（材料加工工程专业论文）短路过渡焊波形预置小桥状态反馈复合控制法研究.pdf

原创性声明 i lie 11i i i iii t ii t ti ii il y 2 18 0 5 8 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做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： 煎趟 日 期：盗丛q c ，止 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，允许论 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、缩印或其它复制手段 保存论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： 壮导师签名：瞰日 期：删f 目录 目录 摘要i j l 】 ；s t 】5 j l ：t i i i 第1 章引言1 1 1 选题意义1 1 2 短路过渡焊的常规控制方法2 1 3 短路过渡焊的波形控制方法3 1 3 1 波形预置法3 1 3 2 小桥状态反馈法6 1 3 3 其他波形控制方法8 1 4 焊接过程参数的检测技术9 1 5 本文主要研究内容9 第2 章c 0 2 焊短路过渡过程的检测及分析系统1 l 2 1 短路过渡c 0 2 焊试验系统的功能1 1 2 2 短路过渡c 0 2 焊试验系统的硬件构成1 1 2 2 1 电参数采集单元1 2 2 2 2 熔滴过渡图像采集单元16 2 2 3 焊接系统1 8 2 3 短路过渡c 0 2 焊试验系统的软件设计1 8 2 3 1 软件编译工具的介绍18 2 3 2 数据采集程序的前面板介绍1 9 2 3 3 数据采集程序的设计思路2 0 2 3 4 数据采集程序2 l 2 3 5 同步采集功能的实现2 3 2 3 6 数据分析程序2 5 2 4 同步采集试验分析2 7 1j j 东大学硕十学位论文 2 4 1 短路过渡焊接电参数与熔滴过渡图像的对应关系2 8 2 4 2c 0 2 焊短路过渡过程的稳定性分析2 9 2 5 本章小结3 4 第3 章小桥状态表征参量特征值的测定及反馈控制的实现3 5 3 1 小桥状态表征参量的选取3 5 3 2 小桥状态表征参量特征值的测定3 8 3 3 特征值的验证4 1 3 4 短路过渡焊小桥状态反馈控制的实现4 3 3 5 本章小结4 7 第4 章各电流波形参数对短路过渡过程及焊缝成形的影响4 9 4 1 短路过渡焊反馈控制法的波形分析4 9 4 2 改变电流波形参数对短路过渡过程的影响5 0 4 2 1 改变峰值电流对短路过渡过程的影响5 1 4 2 2 改变基值电流对短路过渡过程的影响5 4 4 2 3 改变电流尾拖对短路过渡过程的影响5 6 4 3 短路过渡过程中的能量分配6 0 4 4 反馈控制法短路过渡过程中的瞬时能量分析6 1 4 5 改变电流波形参数对焊缝成形的影响6 2 4 5 1 不同峰值电流的影响6 2 4 5 2 不同基值电流的影响6 4 4 5 3 不同电流尾拖的影响6 6 4 6 本章小结6 8 第5 章电流波形参数的优化及复合控制法的初步实现 6 9 5 1 优化试验设计6 9 5 2 焊接质量的评定指标及检测7 0 5 3 电流波形优化试验及结果7 0 目录 5 3 1 送丝速度为3 2 0 c m m i n 下的试验及结果7 1 5 3 2 送丝速度为3 6 0 c m m i n 下的试验及结果7 4 5 3 3 送丝速度为4 0 0 c m m i n 下的试验及结果7 8 5 4 “波形预置+ 小桥状态反馈”复合控制法的初步实现8 l 5 5 本章小结：8 4 第6 章结论8 5 参考文献8 7 攻读硕士期间发表的学术论文。9 l 鸳| 【谢9 2 山东大学硕+ 学位论文 i v 摘要 短路过渡焊波形预置+ 1 i x 桥状态反馈复合控制法研究 摘要 c 0 2 气体保护焊是低碳钢和低合金钢结构件的主要焊接工艺，其成本低，生 产率高，但与其短路过渡相伴随的大飞溅率，影响了焊缝成形质量。针对现有飞 溅控制方法精度不高、适用工艺范围窄等问题，本文研究短路过渡c 0 2 焊的“波 形预置+ 小桥状态反馈”复合控制法。对于促进低飞溅率、高效率的短路过渡c 0 2 焊工艺与设备的研发和应用，提升我国焊接钢结构的制造水平，具有十分重要的 理论意义和工程实用价值。 本文针对短路过渡c 0 2 焊，利用虚拟仪器l a b v i e w 建立了一套短路过渡信 息采集系统，利用软件延时法矫正了图像采集系统和电参数测量系统的延迟时间 差，实现了电参数波形与熔滴过渡图像的同步采集。并设计了相应的分析软件， 对原始电流电压信号进行离线分析。 通过对短路过渡中各个电参数信号的分析比较，分别用电弧电压及其变化率 来表征短路发生和小桥临界颈缩两个特征状态。并通过同步检测的熔滴过渡图像 和电参数变化，计算得到了两临界状态下的特征值。利用测得的小桥状态表征参 量特征值，实现了短路过渡c 0 2 焊的反馈控制。 通过改变不同的电流波形形状，分析了短路过渡过程各时间参数在不同电流 波形参数下的变化规律。并从短路过渡能量分配角度，分析了不同电流波形参数 焊缝成形的影响规律。 利用焊接工艺正交试验，对不同送丝速度下的电流波形参数进行优化，得到 了峰值电流、基值电流和电流尾拖的优化匹配关系。焊接过程中通过调用优化的 电流波形参数，实现了短路过渡焊的“波形预置+ 小桥状态反馈”复合控制。 关键词：短路过渡焊；同步采集；小桥状态反馈；波形预置：电流波形优化 山东大学硕十学位论文 h a b s t r a c t r e s e a r c ho nh y b r i dc o n t r o lo fw a v e f o r m p r e s e t t i n ga n dl i q u i d b r i d g es t a t u sf e e d b a c ki ns h o r tc i r c u i tt r a n s f e rw e l d i n g a b s t r a c t a si t sl o wc o s ta n dh i 曲p r o d u c t i v i t y , c 0 2g a ss h i e l d e da r cw e l d i n gi sw i d e l y u s e di nl o wc a r b o ns t e e la n dl o wa l l o ys t e e lw e l d i n gp r o c e s s b u ts h o r tc i r c u i t t r a n s i t i o n ，a sa ni m p o r t a n t 虹n do fm e l t i n gm e t a lt r a n s i t i o nm o d ei nc 0 2g a ss h i e l d e d a r cw e l d i n g ，i sa c c o m p a n i e db yal a r g ew e l d i n gs p a t t e rl o s sc o e f f i c i e n tw h i c h a f f e c t i n gt h ew e l dq u a l i t y i nv i e wo ft h el o wa c c u r a c ya n dn a r r o ws c o p eo f a p p l i c a t i o np r o c e s si nt h ee x i s t i n gs p a t t e rc o n t r o lm e t h o d ，h y b r i dc o n t r o lo fw a v e f o r m p r e s e t t i n ga n dl i q u i db r i d g es t a t u sf e e d b a c ki ns h o r tc i r c u i tt r a n s f e rw e l d i n gi ss t u d i e d i nt h i s t h e s i s i th a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u ef o rt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fl o ws p a t t e ra n dh i g he f f i c i e n c yc 0 2s h o r t c i r c u i t w e l d i n gt e c h n o l o g y a n de q u i p m e n t ，a n dp r o m o t i n go u rc o u n t r y sw e l d i n gs t e e l s t r u c t u r em a n u f a c t u r i n gl e v e l ， a c c o r d i n gt oc 0 2s h o r tc i r c u i tt r a n s f e rw e l d i n g ，u s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n t l a b v i e wa na c q u i s i t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt os o f t w a r ed e l a yw h i c h o f f s e t st h ed i f f e r e n c eo fs t a r t i n gd e l a yt i m eb e t w e e nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dh i g h s p e e dc a m e r a , t h ef u n c t i o no fs y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o nf o re l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n d m o l t e nd r o p l e ti m a g e si sr e a l i z e d t h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i ss o f t w a r ei sd e s i g n e df o r o f f - l i n ea n a l y s i so ft h eo r i g i n a lc u r r e n ta n dv o l t a g es i g n a l s b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fe a c he l e c t r i cp a r a m e t e rs i g n a li ns h o r tc i r c u i t t r a n s f e rw e l d i n gp r o c e s s ，r e s p e c t i v e l yu s et h ea r cv o l t a g ea n da r cv o l t a g ed e r i v a t i o nt o c h a r a c t e r i z et h eo c c u r r e n c eo fs h o r tc i r c u i ta n dc r i t i c a ln e c k i n go fl i q u i db r i d g e a n d t h r o u g ht h es y n c h r o n o u sd e t e c t i o no ft h em o l t e nd r o p l e ti m a g e sa n de l e c t r i c a l p a r a m e t e r s ，t h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e so ft h et w oc r i t i c a ls t a t u s e sa r ec a l c u l a t e d u s i n g m e a s u r e dc h a r a c t e r i s t i cv a l u e so ft h eb r i d g es t a t u sc h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r , t h e f e e d b a c kc o n t r o lo fc 0 2s h o r tc i r c u i tt r a n s f e rw e l d i n gi sr e a l i z e d i i i i j 东大学硕十学位论文 b yv a r y i n gt h es h a p eo fc u r r e n tw a v e f o r m ，t h ec h a n g el a wo fe a c ht i m e p a r a m e t e ri n s h o r tc i r c u i tt r a n s i t i o n p r o c e s sw i t h d i f f e r e n tc u r r e n tw a v e f o r m p a r a m e t e r s i sa n a l y z e d f r o mt h ea n g l eo fe n e r g yd i s t r i b u t i o ni ns h o r tc i r c u i t t r a n s i t i o n ，t h ec h a n g el a wo fw e l df o r m i n g 晰t l ld i f f e r e n t c u r r e n tw a v e f o r m p a r a m e t e r si sa n a l y z e dt o o u s i n go r t h o g o n a lt e s to fw e l d i n gp r o c e s s ，c u r r e n tw a v e f o r mp a r a m e t e r s i n d i f f e r e n tw i r ef e e dr a t ea r eo p t i m i z e d a n dt h eo p t i m u mm a t c h i n gr e l a t i o n s h i po fp e a k c u r r e n t ，b a s ec u r r e n ta n dc u r r e n tt a i ld r a gi so b t a i n e d b yc a l l i n gt h eo p t i m a lc u r r e n t w a v e f o r mp a r a m e t e r si nw e l d i n gp r o c e s s ，h y b r i dc o n t r o lo fw a v e f o r mp r e s e t t i n ga n d l i q u i db r i d g es t a t u sf e e d b a c ki ns h o r tc i r c u i tt r a n s i t i o nw e l d i n gi sr e a l i z e d k e y w o r d s ：s h o r tc i r c u i tt r a n s f e rw e l d i n g ；s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o n ；b r i d g es t a t u s f e e d b a c k ；w a v e f o r mp r e s e t t i n g ；c u r r e n tw a v e f o r mo p t i m i z a t i o n i v 第1 章引言 1 1 选题意义 第1 章引言 c 0 2 气体保护焊( 以下简称c 0 2 焊) 以其高效节能、成本低廉、抗锈低氢、 焊接变形小、自动化程度高等诸多优点，被广泛应用于汽车制造、海洋船舶、工 程机械、航空航天等行业。短路过渡作为c 0 2 焊常常采用的过渡方式，在低碳 钢和低合金钢结构件的薄板和中厚板焊接中得到了广泛应用。但短路过渡c 0 2 焊的飞溅率大，焊缝成形质量差，从而导致焊材及能量的利用率大大降低。而且 过多的焊接飞溅也会污染工件、增加劳动强度，并且堵塞喷嘴、使送丝不畅【l 巧】。 短路过渡c 0 2 焊产生飞溅的主要原因是：( 1 ) 短路初期，熔滴与熔池刚刚发 生接触，此时若电流过大或者电流上升速度过快，使熔滴来不及在熔池表面铺展 便被迅速增长的电磁力排斥出熔池或迅速发生爆破而形成飞溅；( 2 ) 在短路后期， 小桥在电磁收缩力的作用下形成颈缩，此时若短路电流过大或电流上升过快，小 桥颈缩处的液态金属会造成大量过剩能量的积聚，最终导致小桥发生汽化爆炸， 形成电爆炸飞溅【6 7 】。 可以通过改进焊接材料来优化工艺性能，进而减小短路过渡c 0 2 焊的飞溅 率，比如在c 0 2 气体中加入时气或改用药芯焊丝等。这些方法虽然在一定程度 上减少了焊接飞溅，但失去了短路过渡c 0 2 焊本身的成本优势。而且这种焊接 材料的改变使电弧电场变小，若再采用短路过渡形式，易造成熔合差、余高大、 熔宽窄等焊接缺陷【7 1 。那么，在采用短路过渡焊接并不改变焊接材料的前提下， 可以通过电控方法来减小焊接飞溅、改善焊缝成形【8 】。即从焊接电源方面入手， 对焊接电弧及熔滴的短路过渡行为加以控制。尤其近年来，随着人们对c 0 2 焊 短路过渡过程认识的不断深入，以及电子电力技术与计算机技术的不断发展，使 精密电控方法的实现成为了可能。 国内外学者针对短路过渡c 0 2 焊的飞溅问题提出了多种控制方案，包括波形 预置法、波形控制法、电子电抗器法、焊丝回抽法、复合外特性法等 9 - 1 6 】。虽然 有些方案在控制飞溅方面达到了较好的焊接飞溅及焊缝成形控制效果，但总体而 言，其方法的控制精度不高，适用的工艺范围较窄，而且易受外界因素的干扰， 山东大学硕七学何论文 严重的降低了焊接效率。因此，如何对短路过渡c 0 2 焊进行控制，以达到飞溅 率低、控制精度高、工艺范围宽、焊接效率高的要求，仍然具有十分重要的意义。 目前焊接工作者研究较多且效果较好的是波形预置法和小桥状态反馈法。两 者都是通过在熔滴过渡各阶段合理地分配电弧能量，使短路熔滴稳定地形成小 桥，并在很小的能量下使临界小桥破断过渡。波形预置法把优化的焊接电流控制 波形作为专家参数预置到焊机中，焊接时利用这些专家波形参数来控制短路过渡 飞溅。它是一种开环控制，在受n # i - 界干扰时会失去对熔滴过渡的有效控制。小 桥状态反馈法是通过监n d , 桥状态来切换各个阶段的焊接电流，属于闭环控制， 但在焊接电流较大时或受n 多 i - 界干扰时小桥状态也容易误判，控制精度也不够 高。 本课题提出利用“波形预置+ 小桥状态反馈”复合控制法来提高短路过渡c 0 2 焊的飞溅控制精度和焊接生产率，将两类方法的优点集成，同时克服彼此的缺点。 对于促进低飞溅率、高效率的短路过渡c 0 2 焊工艺与设备的研发和应用，提高低 碳钢和低合金钢焊接结构的制造技术水平并降低焊接成本，具有十分重要的理论 意义和工程实用价值。 1 2 短路过渡焊的常规控制方法 自c 0 2 焊问世以来，国内外学者针对其短路过渡产生的飞溅问题提出了一系 列控制方法。其控制的准则大多是基于“小桥爆破”的飞溅机理，降低熔滴短路过 渡时短路小桥电爆炸能量。 传统的控制方法就是通过改变焊接回路中电感大小，通过控制短路电流上升 速度d i l & 以及短路电流所能到达的峰值，眦，降低小桥颈缩爆破时的电爆炸能 量，以减少焊接飞溅的产生。而且短路阶段存储的回路能量在燃弧期间得以释放， 从而增加了燃弧能量，改善了焊缝成形。但是电感调节的精度和适用范围均是非 常有限，无法实现输出特性的快速变化。后来设计了一种电子电抗器u2 。，在短 路过渡周期内，通过对焊接电流的监测，来控制晶闸管的截止与导通。进而控制 短路电流上升速度西峦和短路电流峰值l 的大小，以减小焊接飞溅。该方法 虽然增加了短路过渡焊接控制的灵活性，但控制效果仍不理想。 2 第1 章引言 脉动送丝控制法【2 , 6 1 3 1 是在短路阶段，小桥发生颈缩并达到一定状态( 即小 桥临界颈缩状态) 后，通过将焊丝进行回抽，使小桥被强行拉断，进而完成短路 过渡过程。该方法可以有效地克服熔滴过渡时斑点力的阻碍，使熔滴顺利过渡到 熔池中，而且避免短路末期颈缩小桥发生汽化爆破，从而降低了焊接飞溅。该方 法的电弧电压较高，从而保证了良好的焊缝成形。但是，该方法焊丝回抽系统对 动态响应要求很高，一般很难达到理想的程度，因而难以保证焊丝回抽动作与检 测到的小桥临界颈缩状态同步。而且该方法的机械结构复杂，设计成本较高。 复合外特性法 1 4 , 1 5 , 1 6 】根据短路和燃弧期间对不同电源外特性的要求，使短 路过渡过程各阶段工作在电源外特性曲线的不同区段，从而控制短路过渡过程、 减小焊接飞溅。其中，k o h s h i m a 1 6 】采用时变的三条外特性曲线来控制短路过渡 过程的不同阶段，取得了一定的焊接飞溅及焊缝成形的控制效果。但一般而言， 该类方法的电源外特性形状复杂，设计、匹配比较麻烦，其工艺的适应范围较窄。 1 3 短路过渡焊的波形控制方法 目前研究最广的是波形控制法。此方法根据c 0 2 焊短路过渡过程不同阶段 对焊接电参数的不同要求，设计不同的电流、电压波形以减小飞溅，并改善焊缝 成形。随着电子电力技术和逆变技术的不断发展以及人们对焊接短路过渡机理认 识的不断深入，波形控制法的优势也越来越明显。 1 3 1 波形预置法 在上世纪8 0 年代，前苏联的沙拉耶夫提出了几十种电流、电压波形【3 8 ，1 1 1 。 其基本思路就是在短路初始时刻和小桥临界颈缩时刻向电弧中施加负脉冲，以降 低短路小桥的爆炸能量，减少焊接飞溅，控制焊缝成形。与此同时，日本学者开 始利用先进的电子技术，对波控方法进行研究。其中三田常夫利用逆变电源，采 用微机控制电参数波形 3 , 8 j 1 1 ，取得了一定的控制效果。但该方法燃弧能量不足， 焊缝成形较差。且电参数波形设计复杂，控制参数较多，控制系统设计困难。 日本学者西田等指出【1 7 1 8 ，不同的焊接速度对电流波形控制提出了不同的要 求，如图1 1 所示。但西田的这种控制方式并没有给出实际实现的结果，还停留 在设想阶段。 3 山东大学硕士学位论文 图1 1 不同焊接速度下要求的电流波形示意图【1 8 i 国内李树槐等提出电流负脉冲诱导过渡波控法【3 , 6 , 11 , 1 9 】，其电流电压波形图如 图1 2 所示。该方法在燃弧后期的某一特定时刻施加负脉冲电流，使焊接电流维 持在较低水平直到短路发生，从而使燃弧期积累的过剩能量被大量释放，并使熔 滴呈现下垂状，促使熔滴的柔顺过渡。此方法防止了瞬时短路产生的大颗粒飞溅， 但少量的细颗粒飞溅仍无法避免。而且负脉冲的引入时间判断困难，控制效果难 以保证。 ， 图1 2 电流负脉冲诱导过渡法的电流电压波形示意图【6 】 n a c e ytji 2 0 开et 一种具有人工智能的波形预置控制系统。把预先进行离 线优化的焊接电流、电压波形预置到c 0 2 气保焊焊机中，并调用这些专家参数 来完成焊接过程。以图1 3 所示的焊接电流波形控制短路过渡焊接过程。该方法 4 第1 章引言 对焊接电流波形按照不同阶段进行了离线优化，从而降低了飞溅、改善了焊缝成 形。但陔方法属于丌环控制，缺乏对电参数波形的实时反馈，无法满足高精度的 控制要求。 图1 3 人：i ：智能短路过渡控制电流模型 孙振国等人1 2 1 , 2 2 1 在n a c e ytj 研究基础上进行了进一步研究。他提出可以根 据之前短路过渡周期的历史情况来对之后的焊接电流波形参数进行实时调整，并 设计出一种电流波形参数的在线寻优方法。该方法对熔滴过渡状态进行实时检 测，以达到对焊接电流波形的优化调整。但由于短路过渡焊接过程的复杂性，对 其进行理想的数学建模比较困难，因此，神经网络、专家系统、模糊控制等智能 控制技术则被越来越多的应用到焊接过程控制及焊接质量预测中来。例如，同本 研制出一种自动化焊机【2 3 1 ，利用模糊控制实现短路过渡过程的送丝速度、焊接 电压及焊接电流的优化匹配。m j k a n g 【2 4 】利用两个神经网络模型来预测短路过 渡焊接的飞溅率。张鹏贤等【2 5 1 建立了焊接规范各参数的神经网络优化模型，实 现了焊接过程的自寻优控制“u 东大学武传松等人【2 鼬8 1 利用神经网络及模糊控制 对g m a w 进行过程监控及质量评估。这类智能控制方法的核心在于当外界因素 干扰时，通过建立的智能控制模型，调整电参数波形或其他特定参数，保持熔滴 过渡过程中电弧的稳定性。该类方法属于平均控制，根据以前熔滴过渡的状态， 对后面的熔滴过渡过程进行丌环控制，外界干扰下易产生误判。 天津_ 人学刘振华| 2 9 j 捉：t _ i4 种基1 】二p i 算法的臼寻优控制方法，将智能控制与 p i 反馈控制棚结合，方i r e i x , l 短路过渡各环节进行优化控制，另一方面对短路 电流增长率进行调机使小桥柔顺过渡，以达到减小1 溅的日的。 ，心体而古，波形预胃方法能够根据短路过渡符个过程对焊接电参数的不同要 -illlli_-lllllli_iili f 山东人学硕+ 学位论文 求设计焊接电参数波形，但预置的电参数波形与熔滴过渡过程难以同步，缺少对 熔滴过渡各个过程的实时反馈。 1 3 2 小桥状态反馈法 小桥状态反馈控制可以通过监测熔滴短路过渡时液态小桥状态来调节焊接 过程各阶段的焊接电流，以达到闭环控制的效果。 。w e l d i n g v o l t a g e 。w e l d i n g c ur r e n t t ，、t t t 。t t 。t 。t 图1 4s t t 波控法的电流电压波形示意图 美国l i n c o l n 电器公司开发的s t t ( s u r f a c et e n s i o nt r a n s f e r ) 技术，即表面 张力过渡控制技术3 0 3 3 】，具有很好的飞溅控制效果。它实际上是一种特殊的小桥 状态反馈法。该方法精确地将短路焊接过程区分为多个不同的阶段，如图1 4 所 示。当检测回路检钡, t j n 短路发生及小桥产生临界颈缩时，提高回路阻抗以降低焊 接电流。在短路中期，迅速增加焊接电流，使小桥在较大电磁收缩力的作用下完 成颈缩，最终熔滴在表面张力及重力的作用下柔顺过渡到熔池中。但s t t 技术 有它的局限性：一是对小桥临界颈缩的检测是以电压一阶微分幽坊为特征参量 的，此特征参量的采集仅在小电流下是可靠的，因此s t t 控制法不适用于大电 流的焊接过程。二是检n n 4 , 桥临界颈缩的特征参量后，要在几微秒时间内把电 流降到5 0 a 左右，由于焊接回路中存在较大电感，电路动态响应能力较差。 天津大学李桓、杨立军等3 4 , 3 5 也提出了类似于s t t 技术的短路过渡过程闭 环实时控制思想。该方法利用焊接电压及其一、二阶微分来表征短路发生及小桥 6 l l 溢lik乏 liiiil f ， 廿一 ee 第1 ：荜0h ； 发牛临界时刻。当检n i , 】路检测到两个特殊时刻，利用人功率l 乜了丌关元件切换 回路中的外串电阻，降低焊接电流，减少焊接飞溅。采用“定时+ 定状态”的混合 控制方案，根据短路过渡过程各阶段的刁i i 司要求设计电流波形。该方法对大功率 电子丌关元件要求较高。 清华大学区智明、郭大勇等陋3 8 1 提出，可以通过在焊接过程中检测焊接回路 的电阻变化率或焊接回路的阻抗变化率米判断小桥状态，当检测到小桥发生临界 颈缩时，对回路焊接电流进行旁路分流，将焊接电流迅速降低，并维持到小桥的 断丌。小桥在较小电流下发生柔顺过渡，降低了焊接飞溅。基于此方法研制成功 了飞溅控制效果较好的短路过渡焊接控制系统f 3 引。该系统在短路期间能够实时 准确地检测出小桥在颈缩过程中的直径变化，并具有高的动态n 向应，焊接电流的 下降速度大于4 0 0 a 1 0 0 5 【9 1 。图1 5 为该波形控制方法的电流、电压理想波形。 t ：短路期间；l ：燃弧期间；，。：短路峰值电流：l ：短路基值电流； j ，卵：燃弧峰值电流：i o , ：维弧电流 图1 5 波形控制的电流、电压理想波形 小桥状态反馈法属于闭爿：控制，小焊接电流n ，j 以实现很好的控制效果。但 电流较大时小桥颈缩时| 、l j j 缩短，收缩程度难于检测，此时焊接过程受扰动的因素 也增多，控制精度难以达至0 要求。 山东大学硕士学位论文 1 3 3 其他波形控制方法 近几年，f r o n i u s 公司开发了一种c m t ( c o l dm e t a lt r a n s f e r ) 技术，即冷金 属过渡技术【4 0 4 2 1 。它是一种波形控制与焊丝回抽控制相结合的复合控制方法。图 1 6 为c m t 技术的短路过渡过程。由图可以看出，在短路阶段焊接电流及电弧 电压基本为0 ，当小桥临界颈缩时，通过焊丝回抽迅速将小桥“拉断”，使飞溅率 大大降低。由于主要依靠焊丝回抽使熔滴发生过渡会造成液态金属的冷却，该方 法的焊接热输入低，熔深能力有限。但被焊件的焊接变形小，搭接能力好，焊接 速度快，是焊接薄板的良好选择。目前该方法主要用于铝合金等薄板的焊接。 国内外学者提出了多种多样的短路过渡控制方案，也取得了很多理论及应用 成果。但波形控制法仍存在以下两方面的不足：一是对c 0 2 焊接短路过渡电弧 的本质认识不够；二是控制的精细化要求焊接电参数波形灵活切换，小电流下可 以较好地实现这一点，大电流下由于小桥状态难于检测，精确实时地切换焊接电 参数波形比较困难。 蕊蕊鬣墓受盔碴 一；。黧纛一 n 汀n y 程 过 一 渡磊的术技 l 仃 j m 图 一一 一 1 r 第1 章引言 1 4 焊接过程参数的检测技术 随着高速数据采集技术与高速摄像技术的发展，焊接电参数波形与熔滴过渡 图像的同步在线检测成为了现实，为分析焊接电参数波形对熔滴过渡的规律提供 了重要依据，也使熔滴过渡对焊接电流控制波形的动态响应实验研究以及小桥状 态表征参量特征值的实验确定成为可能。 天津大学4 3 彤】对熔焊的多信息同步采集进行了一系列研究。搭建了基于 l a b v i e w 的g m a w 焊接过程分析评价系统。清华大学朱志明【4 5 】建立了基于高 速c c d 摄像的熔滴图像检测和焊接电流、电弧电压同步采集系统，并基于 m a t l a b 平台对短路过渡模式下熔滴尺寸与电弧信号进行分析。哈尔滨工业大 学【蛔基于l a b v i e w 设计开发了熔化极气体保护焊熔滴过渡图像与焊接电参数同 步分析系统及熔滴过渡图像专用分析系统。 本实验室吕云飞等研发出由数字化焊机、基于l a b v i e w 的焊接过程参数检 测控制装置和高速摄像机组成的脉冲g m a w 熔滴过渡综合实验系统 4 7 , 4 8 1 。并对 熔滴过渡图像和焊接过程参数进行了同步检测和控制，研究了波形参数对脉冲 g m a w 熔滴过渡的影响规律【4 9 , 5 0 1 。 1 5 本文主要研究内容 ( 1 ) 短路过渡焊接电参数与熔滴过渡图像同步采集系统的的搭建 利用p c i 数据采集卡和高速摄像机，实现对焊接电参数及熔滴过渡图像的采 集。基于虚拟仪器平台l a b v i e w 编写控制软件，实现电参数与熔滴过渡图像的 同步采集。为确定小桥状态表征参量特征值，优化电流波形参数，制定各种工艺 条件下的“波形预置+ 小桥状态反馈”复合控制策略奠定基础。 ( 2 ) 小桥状态表征参量特征值的确定及反馈控制的实现 选用便于检测、抗干扰性强的电弧电压及其变化率作为小桥状态表征参量。 根据熔滴过渡图像与焊接电流和电弧电压之间的对应关系，得到短路发生及小桥 临界颈缩对应的时刻，确定小桥在两个特殊状态下的表征参量特征值。根据所测 得的特征值，实现短路过渡过程的反馈控制。 9 山东大学硕士学俯论文 ( 3 ) 电流波形参数对短路过渡过程及焊缝成形的影响 改变反馈控制短路过渡过程中的燃弧阶段电流波形形状，研究不同电流波形 参数对短路过渡过程的影响。研究不同电流波形参数下得到的焊缝成形形态，得 到焊缝成形随电流波形参数的变化规律，为得到优化的焊接电流波形奠定基础。 ( 4 ) 焊接电流波形的优化及“波形预置+ 小桥状态反馈控制，复合控制法的实现 进行电流波形参数优化实验，得到优化的电流波形。燃弧期各阶段的电流大 小及维持时间利用优化的预置波形参数进行控制；而初始短路和小桥临界颈缩这 两个关键临界状态下的大电流向小电流切换由小桥状态反馈控制回路进行控制， 进而实现“波形预置+ 小桥状态反馈控制”的复合控制。 1 0 第2 章c 0 2 焊短路过渡过；f 早的榆测及分析系统 第2 章c 0 2 焊短路过渡过程的检测及分析系统 焊接电参数信号包含了表征焊接电弧物理现象的丰富信息，包括电弧的引 燃、正常燃烧、短路及再引燃等整个过程的特征信息1 4 4 。高速摄像拍摄的熔滴 过渡图像可快速高效地记录短路过渡焊接过程熔滴形态的瞬时变化过程，便于对 熔滴过渡行为进行观察、测试和分析。对两者加以分析，可以提取出表征短路过 渡过程中短路发生和小桥达到临界颈缩的特征参量及其特征值。并可以对焊接质 量进行评估，得到优化的焊接电参数波形。 本章基于虚拟仪器l a b v i e w ，采用高速摄像机和多路传感数据采集系统， 开发了一套c 0 2 焊接短路过渡过程电参数波形与熔滴过渡图像采集分析系统。 通过软件延时弥补数据采集系统与高速摄像机启动延迟时间差，实现了同步采 集。为确定小桥状态表征参量特征值，优化电流波形参数等奠定基础。 2 1 短路过渡c 0 2 焊试验系统的功能 本试验系统可以实现短路过渡过程焊接电参数及熔滴过渡图像的同步采集。 所谓同步采集指数据采集卡采集短路过渡焊接过程中的焊接电流、电弧电压，高 速摄像机采集熔滴过渡图像。数据采集卡采集焊接电参数的同时，通过采集卡上 的开关量输出端口发出触发脉冲，使高速摄像机自动启动，从而采集到同步的焊 接电参数及熔滴过渡图像。为了实现自动控制，试验中焊机的启停及焊接工作台 的启动也是通过数据采集卡的开关量输出端口加以控制的。 该系统利用l a b v i e w 软件驱动相应的硬件设备并实现同步采集功能，操作 方便。试验中采集到的焊接电参数及熔滴过渡图像可以储存到计算机中，相应的 分析软件可以对焊接电参数进行分析，揭示焊接电参数与焊接稳定性之间关系。 2 2 短路过渡c 0 2 焊试验系统的硬件构成 图2 1 为开发的检测系统硬件组成框图，系统包括主控计算机、电参数采集 单元( 包括数据采集卡、传感器等) 、熔滴过渡图像采集单元( 由高速摄像机、 氙灯等组成) 和焊接系统( 包括焊机、焊接工作台及其控制单元等) 4 部分构成。 山东大学硕士学位论文 2 2 1 电参数采集单元 鼍磐卜 1 咩a r cv!oltage掣welding-tablej h i g hs p e e d l上compiuter 二二j i _ 一 图2 i 系统硬件组成框图 电参数采集单元主要由数据采集卡、电流传感器和电压传感器组成，与主控 计算机共同构成电参数采集系统，完成对焊接电参数的采集。 ( 1 ) 数据采集卡 数据采集卡是本试验系统中至关重要的部件。它可以实现模拟信号到数字信 号的转换，将焊接过程中的电流、电压信号转换为计算机可以接受的数字量。短 路过渡焊接过程中，电流、电压信号在短路发生和短路结束时刻发生突变。为了 在采集信号不失真的前提下尽可能捕捉到信号突变处的细节，需要数据采集卡具 有很高的采集频率。 本试验系统采用p c i 8 6 2 2 数据采集卡( 如图2 2 所示) ，最大采集频率可达 2 5 0 k h z ，满足了对信号进行高频采集的要求。该卡是一种基于p c i 总线的数据 采集卡，可直接插在i b m p c a t 或与之兼容的计算机内的任一p c i 插槽中，使 用方便。p c i 8 6 2 2 板上装有1 6 b i t 分辨率的a d 转换器，提供了3 2 路单端1 6 路 双端的模拟输入通道。本试验中采集电流、电压信号，仅需用到两路模拟输入通 道。由于本试验系统中噪声干扰不高，为了连接方便、可靠，采用单端输入的连 接方式，其示意图如图2 3 所示。输入信号幅度可以经增益仪表放大器调到合适 12 耋l 删m nhh畦 璺 茹耋( | | 第2 章c 0 2 炳魄i 路过渡过转舶勺检测及分析系统 的范口习，保证最佳转换精度。a d 转换器输入信号范m ：士1 0 v 、士5 v 、士2 5 v 、 o 1 0 v 、o 5 v 。 图2 2p c i 8 6 2 2 数据采集卡实物图 图2 3a d 单端输入的连接方式图2 4d o 数字麓输出的信号连接方式 除a d 转换功能外，p c i 8 6 2 2 数据采集卡还提供d i 数字量输入功能、d o 数字鞋输出功能以及c n t 定时计数器功能。在本试验中，需要利用该数据采集 0 的d o 数字量输出功能，在该卡的丌关罱输出端口产生一个5 v 左有的电压信 0 ，使焊机、焊接：r 作台和r 岛速摄像机相应的启动控制端口短路，实现三者的自 动腑动。d o 数字量输“j 的信号连接方式如图2 4 所示，试验r 1 需用到丌关量输 “ 端i _ 一1 1 的一路通道。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 传感器 数据采集卡不能直接接收焊接过程中的焊接电流和电弧电压信号，而需要先 通过传感器将焊接电流与电弧电压信号转换为幅值合适的电压信号再传输至数 据采集卡。 由于焊接过程的复杂多变性，对焊接电流、电弧电压进行测量的电流及电压 传感器需首先要有很强的隔离及抗干扰能力，防止噪声信号的干扰；其次，传感 器的量程要包含被测焊接电流、电压的范围；再次，传感器的精度要保证被测焊 接电流、电压信号变化的要求；最后，传感器的频响特性必须保证所测信号不失 真。 本试验系统选用s p l t 4 0 0 c 1 0 0 v 6 型霍尔闭环电流传感器( 如图2 5 ( a ) 所 示) 和s a l t 5 0 v 5 v 6 型电压传感器( 如图2 5 ( b ) 所示) 分别对焊接过程中的 焊接电流、电弧电压进行测量，保证了良好的测量精度。 ( a ) 电流传感器 图2 5 电压与电流传感器的实物图 ( b ) 电压传感器 其中，电流传感器基于霍尔效应原理，使输出量和被测量之间只通过磁场建 立联系，拥有良好的隔离及抗干