（控制科学与工程专业论文）脉冲mig焊熔滴过渡控制研究.pdf

摘要在现代生产中，焊接技术已经得到了广泛的应用，它已经成为一种重要的生产手段。而脉冲m i g ( m e t a li n e r t i ag a s ) 焊是一种高质量的焊接方法，在生产上已经越来越被重视。脉冲m i g 焊是通过熔滴过渡实现焊接过程的，研究熔滴过渡的机理并加以控制，对稳定焊接过程、改善焊缝成形、减少飞溅等方面起到非常重要的作用。在分析了熔滴过渡的机理后，从熔滴过渡的控制目标出发，采用了双闭环控制方案对焊接电流及电弧电压进行控制。考虑到内环电流环能通过控制焊接电流波形来调节实现精确的熔滴过渡电流波形的功能，采用白适应控制算法对电流环进行控制。通过对电流环对象进行详细分析，建立了电流环被控对象的等效离散数学模型，在此基础上，设计了白校正调节器。根据焊接系统对象的动力学特征和控制性能，建立了脉冲m i g焊的数学模型，基于m a t l a b s i m u l i n k 平台，构建了控制系统的仿真模型。通过分析焊接参数对熔滴过渡的影响，提出了一种保证熔滴尺寸稳定的熔滴过渡控制方案，并对这种方案和常用方案进行了仿真比较，验证了保证熔滴尺寸稳定的控制方案能减少能量的损耗。以d s p 为控制核心，设计了脉冲m i g 焊控制系统的硬件，采用模块化设计方法，利用汇编语言完成了软件设计。关键词：熔滴过渡；脉冲m i g 焊；自适应控制；控制系统a b s t r a c ti nm o d e mp r o d u c t i o n ，t h ej o i n t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d ，a n di th a sb e c o m eav i t a lp r o d u c t i o nt 0 0 1 a sah i g hq u a l i t yw e l d i n gm e t h o d ，t h ep u l s e dm i gw e l d i n gh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti ni n d u s t r yp r o d u c t i o n b e c a u s et h ep u l s e dm i gw e l d i n gc o m p l e t et h ew e l d i n gp r o c e s st h r o u g ht h em e t a lt r a n s f e rp r o c e s s ，s t u d y i n ga n dc o n t r o l l i n gt h em e t a lt r a n s f e r sm e c h a n i s mh a v ef a i r l yi m p o r t a n ta f f e c t st ob a l a n c et h ew e l d i n gp r o c e s s ，i m p r o v et h es h a p e dw e l d i n gs l o ta n dr e d u c et h es p l a s h a f t e ra n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fm e t a lt r a n s f e r , ad o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o ls c h e m ei sa d o p t e dt oc o n t r o lt h ew e l d i n gc u r r e n ta n de l e c t r i c a r cv o l t a g eb a s e do nc o n t r o lt a r g e to fm e t a lt r a n s f e r a st h ei n n e rl o o pc a na c q u i r ea c c u r a t em e t a lt r a n s f e rc u r r e n tg r a p hb yc o n t r o l l i n gt h ew e l d i n gc u r r e n tg r a p h ，t h e a d a p t i v ec o n t r o li sa d o p t e dt oc o n t r o lt h ew e l d i n gc u r r e n t a f t e rp a r t i c u l a rt h ei n n e rl o o pi sa n a l y z e d ，a ne q u i v a l e n td i s c r e t em a t hm o d e lo ft h ec u r r e n tl o o pi se s t a b l i s h e da n das e l f - a d j u s ta d j u s t o rb a s e do nt h em o d e li sd e s i g n e d ap u l s e dm i gw e l d i n gm a t hm o d e li se s t a b l i s h e db ya n a l y z i n gd y n a m i c sc h a r a c t e r sa n dc o n t r o lp e r f o r m a n c e so ft h ew e l d i n gs y s t e m ，a n das i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sc o n d u c t e db a s e do nm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r m a tt h ee n d ，a f t e rt h ew e l d i n gp a r a m e t e r so ft h em e t a lt r a n s f e rp r o c e s sa r ea n a l y z e d ，a l li m p r o v e dm e t a lt r a n s f e rc o n t r o ls c h e m ei sp u tf o r w a r dt og u a r a n t e ed r o ps i z es t a b i l i z a t i o n ，a n dt h es i m u l a t i o nm o d e lw a su s e dt oc o m p a r et h ei m p r o v e ds c h e m ew i t ht h en o r m a ls c h e m e t h es i m u l m i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e ds c h e m ec a nr e d u c ew a s t e de n e r g i e s ap u l s e dm i gw e l d i n gh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db yc h o o s i n gd s pa st h ec o n t r o lc o r e ，a n dap u l s e dm i gw e l d i n gs o f tc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do na s s e m b l el a n g u a g eb ya d o p t i n gm o d u l a r i z ed e s i g nm e t h o d k e yw o r d s ：m e t a lt r a n s f e r ；p u l s e dm i gw e l d i n g ；a d a p t i v ec o n t r o l ；c o n t r o ls y s t e mi i硕士学位论文第一章绪论1 1 课题背景和来源第一章绪论在现代电力电子技术的快速发展的基础上，现代焊接技术也在不断地迅速发展。在现代生产建设中，焊接技术的应用已越来越广泛，并且变得越来越重要。可以说，工业和科学的现代化离不开焊接技术的进步，而焊接技术的能力也逐渐成为了那个国家工业和科学现代化能力的一个象征【l 】。从2 0 世纪中叶开始，焊接技术在生产建设中的地位便已逐渐提升，而焊接技术也不再是一种生产手段，它已发展成- - f - j 多学科交叉的新型学科，并成为了科学前进的一个重合点【2 1 。一方面，为应对工业生产和各种产品的质量要求，花样百出的焊接方法不断呈现出来；另一方面，工业生产的现代化和科学技术的进步，也促使焊接技术朝着协同化、智能化、数字化等方向发展，反过来也为焊接工业增加了新的理论依据，加快了焊接技术现化代的步伐，为电弧焊技术的前进打下了坚实的基础。此外，高频开关电源技术发展所带来的“2 0 k h z 电源技术革命”【3 】，使弧焊电源得到了广泛的应用和迅速的发展。如今，焊接技术正稳步发展，电弧焊焊接产品的质量和生产率也将不断朝着高效率、高质量、高精度的方向前进。电弧焊的主要能源就是焊接电弧，它在当前社会的焊接方法中占着很大的比例。1 8 8 5 年，别那尔道斯发明了碳极电弧，1 8 9 2 年，有人发现了金属极电弧，1 9 0 8 年，基尔博格研制了薄药皮焊条，然而，直到1 9 3 0 年，出现了厚药皮焊条，才使电弧焊的应用得以推广，电弧才成为工业用热源【4 】。从二十世纪初开始，伴随着电力电子技术的发展，电弧焊工艺开始取得飞速发展。如今，电弧焊接技术已应用到现实生活中的很多方面，它也将随着焊接技术的全面发展不断前进，最终将给工业的发展带来无穷的动力【5 1 。同时，由于电弧焊技术运用得越来越广泛，工业生产对焊接质量、焊接效率、以及焊接成本等也有了越来越高、越来越严格的要求，提高焊接质量、增加生生效率、降低生产成本的愿望也已随着焊接技术的应用与日剧增。因此，为了适应焊接产品和生产技术的发展，不仅要持续地开发焊接材料、更新弧焊设备，更需要实现焊接生产的机械化、自动化，而现在的机械制造、电力拖动与自动控制技术也已为完成这一目标提供了技术支持【6 1 。研究焊接技术与现代控制技术的结合点对我国未来的工业发展有着深远的意义。在电弧焊方法中，g m a w ( g a sm e t a l a r e w e l d i n g ) 焊尤其是脉冲m i g ( m e t a li n e r t i ag a s ) 焊在提高工业产品质量、增加自动化程度这些方面具有不可替代的硕士学位论文第一章绪论优势，因此在焊接生产中所占比重最大。因此，对脉冲m i g 焊的过程及控制系统进行深入研究和分析，对提高焊接质量，降低生产成本，提高自动化程度都有着重要的作用。脉冲m i g 焊的过程中，熔滴过渡过程对焊接质量的影响最为直接和明显，对其过程进行研究，是焊接技术发展中的主要任务之一。该课题来源于科技部科研院所专项资金项目数字控制全功能逆变焊机的研制的子项目。1 2 脉冲m i g 焊接技术发展现状1 2 1 脉冲m i g 焊的产生和发展电弧焊的起源最早可以追溯到1 8 0 2 年英国人戴维发现电弧现象。但气体保护焊的发展历史则要从1 8 8 3 年别那尔道斯发表的气流中的焊接一书开始，不过，一直到1 9 4 8 年，美国才研制出m i g 焊等惰性气体保护焊，然而，在接下来的近二十年，m i g 焊一直都应用得很岁。7 1 。直到进入2 0 世纪五六十年代，一些欧洲先进国家的焊接技术人员才开始对m i g 焊重视，认为它是焊接技术上的一项技术突破，并预测到六十年代未，m i g 焊将会取代传统的手工焊接。但是由于当时m i g 焊的设备价格和手工焊的设备价格差距比较大，m i g 焊的保护气体氩气的价格也十分昂贵，使得m i g 焊设备的销售数量很低，这种愿望并没有实现。同时，由于m i g 焊焊接设备的好坏和焊接参数及性能有千丝万缕的关联，而当时的电气自动化控制水平还达不到工业生产中对电弧特性的要求，因此，m i g 焊发展得十分缓慢，生产厂家也没有很高的积极性，使其应用范围也变得十分狭窄。另一方面，成本低廉的c 0 2 焊技术也对m i g 焊机的发展产生了相当的冲击作用。最终，基于这一系列的因素，六十年代的m i g 焊革命以失败告终。当时，m i g 焊的应用只占到6 1 0 。那时候，m i g 焊应用的较多的地方主要有两方面：一方面，由于银的熔点相对很低，使得熔滴滴落时的临界电流很低，所以当时金属材料银在m i g 焊焊接生产中得到了一定的应用；另一方面，由于短路过渡m i g 焊不易将金属焊穿，所以在m i g 焊在薄板焊接中也应用得比较成功。二十世纪六十年代，为了使m i g 焊的应用范围扩大，促进焊接技术的发展，焊接技术人员研发出了脉冲m i g 焊。脉冲m i g 焊的产生，是焊接技术发展史上的一次飞跃。过去，焊接过程的稳定完全依靠保持“恒定 的电流或电压，而脉冲m i g 焊则是使用变动电流来进行焊接，它的出现给m i g 焊的发展注入了新的血液【8 】o由于连续直流m i g 焊射滴过渡拥有焊丝熔化系数高、熔滴温度低、焊接烟尘少和基本上无飞溅等优点，而脉冲m i g 焊在连续电流时能实现射滴过渡焊接，2硕士学位论文第一章绪论因此，m i g 焊的应用领域得到了很大的扩展。同时，脉冲m i g 焊也能对焊接过程中的热输入量进行大范围的调节及精确控制，通过选用脉冲m i g 焊，可以降低焊接过程中的平均电流，能大大减少焊接过程的飞溅。因此，对于热敏感性较强的焊接材料，可以选择使用脉冲m i g 焊。另一方面，脉冲m i g 焊具有相对较宽的电流调节范围，通过调节脉冲频率，能使焊接电流适用于几十安培到几百安培的范围。因此，脉冲m i g 焊在厚板和薄板中都能适应，甚至，在焊接薄板时，还能使用粗焊丝。同时，脉冲电弧能通过减少熔池的流淌，来改善熔池的性能，进而改良焊缝成形，减少气孔的出现。因此，脉冲m i g 焊的应用发展得特别快，在工业生产中的应用范围也迅速扩展到包括车辆、船舶、航空、电子等几乎所有工业部门。般情况下，脉冲m i g 焊工作范围主要包括大滴过渡区、射滴过渡区和射流过渡区。但是，只有工作在射滴过渡区时，其工艺性能才能达到最佳，因此，对脉冲m i g 焊的控制，其实就是要控制其过程，使其保持在射滴过渡区。根据脉冲m i g 焊射滴过渡区间的特点，可以通过控制熔滴过渡和电弧弧长来实现射滴过渡。熔滴过渡控制的实质就是通过控制脉冲频率来控制脉冲波形，从而控制平均电流，最终改良焊接效果。在熔滴过渡控制过程中，通过控制脉冲频率及脉冲电流的时间能够控制每个电流周期的具体过渡次数，即通过控制脉冲电流波形能够控制熔滴过渡的分离时间及分离次数，进而保证焊接过程工作在射滴过渡区。熔滴过渡的控制过程可以利用工艺试验和仿真来找到最佳参数，也可以采用检测熔滴过渡信号的方式来实现自动控制 9 】。电弧弧长的控制是通过控制电弧电压和送丝速度来适应熔化速度。通过反馈控制可以保证电弧电压的稳定，进而保证弧长的稳定，减少外界干扰带来的影响。保证焊接过程平稳完成。脉冲m i g 焊的脉冲参数比较多，主要包括j 。( 峰值电流) 、j 。( 基值电流) 、l ( 峰值时间) 、瓦( 基值时间) 、f ( 脉冲频率) 和v ( 送丝速度) 。最开始，这些参数都是通过手工调节来完成的，但这是一个相对复杂的过程，不仅要求焊工的技术相当熟练，还要求焊工有相当的耐心。对于一个确定的送丝速度，一方面必须使i o ( 峰值电流) 、t o ( 峰值时间) 、，。( 基值电流) 、瓦( 基值时间) 全部调整好，以确保一个脉冲分离出一个熔滴。另一方面，利用调节后的脉冲参数计算出来的平均电流，还必须能保证熔化速度和送丝速度相匹配，这样才能保证弧长稳定。同时，即使参数都调好后，一旦外界产生干扰，哪怕是送丝速度的一点变化，都可能导致焊接过程产生很大的变化( 如不能保证一个脉冲分离一个熔滴和发生返烧和粘丝等现象) ，进而使焊缝出现各种缺陷【l o 】。3硕士学位论文第一章绪论综上所述，随着生产的要求越来越高，手工调节的不足之处也越来越明显，最后，随着工业技术的不断发展，人们开始将自动控制运用到焊接参数的调节中来，以保证焊接生产的生产效率并改良焊接产品的质量，这也是脉冲m i g 焊自动控制发展得这么快的主要原因。1 2 2 脉冲m i g 焊的原理、特点及应用熔化极气体保护焊的工作原理如图1 1 所示。焊接过程中，保护气体( 如氩气等稀有气体或富含稀有气体的混合气体) 从保护气体喷嘴中喷出，以保护焊接区及焊接电弧；焊丝由焊丝盘不断送入焊接区域；焊丝与焊件之间焊接燃烧产生电弧，然后，焊丝被电弧不断加热，逐渐形成熔滴并长大，最后滴落到熔池中；最后，熔化的焊丝和母材金属经过冷凝结晶，形成焊缝。图i = im i g 焊示意图m i g 焊过程中，一般使用心或斛h e 作为保护气体，因为惰性气体有化学不活动性，所以可以保证焊接区的熔化金属不被氧化。脉冲m i g 焊是一种熔化极惰性气体保护焊，它的电流是周期变化的。首先，从基值电流开始，送入的焊丝就会被预热，当基值电流开始向脉冲电流过渡，焊丝逐渐熔化，并形成熔滴，然后在脉冲电流期间逐渐长大，形成圆柱形的电弧。如果脉冲电流持续时间够长，熔滴会在脉冲期间滴落，然后产生新的熔滴，也有可能获得了足够的能量，但是会到基值时间再滴落，最后，在脉冲电流重新回落到基值电流，焊丝又会重新预热。如果，脉冲m i g 焊的电流参数恰好保证一个周期滴落一滴，那么熔滴过渡就会工作在射滴过渡区。通过以上分析，我们得知，通过控制脉冲电流的大小和时间，便能控制熔化过程中的能量，当电流脉冲值足4硕士学位论文第一章绪论够大或足够长，即使平均电流很小，也能控制在射滴过渡区，也就是说，可以用小平均电流来对薄板进行焊接。为保证焊接稳定，脉冲m i g 焊的熔滴过渡一般都控制在射滴过渡区，由于其电流既有基值电流，又有峰值电流，使得它和其他的弧焊电源有很大的区别，在工艺上，脉冲m i g 焊主要具有电流调节范围宽、可有效地控制热输入量改善接头性能、有利于实现全位置焊接等特点。脉冲m i g 焊的焊接电流可以在从几十安培到几百安培的范围内工作，其熔滴过渡的区域包括了短路过渡、大滴过渡、射滴过渡、射流过渡等大部分电流区域。因此，当平均电流较大时，可以用于焊接适用于短路过渡和大滴过渡方式的产品，而当平均电流小时，可以用来焊接适用于射滴过渡和射流过渡方式的产品。另外，当采用粗细相同的焊丝进行送丝时，通过改变脉冲频率来控制平均电流，可以分别平稳地焊接厚板和薄板，而在焊接薄板的时候，通过调节电流的平均值又可以分别采用不同直径的焊丝进行工作。同时，通过调节脉冲电流时间和脉冲电流大小还可以改良熔透情况、提高生产率、降低成本、减少气孔的生成。总之，通过实验对不同产品进行测试，都可以获得适应于它的脉冲参数，进而改良焊接性能。在焊接高强度钢和部分铝合金时，由于这些材料对热敏感性强，必须限制对这些材料的热输入量。若采用直流焊接，则只能通过小电流焊接，甚至只能小范围焊接，否则就会造成焊缝成形不良等缺陷。如果使用脉冲电流，则可以通过调节脉冲周期来调节平均电流，使平均电流变小，进而减少一定时间段内的热输入量，从而改良焊接质量。此外，由于脉冲m i g 焊的脉冲电弧是间歇式的，所以能通过减少熔池的流淌，来改善熔池的性能，进而改良焊缝成形，减少气孔的出现。因为脉冲m i g 焊的焊接电流适应范围宽，所以适应的焊接范围很广。同时，由于熔滴过渡的过程与所获能量成正比，在电流脉冲值下进行过渡，焊接过程既可以适用于仰焊也可以适用于垂直焊。因此，脉冲m i g 焊有利于实现全位置焊接，它既能改善焊接质量，也能提高焊接生产率。同时，m i g 焊与其他焊接方法比较也有不少特点。m i g 焊的保护气体是没有氧化性的纯惰性气体，电弧空间无氧化性，能避免氧化，焊接中不产生熔渣，在焊丝中不需要加入脱氧剂，可以使用与母材同等成分的焊丝进行焊接。与c 0 2气体保护焊相比较，m i g 焊电弧稳定，熔滴过渡稳定，焊接飞溅少，焊缝成形美观。与t i g ( t u n g s t e ni n e r tg a s ) 焊相比较，m i g 焊由于采用焊丝作电极，焊丝和电弧的电流密度大，焊丝熔化速度快，熔敷效率高，母材熔深大，焊接变形小，焊接生产率高。m i g 焊采用焊丝为正的直流电弧来焊接铝及铝合金时，对5硕士学位论文第一章绪论母材表面的氧化膜有良好的阴极清理作用。m i g 焊初期主要用来焊接铝、镁及其合金，由于富氩混合气体的广泛应用，熔化极气体保护焊的应用范围不断扩大，几乎可以焊接所有的金属材料，既可以焊接碳钢、合金钢、不锈钢等金属材料，也可以焊接铝、镁、铜、钛及其合金等容易氧化的金属材料。而且在焊接铝、镁及其合金时，采用直流反极性有良好的阴极清理作用，则提高了焊接接头的质量。熔化极气体保护焊使用的焊丝，根据其直径的不同，有细丝和粗丝之分。一般认为，焊丝直径小于1 6 m m ，属细丝焊；大于1 6 m m ，属粗丝焊，粗丝的直径可达6 m m 。焊丝直径不同，则电弧形态和使用范围也不同，近年来，粗丝大电流熔化极气体保护焊得到迅速发展，通常使用直径为3 2 r a m 以上的焊丝和5 0 0 a 以上的大电流，这也是一种可实现厚板焊接的高效焊接方法。目前熔化极气体保护焊被广泛应用于汽车制造、工程机械、化工设备、矿山设备、机车车辆、船舶制造、电站锅炉等行业。涉及到石油化工、电力建设、起重设备、航空、原子能、造船、冶金、轻工等工业领域。由于熔化极气体保护焊焊出的焊缝内在质量和外观质量都很高，该方法已经成为焊接一些重要结构时优先选用的焊接方法之一。1 3 脉冲m i g 焊控制方法的发展现状目前，脉冲m i g 焊都是通过控制电信号的方法完成对焊接过程的控制的。控制方案则是通过控制电信号的参数或者通过闭环控制的方式来保证送丝速度与熔化速度相匹配，进而确保弧长的稳定。同时，为了保证焊接质量，会通过控制熔滴过渡过程，控制其一直处于射滴过渡区。近年来，脉冲m i g 焊的控制方式主要有：门限控制法、s y n e r g i c 控制法、闭环自适应控制法、综合控制法、弧光传感控制法及熔滴过渡光谱控制法。门限控制法通过设立电弧电压门限值实现脉冲m i g 焊控制。其原理就是通过设立电弧电压的门限值来控制弧长，采用两个具有恒流外特性曲线的电源，焊接过程中，由于焊丝熔化和送进使弧长变化，电弧电压也随之变化，当电弧电压达到设置的门限值时，控制系统切换电源外特性，迫使电流突变，故而，电压不会超出门限值，从而控制弧长。接下来通过图1 2 对门限控制法进行详细说明。焊接过程中，电弧工作点位于两条恒流外特性曲线，。和厶上，当电弧工作在j 。( 基值电流) 上时，焊丝送进速度比熔化速度大，弧长会变短，电弧工作点沿特性曲线，。下移；当到达门限值a 点时，控制系统会把电源外特性曲线切换到j 。，即进入脉冲阶段，此时，焊丝送进速度比熔化速度小，弧长开始变长，电弧工作点沿，。上移；当达到门限值b 时，控制系统会将电源外特性曲线切换到，。如6硕士学位论文第一章绪论此循环，就完成了脉冲m i g 焊脉冲参数的自动调节，将弧长保持在l 。与厶：之间。只要a 点与b 点选择恰当，就可以保证焊接过程的稳定进行。这种方法对弧长的控制效果比较好 1 2 , 1 3 】。职v )0i bi di ( a 、图1 - 2 电源输出外特性曲线s y l l e r g i c 控制法，是近三十年来研究出来的一种新的脉冲m i g 焊控制方法。传统的s y n e r g i c 系统，是事先通过试验获得不同焊接材料、不同焊丝直径、保证实现一个脉冲滴落一个熔滴的最佳脉冲参数配合，进而采用硬件编程。实际焊接过程中通过编程来控制脉冲参数，使送丝速度和系统的脉冲参数能够实时匹配，从而达到一脉一滴的过渡方式。这种s y n e r g i c 控制方法已经在一定程度上应用到实际生产中了【1 4 】。新的s y n e r g i c 控制系统中，根据经验给定送丝速度，要保持弧长稳定，则必须让平均电流与送丝速度相匹配，然后根据输入的焊接条件( 如被焊接材料、焊丝直径等) 和送丝速度同脉冲频率的关系，自动设定脉冲峰值电流、峰值时间和脉冲周期。焊接过程中，如果送丝速度发生变化，或者送丝速度受到干扰，系统在脉冲峰值电流，p 和峰值时间乙不变的情况下，改变脉冲频率，以使熔化速度圪和送丝速度相匹配进而保证弧长稳定。脉冲频率和送丝速度的关系表达式为f = 以k( k = 一口+ b )( 1 1 )式中，f 代表脉冲频率，以代表送丝速度，k 代表熔滴当量尺寸，口、b 是常数。式( 1 1 ) 表示s y n e r g i c 控制系统的关系表达式。而脉冲m i g 焊的焊丝熔化速度可以用式( 1 2 ) 表示圪= 2 8 9 x1 0 3 菇南( 1 - 2 )式中圪代表焊丝熔化速度，代表电流密度，代表干伸长。自适应闭环控制法是这样一种方法，它的送丝速度和脉冲频率按一定的函数广硕士学位论文第一章绪论关系由单旋钮给定，再通过脉冲频率控制电弧电压，从而对弧长进行控制。为保证熔滴过渡达到一脉一滴的效果，将基值电流设定为固定值。如果系统受到非送丝速度引起的外界干扰，干扰传到输出，通过检测单元将输出反馈到输入，再通过p i 控制器进行修正，使弧长得到恢复。因为脉冲峰值电流比较大，电弧斑点比较稳定，所以检测该时期的电弧电压可较准确地反应弧长的变化。该法的抗弧长干扰能力强，但是由于送丝速度受到扰动而引起的弧长变化，则只能通过送丝机进行送丝速度的改变才能进行补偿。总之，s y n e r g i c 控制法和自适应控制法一个是控制送丝速度的，对送丝速度进行了补偿，一个是控制弧长，对弧长进行了补偿【15 1 。综合控制法其实就是自适应控制法和s y n e r g i c 控制法的综合。它吸收了s y n e r g i c 控制法和自适应控制法的优点，同时检测电弧电压和送丝速度，并将检测信号反馈到输入，从而对脉冲频率进行控制。在此基础上，通过保证峰值电流和峰值时间的单元能量恒定，便同时保证了熔滴过渡一脉一滴的目标和弧长稳定的要求【1 6 1 。随着脉冲m i g 焊控制方法的不断发展，焊接技术人员对熔滴过渡形式的研究也不断深入。经过大量实践发现，一个脉冲过渡一个熔滴是熔滴过渡过程中最为理想的过渡方式【1 7 】，它具有过程稳定，无飞溅，焊缝成形美观和焊接质量高等特点。同时，经过大量实验证明，只要保证峰值电流，。和峰值时间l 满足一定的匹配关系，就能达到一脉一滴的效果。上面讲述的新s y n e r g i c 控制法正是通过保证，、疋为恒值的控制方式来达到这种过渡效果的，不过，因为脉冲频率的不固定使得焊接总输入能量的也不固定，所以滴落熔滴的体积不均匀，而且送丝速度和焊丝干伸长产生改变会使熔滴过渡不稳定。有人提出了这样一种综合控制方法，即通过送丝速度前馈和峰值弧压反馈预置并调节峰值时间l 和基值时间瓦，当送丝速度或焊丝干伸长长度变化时，保证，。z + ，。乃= e 。不变，进而达到一脉一滴的目标并保证熔滴体积为固定值引。要想对熔滴过渡进行准确的检测和控制，最可靠的方法就是检测出熔滴本身所包含的信息。前面所介绍的几种控制方法都是对电弧电信号进行采集，然后将采集来的信号用来控制焊接电弧和熔滴过渡形式。因为这种方法不要制造特殊的传感装置，也不用购买比较特殊的检测设备，所以成本比较低，使用也方便，所以在工业生产中被广泛采用。这几种方案检测电信号的主要目的是控制弧长，通过实验或实践总结出来的规律或者有效的参数，来控制脉冲的电流或电压。但焊接过程是多变的，那些信号不是熔滴最原始的信号，对那些信号的控制是达不到最理想的效果的【1 9 1 。在生产和实验中，人们注熔意到在脉冲m i g 焊焊接过程中，熔滴过渡的过8硕士学位论文第一章绪论程会有电弧光出现。于是，有学者提出通过检测滴过渡过程的电弧光强来对焊接过程进行控制。即通过检测光强信号，对其波形进行分析，进而控制焊接过程。不过，因为这种检测技术还不够发达，检测出来的信号的品质一般，所以控制效果也大打折扣，使得其生产应用也受到tn 约1 2 们。光谱控制法是近十年才发展出来的一种新方法。1 9 9 8 年，天津大学柳钢提出了一种脉冲m i g 焊熔滴过渡光谱信息实时控制法【2 。利用光谱波峰切换法，通过单片机控制系统对光谱信号波峰值进行采集，再根据预置的光谱切换比率g ，计算出本脉冲周期内的光谱切换值，如果发现光谱信号小于光谱切换值s 。，立即切换到基值电流。总之，光谱控制法就是通过检测光谱信号并实时调整脉冲峰值时间即占空比来完成脉冲m i g 焊熔滴过渡一脉一滴的目标。2 0 0 1 年，天津大学杨立军根据脉冲m i g 焊熔滴过渡光谱控制法的特点，首次研制出了一台符合光谱控制方法要求的逆变式脉冲m i g 焊电源及其控制系纠2 2 1 。1 4 脉冲m i g 焊熔滴过渡控制的发展方向脉冲m i g 焊熔滴过渡过程相当复杂，熔滴过渡过程中的电弧也是一个相当相当难控制的对象，它具有多输入多输出、非线性、时变等特点，同时，焊接系统中的干扰因素很多，因此，用传统的控制方法很难保证良好的熔滴过渡控制效果1 2 引。而熔滴过渡过程的好坏直接影响着焊接过程的稳定与否，焊接过程的稳定与否又直接影响着焊接的效果好坏。只有理想的熔滴过渡过程才能减少飞溅，获得美观的焊缝。熔滴过渡形式中，射滴过渡的效果是最好的，它能保证一脉一滴的过渡效果，因此，维持熔滴过渡过程处于射滴过渡状态，对提高焊接质量有着非常现实的意义。为了更好的控制焊接过程，控制熔滴过渡过程中的非线性对象，必须使用更先进的控制方法。当前，熔滴过渡控制正朝着协同化、数字化和智能化的方向不断发展。脉冲m i g 焊的脉冲参数比较多，而要保证熔滴过渡过程实现一脉一滴，必须调节脉冲参数并保证熔化速度与送丝速度相匹配，保证弧长稳定，才能避免焊丝回烧或者发生电路短路。但脉冲参数的调节是一个相当困难的过程，为了同时调节好各个脉冲参数，有人提出了协同化的思路：通过找出各个参数之间的关联，使需要调节的参数量减少，最终实现一元化。即通过一定的算法将峰值电流，。、峰值时间l 、基值电流j 。、基值时间瓦、焊接电流，一电弧电压u 。、送丝速度以等焊接参数统一起来，例如用焊接电流，。进行统一，便可以通过调节焊接电流，。来同时调节其它脉冲参数。有人提出这样种协同方案：首先选择使用某种焊丝材料进行试验，然后通9硕士学位论文第一章绪论过实验总结出大量实验数据，用这些数据来确定峰值电潮。、峰值时间乙、基值电流。、基值时间瓦之间的关系式。实验数据要求达到下面三个条件：第一，保证j p 大于射滴过渡的临界电流值；第二，选择匹配的乙和，p 值以保证实现射滴过渡；第三，使，。确保电弧能够稳定燃烧。基值时间瓦可以用( 1 3 ) 式求出瓦= l ( i e l ) ( o i b )( 1 3 )为了保证送丝速度和熔化速度相匹配，即保证弧长稳定，送丝速度可以用式( 1 4 ) 来求出= k ( l + 瓦)( 1 4 )式中：k 代表一个与焊丝大小及熔滴大小相关的常数，称为熔滴大小系数，将式( 1 3 ) 代入式( 1 4 ) 得= k ( r 。一i b ) 【巧( j p i b ) 】( 1 - 5 )综上所述，对于焊接材料确定，保护气体成分确定的焊接过程，脉冲参数、送丝速度和电弧电压都可以由焊接电流确定，通过控制焊接电流就可以实现协同化控制。在协同化发展的基础上，伴随着电力电子技术的发展，焊接技术专家逐步将单片机、p l d c 、d s p 、a r m 等数字技术引进脉冲m i g 焊焊接技术的控制中，开始使用微机来对熔滴过渡过程和弧长进行控制【2 4 1 。如果全部用硬件电路来完成对焊接过程的控制，是件很困难的事，因为脉冲m i g 焊的焊接过程相当复杂，控制电路也相当难设计，稍不注意，就会使控制系统不稳定，同时，焊接过程是时变的，一个固定的硬件控制电路适应性会很差。因此，用单片机、d s p 及其嵌入式、a r m 等构成控制核心，包括c p u 、储存器、a d 转换器、时钟电路、定时系统等电路的数字控制系统迅速发展起来。设计好一个控制电路后，可以用各种各样的软件进行编程，当焊接条件发生变化时，更改程序或程序中的参数就可以获得很好的控制效果。当数字系统引进到熔滴过渡控制后，脉冲m i g 焊的控制系统得到了极大的简化，而且控制系统的硬件电路可以减少过程的干扰，使控制效果更可靠，控制系统的软件程序可以灵活地适应焊接过程的非线性和时变，简化焊接参数调整过程，提高控制精度。因此，焊接的数字化发展得非常迅速，到现在，软硬件结合的控制系统已经被广泛的用到了各种焊接生产中去。熔滴过渡过程中涉及到的参数很多，过程极其复杂，参数不同时，熔滴过渡的形式也不一样。而射滴过渡形式是所有过渡形式中过渡效果最佳的，为了精确的控制这个非线性时变的过程，智能控制的引进已变得不可避免。经过焊接界学1 0硕士学位论文第一章绪论者和专家不断的专研，专家系统、自适应控制、神经网络和模糊控制等智能控制都已经被应用到脉冲m i g 焊的熔滴过渡控制中。自适应控制系统是一种特定的时变非线性系统，这类系统分析起来比较困难，对随机干扰更是如此，但是这种控制系统能够在线实时的修改参数，对干扰有着良好的控制效果，所以现在脉冲m i g 焊中也已经应用得越来越广泛了。针对工业过程中的不确定因素，将自适应控制器引进脉冲m i g 焊中，可以有效地抑制扰动和系统的动态影响，保证控制系统的稳定【2 5 】。张裕明教授研发了一种双电极气体保护金属极电弧焊，这种双输入双输出的非线性模型能同时提高焊接速度和熔敷效率、降低母材的热输入、改良焊缝成形，并且利用投影估计和极点配置法设计离散自适应控制器【2 6 】。神经网络可以准确地辩识非线性对象，通过多层神经网络可以直观地将辩识结果映射出来，再通过学习算法反复训练，最终能很好地确定出被控对象的参数。利用神经网络技术建立脉冲m i g 焊被控对象参数和焊接效果间的模型，根据焊接工艺的要求，选择适合精度的神经网络算法，建立出神经网络和被控对象间的神经网络模型，合理分布网络参数，再通过训练获取足够多的示教数据，可以对焊接过程进行很理想的控制，如山东工业大学的胡庆贤建立了一个以焊缝尺寸、冷却时间为输入，熔滴过渡参数为输出的神经网络模型【2 7 】。模糊控制无需构建被控制对象的数学模型，而且其语言变量的规则也比较容易设计，但是，用模糊控制建立的系统的稳定性好，对非线性、时变、滞后系统有很好的适应能力，因此，将模糊控制应用到熔滴过渡控制中是熔滴过渡控制发展的一个必然结果。模糊控制很久前就已经被应用到焊接过程中了，国内外有很多学者都已经建立了脉冲m i g 焊的电弧电压、弧长和熔滴过渡的模糊控制系统，而且能够很好地控制熔滴过渡达到一脉一滴的控制目的【z 引。1 5 本课题研究意义在焊接技术中，脉冲m i g 焊凭借其拥有电流调节范围宽、可有效地控制热输入量进而改善接头性能、有利于实现全位置焊接等三个优点，使其在生产中拥有焊接质量优良、自动控制程度较高和生产成本相对较低的优势，因此，在现代工业生产所应用的焊接方法中占有较大的比重，而且这种趋势还在不断地扩大，在工业发达国家，脉冲m i g 焊甚至有取代手工焊的趋势。对这种有绝对优势的焊接方法，进行深入探索和研究可以进一步提高焊接质量、降低焊接成本、加大自动化程度1 2 圳。脉冲m i g 焊是通过熔滴过渡完成整个焊接生产过程的，对熔滴过渡进行分析，并进一步将自动控制与之结合，是焊接技术现代化的一个必然趋势。其研究硕士学位论文第一章绪论意义主要有以下几点：第一，有利于深化焊接基础理论，通过对熔滴的形成、长大、悬浮、过渡等机理的深入研究和监测，对其规律进行分析，可进一步补充焊接技术的理论知识；第二，有利于改善焊接产品质量，通过研究脉冲m i g 焊，控制熔滴过渡过程，其焊接成形、焊缝质量肯定会得到相应的改善和提高；第三，有利于研制新型弧焊设备，通过对熔滴过渡的实时检测，将焊接质量的控制由纯粹的参数型控制提高到状态或过程控制的新水平，理论升华后，有利于新型焊接设备研制；第四，有利于开发现场测试仪器，利用模式识别技术，提取熔滴过渡的特征信号，可在现场实时监测实际的熔滴过渡类型，并可计算出熔滴过渡频率、熔滴平均直径等参数，提供一种新的焊接自动测控途径；第五，有利于探索新型控制方案，通过提取熔滴过渡期间焊接电弧所特有的光、电、热、声、力等传感信息，并经过适当的处理，可以找出新的熔滴过渡控制方案；第六，有利于提出新的焊接工艺，通过对熔滴过渡过程的深入研究，找出一些前人没有发现的点，可出提出全新的焊接工艺。1 5 研究内容本文各章节内容安排如下：第一章主要介绍了脉冲m i g 焊的产生和发展及其原理、特点和应用，然后分析了当前已应用于实际的脉冲m i g 焊的各种控制方法，最后调研了熔滴过渡控制的发展方向。第二章首先介绍了脉冲m i g 焊熔滴过渡的原理，总结了熔滴过渡的具体过程，详细分析了熔滴过渡的形式，然后对焊接技术专家研究出来的熔滴过渡过程的检测方法进行了简要的介绍说明，并根据焊接参数的特点，介绍了一些焊接参数的选择方法和原则，最后以保证焊接过程稳定为原则，结合熔滴过渡过程的特性，总结出来了熔滴过渡过程的控制目标。第三章首先介绍了脉冲m i g 焊的系统模型和控制结构，然后总结了脉冲m i g 焊系统的控制策略，进而提出了熔滴过渡控制的控制策略，即通过控制电流环来精确控制熔滴过渡电流波形。之后，根据电流环的特点，选择了使用自适应控制进行控制，并根据各种自适应控制算法的特点，选择了自校正调节器控制算法。最后，对自适应控制进行了简单介绍，分析了自校正调节器的原理，建立了电流环的数学模型，并完成了电流环的自校正调节器的设计。第四章首先分析了脉冲m i g 焊控制系统，分别从脉冲m i g 焊电路系统、熔滴受力、熔滴过渡、熔化率等方面建立了其数学模型，然后根据这些数学模型建立了脉冲m i g 焊的仿真模型。分析了工业上常用的熔滴过渡控制方案，提出了一种改进的熔滴过渡控制方案，并运用s i m u l i n k 工具对两种控制方案进行了仿真1 2硕十学t i 7 = 论文第一章绪论比较，验证了改进方案的能减少能量的损耗。第五章构建了脉冲m i g 焊控制系统整体硬件结构，并设计了控制系统的软件系统。硬件结构是以d s p 为控制核心的控制系统，包括主电路、控制电路、送丝系统及外围设备。软件系统则采用汇编语言，完成了主程序、引弧子程序、正常工作程序和收弧子程序的设计。1 3硕士学位论文第二章脉冲m i g 焊熔滴过渡过程分析第二章脉冲m i g 焊熔滴过渡过程分析只有在保证两个根本需求的情况下，才可能保证平稳的焊接过程，才可能保证优良的焊接质量。第一，送丝速度和熔化速度需要保持一致，这样才能确保电弧的燃烧过程波动不大，第二，熔化的焊接金属应该能平稳地过渡到焊接熔池中去，这样才能得到美观的焊缝，才不会出现飞溅。经实践证明，熔滴过渡过程对保证这两个根本需求起着关键的作用。熔滴过渡有好几种形式，采用不一样的形式，对焊接电弧、焊接材料、熔池熔深等也会产生不一样的作用。同时，不一样的过渡形式也会有不一样的作用范围。因此，对熔滴过渡进行分析和探索，找出不同工业产品适应的熔滴过渡形式，对现代工业发展有着很现实的意义，同时，熔滴过渡的分析和探索也已成为国内外众多学者和工程技术人员所关注的领域专一【3 0 】一o2 1 脉冲m i g 焊熔滴过渡过程2 1 1 脉冲m i g 焊熔滴过渡原理为对熔滴过渡进行分析和探索，焊接技术专家对熔滴的过渡过程进行了受力分析，经过分析发现：作用在熔滴焊丝端部的作用力主要有电磁力( 疋) ，等离子流力( f p ，重力( c ) ，表面张力( r p ，熔滴表面金属蒸发的反作用力( f p ，和爆炸力( f p 。针对不同的熔滴过渡形式，这些力的影响范围和影响方式都不一样，而且从熔滴产生到熔滴滴落的不同步骤，这些力的影响范围和影响方式也不一样。通过对这些影响进行分析，总结其相应规律，再将其应用于焊接生产的指导中去，能大大改善生产质量。经过实践和实验，焊接技术专家发现，在脉冲m i g 焊焊接过程中，当焊接电流、电弧电压、焊接材料、保护气体组成等不一样时，熔滴过渡过程一共可以划为五个范围。然后，根据产品的区别，焊接要求的区别，根据焊接规律，选取符合条件的最佳方案，使熔滴滴落在最理想的过渡形式。因为脉冲m i g 焊的电流为变动电流，所以它相对m i g 焊会有其独特的性能。通过对照脉冲m i g 焊在大滴过渡、短路过渡、射滴过渡、射流过渡、亚射流过渡这五个范围中的工作性质，找出最适合脉冲m i g 焊的工作范围，然后通过自动控制对焊接参数进行控制，使其工作在最佳范围内，对现实工业生产，有着相当重要的意义。下面将从熔滴运动的两个经典运动学理论出发，对熔滴过渡的滴落原理进行1 4硕士学位论文第二章脉冲m i g 焊熔滴过渡过程分析分析。熔滴运动的动平衡理论主要通过分析熔滴过渡过程中的熔滴受力来研究熔滴的运动。脉冲m i g 焊中，作用在熔滴上的力主要有电磁力( e ) ，等离子流力( 冗) ，重力( c ) ，表面张力( c ) ，熔滴表面金属蒸发的反作用力( e ) ，和爆炸力( f ) 3 。脉冲m i g 焊焊接过程中，主要会出现大滴过渡、射滴过渡、射流过渡三种，而对熔滴滴落影响较大的主要是下面这三个方面【3 2 】：即电磁力、表面张力和液体的运动。其中，表面张力c 可用式( 2 - 1 ) 表示b = n d y ( t )( 2 - i )电磁力l 可用式( 2 2 ) 表示疋= ，2l o g ( r 。d )( 2 2 )其中，r 代表有效导电截面直径；d 代表熔融金属与固态金属间界面的直径；y ( 丁) 代表表面张力( 温度函数) 。从式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 中可以看出，当r ( t ) 随着时间r 减小而减小，表面张力c 会跟随r ( t ) 减小而减小，而l o g ( r d ) 会随时间增加而增加，电磁力吒则跟随l o g ( r d ) 增加而增加。在产生熔滴的初期，e 会促使熔滴长大成球状，经过一段时间，e 会逐渐大于只并使熔滴获得一定能量e一e = l 【巴o ) 一只( f ) 降( 2 3 )_ i当电流较小，需要经过较长时间获取能量，熔滴便长成大球形，进而产生大滴过渡或射滴过渡。