（控制理论与控制工程专业论文）脉冲mig焊数字化控制系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 脉冲m i g 焊以其在很大的电流范围内获得射滴过渡，轴向性好，飞溅小，适 于全位置焊接，焊缝成形美观的优点，大大促进了高质量、高效率焊接工艺的发 展，然而传统的模拟控制方式存在着种种弊端限制了脉冲m i g 焊的进一步发展。 本文针对脉冲m i g 焊进行了深入的研究，在系统仿真的基础上，结合m c u ( 单 片机) + d s p ( 数字信号处理器) 双机系统，提出了脉冲m i g 焊的全数字控制系统 发i f 一。 研究了脉冲m 1 g 焊的不同熔滴过渡形式，其中“一脉一滴”过渡由于焊缝成 形好，工艺过程稳定，应为首选过渡形式。针对脉冲m i g 焊控制需要，采用变参 数数字p i 调节，即根据工艺需要设计不同的基值电流、峰值电流控制器参数，对 脉冲电流波形控制，实现了对脉冲上升沿和下降沿的分别、独立调节，同时很好 的保证了基值电流和峰值电流控制期间的稳态精度。 针对当前m a t l a b s i m u l i n k 环境下对脉冲m i g 焊仿真建模较为理想、仿真结果 与实际情况有定差距的现状，本文根据数字控制研究的需要，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对数字控制脉冲m i g 焊系统进行了整体建模( 包括“逆变电源一数字控制系 统一动态电弧负载”) ，用受控电流源实现动态电弧负载模型与系统模型的连接。 该模型为进一步仿真先进控制算法提供了很好的平台。 采用多微控制器模块化设计全数字脉冲m i g 焊控制系统，其中采用单片机和 数字信号处理器构造了双机主控制系统，各个模块之问通过串行总线协议进行参 数传递，并实现了控制软件的在线升级接口。研究了系统程序流程，设计了良好 的引收弧程序，设计了高精度及快速的比例积分控制算法。完成了部分硬件电 路设计与制作。 最后，针对本焊机的后续研究工作提出了进一步完善的建议，为本焊机今后 j 深入研究打下了良好的基础。 关键词：脉h i m l g 焊：脉冲m i g 仿真；m c 9 s 1 2 d g l 2 8 ：5 6 f 8 3 2 2 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p mi gw e l d i n g ( p u l s em e t a li n e r tg a sw e l d i n g ) i sah i g h q u a l i t yw e l d i n gm e t h o d i t i sd e v e l o p e dw i d e l yf o ri t sg o o dd i r e c t i o nt r a n s i t i o n 、l e s ss p l a s h e dm a t e r i a la n dn i c e f i g u r e a n dp m i gw e l d i n gp o w e rs u p p l yi sd e v e l o p e dq u i c k l yw i t ht h ee x t e n d i n go f p m i gw e l d i n g b u t ，a st h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，t h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a l a n a l o g u ec o n t r o lc i r c u i th a v eb e c o m et h eb o t t l e n e c kf o rf u r t h e rp r o m o t i o no ft h ep m i g w e l d i n g t h i sp a p e rc a r r i e do nat h o r o u g hr e s e a r c ht ot h ep m i gw e l d i n g o nt h eb a s eo f s y s t e ms i m u l a t i o na n dm c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) + d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) t e c h n i q u e ，f u l ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e s i g no fp m i gi sp r e s e n t e d t h ed i f f e r e n tt y p e so fd r o p l e tt r a n s f e ri np m i gw e l d i n gw e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h et y p eo f ”o n ep u l s eo n ed r o p ”s h o u l db et h ef i r s tc h o i c ei np m i g w e l d i n gb e c a u s eo fi t ss t a b l ew e l d i n gp r o c e s sa n ds o u n dw e l df o r m a t i o n ap ir e g u l a t o r w i t hv a r i a b l e p a r a m e t e r si sa d o p t e df o rf l e x i b l ya n da c c u r a t e l yc o n t r o l l e dp u l s e c u r r e n t w a v ef o r m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t e dp u l s ec u r r e n t l sr i s i n ga n df a l l i n g e d g ec a nb ea d j u s t e dr e s p e c t i v e l ya n df l e x i b l y , t h es t a b l es t a t ep r e c i s i o no fp e a ka n d b a s ec u r r e n ti si m p r o v e d t h em o d e l i n go fp m l g w e l d i n gs y s t e mb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ki sr e l a t i v ei d e a l a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sn o tc o n s i s t e n tw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n en o w t h i s p a p e rp r e s e n t sa ni n t e g r a t e ds i m u l a t i o nm o d e lf o rf u l ld i g i t a lc o n t r o l l e dp m i gw e l d i n g s y s t e mw i t hm a t l a b s i m u l i n k ，a n di tm a i n l yc o n s i s t so fp o w e ri n v e r t e r , d i g i t a lc o n t r o l s y s t e ma n dd y n a m i ca r c l o a dm o d e l as y s t e ms i m u l a t i o ns t u d yw a sd o n ef o rf u l ld i g i t a l p m i gw e l d i n g ，a n dam e t h o do fc o n n e c t i n gd y n a m i ca r c - l o a dm o d e lt ot h es y s t e mw i t h c o n t r o l l e dc u r r e n ts o u r c ew a sa d o p t e d ，i na d d i t i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r eu t i l i z e d t os t u d yt h ei s s u e so fd i g i t a lc o n t r o lp m i gw e l d i n gi nt h i sp a p e r m u l t i 。p r o c e s s o ri sa d o p t e dt od e s i g nt h ef u l l ym o d u l a r i z a t i o nd i g i t i z e dp m i g w e l d i n gs y s t e m t h em a i nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db ym i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u ) a n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t om a k eu po fd o u b l ep r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e m t h e v 山东大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o d u l e si se s t a b l i s h e db ys e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n d t h r o u g hi tt oi m p l e m e n tt h ec o n t r o ls o f t w a r eu p d a t i n g t h es t r u c t u r eo fs o f t w a r ei s r e s e a r c h e d a r cs t r i c k i n ga n de x t i n g u i s hp r o g r a mi s d e s i g n e d t h eh i g hp r e c i s i o na n d f a s tp 1c o n t r o la l g o r i t h mi se s t a b l i s h e d t h ep a r t so fh a r d w a r ec i r c u i ti s d e s i g n e da n d c ( ) m p l e t e d a tl a s t ，s o m ei m p r o v e da d v i c e sa r ep u tf o r w a r di n a l l u s i o nt op r o b l e m sa n d d e f i c i e n c yi nt h i sw e l d i n gm a c h i n e ，w h i c ha r ee x p e c t e dt om a k et h ew h o l es y s t e mm o r e r e l i a b l ea n dm o r ei d e a i v k e yw o r d s ：p m i gw e l d i n g ；p m i gw e l d i n gs i m u l a t i o n ；m c 9 s 1 2 d g l 2 8 ；5 6 f 8 3 2 2 附件一 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独j ，：进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文彳i 包含任们 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：麴王系乏。 日 期：趁垒! ! 塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许沦文被查阅 和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存淦文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垂也导师签名：碰日 期：“f ；p 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及来源 第一章绪论 焊接是制造_ k 中非常重要的环节，焊接技术直接影n 向到产品的质量、可靠性、 寿命以及生产成本、效率等方面。但是，传统的弧焊工艺一般采用结构简单、功 能单一、丌环控制或简单闭环控制的电源供电，焊接工艺稳定性差、适应能力弱、 列焊工操作技能依赖严重。 数字化w - i 一, f r q 逆变电源是当今焊接技术的重要发展方向。随着研究的深入，弧 焊工艺控制系统成为数字化弧焊逆变电源研究的核心问题。 发展数字控制弧焊逆变电源是全面提升焊接电源性能的有效途径。目前，逆 变电源普遍采用的还是模拟电路，从控制的角度，模拟控制与数字控制相比具有 很多不足。首先模拟电路难以对焊接工艺过程进行较复杂的控制。控制器复杂度 的增加就意味着硬件电路的复杂和元器件数量的增加，系统的可靠性就下降。而 且在模拟控制器中控制信息是通过电流或电压幅值变化来传递的，控制信息容易 受到外界的= f 扰。而数字控制的弧焊逆变电源却具有以下优点【l ，2 j ： 1 ) 实现了柔性化控制。焊机系统的控制通过软件实现，替代了模拟式的硬 件电路，利于系统控制策略的优化和多种焊接工艺集成在同一焊机系统。 2 ) 控制4 “ l ：j 度较高，可以实现高精度控制，且稳定、一致性好。 3 ) 接口兼容性好。可以方便地建立焊机与机器人、计算机等设备的接口。 焊机的功能- y - t + 级方便，且可以很好地满足未来自动化焊接生产、柔性焊接制造系 统对焊接设备的要求。 4 ) 更容易满足如薄件多，新材料应用等对焊机提出的特殊性能要求。 总之，随着d s p 和高档单片机的广泛应用，为突破传统工艺控制方案，实 现新的逆变焊机数字控制方案提供了机遇，从而为进一步提高焊接工艺性能提供 了可能，为尝试新的焊接工艺提供了机遇。 脉冲熔化极惰性气体保护焊简称脉冲m i g 焊( p u l s em e t a li n e r tg a sw e l d i n g ) 以其轴向性好，飞溅小，适于全位置焊接，焊缝成形美观的优点，大大促进了高 质量、高效率焊接工艺的发展，特别是随着铝、镁及其合金材料在车辆、建筑、 山东大学硕士学位论文 航空航天等工业中的大量应用，脉冲m i g 焊得到了进一步的推广，并已经成为手 工电弧焊的替代工艺1 3 1 0 从全数字控制的角度对脉冲m i g 焊进行研究以提高逆变 焊机控制性能，从而进一步提高焊接工艺性能是焊接领域中的重要任务之一。 正是基于上述原因，本文选用d s p 作为主控元件，与山东山大奥太电气有 限公司合作以课题形式丌展了脉冲m i g 焊数字化控制系统的研究。 1 2 脉冲m t g 焊接技术介绍 i 2 i 脉冲m i g 焊的产生及发展 在二十世纪四十年代初，m i g 焊就在美国研制成功【4 j ，但在以后的二十年时 l 瑚罩，基本上没有得到应用和发展，直到六十年代初，欧洲一些先进国家的焊接 界把它视为焊接工艺上的一项重大突破，并预言在六十年代末有可能取代所有的 m m a 焊接： 艺。可是这种愿望并未实现。因为当时m i g 焊的设备价格比m m a 焊接发备昂贵得多；氩气价格也很贵，而且这种工艺的好坏和设备性能有非常密 切的关系，当时的电气自动化控制水平不可能满足m i g 焊接电弧特性的要求，甚 至不可能做成性能一致的焊机，故影响了m i g 焊的应用与发展1 5 j 。 m i g 焊在当时应用较为成功的例子是银和薄板的焊接，因为银具有较低的熔 点，放熔滴射流过渡的临界电流较低，所以在相对较大的平均电流范围内可以用 于焊接；而薄板焊接中，可以采用短路过渡m i g 焊，使得金属不易焊穿和变形。 为了扩大m i g 焊的应用范围，提高焊接质量，脉冲m i g 焊恰好适应这一需 要发展起来了，脉冲m i g 焊在二十世纪六十年代产生，是焊接技术发展史上的一 次飞跃。它从根本上打破了过去那种以电流f 电压) 的“恒定”来建立焊接过程“稳 定”的概念，丌拓了运用变动电流( 电压1 进行焊接的途径。 l 三| i j 口脉冲m i g 焊的发展速度越来越快，应用越来越广泛，它以高效、节能、 操作简单方便、便于实现机械化和自动化等特点，在实际生产中得到了广泛的应 刖。 2 2 脉冲m i g 焊原理 l j k t q m i g 焊是一种焊接电流周期性变化的熔化极惰性气体保护焊。脉冲期问 山东大学硕士学位论文 峰值电流大- 1 二产生喷射过渡的临界电流值，此时的电弧形态与一般喷射过渡的电 弧形态相似，对焊丝和工件进行强烈的加热使之熔化，促使熔滴处于射流过渡状 念，同时建立熔池；在脉冲间歇期i t 白j ，由于基值电流很小，其主要作用是维护电 弧的导电状态，并对焊丝起一定的预热作用，但不产生熔滴过渡，如图1 - 1 所示。 玉ij j ：l ，脉冲m i g 焊能在焊接平均电流低于临界电流情况下，实现射滴过渡；并且 通过控制脉冲4 峰值电流大小和峰值电流时间，就能有效控制脉冲能量，在小电流 条件下，可以焊接薄板和空间焊缝。 脉冲m i g 焊的熔滴过渡形式有一脉一滴、一脉多滴、多脉一滴三种形式。其 中一脉一滴是最理想的一种过渡形式，熔滴大小均匀，过渡很有规则，方向性强 以及飞溅少，可以提高焊接质量。 t i m e i m 幽1 - i 脉冲m i g 焊熔滴过渡示意图 1 2 3 脉冲m i g 焊的工艺特点 由于脉冲m i g 焊的峰值电流及熔滴过渡是间歇而又可控的，因而与连续电流 氲弧焊相比，在工艺上具有以下特点： 1 有较宽的电流调节范围 普通的射流过渡和短路过渡焊接，因受熔滴形式的限制，它们所采用的焊接 乜流范围都是有限的。采用脉冲电流后，由于可在平均电流小于临界电流值的条 件下获得射流过渡，因而同一种直径焊丝，随着脉冲频率的变化，能在高至几百 安培，低至几十安培的电流范围内稳定地进行焊接。脉冲m i g 焊的工作电流范围 包括了从短路过渡到射流过渡所有的电流区域，可用于射流过渡和短路过渡所能 焊接的一切场合。既能焊接厚板，又能焊接薄板。焊接薄板时，熔透情况较短路 过渡焊接好。 2 开) j - - j 二实现全位置焊 v一0牙一自_，导 山东大学硕士学位论文 采用脉冲电流后，可用较小的平均电流进行焊接，因而熔池体积小。加上熔 滴过渡和熔池金属的加热是间歇的，所以不易发生流淌。此外由于熔滴的过渡力 与电流的平方成f 比，在脉冲峰值电流作用下，熔滴的轴向性比较好，焊缝成形 好，飞溅损失小。进行全位置焊接时，在控制焊缝成形方面脉冲m i g 焊要比普通 氚弧焊有利。 3 可有效的控制输入热量，改善接头性能 在焊接高强度钢以及某些铝合金时，由于这些材料热敏感性大，因而对母材 输入的热量有一定的限制。若采用普通的焊接方法，只能采用小规范，其结果是 熔深较小，在厚板多层焊时容易产生熔合不良等缺陷。而采用脉冲电弧后，既可 使母材得到较大的熔深( 因脉冲电流幅值大) ，又可控制总的平均焊接电流在较低 的水平。焊缝金属和热影响区金属过热都比较小，从而使焊接接头具有良好的韧 性，减少了产生裂纹的倾向。 1 2 4 脉冲m 1 g 焊的研究现状 曰鲋，国外已经研制出数字化控制的脉冲m i g 焊机，奥地利f r o n i u s 、芬兰 k e m p p i 、德国e w m 、同本的松下和o t c 以及澳大利亚的w o l l o n g 大学都有 相关的产品或研究。其中，最具有代表性的是奥地利f r o n i u s 公司生产的t r a n s p u l s s y n e r g i c 系列t p s4 0 0 0 5 0 0 0 7 2 0 0 9 0 0 0 等全数字化脉冲m i g 焊机。其控制采 用“m c u + d s p ”相结合的控制技术，实现了焊机程序的软件升级、焊接工艺规 范优化、多功能、多种焊接材料的适用性以及焊接工艺参数的离线处理等等。它 的心脏部分是一个数字信号处理器( d s p ) ，由它集中处理所有焊接数据，控制和 检测整个焊接过程，焊机具有程序化引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功 能焊接、焊接数据接口和评价系统等功能。由于采用了d s p ，实现了逆变弧焊电 源电流调节的数字闭环控制，使得数字控制的优势得以充分体现。 在国内，数字化控制脉冲m 1 g 焊机的研究尚处于起步阶段，一些高校企业f 在丌展这方面的研究工作，根据目前掌握的情况，高校的研究主要有北京工业大 ! 学、上海交通大学和华南理工大学等单位，国内企业的研究则以北京时代集团为 j _ = ，目前也有几种数字电源产品投入市场，但是总体上来看，对于数字控制特点 认谚 不全面，设计中对传统的弧焊工艺控制思路继承过多，导致产品性能提高幅 山东大学硕士学位论文 度有限。 1 3 本课题的的研究意义 近年来，随着计算机技术和数字化控制技术的迅速发展和广泛应用，各种现 代加工生产设备的性能更加完善，功能更加丰富，智能化不断提高。在焊接领域， 逆变技术的发展和数字化控制技术的应用，形成了山逆变主电路代替传统的主电 路，由数字控制代替模拟控制的局面，数字化控制技术与计算机技术的结合产生 了数字化焊机。 研究和发展弧焊电源的数字化控制技术，意义重大n 从焊机的工艺效果来 看，数字化焊机由于控制策略调整灵活，功能强大，控制精度高，控制参数稳定 性好，因而具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果；从弧焊工艺研究的角度， 数字化焊机为实施创新性的工艺控制策略和实现焊机的一机多功能提供了全新途 径。数字化焊机的在线控制程序升级将发挥作用，为新的控制策略实施提供了方 便、快捷的途径；从技术发展的角度来看，数字化焊机研究的时机是成熟的。首 先，数字信号处理理论和计算机技术经过了近半个世纪的发展、完善，为弧焊领 域的数字化控制技术的应用提供了坚实的理论基础，积累了宝贵的经验。其次， 数字化控制所涉及的元器件丰富，种类齐全，并且容易获得。第三，国内外数字 化焊机的成功经验和国内的良好反映证明，数字化焊机得到了广泛的青睐。 以往大多数单片机在焊机中的主要作用是完成焊机的管理和焊接参数的给 定，焊接： 艺中的电压、电流控制则是通过模拟的p i 控制器来完成的。即便一些 焊机实现了软件p i ，但由于运算速度等因素的限制，应用起来还是很多不尽人意 的地方。应该晓当i j d 应用比较普遍的微控制器与数字信号处理器( d s p ) 相比， 其数据处理能力远远落后于数字信号处理器，往往在实时性高、要求进行大量数 据处理的系统中不能胜任，在一些情况下也难于实现参数优化、智能化控制等， 很难实现先进的二 艺算法。 因此，我们有必要在这方面做一些有益的探讨，为我们民族工业的发展尽微 薄之力。研究和发展弧焊电源的数字化控制技术前景是光明的，其未来的市场也 必将更加广阔。本课题作为高效化焊接的研究，已受到焊接领域许多企业的关注， 1 7 7 1 0 e ，这也是在国家发展经济的大背景下所选的课题。 山东大学硕士学位论文 1 4 本课题的设计方案与设计目标 采用多微控制器模块化设计全数字脉冲m i g 焊控制系统，其中采用单片机 ( m c 9 s 1 2 d g l 2 8 ) 和数字信号处理器( 5 6 f 8 3 2 2 ) 构造双机主控制系统， m c 9 s 1 2 d g l 2 8 完成事务管理：与5 6 f 8 3 2 2 进行通讯完成参数的设置，与p c 机 通讯进行软件升级及数据上传，与控制面板、遥控盒和送丝机控制系统的通讯， 网络化管理功能等均由它负责管理与实现：5 6 f 8 3 2 2 作为系统的计算单元，高精 度及快速的比例积分控制算法的实现由它来完成，实时采样焊机输出的电流电压， 经a d 转换后送入5 6 f 8 3 2 2 ，由它根据制定的算法进行离散p i 运算得到控制量， 经d a 转换后进驱动板控制主电路进行能量输出：以单片机( a t 8 9 s 2 0 5 1 ) 构造 控制面板系统，完成操作人员与焊机的交互，并通过串行总线协议与主控制系统 进行参数传递。 基于以上分析，本文拟完成以下几点设计任务( 目标) ： ( 1 ) 对脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为进行分析，并在此基础上得出波形控制方 案。 ( 2 ) 应用m a t l a b 的s i m u l i n k 软件对控制系统进行建模仿真计算，对仿真结果 进行分析，验证波形控制方法的可行性。 ( 3 ) 设计以单片机( m c 9 s 1 2 d g l 2 8 ) 和数字信号处理器( 5 6 f 8 3 2 2 ) 为核心的主控 制电路系统，设计面板给定和显示电路，完成主控制电路与控制面板之间的通信 功、议。按所提设计方案进行分块设计与制作，绘制电路原理图与p c b 布线图，并 进行实验调试。 ( 4 ) 通过系统软件设计，实现数字控制器算法、引弧收弧程序，绘制焊机的控 制系统软件流程图，并制定各模块之间的串行通讯协议内容。 ( 5 ) 设计多科t 抗干扰措施，保证控制系统能够在复杂的干扰环境中正常工作。 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章脉冲m i g 焊熔滴过渡形式及控制思想 在熔化极气体保护焊中( 包括m i g 、m a g 及c 0 2 ) ，若要得到稳定的焊接过程 及良好的焊接质量，必须满足两个基本要求。首先必须使送丝速度和焊丝的熔化 速度相同以保证电弧的稳定燃烧，另外必须使熔化的金属能够稳定地传送到焊接 熔池中去以形成有效的焊缝而不是飞溅1 7j 。是否满足这两项基本要求，主要取决 于焊接的熔滴过渡过程。不同的熔滴过渡形式将对焊接电弧的稳定、焊接冶金、 焊缝的成形、熔深及材料的消耗等产生决定性的影响，因而熔滴过渡的研究始终 是国内外众多学者和工程技术人员所瞩目的领域之一。 研究者们将熔滴过渡本身作为研究对象，分析和研究了熔滴在过渡过程中所 受的力，以及各种力对熔滴过渡到熔池所起的作用。结果表明：熔滴在焊丝端头 及过渡过程中受到表面张力、重力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力等力的 作用。不但对于不同的熔滴过渡形式，各种力的作用不同，而且在熔滴形成至过 渡到熔池的不同阶段，各种力的大小及对熔滴顺利地过渡到熔池的利弊也不同。 在此基础上，学者们研究发现，不同的熔滴过渡形式对焊接过程有不同的影响， 并将结果用于指导焊接工艺。熔化极气体保护焊中，在不同的焊接电流、电压和 保护气体成分及焊丝成分，焊丝直径的影向下，熔滴过渡形式大体上可分为五个 区域，它们是大滴过渡区、短路过渡区、射滴过渡区、射流过渡区和亚射流过渡 区。根据不同的焊接质量要求，可以采取各种焊接规范的最优组合，以获得最合 适的过渡形式l 。 对于脉冲m i g 焊，又有着自己独特的特点。所以研究脉冲m 1 g 焊的熔滴过 渡，对不同的熔滴过渡形式进行比较，从而找出一个比较理想的熔滴过渡形式， 进而指导焊接： 艺，具有很现实的意义。 2 2m i g 焊中熔滴的几种过渡形式 1 大滴过渡 山东大学硕士学位论文 大滴过渡是指在焊接电流较小，且维持一定的电弧电压( 不短路) 时，所出 现的过渡形式，大滴过渡的特点是过渡频率较慢，熔滴较大的大颗粒过渡，大颗 粒过渡因为电流过程不稳定，一般不用于焊接生产。大滴过渡时一般焊接电流较 小，电弧推力小，使得熔滴长大，由于电弧能量小而造成可控性差，同时母材不 熔化或极少熔化，从而造成焊缝增高，成形不良，没有熔深，焊接速度大时会造 成连珠状焊道。因此大滴过渡在m i g 焊中没有实用价值。 2 短路过渡 m i g 焊熔滴短路过渡过程与c 0 2 电弧焊熔滴短路过渡是相同的，也是使用较 细的焊丝在低电压、小电流下产生的一种可利用的熔滴过渡方式，区别在于m i g 焊熔滴短路过渡是在更低的电压下进行，并且过渡过程稳定，飞溅少，适合进行 薄板高速焊接或空间位置焊缝的焊接。 h 喷射过渡【“”1 熔滴以小于焊丝直径的尺寸进行的过渡统称为喷射过渡。m i g 电弧能够产生 熔滴喷射过渡的原因是电弧形态比较扩展，在m i g 电弧下，氩气是单原子气体， 没有分解问题，而且热传导率较小，对电弧的冷却作用小，因此电弧电场强度低， ，i | ；态上容易扩展，能够较大范围包涵焊丝端头，熔滴过渡比较容易。m i g 焊熔滴 喷射过渡主要用于中等厚度和大厚度板水平对接和水平角接。 然而通过对过渡形态的细致观察，发现因焊丝材质的不同其熔滴过渡形态仍 有差异，由此把m i g 焊熔滴喷射过渡分为射滴过渡和射流过渡两种。 ( 1 ) 射滴过渡 对于铝和铜焊丝，其熔滴尺寸接近于焊丝直径，过渡频度在每秒1 0 0 2 0 0 次 左右，每一滴都呈现规则过渡，把这种过渡称作射滴过渡。实现熔滴从粗滴过渡 到射滴过渡转变的临界电流称作射滴过渡i i 右界电流。 射漓过渡时电弧形态呈钟罩形，如图2 1 所示。由于弧根面积大并包围熔滴， 熔滴内部的电流线发散，作用在熔滴上的电磁收缩力f c 成为过渡的推动力，斑点 j 力fm 作用在熔滴表面各个部位，阻碍熔滴过渡的作用降低，这时阻碍熔滴过 渡的力主要是焊丝对熔滴的表面张力。 山东大学硕士学位论文 削2 - 1 熔滴与电弧形态 钢质焊丝m i g 焊射滴过渡规范区间很窄，在形成射滴后马上转变为刺流，因 此也认为钢质焊丝恒定直流m i g 焊没有射滴过渡。 m i g 焊劓滴过渡主要是低熔点材料所表现出的熔滴过渡形式，但在脉冲m i g 焊中通过脉冲参数控制，即使是钢质焊丝也会出现射滴过渡，实际上射滴过渡是 脉冲m i g 焊所力求实现的过渡形式。 ( 2 ) 射流过渡 对于钢质焊丝，焊丝前端在电弧中被削成铅笔状，熔滴从其前端流出，以很 细小的颗粒进行过渡，其过渡频度最大可以达到每秒5 0 0 次，把这种过渡称作射 流过渡。 幽2 - 7 熔滴射流过渡中电弧形态的变化过科 在钢质焊丝射流过渡的形成过程中，随电流的增加会产生一种“跳弧”现象。 如图2 2 所示，小电流下，电弧仍然产生在熔滴的下部，熔滴尺寸较大( 图a ) ： 随电流的增加，电弧覆盖熔滴范围加大，熔滴尺寸逐步减小，并在焊丝端部与液 念熔滴涮形成缩颈，电弧包围着熔滴下部分金属( 图b ) ；当电流增大到某一数值 时，电弧突然跳到缩颈的上部，形成对下面液态金属的大面积覆盖，电弧中的等 山东大学硕士学位论文 离子气流突然增强，加上颈缩部位表面张力数值较低，促使熔滴快速脱离，即产 生了第一滴脱落；在第一个熔滴脱落后，电弧呈现圆锥形( 图c ) ，这时等离予气 流对焊丝前端金属有强烈的摩擦作用，把焊丝端部的液态金属削成铅笔形，细小 的熔滴从尖端一个接一个地向熔池过渡( 图d ) 。 4 亚射流过渡 熔化极氩弧焊除了有以上讲述的短路过渡和喷射过渡两种过渡形式可以利用 外，对于铝合金焊接还有一种亚射流过渡方式可以利用。这是介于短路过渡与射 滴过渡之间的一种过渡形式，电弧特征是弧长较短。对于铝合金，可视弧长在2 8 m m 之间，因电流大小而取不同的数值，带有短路过渡的特征，当弧长取上限值 时，也有部分自由过渡( 射滴) 。 铝合金亚射流过渡中的短路与f 常短路过渡的差别是缩颈在熔滴短路之 j h 形 成并达到临界脱落状态。短路情况下，熔滴尺寸随着燃弧时间的增长而逐步长大， 并且在焊丝与熔滴间产生缩颈，在熔滴即将以射滴形式过渡时与熔池发生短路， 由于缩颈已经提前出现在焊丝与熔滴之间，在熔池金属表面张力和颈缩部位电磁 收缩力作用下，缩颈快速断开，熔滴过渡到熔池中并重新引燃电弧。因此，熔滴 过渡平稳，基本没有飞溅发生 1 1 , 1 2 】。 2 3 脉冲m i g 焊中的熔滴过渡 2 3 1 脉冲m i g 焊中的熔滴过渡形式 通常情况下的m i g 焊多是以熔滴喷射过渡为主要焊接形式，焊接电流必须大 于喷射过渡临界电流值，才能实现稳定的焊接。如果焊接电流小于喷射过渡临界 电流，只能出现大滴过渡或短路过渡。大滴过渡的过程稳定性差，不能进行仰焊、 立焊等空间位置焊缝的焊接，而短路过渡也有规范区间窄等问题，应用的较少。 为了对薄板、空间位置焊缝及热敏感性材料进行有效的焊接，发展了熔化极脉冲 氩弧焊，简称“脉冲m i g 焊”，利用周期性变化的脉冲电流进行焊接，其主要日 的是控制熔滴过渡和焊接热输入。 图2 3 示出脉冲m i g 焊电流波形及熔滴过渡形态”。在电流波形中，i b 为基 值电流，i p 为周期性叠加的脉冲电流峰值。由于基值电流i b 小于l 界电流，i b 山东大学硕士学位论文 期间只产生焊丝前端的加热熔化，而不产生熔滴的脱落( 图中的) 。但脉冲电 流l p 大于临界电流，在脉冲电流期f g ( t p ：脉冲宽度) ，电磁拘束力增大，按j 嫩图 中顺序使熔滴产生强制过渡。 事实上焊接平均电流低于喷射过渡临界电流，在较小的焊接电流( 平均电流1 下即可实现熔滴喷射过渡。 糖 世 幽2 - 3 脉冲m i g 焊电流波形及熔滴过渡形态 根据脉冲电流各参数数值的不同，熔滴过渡将产生如下三种过渡形式： ( 1 ) 多个脉冲滴过渡 该现象是经过了多个脉冲的作用才过渡了一个熔滴。条件是脉冲峰值电流i p 或者脉冲持续时间t p 很小( 如图2 - 4 中脉冲截止于t i ) ，其中i p 值有可能低于喷 射过渡临界电流值。 在第一个脉冲作用期问，焊丝熔化量很小，需要经过第二个i i , k n 或更多f l ：；l l , k 冲，焊丝端头才能熔化积累到能够脱落的熔滴尺寸。通常熔滴尺寸大于焊丝直径， 重力对它的脱落起较大的作用。由于i p 小，等离子流力和电磁力列熔滴的推动作 用不够。 ( 2 ) 一个脉冲一滴过渡 该现象是在个脉冲期间只过渡了一个熔滴。条件是脉冲锋值电流i p 或者脉 冲持续时间t p 大于上一种情况( 如图2 4 中脉冲达到t 2 ) 。 在脉冲电流期间产生第一个熔滴过渡以后，脉冲电流马上结束，随后等待l j 一个脉冲的到来。有的情况下，在脉冲作用期i 刈熔滴尚未脱落，当脉冲结束寸， 山东大学硕士学位论文 受自身重力和惯性力的作用，熔滴脱落过渡到熔池。即是说，熔滴可以在脉冲后 期过渡，也可以在脉冲下降沿过渡，但每个脉冲周期只对应过渡一个熔滴，如此 进行下去。 f 3 ) 一个脉冲多滴过渡 该现象是在一个脉冲期间，过渡了一个以上的熔滴。条件是脉冲峰值电流i p 较大，或者是脉冲持续时间t p 较长( 如图2 - 4 中脉冲峰值大于t 2 ) 。 首先，在基值电流期间，焊丝端头只有少量的熔化。进入脉冲电流后，焊丝 熔化速度提高，焊丝端头熔化会属量增加，当熔滴尺寸接近于焊丝直径时，丌始 在焊丝与熔滴之间形成缩颈，缩颈下部的熔滴在等离子流力和电磁收缩力作用下 脱离焊丝端头，向熔池过渡一滴。随后，由于脉冲电流尚未结束，焊丝端头产生 持续的熔化和熔滴过渡。对于钢质焊丝，表现为射流过渡；对于铝焊丝，表现为 射滴过渡。 在脉冲电流结束时，如果焊丝端头有较多的熔化金属，就会在惯性力的作用 下，脱离焊丝，最后过渡到熔池。如果焊丝端头只有少量的熔化金属，则会收缩 成半球状，然后在基值电流期削基本维持这个状态，直到下一个脉冲到来。 幽2 - 4 脉冲焊熔滴过渡 对于脉冲m i g 焊熔滴过渡与焊接过程的关系，g r t 很多研究： 作，般认 为一个脉冲过渡一滴为佳” ，有的认为一个脉冲至少过渡一滴就能保证焊接质 量，但一个脉冲过渡一个熔滴实现了对金属过渡的最佳控制，在工艺性能上，是 比较优越的，也是本研究所力求达到的目标。 山东大学硕士学位论文 232 脉冲m i g 焊参数选择 在实际焊接中，脉冲m i g 焊希望达到一个脉冲过渡一滴或几滴( 2 3 滴) 。这 样便于实现稳定的焊接，能够控制过渡金属量和焊缝成形。 对图2 - 5 所示意的脉冲电流波形，主要参数有：基值电流j b ，脉冲r n 流i p ， 脉冲宽度t p ，基值时问t b 。波形中的其它参数有：平均电流l a ，脉冲频率f ，脉 宽比k 等。 时间+ 圈2 - 5 脉冲m i g 焊焊接电流波形 脉冲各参数的作用与影响如下： ( 1 ) 基值电流i b 和基值时间t b ：维持电弧稳定燃烧，同时对预热焊丝和母卡习 提供一定的能量，使焊丝端头有少量的熔化。此外也是调节平均电流和焊接热输 入的重要参数。但是基值参数不宣过大，否则脉冲焊特点就不【! j | | 显，甚至在基值 期删就出现熔滴过渡，将使过渡过程紊乱。 ( 2 ) 脉冲电流i p 和脉冲宽度t p ：是决定脉冲能量的重要因素。为使熔滴呈喷 射过渡，脉冲电流值必须大于临界脉冲电流值，脉冲宽度必须使脉冲电流处于临 界脉冲电流之上，并避免“一脉多滴”情况的出现。f 常情况下，采用脉冲m i g 焊的主要目的是控制熔滴过渡，然而通过叠加脉冲，可以使电弧力增加而增大熔 深。脉冲电流增加后，母材熔深显著增加，而由于平均电流一定，母材熔化断面 积几乎不变。因此可以通过调节脉冲电流来获得所需要的熔深。 f 3 ) 平均电流i a ：脉冲m i g 焊的一个主要特征就是在平均电流低于临界电流 下可以实现熔滴喷射过渡。而平均电流是决定对母材热输入量的重要指标，应根 据焊件厚度、焊缝空问位置、焊接材质等进行选取。 ( 4 ) 脉冲频率f 和脉宽比k ：普通的脉冲m i g 焊电源是通过可控碓整流控制 获得脉冲电流，脉冲频率等于电源频率( 5 0 6 0 h z ) 或倍频数值( 1 0 0 2 0 0h z ) 。然 而即使是这祥的电源，对于铝、铜、不锈钢等几乎所有的材制都可以较好地实现 山东大学硕士学位论文 熔滴喷射过渡。在等速送丝情况下，般希望熔滴过渡以3 0 1 0 0 滴秒比较合 适，过渡频率过高需要有很高的脉冲电流配合，工艺上没有必要：过渡频率过低， 由于规范区间窄，熔滴过渡的规律性受影响。一般典型的选择：5 0 h z 用于焊俐， 1 0 0 h z 用于焊铝。脉宽比k ( = t p t b l 反映了脉冲焊的强弱，一般在5 0 附近选 取。 f 确选择上述参数，不仅可以实现稳定的熔滴过渡，而且可以控制焊接热输 入及控制焊缝成形。 2 4 脉冲m i g 焊熔滴过渡控制的研究现状 国内外大批学者都曾对脉冲m i g 焊进行过大量的研究，提出了许多行之有效 的控制方法。以下是几种比较常见的对电参数的控制方法： 1 s y n e r g i c 控制法( 协同控制法) s y n e r g i c 控制法【15 1 是英国焊接研究所发明的- f o 脉冲m i g 焊电弧控制方法， 是目前脉冲m i g 焊控制系统中应用最为广泛的一种方法。它解决了众多脉冲参 数调节的不便，实现了脉冲m i g 焊的单旋钮控制。其原理为：给定送丝速度，脉 冲参数将自动协调，使焊丝熔化速度自动与送丝速度相仂，调而保持弧长的稳定。 其优点是随着送丝速度的变化，脉冲频率( 或脉冲宽度) 发生相应的变化，但该 控制方法对于由送丝速度以外的因素引起的弧长扰动没有调节作用，因为它对弧 长( 电弧电压) 的扰动而言是丌环控制。 2 弧长闭环控制法 其基本原理是利用弧长信号闭环反馈控制脉冲参数 16 1 。文献【1 7 中提出利一 弧长闭环脉冲m i g 焊控制方法，该方法通过采样每一周期中脉冲的某个特定对应 点的电弧电压作为弧长信号闭环反馈，调整脉冲参数( 基值时间t b ) ，实现对脉冲 m i g 焊的控制。 3 综合控制法 该方法综合了s y n e r g i c 控制法和自适应闭环控制法的优点。电压和送丝速度 的反馈信号均用于控制脉冲频率，而峰值电流和峰值时间的单元能量恒定，以期 得到一脉一滴的熔滴过渡。该方法弧长控制性好，焊接质量高，只要保证峰值电 流i 。和峰值时问t 。满足一定的匹配关系，就能实现一脉一滴。文献 18 什1 提取送 山东大学硕士学位论文 丝速度信号和脉冲峰值f 电压，研制自适应s y n e r g i c 控制系统，该控制系统不但保 持s y n e r g i c 控制系统的优点，而且对由非送丝速度引起的弧长干扰有较强的自适 应能力。 4 门限控制法 脉冲m i g 焊门限控制法1 1 9 i 是通过设立电弧电压的门限值来实现其控制。原理 如一f ：当焊丝的熔化或焊丝的送进使电弧工作点移动时，电弧电压也随之变化， 当电弧电压达到设置的上、下门限值时，控制系统迫使电流发生突变，使电弧电 压不超过设置的上、下门限值，在门限值内则按闭环控制处理，从而使弧长得到 控制。其电源外特性为“口”字形，在脉冲与维弧期间均工作在恒流状态，而脉 冲频率侧 f l , k p t ，持续时洲) l 妇弧长的给定电压和实际反馈电压的偏差来决定。该类 方法是以调节脉冲频率而克服弧长的扰动来调节焊丝的熔化速度，在脉冲峰值阶 段可能未停留足够时问，所以熔滴过渡不能确保一脉一滴的情况。 其, t 0 , 5 1 用于脉冲m i g 焊电参数控制的方法主要有：在线自动优化法、广义预 测控制法、q h a r c 法等。 2 5 脉冲m i g 焊波形控制方案 如前所述，脉冲m i g 焊应保证焊接过程熔滴一脉一滴过渡，最主要应保证脉 嗝值和宽度满足一定的关系，一般可以严格控制峰值时间来保证一脉一滴，采 用弧压反馈闭环控制法来稳定弧长，实时检测弧压，并将其与给定值相比较得到 箍值，然后根据该平均电压与给定电压的差值计算得到下个脉冲周期的基值时间 n 值，t b 的变化体现了脉冲周期的变化，从而改变熔化速度以维持焊接过程稳 定。 为了更好的达到上述工艺目标，进一步提高脉冲m 1 g