（材料加工工程专业论文）双丝交—直流脉冲电弧协调控制法研究.pdf

摘要 经过半个多世纪的时间，窄间隙焊接法经历了非熔化极一熔化极的发展历 程。就目前的技术水平而言，国内的哈尔滨焊接研究所的双丝埋弧窄间隙焊接技 术较为被市场所认可。通过对窄间隙焊接技术的分析与解剖，发现哈尔滨焊接研 究所的双丝埋弧窄间隙焊接技术没有充分利用两个电弧之问固有的相互作用。 根据电磁学和焊接电弧物理的理论，两个彼此靠近的电弧当通以同方向的电 流时会互相吸引，当通以反方向的电流时会互相排斥。吸引力和排斥力的大小与 两个电弧电流的乘积成正比，与两个电弧之间距离的平方成反比，还与它们之间 的夹角有关系。针对窄间隙焊接中普遍遇到的坡口侧壁熔合不良的问题，本文提 出在双丝熔化极窄间隙焊接中利用两个电弧之间的相互作用，即一个电弧采用直 流反接，另一个电弧采用交流，借助于焊接电压检测和脉冲协调控制技术，当检 测到交流电弧的焊接电压为工件负，焊丝正时，直流电弧与交流电弧同相位，电 弧相吸，此时控制直流电弧的给定电压为基值。反之，当交流电弧的焊接电压为 工件正，焊丝负时，直流电弧与交流电弧反相位，电弧相斥，控制直流电弧的给 定电压为峰值。这样，使得一直一交这两个电弧的相互排斥力达到最大，相互吸 引力达到最小。在至少采用一根弯丝的前提下合理控制两个电弧的相互吸引与排 斥，提高焊接效率的同时改善坡口侧壁熔合不良的问题。 本文在实验室原有直流脉冲控制器的基础上，利用电子技术、自动控制理论 及单片机技术，增加了交流电源焊接电压过零时刻的检测电路，保证直流电源焊 接电压随着交流电源焊接电压同相位的变化，以此为核心构建了双丝交一直流脉 冲焊接试验系统。在验证性试验过程中采用光电信号测试分析系统实现对焊接电 流、电压波形等电信号的采集。另外，为了有效的分析双丝交一直流脉冲焊接中 两个电弧之间的相互作用及其变化对焊接电流、电弧电压的影响，在焊接过程中 又采用了高速摄像与电信号进行同步采集。 总之，本文提出的双丝交一直流脉冲电弧协调控制方法思路新颖；所改进的 直流脉冲控制器操作简便、运行可靠、满足工作要求。该项研究具有广泛的应用 前景，具有重要的理论意义及工程实际应用价值。 关键词：脉冲；窄间隙；双丝；电弧协调控制；高速摄像；数据采集 a b s t r a c t a f t e rm o r et h a nh a l fac e n t u r y , n a r r o wg r o o v ew e l d i n ge x p e r i e n c e dn o n - g m a w t og m a wd e v e l o p m e n t o nt h ec u r r e n tt e c h n i c a ll e v e l ，t h ed o u b l ew i r es u b m e r g e d a r cn a r r o wg r o o v ew e l d i n gt e c h n o l o g yi n v e n t e db yh a r b i nw e l d i n gi n s t i t u t ew a s r e c o g n i z e db yt h em a r k e t t h r o u g ht h ea n a l y s i sf o rt h en a r r o wg r o o v ew e l d i n g , w e f o u n dt h a tt h ed o u b l ew i r es u b m e r g e da r cn a r r o wg r o o v ew e l d i n gt e c h n o l o g y m e n t i o n e da b o v ed i d n tm a k et h em o s to ft h ei n t e r a c t i o no ft h et w o a r c s a c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i s ma n dw e l d i n ga r cp h y s i c st h e o r y ，i ft w o c l o s ea r c s a r ee l e c t r i f i e dt h es a m ed i r e c t i o nc u r r e n t ，t h e yw i l lb em u t u a l l ya t t r a c t i v e ，i ft h e ya r e e l e c t r i f i e dt h eo p p o s i t ed i r e c t i o nc u r r e n t ，t h e yw i l lb em u t u a l l yr e p u l s i v e t h e m a g n i t u d eo ft h ea t t r a c t i o na n dt h er e p u l s i o ni sp r o p o r t i o n a lt ot h ep r o d u c t o ft h et w o a r c s ，c u r r e n t i n v e r s er a t i o nt ot h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w oa r c sa n da l s oh a sr e l a t i v e w i t ht h ea n g l e a i m e da ti m p r o v i n gt h ec o m m o nb a df u s i o no ft h es i d ew a l li nt h e d o u b l ew i r en a r r o wg r o o v ew e l d i n g ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt om a k eu s eo ft h e i n t e r a c t i o no ft h et w oa r c si nt h ed o u b l ew i r en a r r o wg r o o v ew e l d i n g ，o n ea r ca d o p t e d i n v e r s ed cs o u r c e ，a n o t h e ra d o p t e da cs o u r c e r e s o r tt ot h ew e l d i n gv o l t a g e e x a m i n ec i r c u i ta n dp u l s es y n e r g i cc o n t r o l ，w h e nt h ev o l t a g eo fd cs o u r c ei st h es a m e d i r e c t i o nw i t ht h ev o l t a g eo fa cs o u r c e ，t h ev o l t a g ei st h eb a s ev a l u e ，i nr e v e r s et h e v o l t a g ei st h ep e a kv a l u e s ot h er e p u l s i o nb e t w e e nt h et w oa r c si st h eb i g g e s tw h i l e t h ea t t r a c t i o ni st h es m a l l e s t t h ea t t r a c t i o na n dr e p u l s i o nb e t w e e nt h et w oa r c sa r e c o n t r o l l e di nr e a s o na tl e a s to n ew i r eb e n d i n g ，i tc a ni n c r e a s et h ee f f i c i e n c ya n da l s o i m p r o v et h eb a df u s i o no f t h es i d ew a l l t h ep u l s e dc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ee x i s t e dc o n t r o l l e ra n d d e v e l o p e di nc o m b i n a t i o nw i t he l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a u t o m a t i o nt h e o r ya n dm c u t e c h n o l o g y t h ec o n t r o l l e di s a d d e dt h ea cw e l d i n gv o l t a g ea c r o s sz e r oc i r c u i tt o m a k es u r et h ed c w e l d i n gv o l t a g ev a r i e t yi np h a s ew i t ht h ea cw e l d i n gv o l t a g ea n d t oc o n t r o lt h ea t t r a c t i o na n dr e p u l s i o nb e t w e e nt h et w oa r c s d u r i n gt h ew e l d i n g p r o c e s s ，p h o t o e l e c t r i cs i g n a lt e s t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mi sa p p l i e d f o re l e c t r i cs i g n a l s a m p l i n gs u c ha sw e l d i n gc u r r e n t ，v o l t a g ew a v e f o r ma n ds oo n b e s i d e s ，h i g hs p e e d p h o t o g r a p hi su s e di ns t e po fe l e c t r i cs i g n a ls a m p l i n g ，t oa n a l y z e t h ea r cb e h a v i o ra n d i t se f f e c to nw e l d i n gc u r r e n ta n dv o l t a g e i nc o n c l u s i o n ，d o u b l ew i r ea c - d cp u l s e da r cs y n e r g i cc o n t r o li sn o v e l t y t h e c o n t r o l l e ri se a s yo p e r a t i o na n dr e l i a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ew o r k t h e s t u d yh a sb r o a dp r o s p e c t sf o ra p p l i c a t i o na n da ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l v a l u e k e yw o r d s ：p u l s e ，n a r r o wg r o o v ew e l d i n g ，d o u b l ew i r e ，a r cs y n e r g i cc o n t r o l ，h i g h s p e e dp h o t o g r a p h ，e l e c t r i cs i g n a ls a m p l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另l j j r 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： e r d7 年6 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：蝴 导师签名：名始 签字日期： 溉7 年6 月侈日签字日期：如7 年月，日 第一章绪论 1 1 窄间隙焊的提出背景1 】 第一章绪论 2 0 世纪末至2 l 世纪初，我国的能源工业迎来了空前的高速发展期，许多厚壁 容器的制造给焊接技术的发展提供了广阔的空间，同时对焊接技术提出了更高的 要求。其中电站锅炉筒体、炼油装置中的加氢反应器、核电压力壳、煤液化容器 等的壁厚范围达到了2 0 0 - - 4 0 0 m m 。容器的尺寸和壁厚也越来越大，焊接工作量 逐渐上升，且对焊接质量的要求也越来越高。因此，提高焊接生产效率和焊接质 量，减少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成为压力容器生产的迫切需求。而提高 焊接生产效率，其主要途径是提高单位时间内填充金属的熔化量和熔敷速度，然 而提高熔敷速度意味着热输入量的增加，这样易引起焊接接头性能下降和产生较 大的焊接变形；提高焊接速度易产生未焊透、焊道不连续及咬边等缺陷。在这类 厚壁容器的制造中窄间隙焊接法找到了真正的用武之地，与传统的非窄间隙焊接 法相比，窄间隙焊接法在制造工时、焊材消耗、综合成本等诸多方面有不可比拟 的优势和不可替代的作用。 双丝窄间隙焊工艺的开发应用，既可有效地避免上述缺陷的产生，保证焊接 质量，又能提高焊接生产效率。与传统焊接技术相比，窄间隙焊具有以下几方面 的技术与经济的优越性：1 、焊缝横截面积大幅度减少，焊接材料与电能消耗大 量节约，从而在大幅度提高焊接生产率的同时，也大幅度降低了焊接生产成本； 2 、热压缩塑性变形量的大幅度缩小且沿板厚方向上更趋均匀化，从而带来接头 的残余应力、残余变形减小；3 、深而窄的坡口侧壁有利于焊接区的冶金保护， 焊缝金属的冶金纯净度更高；4 、较高的熔池冷却速度，相对较小的焊接线能量， 使焊缝组织相对细小，且焊接热影响区的塑、韧性损伤也太大减小，缺口韧性相 对较高。5 、窄间隙焊接应用于平焊、立焊、横焊及全位置焊接，可焊接黑色金 属和有色金属。鉴于上述原因，窄间隙焊接技术已成为现代工业生产中厚板结构 焊接的首选技术【2 】【3 1 。 1 1 1 窄间隙焊的分类和原理 窄间隙焊接方法大体分为：熔化极、非熔化极及高能密度焊三个大类。根据 各自特点每一大类又可分为若干种不同的窄间隙焊接方法，可分为如图l 一1 九种 第一章绪论 具体的应用形式： 图1 - 1 窄间隙焊接技术分类【1 】 窄间隙熔化极气体保护焊是利用电弧摆动来达到焊透钢板两侧壁的一种方 法。在平焊方法中，为了使i 形坡口的两边充分焊透，使电弧指向坡口两侧壁， 研制了各种方法：1 、在焊丝进入坡口前，使焊丝弯曲的方法；2 、使焊丝在垂直 于焊接方向上摆动的方法；3 、采用麻花状绞丝方法；4 、药芯焊丝的交流弧焊方 法；5 、采用大直径实芯焊丝的交流弧焊方法等。另外，也有采用a r + 7 0 c 0 2 作 为保护气体与直径1 6 m m 实芯焊丝相配合的气体保护焊方法，焊接特殊形状复杂 的接头。在横焊方法中，为了防止i 形坡口内熔融金属下淌，以便得到均匀的焊 道，提出了如下焊接方法：利用焊接电流周期性变化，使焊丝摆动或将坡口分成 上下层的焊接方法，以及将各种方式组台起来的焊接方法等。在立焊窄间隙m a g 焊接方法中，为了保证坡口两侧焊透，研制了摆动焊丝焊接方法以及焊接电流与 焊丝摆动同步变化的焊接方法【4 1 。 窄间隙钨极氩弧焊不仅克服了普通g t a w 焊接效率低的缺点，而且具备了熔 化电极式方法所不具备的特征。n g t a w 不仅可以实现薄板焊接、压力水管的 全位置焊接，而且接头质量好，焊道成形美观。啪t a w 方法中，有在送进的 焊丝中通入直流电，并使由此产生的磁场偏向焊接前进方向的焊接方法；也有采 用低频脉冲电流窄间隙热丝t i g 焊立焊或横焊的焊接方法。此外，为了防止因向 填丝中通电而引起磁偏吹，还研制了周期性增减电弧电流，并在电弧电流减少的 瞬间填丝通电的焊接方法【引。 窄间隙埋弧焊不仅要求坡口侧壁均匀焊透，而且要求熔渣在窄坡口内应具有 良好的脱渣性。采用这些脱渣性良好的焊剂，研制了各种窄间隙施工技术：l 、 2 第一章绪论 利用直径1 2 一1 6 m m 的细焊丝摆动焊接4 0 0 m m 以上的压力容器用超厚板；第一、 二层使用t i g 焊接其他各层采用直径1 6 m m 细丝进行单面埋弧焊接。2 、日本利 用直径3 2 m m 焊丝双丝埋弧焊焊接压力容器。3 、我国的林尚扬院士等则采用直 径更小的3 m m 焊丝，研制出了h s s 一2 5 0 0 型双丝窄间隙埋弧焊机，并成功地应用 于大型高压容器( 如锅炉、化工容器、核反应堆、热交换器、水压机工作缸、储 热器及水轮机、采油平台桩腿和厚板结构等) ，不仅可焊环焊缝，也可焊纵焊缝。 目前，太原重机厂和哈尔滨锅炉厂都成功地应用了这项技术，并取得了可观的经 济效益。此外，也有采用埋弧焊与气体保护焊联合焊接桥梁桁架弦材不完全焊透 接头( j 形坡口) 的窄间隙焊接应用实例【6 】。 1 1 2 窄间隙焊的应用状况【_ 7 】 窄间隙焊是一种高焊接质量、高焊接生产率、低生产成本的特别工业技术， 尤其是其较高的力学性能，较低的残余应力与残余变形，很高的焊接生产率与低 的生产成本，决定着该技术在钢结构焊接领域客观上存在着巨大的应用潜力和广 阔的应用范围。从技术角度上看，其诸多的技术优越性决定着该技术在薄板除外 的所有板厚范围内均有极大的诱惑力。但从经济角度上看，窄间隙焊接技术的 确存在着一个经济板厚范围问题，即享有其技术优越性的同时，能获得显著经济 效益的板厚范围。一般来讲，板厚越大，其经济效益也越大。具有明显经济优越 性的最小板厚，可称为问隙焊的下限板厚。该下限板厚随着结构的钢种，结构的 可靠性要求，结构尺寸及空间位置而别，但一般为2 0 _ _ 3 0 m m 。上限板厚只取决 于所开发的窄间隙技术的焊枪可达范围，理论上不存在上限板厚限制。已有的窄 间隙焊，焊接5 0 0 - - - 6 0 0 m m 板厚无任何技术障碍。 焊接方法的应用比例在不同的国家也不尽相同。如气体保护熔化极电弧焊 ( g m a w ) 方法在工业发达国家( 日本、美国、德国等) 的应用比例很高( 技 术文献比例高达7 0 左右) ，主要原因是该方法容易采用中低线能量( 2 0k j c m 左右) ，可采用更小的根部间隙，易于采用多层多道熔敷且无需清渣等。其次是 埋弧焊方法，该方法对焊丝在坡口中的作用位置不像g m a w 方法那样敏感，适 用工艺规范较宽，工艺可靠性优异，焊接作业环境更趋“绿色化 ，但其焊接线 能量大( 一般在3 卜5 0k j c m ) ，接头的塑、韧性差，因而在重要结构上应用该 技术必须进行焊后热处理。我国应用窄间隙埋弧焊的比例最大，主要原因是其高 可靠性焊接设备的商品化程度较高，而g m a w 方法的则极低【8 】。 从行业上看，窄间隙焊适用于所有用到厚板结构的行业及领域。鉴于该技术 与设备的商品化等因素，迄今应用最多的是锅炉、压力容器( 含深潜器、核反应 容器等) 领域，其次是大型产业机械( 如大型压力机、鼓风机、电动机的中空轴、 3 第一章绪论 机身和壳体等) 。在电力行业的厚壁管道，压力管道，海洋结构，铁路建筑钢结 构等领域都有一定应用。我国在锅炉和压力容器领域有一定的应用，其它领域应 用还相当少【9 1 。 从焊接位置上看，窄间隙焊应用最广泛的是平焊，横焊和立焊有一定的应用， 全位置窄间隙焊应用很少。主要原因与采用的焊接方法有关：埋弧焊只能进行平 焊( 或接近平焊) 位置施焊；混合气体保护电弧焊时( 广泛采用a r 加c 0 2 保护， 由( c 0 2 ) = l o 一2 0 ) 为最大限度地抑制飞溅，一般均采用射流过渡( 或射流加 短路混合过渡) 方式，该过渡方式较难应用到平焊除外的空间位置( 采用复杂的 特别技术除外) ；脉冲t i g 焊虽然可以进行全位置焊接，但由于其生产率低， 生产成本高，故应用甚少。 1 1 3 窄间隙焊的发展现状及存在问题【1 0 1 经过半个多世纪的时间，窄间隙焊接法经历了不熔化极一熔化极的发展历程。 热衷于这项技术的开发与应用的国家有苏联、美国、瑞典、日本、法国和中国等， 每年的焊接界的奥林匹克埃森焊接展( 包括中国埃森焊接展和德国埃森焊接 展) 都会有窄间隙焊接设备登场亮相。双丝窄间隙焊是一种高效化焊接方法，早 在8 0 年代中期就已经成为国际上主要焊接方法。我国的一些主要大型锅炉和压 力容器厂也相继从瑞典伊萨公司和意大利安萨多公司等引进了窄间隙埋弧自动 焊接技术和成套设备，使双丝窄间隙焊工艺优先在厚壁高压锅炉和压力容器壳体 制造中得到广泛应用【l 。 另一方面，窄间隙焊还存在着一些的问题：在深而狭窄的坡口内明弧焊时， 焊接飞溅对工艺可靠性影响极大。当飞溅聚集到喷嘴端口和导电嘴出口处，会影 响气体保护的效果和送丝的稳定性；飞溅若粘合或焊合在侧壁上，将直接导致扁 平形焊枪在坡口内安全移行困难甚至短路。对工艺参数的稳定和电弧空间作用位 置的控制要求极高。因为工艺参数的稳定精度和电弧作用位置的准确度直接影响 到层、道间以及与侧壁之间的熔合质量( 中、低线能量时尤为突出) ；深窄坡口 内的清渣极为困难；深窄坡口内保护气体的送达和层流状态的保持直接决定着对 焊接区的冶金保护等。 由于传统技术( 较大间隙和较大坡口面角) 的电弧轴线极易实现与坡口面有 较大夹角( 有时甚至垂直) ，这样高熔透能力、高能量密度的电弧中心区域就容 易作用到坡口面上，只要工艺规范与操作工艺得当，坡口面和焊道、焊层间发生 未熔合的几率极小。但在窄间隙焊接条件下，若用传统技术进行焊接，电弧轴线 基本与坡口面( 以下称侧壁) 平行，一般情况下连能量密度很低的电弧周边也难 以作用到坡口侧壁，更不用说能量密度最高的电弧中心了，这就导致了侧壁均匀 4 第一章绪论 熔合可靠性差( 低线能量焊接时极为突出) ”】。这是窄间隙焊接的最大嘲难，也 是奉课题拟解决问题的关键。 ii4 窄间隙焊的研究动态 就目前的技术水平而言。法国法玛通公司( f r a m a t o m e a n pa r e v a g r o u p ，f r a n c e ) 的单丝气保护熔化极旋转电弧窄间隙焊接技术和中嘲哈尔滨焊接 研究所的双丝埋弧窄间隙焊接技术i ”1 较为被市场所认日r 。在2 0 0 5 年上海举办的 能源工程焊接国际论坛上上述两家单位分别介绍的“n a r r o w - g r o o v e m e c h a n i z e d a r c w e l d i n g - a d v a n c e d w e l d i n g t e c h n i q u e s ”和“大型能源设备制造巾的焊接技 术”得到了业内人士的一致好评。 盏紧篱隧j 醚 。鳓黟蔫 ：二黧 图1 4 哈尔滨焊接研究所双丝埋弧窄间隙焊醴备 通过对上述两家单位的窄间隙焊接技术的分析与解剖，发现法国法玛通公司 的技术由于采用的是单丝所以在焊接效率方面有欠缺。如果在它的技术之上改 第一章绪论 成双丝则由于双丝旋转的难度陡然增加，短期内难以实现。在这方面我国武汉大 学的张富巨老师提出了“c 0 2 气体保护双丝短路过渡窄间隙全位置自动焊接设 备 的发明专利( 专利号9 7 1 0 9 2 8 1 8 ) 1 1 4 1 ，由于采用了双丝焊接，使效率大有提 高。但又由于采用的是短路过渡的焊接方式，使采用双丝焊接带来的效率提高又 降了下来。 哈尔滨焊接研究所的双丝埋弧窄间隙焊接技术，具体采用两根沿焊接方向前 后排列的焊丝，它们的干伸长部分的两条轴线不共面，形成空间交叉，前面的一 根焊丝采用直流，向焊接方向的后方倾斜，并斜指向被焊的侧壁，后面的一根焊 丝采用交流，垂直向下，两根焊丝端头燃烧的两个电弧共同形成一个熔池，以一 层两道的多层焊方式，填充窄问隙对接坡口的埋弧焊方法。这种方法对母材的热 输入量小，保证了焊道与侧壁母材的充分溶合，并明显地改善了焊接接头的机械 性能，特别是母材热影响区的韧性【1 3 l 。 由于在焊接时前丝采用直流，并弯曲指向侧壁，后丝直立采用交流，两个电 弧与工件的接触点的连线与焊接方向有夹角，这就为两个电弧相排斥时两个电弧 各指向侧壁创造了条件。然而，该技术没有充分应用电弧之间的吸引一排斥的相 互作用。由于采用一直一交的电源配制，给本课题提出的方法奠定了基础。本课 题将在此基础上，充分利用两个电弧之问的相互作用来改善窄间隙焊中的侧壁熔 合问题。 1 2 双丝交一直流脉冲电弧协调控制的理论根据 根据电磁学和焊接电弧物理的理论，两个彼此靠近的电弧当通以同方向的电 流时会互相吸引，当通以反方向的电流时会互相排斥。吸引力和排斥力的大小与 两个电弧电流的乘积成正比，与两个电弧之间距离的平方成反比，还与它们之间 的夹角有关系。这是因为，按右手螺旋定则，电流方向相同时，两电弧内侧磁力 线方向相反，相互抵消，而； t - n 磁力线方向相同，导致外侧磁力线密度大于内侧； 当电流方向相反时，内侧磁力线方向相同而叠加，大于外侧磁力线密度，故而产 生上述的现象。而双丝熔化极窄间隙焊接技术通常都有至少一根焊丝向侧壁弯 曲，如果利用焊接电弧之间的相互作用，使两个电弧的相互排斥力达到最大，相 互吸引力达到最小，最大限度的利用电弧本身的电磁偏吹效应加热容易出现熔合 不良的坡口侧壁i l5 。1 1 6 1 。 两个电弧，其中前丝采用直流反接，后丝采用交流。如图1 4 所示，上面的 电压波形图对应的是交流电压波形图，下面的电压波形图对应的是直流脉冲电压 波形图，借助于焊接电压检测和脉冲协调控制技术，当检测到交流电弧的焊接电 6 第一章绪论 压为工件负，焊丝正时，对应图l - 4 中交流电压波形中的正半波波形，此时直流 电弧与交流电弧同相位，电弧相吸，此时控制直流电弧的给定电压为基值。反之， 当交流电弧的焊接电压为工件正，焊丝负时，对应图1 - 4 中交流电压波形中的负 半波波形，此时直流电弧与交流电弧反相位，电弧相斥，控制直流电弧的给定电 压为峰值。这样，使得一直一交这两个电弧的相互排斥力达到最大，相互吸引力 达到最小。在本文中，把该控制方法命名为双丝交一直流脉冲电弧吸引一排斥协 同控制原理。在至少采用一根弯丝的前提下合理控制两个电弧的相互吸引与排 斥，提高焊接效率的同时改善坡口侧壁熔合不良的问题【1 7 】。这就是本课题的理论 依据和精髓所在。 图1 - 4 双丝交一直流脉冲焊接原理电压波形图 1 3 本课题的研究目的、意义及技术路线 根据双丝窄间隙焊工艺在国民经济中所起的作用，以及该工艺的优缺点，参 考了国内外关于该焊接工艺的科研及生产水平【l 黏2 0 1 ，本课题的研究目的是：在双 丝熔化极窄间隙焊接中利用焊接电弧之间的相互作用，使两个电弧的相互排斥力 达到最大，相互吸引力达到最小，最大限度的利用电弧本身的电磁偏吹效应加热 容易出现熔合不良的坡口侧壁，与焊丝弯曲措施一起提高加热侧壁的效果，以改 善窄间隙焊中容易出现的侧壁熔合不良的问题。通过验证性试验寻找出焊接过程 稳定性良好的脉冲参数，从电磁学和焊接电弧物理学角度分析其作用机制，项目 的研究成果将推动我国熔化极窄间隙焊接技术的进一步发展。 本课题的技术路线为：在实验室原有直流脉冲电流控制器的基础上，改造原 有的脉冲控制器，增加了交流电弧焊接电压过零时刻的检测电路，保证直流电源 的焊接电压随着交流电源的焊接电压实现同相位的变化。根据双丝交一直流脉冲 7 第一章绪论 焊接原理，将该控制器连接到控制电路中，借助于焊接电压检测和脉冲协调控制 技术，当检测到交流电弧的焊接电压为工件负，焊丝正时，直流电弧与交流电弧 同相位，两个电弧相互吸引，此时控制直流电弧的给定电压为基值。反之，当交 流电弧的焊接电压为工件正，焊丝负时，直流电弧与交流电弧反相位，两个电弧 相互排斥，控制直流电弧的给定电压为峰值。这样，使得一直一交这两个电弧的 相互排斥力达到最大，相互吸引力达到最小，并在该脉冲条件下，进行焊接试验 研究。利用光电信号测试分析系统及高速摄像系统，在研究工作中寻求各脉冲参 数对焊接电弧行为的影响，优选出较好的参数，由此合理控制两个电弧的相互吸 引与排斥作用，最大限度的利用电弧本身的电磁偏吹效应加热容易出现熔合不良 的坡口侧壁。 1 4 本课题的研究内容 l 、分析了双丝交一直流脉冲两个电弧之间的相互作用的影响规律，为双丝 窄间隙焊接技术的进一步发展奠定了基础【2 1 】【2 2 1 。 2 、改造已有的直流脉冲控制器，增加交流电弧电压过零时刻的检测电路。 完成焊接电弧电压检测技术的研究，为实施控制奠定基础。 3 、利用光电信号测试分析系统及高速摄像系统，对焊接电弧行为控制进行 研究。在研究内容2 的基础上优化脉冲焊接参数，合理控制两个电弧的相互吸引 与排斥作用，最大限度的利用电弧本身的电磁偏吹效应加热容易出现熔合不良的 坡口侧壁瞄川。 1 5 本章小结 ( 1 ) 介绍了本课题研究提出的背景及国内外的发展动态、研究现状及存在 问题。 ( 2 ) 介绍了本课题的理论依据、研究目的、意义和内容以及技术路线。 第二章双丝交一直流脉冲控制器 第二章双丝交一直流脉冲控制器 2 1 双丝交一直流脉冲控制器概述 要想实现双丝交一直流脉冲焊接，首先在硬件上需要改进原有的直流脉冲电 流控制器 2 4 1 ，即在原有的直流脉冲电流控制器上增加交流电弧焊接电压过零时刻 的检测电路，保证直流电源的焊接电压随着交流电源的焊接电压同相位的变化， 利用双丝交直流脉冲电弧吸引排斥协同控制原理，借助于焊接电压检测和脉 冲协调控制技术，最大限度的利用电弧本身的电磁偏吹效应加热容易出现熔合不 良的坡口侧壁。 本课题中改进的脉冲控制器，以调节方便，经济实用为主要目的，依旧采用 “黑匣子 方式，接口简洁，可通过焊机的端子板和多种直流焊机方便地连接， 如l i n c o l nd c 系列直流弧焊机( 如d c 4 0 0 、d c 6 0 0 、d c 1 0 0 0 等) 【2 列。 2 2 控制器原理及功能 2 2 1 控制器原理 本课题中改进的脉冲控制器在经过了数次设计方案的比较、调整后，最终采 用了以单片机为核心的结构，即保留原脉冲控制器的主体数字部分，只把原有电 路中控制峰值电压和基值电压的触发信号由键盘设定改变为通过检测交流电弧 焊接电压过零的信号，以保证直流电源的焊接电压随着交流电源的焊接电压同相 位的变化。 本课题改进的脉冲控制器保留了原脉冲控制器的数字化结构，具有很多优 点，如运行可靠参数的调整快捷、准确。另外，控制器上设置的键盘及数码管， 增强了操作的方便性及直观性，构成了友好的人机界面。 该控制器的功能原理图，如图2 1 所示。 9 第二章双丝交一直流脉冲控制器 图2 1 控制器功能原理图 本课题改进的脉冲控制器在单片机的控制下，按照交流电弧的频率和占空比 ( 脉冲宽度) ，生成相应的脉冲控制信号，即直流电源的焊接电压随着交流电源 的焊接电压同相位的变化。将给定峰值及基值电压通过光电耦合器送往受控制的 直流焊机外接端子板，并以遥控电压给定的方式控制电焊机的输出电压。将峰值 电压给定及基值电压给定，即在直流电源的焊接电压与交流电源的焊接电压同向 时给定基值，反向时给定峰值。 2 2 2 控制器功能设计 本课题改进的脉冲控制器针对本课题试验的要求，以及在生产中灵活应用的 需要，设计并实现了如下的主要功能： 1 恒定峰值焊接电压的控制输出： 该控制器可以向始终电焊机送出峰值电压控制信号。这样便于生产、试验中 对峰值电压的调节、给定进行校准，以及在其它焊接参数不变的情况下方便地单 独比较峰值电压的焊接效果。 将这种电压控制输出方式命名为控制模式1 ( m o d e1 ) 。 2 恒定基值焊接电流的控制输出： 该控制器可以始终向电焊机送出基值电压控制信号。与m o d e l 的作用类 似，这便于生产、试验中对基值电压的调节、给定进行校准，以及在其它焊接参 数不变的情况下方便地单独比较基值电压的焊接效果。 将这种电压控制输出方式命名为控制模式2 ( m o d e2 ) 。 3 峰值基值脉冲焊接电压的控制输出： 1 0 第二章双丝交一直流脉冲控制器 由电压过零检测电路采集到交流电弧的电压过零信号控制直流电源的电压 输出，即在直流电源的焊接电压与交流电源的焊接电压同向时给定基值，反向时 给定峰值，使直流电源的焊接电压与交流电源的焊接电压同相位的变化。 将这种电压控制输出方式命名为控制模式3 ( m o d e 3 ) 。 4 直流脉冲参数耦合调节： 直流脉冲参数耦合调节是指，当调节某个脉冲参数的时候，调节行为不会对 其它参数产生影响。这样，使参数的调节简洁方便，同时，避免了在以模拟器件 为主时为实现脉冲参数耦合所造成的电路设计复杂的情况。 5 4 位八段数码管直观地表示出脉冲控制器的运行状态： 利用4 位八段数码管，对控制器的工作参数及工作状态进行监视，其中前两 位表示脉冲频率，后两位表示脉冲占空比。 此外，利用占空比数码管( 第3 ，4 位) 的两个空闲小数点，监视脉冲控制 器的脉冲输出端，以这两个小数点位的组合显示，直观地表示出脉冲控制器的运 行状态( 参见上述的三种焊接电流控制输出状态) 。小数点位的组合显示具体如 下： m o d e1 ：第3 位数码管小数点常亮； m o d e2 ：第4 位数码管小数点常亮； m o d e3 ：第3 、4 位数码管小数点同时常亮。 2 3 脉冲控制器电压过零检测电路【2 6 】 该脉冲控制器的电压过零检测电路主要功能是从交流电弧采集电压信号，经 过内部电压过零比较运算，判断出交流电弧电压过零瞬间，由此控制直流电源的 电压输出，当检测到交流电弧的焊接电压为工件负，焊丝正时，直流电弧与交流 电弧同相位，两个电弧相互吸引，此时控制直流电弧的给定电压为基值。反之， 当交流电弧的焊接电压为工件正，焊丝负时，直流电弧与交流电弧反相位，两个 电弧相互排斥，控制直流电弧的给定电压为峰值，使直流电源的焊接电压随着交 流电源的焊接电压同相位的变化。 电压过零检测电路要实现以上功能，具体包括电压采集滤波电路，电压过零 比较电路，微分电路，分压隔离及半波整流电路等几个部分，各部分电路的详细 说明如下。 第二章双丝交直流脉冲控制器 2 3 1 电压采集滤波电路 滤波电路是一种选频电路，它对于所选定的频率范围内的信号衰减较小，能 使其顺利通过，而对于频率超出此范围的信号则衰减较大，使其不易通过。不同 的滤波电路具有不同的频率特性，大致可分为低通、高通、带通和带阻四种。仅 由无源元件r 、c 构成的滤波电路称为无源滤波。无源滤波电路的带负载能力较 差，这是因为无源滤波电路与负载问没有隔离，当在输出端接上负载时，负载也 将成为滤波器的一部分，这必然导致滤波电路频率特性的改变。此外，由于无源 滤波电路仅由无源元件构成，无放大能力，所以，对输入信号总是衰减的。由无 源元件r 、c 和放大器构成的滤波电路称为有源滤波。放大器采用带有深度负反 馈的集成运算放大器。由于集成运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性， 使滤波电路输出和输入间有良好的隔离，便于级联，以构成滤波特性良好或频率 特性有特殊要求的滤波电路。在本课题的研究中，交流电弧的频率为5 0 h z ，考 虑到交流电弧的电压波动比较严重，本电路设计中采用低通滤波电路，设计的上 限频率为5 0 0 h z 。 交流电焊机的最高空载电压大约为1 0 0 v 左右，并且交流电弧的电压波动比 较严重，因此采集进来的电压信号首先进行分压和滤波，为了增强滤波的效果， 本电路的设计中采用了二级滤波，即一级无源滤波和一级有源滤波。电压采集滤 波电路如图2 2 所示。 r 5 鼍f 电压采集滤波电路 无源滤波电路中的电容值由经验取0 1uf ，而有源滤波电路的电容及电阻值 由计算求得，具体计算如下： 由有源滤波的幅频特性得知：1 + ( w w c ) 2 = 2 而本电路的低通滤波电路取f = - 5 0 0 h z ，则：w = 2 n f = 1 0 0 0 7 t 1 2 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 第二章双丝交一直流脉冲控制器 由截止频率公式：w e = i r c ( 2 3 ) 取r = 2 2 k ，计算得c = 0 0 1 心。 2 3 2 电压过零比较电路及微分电路 电压比较电路是对两个电压的相对大小进行比较的电路，其中一个电压为参 考电压或基准电压u r ，另一个为被比较的输入信号电压u i 。电压比较电路中， 运算放大器处在开环状态，由于电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小 电压，运算放大器便进入非线性工作区域，输出电压u o 达到最大值。当u i ( u r 时，u o = u o m ；当u i ) u r 时，u o = u o m 。根据输出电压u o 的状态，便可判断输 入电压u i 相对于u r 的大小。当基准电压u r = 0 时，为电压过零比较电路，即输 入电压u i 与零电位比较。因本课题中要采集到交流电弧的电压过零信号，故采 用电压过零比较电路。 微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，微分电路的输出波形只反映输入波形 的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输 出。输出的尖脉冲波形的宽度与r * c 有关( 即电路的时间常数) ，r * c 越小， 尖脉冲波形越尖，反之则宽。此电路的r * c 必须远远少于输入波形的宽度，否 则就失去了波形变换的作用，变为一般的r c 耦合电路了。图2 3 给出了一个标 准的微分电路形式。为表达方便，这里输入为频率为5 0 h z 的方波，经过微分电 路后，输出为变化很陡峭的曲线。 图2 - 3 标准微分电路 由电压采集滤波电路进来的电压，送到电压过零比较电路，经过运算放大器 进行过零比较运算，再经过微分电路，输出为正半波过零瞬间的正脉冲信号和负 半波过零瞬间的负脉冲信号。电压过零比较电路的微分电路如图2 - 4 所示。经过 电压过零及微分电路后，采集进来的电压波形如图2 5 所示。 1 3 第二章硬缒交直流脉冲控制器 图2 4 电且三过零比较及微分电路 兮金爹爹r - 7 ： l 。；i 。基。童。乏；：；。羔。 图2 - 5 电压过零比较及微分电路输出的电压被形 2 33 分压隔离及半波整流电路 由于前级电路输出的电压超出了单片机的输入电压，所以首先应进行分压， 然后再把脉冲信号送到电压跟随器中。电压跟随器输出电压近似输入电压幅度， 并对前级电路呈高阻状态。对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到缓冲、 隔离、提高带载能力的作用。电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间 的影响，此时称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之 特点。电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点。可以极端一点去理解当输 入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相 当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开 路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路 之间互不影响。 第二章双丝交一直流脉冲控制器 由电压跟随器出柬的电压，再进行正负脉冲信号的分离。具体电路是通过半 波楚流实现的，即在正脉冲信号一路使正半波过零瞬问的i f 脉冲信号通过，阻断 负半波过零瞬间的负脉冲信号。而负脉冲信号经过反相器进行反相，再经过半波 整流电路，此时，正负半波的过零信号已经完全采集出并分为两路分别以正脉冲 信号形式提供给单片机。分压隔离及半波整流电路如图2 - 6 所示，分压龋离及半 波整流电路输出的电压波形如图2 7 所示。阿2 7 中上面的波形为正脉冲信号的 电压波形，下面的波形为负脉冲信号经过反幸h 后的电压波形。 嘲2 - 6 分压隔离及半波整流电路 图2 7 分压隔离及半波整流电路输出的电压波形 第二章双丝交直流脉冲控制器 234 稳压及反相电路 为了确保输入给单片机的电压为5 v ，在两路中都添加5 v 的稳压管进行稳 压。由于所选的单片机触发信号为低电平触发，所以上述电路输出的脉冲信号应 经过反相 | 进行反相后，才能成为单片机有效的触发信号。具体输出的脉冲触发 信号波形如图2 - 8 所示。图2 - 8 中j ：面的波形为正脉冲形成的触发信号的电压波 形，下面的波形为负脉冲经反相后形成的触发信号的电压波形。 图2 - 8 脉冲触发信号波彤 2 35 电压过零检测电路的硬件选择2 7 】 由上述电压过零检测电路各部分电路的功能，可知硬件部分可用到四个运算 放大嚣两个二极管，两个稳压管以及两个反相器。综合上述功能结合实际应用 本课题设计的电压过零检测电路的硬件部分选择运放l m 3 2 4 ，二极管i n 4 1 4 8 ， 稳压管i n 4 0 0 7 及反相器m c l 4 5 8 4 b c p 。困2 - 9 、图2 - 1 0 分别为运放l m 3 2 4 和 反相器m c l 4 5 8 4 b c p 结构框图。 图2 0 运放l m 3 2 4图2 1 0 反相器m c l 4 5 8 4 b c p | | ； 。；|：一 第二章双丝交一直流脉冲控制器 由结构图可知，l m 3 2 4 是一片集成的运算放大元器件，它的作用是引入适 当的反馈，可以使输出和输入之间具有某种特定的函数关系，即实现特定的模拟 运算。如加、减、积分、微分等，这就构成了模拟运算电路，在自