOORA 方法的評(píng)價(jià)理論

文中涉及螺旋焊縫整體性能的評(píng)價(jià)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)對(duì)各性能的不同需求，對(duì)該理論進(jìn)行一定的擴(kuò)展[22].

(1)比例系統(tǒng)法.計(jì)算方案ci的評(píng)價(jià)值yi.

(2)參照點(diǎn)法.通過該方法能確定每個(gè)焊縫數(shù)據(jù)指標(biāo)的最優(yōu)參考點(diǎn).

式中：ri為 第i個(gè)指標(biāo)中的最優(yōu)參照點(diǎn)；g為對(duì)焊縫有益的指標(biāo).

確定試驗(yàn)方案評(píng)價(jià)值z(mì)j.

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

(3)完全相乘法.

式中：uj值越大表示對(duì)應(yīng)方案越好，根據(jù)uj值的大小進(jìn)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(jìn)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(chǎng)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(cè)量?jī)x器為HJC-40 型焊縫檢測(cè)尺，采集參數(shù)包括焊縫寬度、焊縫高度及咬邊深度，每項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)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(jì)算得到各焊縫指標(biāo)的平均值，如表2 所示.

圖1 實(shí)測(cè)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(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)焊縫質(zhì)量有不同程度的影響.同時(shí)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(duì)采集數(shù)據(jù)做進(jìn)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(jìn)MULTIMOORA 方法的螺旋焊縫控制工藝評(píng)價(jià)

3.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)

文中以試驗(yàn)測(cè)量的焊縫寬度、焊縫高度、咬邊深度指標(biāo)數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其指標(biāo)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(rèn)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(duì)螺旋焊縫控制工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析.

3.2 確定指標(biāo)權(quán)重

3.2.1 OWA 算子確定指標(biāo)權(quán)重

邀請(qǐng)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(chǎng)技術(shù)人員)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，每項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分分值在0～ 5 之間，并保留1 位小數(shù).分值越大，表示指標(biāo)對(duì)螺旋焊縫參數(shù)影響越大，具體評(píng)分結(jié)果如表3 所示.

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

以焊縫寬度為例，針對(duì)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(jì)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(duì)權(quán)重w-1=3.444.同理得到其它指標(biāo)的絕對(duì)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(biāo)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(biāo)權(quán)重

首先根據(jù)表1 試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)造出判斷矩陣A，然后采用極差法對(duì)不同指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除指標(biāo)量綱差異，進(jìn)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(yàn)組的排序

對(duì)所得到的焊縫判斷矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化處理，運(yùn)用向量歸一法處理焊縫數(shù)據(jù)，消除焊縫各個(gè)指標(biāo)間量綱所存在的差異，從而得到標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)的MULITIMOORA 比例系統(tǒng)法、參照點(diǎn)法和完全相乘法對(duì)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，確定評(píng)級(jí)值及排序結(jié)果.螺旋焊控制工藝綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果如表5 所示.

表5 各試驗(yàn)組的評(píng)價(jià)值Table 5 Evaluation value of each experimental group

使用占優(yōu)理論對(duì)焊接工藝控制參數(shù)進(jìn)行最終排序，將各排序結(jié)果進(jìn)行累加，以排名總和大小進(jìn)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(yàn)結(jié)果中其指標(biāo)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(huì)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(píng)價(jià)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(duì)焊縫寬度、焊縫高度及咬邊深度均有不同程度的影響，故對(duì)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(diǎn)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(duì)10 組工藝控制參數(shù)進(jìn)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.