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本人完 即：学位论 质论文的内 信息情报中 中国学术期 文档，允许 保存和汇编 据库进行检 本学位 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究中文摘要 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 摘要 焊接成型的框架结构广泛应用于机械设备，车辆船舶，穹顶建筑中，其焊接 质量直接影响最终产品的性能。传统的氩弧焊，c 0 2 在大多数情况确实能满足焊 接性能的要求，但是在中厚度材料的全位置焊接中使用传统的焊接方法经常遇到 熔深不够，飞溅多，焊缝成型效果差的情况，特别是在薄板和厚板对接处使用传 统的焊接方法经常会遇到焊接不牢或严重的焊接变形问题。所以探索出一种新的 焊接工艺对于提升框架结构的焊接质量具有很重要的现实意义。 论文首先以平衡计分的方法为基础对几种常用的焊接方法进行了比较，分析 了各种焊接参数及工艺流程对焊接效果的影响，针对中厚度材料全位置焊接和薄 板与厚板对接焊这些实际焊接中可能遇到的问题指出使用三元混合气脉冲焊的方 法；为了让三元混合气脉冲焊达到好的焊接效果，分析了影响三元混合气焊接的 几个重要因素，建立了基础b p 网络的焊接工艺参数选择模型，优化了焊接的性能； 根据项目中设备的框架结构，建立了焊缝与参数一一对应的查询表，对于每一组 参数都明确细化，保证后面的电控部分能正常工作。 本文从焊枪控制系统设计和变位器控制器设计两个方面阐述了框架结构焊接 系统的实现方法。整个焊枪控制系统设计是在松下多轴机器人控制平台下编制而 成；变位器控制系统是在三菱p l c 编程设计平台下完成，并结合焊接过程中经常 遇到的剪丝问题，异常运动控制方法进行了分析，并给出了一系列高效可靠的解决 方法。 关键词：框架结构；焊接成型：三元混合气；脉冲焊；b p 算法 作者：卢继平 指导老师：钱志良 a b s t r a c t r e s e a r c ho f t e r n a r yg a si nr e m o v a b l ee q u i p m e n tf l 锄l l c a b s t r a c t w e l d i n gf r a m es t r u c t u r ew a sw i d e l yu s e di ne q u i p m e n t ，v e h i c l ea n ds h i p ，a n d d o m es t r u c t u r e ，w e l d i n gq u a l i t yh a sg r e a ti m p a c to nf i n a lp r o d u c t t r a d i t i o n a lt i ga n d c 0 2m i gc o u l da c c o m p l i s hm o s to fw e l d i n go p e r a t i o n ，b u ti na l l p o s i t i o nw e l d i n g o p e r a t i o no fm i d d l et h i c k n e s sm a t e r i a ls i t u a t i o n ，o f t e nf i n dp e n e t r a t i o ni sn o te n o u g h ， a n dl o t so f s p l a s h ，w e l d i n gl i n el o o k sv e r yp o o r e s p e c i a l l y , a tt h ejo i n e dl i n eo ft h i c k m a t e r i a la n dt h i nm a t e r i a l ，s t r e n g t hi s v e r yw e a k ，a n do f t e no c c u rd e f o r m a t i o n s o d e v e l o pa n e wp r o c e s st oi m p r o v ew e l d i n gq u a l i t yb e c o m i n gv e r yi m p o r t a n t a tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，s e v e r a lk i n do fw e l d i n gm e t h o dw e r ec o m p a r e d ， a tt h em e a nt i m e ，a n a l y z i n gh o wd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e ra n dp r o c e s se f f e c t w e l d i n gq u a l i t y p o i n t e do u tt e r n a r yg a sw i t hp u l s ef u n c t i o nw e l d i n gc o u l dd e a lw i t h a c t u a lp r o b l e mi na l lp o s i t i o nw e l d i n g i no r d e rt om a k es u r et e r n a r yg a sw i t hp u l s e f u n c t i o nw e l d i n gc o u l dr e a c hi t s b e s te f f e c t ，s e v e r a lk e yf a c t o rw e r ea n a l y z e d b p n e u t r a ln e t w o r ki sb u i l tf o rt h es e l e c t i o nm o d e la b o u tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so f w e l d i n g ， i t sp e r f o r m a n c ei so p t i m i z e d w e l d i n gp a r a m e t e rc h e c kl i s tw a ss e tu pf o rf r a m e ，a l l p a r a m e t e r sw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l t om a k es u r ee l e c t r o n i cs y s t e mc o u l dw o r k n o r m a l l y w e l d i n gt o r c hc o n t r o ls y s t e ma n dw e l d i n gf i x t u r ec o n t r o ls y s t e md e s i g nt h e o r y w e r ec o v e r e db yt h et h e s i s w e l d i n gt o r c hc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g nu n d e rp a n a s o n i c r o b o ts y s t e m ，w e l d i n gf i x t u r ec o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e du n d e rm i t s u b i s h ip l c s y s t e m k e y w o r d s ：f r a m e ；w e l d i n g ；t e r n a r yg a s ；p u l s e w e l d i n g ；b pa l g o r i s m i i w r i t t e nb y ：l uj i p i n g s u p e r v i s e db y ：q i a nz h i l i a n g 2 2 二氧化碳气体保护焊接设备及控制系统8 2 3 三元混合气保护焊设备及控制系统9 2 4 小结10 第三章基于神经网络的焊接参数选择。1 1 3 1 影响焊接质量的主要工艺参数1 1 3 1 1 焊丝直径11 3 1 2 焊接电流11 3 1 3 电弧电压13 3 1 4 脉冲特性16 3 1 5 焊接速度16 3 1 6 气体成份16 3 2 人工神经网络17 3 2 1 神经网络启动函数一17 3 2 2b p 网络18 3 2 3b p 神经网络算法19 3 3 选择焊接工艺参数的模型2 2 3 4 小结2 5 第四章变位机p l c 及多轴机器人控制理论。2 6 4 1 变位机运动控制核心部件p l c 介绍2 6 4 1 1 可编程控制器特点，应用及发展2 6 4 1 2 可编程控制器的组成2 8 4 1 3 可编程控制器的编程语言2 9 4 1 4 可编程控制器的工作原理31 4 2 工业机器人控制的功能、组成和分类3 3 4 2 1 对机器人控制系统的一般要求3 3 4 2 2 机器人控制系统的组成3 3 4 2 3 机器人控制系统分类3 4 4 4 小结3 5 第五章系统的实现与焊接质量的控制。3 6 5 1 机器人工作程序的设计3 7 5 1 1p a n a s o n i e 机器人编程语言简介3 7 5 1 2 工作程序的主体结构3 7 5 1 3 工作子程序模块的软件实现3 9 5 2 焊接缺陷产生原因及防治措施4 4 5 3 焊接工艺参数4 6 5 4 焊接参数对焊接质量的影响4 8 5 4 1 脉冲的影响4 8 5 4 2 三元气体组份比例的影响4 9 5 4 3 电流的影响5 0 5 4 4 电压的影响51 5 5 焊接参数的确定5 2 5 6 小结5 2 第六章展望5 3 参考文献5 4 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文5 7 致谢5 8 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于一种与集装箱冷冻机配套的专用的悬挂式发电机的生产 过程。该发电机的框架是一个油箱与支撑框架的联接结构，框架的下部是 一个l2 5 加仑的油箱，上部是固定水冷系统、电控系统及发电机悬挂时使 用的支撑架。对这个油箱与支撑一体的框架结构要求非常严格，其性能必 须按照美国高速公路委员会( f h m a ) 的要求生产和测试。在国外生产时， 焊接过程采用人工焊接，每台框架焊接时间在6 小时左右，焊接量大，焊 接的劳动强度高，框架的焊接质量完全取决于工人的焊接技术，油箱检漏 时合格率较低，产品的质量安全得不到可靠的保证，而每出现一次油箱柴 油泄漏的情况，按照美国高速公路委员会的标准都将面临巨额的罚款。在 该产品引入国内生产的项目进程中，决定采用焊接质量稳定的机器人焊接 方法，以保证在既定工艺的情况下可以获得稳定的焊接质量。本课题的主 要任务是：针对该产品的生产任务和要求，研究开发出一套高质量、高效 率、易于操作使用的焊接系统，在满足项目进度要求的情况下，能保质保 量的完成该产品的生产。 1 2 焊接工艺的国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 随着工业自动化进程的发展及对焊接产品多品种小批量生产的要求， 应用机器人柔性加工技术完成焊接生产过程已成为焊接自动化发展的必然 趋势。焊接生产系统柔性化的发展方向以弧焊机器人为主体，配以多自由 度变位机及相关的焊接传感控制设备，在中央计算机的综合控制之下，实 现对复杂工件焊接路径的离线编程与图形仿真、空间焊缝的实时精确跟踪 及焊缝参数的在线调整。要实现上述目标，焊接机器人柔性加工单元( w f m c ) 的控制系统必须具有合理的体系结构、较强的数据运算和处理能力、良好 的信息融合控制功能、以及开放的软硬件接口。近几年，国外己出现了以 弧焊机器人为中心的柔性加工单元，又称作焊接机器人工作站。一般包括 一台或几台焊接机器人，一台或几台焊接变位机。实际上，它是在多台焊 第一章绪论可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 接机器人与变位机械组合应用的基础上，增加了工位间的输送及上下料设 备，组成了由计算机统一控制的焊接生产系统。其特点是：产品的结构形 式发生变化时，只需要改变控制程序，其硬件和执行系统不需作很多改变。 因此，整个焊接生产系统不仅自动化水平高，而且加工灵活性大。焊接机 器人的机械化、自动化程度高，甚至已成为具有部分智能的焊接作业机械。 但是，焊接机器人的工作范围尚待进一步拓展，焊接质量尚需进一步改进， 机器人本身的利用率也需进一步提高。为了对复杂工件上的多方位焊缝都 能在最佳位置进行焊接，还需焊接变位机和其它工艺装备的配合。 目前，国外先进国家设计制造的弧焊机器人大都与多轴数控变位机械 的协调使用。这些数控变位机械都采用全伺服控制，或者通过它们自身的 精密控制器，或者和机器人一起，利用机器人的控制器进行控制。这些变 位机械最大的优点就是数字控制，自由编程设定工作区内的所有施焊位置， 同步操纵被焊工件，以与机器人上的焊枪相协调。这使得工件位置绝对可 控，减少了施焊时间，改善了工人劳动条件。 焊接变位机按自由度数可分为单轴、两轴、三轴变位机。单轴焊接数 控变位机械只有一根回转轴，用以使工件回转，例如日本株式会社生产的 o t 一1 0 型单轴焊接变位机。目前应用最广泛的是两轴变位机械，两数控轴分 别是使工作台回转的回转主轴和使工作台俯仰的倾斜轴。三轴变位机通常 都是在二轴变位机的基础上增加一根升降轴，也有的是增加一条可水平移 动的导轨。 焊接变位机根据结构型式可分为伸臂式、单座式和双座式焊接变位机， 其承载能力依次上升。两轴单座式变位机如日本松元株式会社生产的p r k ，p r c 型变位机，它采用旋转编码器测位，工作台转速可调，能够测出与机器 人联动的位置，并根据机器人和控制装置发来的指令进行一些特定位置的 定位。松元株式会社生产的两轴双座式变位机，也可与弧焊机器人配合使 用。三轴数控变位机如欧洲最大的焊接变位机械制造公司b o d e 生产的可升 降双座式数控焊接变位机，这种变位机可与机器人接口，可升降、回转、 翻转。所有轴的驱动都采用晶体管p w m ( 脉宽调制) 逆变器，可无级调速，可 手动或自动操作。此外，某些公司如松元株式会社也生产了p r e 型三轴单座 升降式焊接变位机，该变位机是在两轴变位机的基础上增加了升降功能， 当进行大型工件作业时，保证在机器人的工作范围内使工件获得最佳的焊 接位置。 2 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 第一章绪论 以上所述的国外先进工业国家的数控焊接变位机有的可与弧焊机器人 协调动作，实现复杂空间曲线焊缝的焊接。在国内，国产数控焊接变位机 尚处于研究开发阶段，尚未形成规模生产，特别是与弧焊机器人协调动作、 配合使用的数控焊接变位机，在国内尚处空白状态，有待开发。 1 2 2 国内研究和应用现状 现根据收集到的资料，把国内研制的机器人工作站作一简介。目前国 内在这方面的开发工作主要有以下几个方面：哈尔滨焊接研究所目前己完 成了包括15 台机器人在内的1 1 套弧焊机器人工作站，其中有为山东推土机 台车架弧焊机器人工作站，为重庆嘉陵机器厂研制的摩托车车架弧焊机器 人生产线，为白山车门厂研制的奥迪轿车车门弧焊机器人工作站等。在这 些工作站中，山东推土机台车架弧焊机器人工作站是目前国内最复杂的弧 焊机器人工作站，它包括一台弧焊机器人、一台可自由编程和任意定位的 两自由度的机器人平移机构、夹具及其驱动液压站、两套双头同步驱动翻 转变位机、工作站协调总控系统。奥迪轿车车门弧焊机器人工作站包括三 台变位机、一台弧焊机器人、焊接子系统、工作站主控系统，该工作站具 有机器人无停顿工作的特点。为嘉陵机器厂研制的摩托车车架弧焊机器人 生产线中包括了七台弧焊机器人，8 台变位机。南京汽车制造厂第二车身厂 引进了c l o g s 公司生产的r o m a t 7 6 型机器人和单轴变位机，该变位机通过一 台异步电动机经摆线针轮减速器减速，用f v r 0 0 8 g 7 5 4 e x 变频器调速，锥 形插销在四个固定位置定位。工件在翻转机胎具上的定位和夹紧是由手动 定位器和手动杠杆一铰链夹紧器来完成的。变位机与机器人联合控制，机 器人在施焊过程中变位机不动，待机器人焊完一侧后，发出指令，变位机 转动9 0 度，弧焊机器人再焊接横梁的另一侧面。株州电力机床厂也是引进 了一套c l o o s 一7 6 a w 弧焊机器人工作站，其工件的变位是由一个 w t r 一2 5 0 0 0 - 7 0 0 型单轴大型翻转台来完成的，整套系统既可单独使用，也 可联动。合肥叉车总厂也分别引进了德国c l o o sr 7 6 和奥地利i g m r t 2 8 0 机器 人，并自行做了夹具及变位设备，但其变位设备不是数控的，只能单独运 动。哈尔滨锅炉厂在进行接管与法兰盘的焊接时，采用了沈阳电工机械厂 生产的1 5 t ( 型号为k s 9 2 0 3 ) 和2 5 t ( 型号为3 5 0 6 0 一s m ) 的焊接变位机。它 们能够自动旋转，无级调速。青岛四方车辆厂从德国c l o g s 公司引进了 w p v - d i 1 0 0 0 n a c 型焊接变位机，该变位机采用交流伺服电机使得传动链大 第一章绪论可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 大简化，仅有一级齿轮减速器和一对内啮齿轮副。它可与机器人焊枪协调 动作，可旋转1 8 0 。，完成车架马鞍形横梁的焊接。 1 3 课题的意义和研究目的 1 3 1 课题的意义 该悬挂式发电机的框架是薄板、中厚度板、厚板的一体焊接结构。在 焊接的过程中，不仅要使用平焊、横焊、对接焊和角接焊等常用焊接，还 需涉及到国内很少使用的立向下焊接。立向下焊接方式的一个很大的好处 是焊接效率非常高，只要焊接参数控制得当，焊缝的成型效果非常美观， 特别是在外观面的焊接中具有明显的美化作用，在这种立向下焊接方式中 使用传统的焊接方法会出现熔池难以控制，熔深不够，焊接强度达不到要 求的情况。本课题研究的发电机框架结构复杂且具有密封性要求，以前多 使用人工焊接方式生产，存在焊接质量不稳定、焊接作业效率低下的问题， 特别是在目前沿海发达地区专业技术工人缺乏的实际背景下，研制开发出 一套焊接质量好、效率高、易于操作使用的焊接系统硬件平台及其相配套 的满足产品实际焊接要求的工艺参数，具有重要的现实意义和经济价值。 1 3 2 课题的研究目的 目前常见的气体保护焊焊接系统在非外观件的焊接生产中应用已相当 成熟，但是在焊接时都要求将被焊接件用夹头固定在焊接夹具上，通过调整 焊接夹具的位置将焊缝摆放到水平位置，使用这种调节方法可以获得较好 的焊接成型效果。本课题研究的可移动设备框架质量大、结构复杂且具有 密封性要求，固定框架背部工件的焊接夹具都将焊缝挡住了，见图1 1 。 即使通过旋转变位机把装夹在焊接夹具上的框架背板朝上也不能进行水平 位置的焊接。必须在可旋转夹具上完成框架前部的焊接操作后，将框架吊下 来使用立向下的焊接方法完成框架背部焊缝的焊接。 4 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究第一章绪论 图1 1 本课题的目的在于通过对可移动设备框架生产的实际需要处理的问题 点的研究，为本文作者所在公司开发一套可移动式框架的焊接质量好、效 率高、易于操作使用的焊接系统硬件平台及其相配套的满足产品实际焊接 要求的工艺参数。框架外观图1 2 正面图 1 4 课题的研究内容 背面图侧面图 图1 2 本文首先比较了几种气体保护焊的特点及其使用的场合，为后续选择 5 第一章绪论 可移动设备框架结构的三元混合气脉；中焊研究 三元混合气脉冲焊作为可移动设备框架的焊接方法提供了依据；分析了影 响三元混合气脉冲焊的几个因素，利用神经网络理论建立了三元混合气脉 冲焊工艺参数选择模型；研究了可移动设备框架的三元混合气脉冲焊焊接 设备的设计方法及工艺参数的选择方法。本文的主要内容如下： 1 ) 可移动设备框架焊接方法的选择：使用了列举比较的方法，分析比 较中几种不同的气体保护焊的焊接特点、工艺流程、焊接设备特点及应用 范围；明确了可移动设备框架焊接的技术要求，选择了三元混合气脉冲焊 作为可移动设备框架焊接的焊接方法。 2 ) 基于神经网络的三元混合气脉冲焊参数选择方法的实现：为了让三 元混合气脉冲焊有好的焊接性能，分析了影响三元混合气脉冲焊的工艺参 数，并结合工程实际，建立了三元混合气脉冲焊工艺参数的b p 神经网络选 择模型，通过此模型生成一系列参数，为后续的实际焊接实验提供样本数 据。 3 ) 焊接系统控制的研究：介绍了焊接控制系统的特点、应用及发展， 分析了控制系统的组成和编程语言的特点，结合三元混合气脉冲焊中需控 制的焊接参数种类，选择了一套易于操作的、可靠的焊接控制系统。 4 ) 三元混合气脉冲焊系统的实现方法：研究了焊接工艺参数的选择方 法和选择过程，列举了不同焊接参数对焊接效果的影响。介绍了焊接控制 系统的程序设计方法，介绍了部分主要程序的设计。 5 ) 焊接质量控制：研究了不同焊接参数对焊缝成型的影响，通过图文 介绍了焊接过程中的可能会出现的问题，并针对这些可能出现的问题提供 解决办法。根据可移动设备框架的特点及要求，选择了一套合理的焊接参 数。 1 5 小结 本章介绍了本课题的研究对象及其国内外研究现状，在此基础上，阐 明了本课题的意义、研究目的和研究内容。 6 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 第二章气体保护焊设备及控制系统 第二章气体保护焊设备及控制系统 2 1 钨极氩弧焊设备及控制系统 2 1 1 钨极氩弧焊的特点 钨极氩弧焊是气体保护焊中的一种，通常又称为“t i g ”焊。它的电极 是难熔金属钨或钨的合金棒。电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易维 持恒定的电弧长度，焊接过程稳定，焊接质量好。焊接时，电极、电弧区 和熔化金属都处在氩气保护之中，使之与空气隔离。当保护气体采用氦气 时称氦弧焊，有时也采用氦或氩的混合气体。 钨极氩弧焊分为手工焊和自动焊两种。焊接时，填充焊丝在钨极前方 添加。当焊接薄焊件时，一般不需要开坡口和加填充焊丝。为满足焊接0 8 m m 以下薄板的需要，并为适应新材料和新型结构的焊接要求，焊接方法上 又出现了新的形式，如钨极脉冲氩弧焊、钨极氩弧点焊或在充氦的气室中 焊接等等。 2 1 2 钨极氩弧焊设备的组成 钨极氩弧焊设备与c 0 2 焊接设备相类似，自动钨极氩弧焊主要由以下 几个部分组成： 焊接电源； 控制系统： 送丝机构； 焊枪与焊接小车； 氩气气瓶、流量计与减压阀； 冷却水循环装置( 用于大电流焊接时冷却焊枪) 。 除焊接电源和焊枪结构与c 0 2 气体保护焊不同外，其它结构基本相同。 焊接电源一般选用弧焊变压器和脉冲弧焊电源，其中脉冲弧焊电源特 别适应于全位置管的对接：焊枪结构中由于采用钨电极，因而与c 0 2 气体保 护焊不同。 第二章气体保护焊设备及控制系统 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 2 1 3 钨极氩弧焊焊接控制系统 传统的钨极氩弧焊焊接控制系统与c o z 气保护焊基木相同。 2 2 二氧化碳气体保护焊接设备及控制系统 c 0 2 气体保护焊是一种低成本、高效能的焊接方法。早在五十年代初期， 苏联和日本等国学者就研究成功了c 0 2 气体保护焊。随着对其研究的深入 和相关技术的发展，它已经成为了一种重要的熔化焊方法，适于管道、压 力容器和金属结构等构件的焊接。在一些主要的工业国家，如美、俄、英、 德和日本等国，c 0 2 气体保护焊己占焊接总量的6 0 一7 0 ，广泛的用于造船、 汽车制造等工业。 在我国，c 0 2 气体保护焊也得到了快速的发展，在我国工业中正在逐 渐推广使用，特别是在“八五”规划中，国家将c o ：气体保护焊作为一项 大力推广项目。当前我国的许多基础项目如公路、桥梁、铁路、机场建设 及石油管道、天然气管道等都采用c 0 2 气体保护焊。 二氧化碳气体保护焊就是用二氧化碳作为保护气体，依靠焊丝与焊件 间产生的电弧来熔化金属的一种气体保护焊方法( 简称c 0 2 焊) ，在c 0 2 气 体保护焊焊接时，保护气体从焊枪喷嘴中连续不断地喷出，机械地将空气 与焊接区隔绝，使电极端部、弧焊区和熔池金属处于保护气罩内，形成局 部气体保护层，从而保证焊接过程的稳定性，并获得质量优良的焊缝。 与埋弧焊、手工电弧焊等以渣保护为主的焊接方法相比较，c 0 2 保护 焊具有以下优点： ( 1 ) 由于是明弧，所以施焊部位的可见度好，便于对中，操作方便。 同时便于进行全位置焊接。采用半自动焊时，可焊各种曲线焊缝。 ( 2 ) 电弧在气流的压缩下使热量集中，熔池体积小，热影响区窄，从 而减少了工件焊后变形。 ( 3 ) 采用了气体保护，配合焊丝的自动送进，容易实现自动化，便于 在自动线中采用；并且抗锈能力较强，焊缝含氢量低，抗裂性能好。 ( 4 ) 由于c o z 气体价廉，使得焊接成本低于其他多种焊接方法，约相 当于埋弧焊和手弧焊的4 0 左右。 ( 5 ) 生产率高。这是因为c 0 2 电弧热量集中，电弧的穿透能力强，所 以熔深大，这就减少了焊接层数，角焊缝时的焊脚尺寸也可以相应减小； 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 第二章气体保护焊设备及控制系统 相同的焊丝直径，c 0 2 保护焊较埋弧焊可采用高得多的电流密度，所以焊 丝的熔化率高，可以采用高速焊接，无焊渣，在多层焊时可以不必中间清 渣。 ( 6 ) 采用细焊丝焊接时，可以解决手弧焊和气焊难以解决的落板烧穿 问题及减少工件的焊后变形。 c o z 保护焊由于本身所具有的特点，已广泛应用于多种材料的焊接，它 不仅可以焊接低碳钢，而且可以焊接低合金钢，低合金高强度钢，在某些 情况下也可以焊接耐热钢及不锈钢。在焊接不锈钢时，由于焊缝有增碳现 象，影响抗晶问腐蚀性能，所以只偶尔用于对晶间腐蚀要求不高的情况下， 同时它的表面成形不如氩弧焊。 适宜采用c o z 保护焊的材料厚度范围较大，最薄的目前焊到0 8 毫米， 最厚的焊到15 0 毫米左右。视具体的c 0 2 保护焊方法的不同，合理的应用 范围也不同。如细丝c o ：保护焊( 焊丝直径1 2 m m ) 适宜焊接0 8 4 毫米 的薄板，粗丝( 焊丝直径1 2 m m ) 和药芯焊丝适宜焊接中厚板：而窄间隙焊 接法在焊接大于5 0 毫米的厚板时则显示了优越性。 c o ：半自动焊用于短焊缝及曲线焊缝的焊接，采用短路过渡焊接时，可 以进行全位置焊接。对于长的直缝和环缝，一般都采用c 0 2 自动焊。c 0 2 自动焊主要用于水平位置的焊接，在有特殊装备的情况下，可以进行立焊 和横焊。 c o ：保护焊还用于耐磨零件的堆焊，如曲轴和锻模的堆焊，铸钢件及其 它焊件缺陷的补焊以及异种材料的焊接，如球墨铸铁与钢的焊接等。此外， c 0 2 保护焊还可以用于水下焊接。 2 3 三元混合气保护焊设备及控制系统 三元混合气保护焊属于熔化极气体焊接，和普通的c o ：气体保护焊在 设备组成、使用方式上很类似。其主要组成部分为： 焊接电源 焊接程序控制系统 送丝机构 焊枪 保护气体供气系统 冷却水循环装置( 用于大电流焊接时冷却焊枪) q 第二章气体保护焊设备及控制系统可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 与普通c 0 2 气体保护焊相比有如下不同点： 三元混合气的组成为：氩气、c o z 、氧气，在这三种组份气体中，氩气 和c 0 2 起保护气的作用，保护气体从焊枪喷嘴中连续不断地喷出，机械地 将空气与焊接区隔绝，使电极端部、弧焊区和熔池金属处于保护气罩内， 形成局部气体保护层，从而保证焊接过程的稳定性，并获得质量优良的焊 缝。混合气体中的氧气起增进焊接效果的作用，它可以提高电弧稳定性， 减少飞溅，改善焊缝成形和焊缝外观。 三元混合气保护焊所使用的焊接电源一般都是带脉冲调节功能的逆变 式电源，要求焊接电源具有高转载率的特性。通过调节脉冲参数可以使得 焊接过程中熔池能够得到合理的控制，保证足够的熔深。 目前国内大多数工厂都是使用的c 0 2 气体保护焊，因为这种焊接方法 一般都能满足产品的焊接要求，相对而言，三元混合气脉冲焊的使用才刚 刚起步，仅在一些具有一定经济实力的工厂才开始使用这种高效、焊接效 果好的焊接方式。三元混合气脉冲焊中使用的高转载率逆变式焊接比一般 的可控硅焊接价格高很多，再则目前市场的配好的三元混合气价格都比较 高，如果要大范围使用需要寻找经济的供气方式。 2 4 小结 本章分析并比较了几种不同的气体保护焊的焊接特点、工艺流程、焊 接设备特点及应用范围。 可移动设备框架质量大、结构复杂且具有密封性要求，固定框架背部 工件的焊接夹具都将焊缝挡住了，即使通过旋转变位机把装夹在焊接夹具 上的框架背板朝上也不能进行水平位置的焊接。必须在可旋转夹具上完成 框架前部的焊接操作后，将框架吊下来使用立向下的焊接方法完成框架背 部焊缝的焊接。综合上述几种焊接方法的特点和适用范围，唯有三元混合 气脉冲能满足焊接强度，焊接方式，焊接效率，焊接效果的要求。 1 0 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究第三章基于神经网络的焊接参数选择 第三章基于神经网络的焊接参数选择 3 1 影响焊接质量的主要工艺参数 影响三元混合气保护焊焊接质量的工艺参数主要有焊丝直径、焊接电 流、电弧电压、电源脉冲特性和焊接速度、气体成份等。而在实际工作中， 由于客观条件的限制，有些影响因素不能调节，本章仅对以下几个影响三 元混合气保护焊的因素进行分析： 3 1 1 焊丝直径 根据焊接的情况，首先应选择合适的焊丝直径。各种直径的焊丝都有其 适用的电流范围。细丝适用于较小的电流，而粗丝用于较大的电流，如表 3 1 所示，与各种直径的焊丝相适应的电流和电弧电压区间如图3 1 所示。 由图可见，直径小于1 2 m m 的细丝主要的熔滴过渡形式为短路过渡，适用于 薄板、打底焊和全位置焊。直径大于1 2 m m 的粗焊丝主要的熔滴过渡形式为 潜弧射滴过渡，适用于厚板和填充焊缝 表3 1 焊丝直径于电流范围 3 1 2 焊接电流 由图3 2 可以看出，焊接电流与送丝速度成正比，也就是说送丝速度越 快则电流应越大，反之亦然。焊接时电流的大小是由送丝速度来调节的。 焊接电流对焊丝和焊件的熔化影响最大，也是影响熔深的主要因素。电流 对焊丝熔化速度的影响示于图3 3 。图中表明随着焊接电流的增加，焊丝熔 化速度也增大。其中细焊丝的熔化速度增大更快些，这是因为细焊丝产生 1 l 第三章基于神经网络的焊接参数选择可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 的电阻热较大。通常随着焊接电流的增加，电弧电压也相应增加一些。所 以随着电流的增加，焊缝熔宽和余高略有增大，而熔深增加最明显，如图 3 4 所示。 彳d 了d u d v ? 口 7 口 d 11卅 7 髟 纱 嚆 ”口 帕j ，口 【 粥i 射黼漩燃 叫6 f ， 九一l 。 i l i 。 _ j _ 口w口jo 占f 舞路过渡焊接 刎2 0 0 ，卯刎5 0 06 7 0 0 8 0 0 。m 图3 1 焊丝直径与焊接参数区间的关系 v l ( m 7 m i n ) 叮 。- l， 咖d 8 t m | 由7 d 删 由76 。 7 l 1 2 im 1 7 1 ， i 、? 7 ， 7 一， 0 1 0 02 0 03 0 04 口d5 0 06 0 0 7 0 0 3 b 捧 图3 2e a s b i a 5 0 0 9 5 4 0 m 焊丝在焊接时的熔化特性 1 2 堵似 佗加 占6 4 7 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究第三章基于神经网络的焊接参数选择 v m 1 9 7m i 心 一7 f 由7 ? ， ? 巾7 0， 乃 0 口8 矿 ， 7 口口? 口口3 0 0d di d 口 y 月 图3 3 焊丝熔化速度与焊接电流的关系 辩i h m m 图3 4 焊接电流对熔深的影响 3 1 3 电弧电压 从图3 5 可知，三元混合气保护焊的电弧静特性是上升特性，为保持一 1 3 口 口 d d d 口 0 口 卯 卯 加 叩 口 印 卯 刀 口 7 7 ， ， 日 第三章基于神经网络的焊接参数选择可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 定的弧长，随着电流的增加，电弧电压也应增大。焊接电流与电弧电压的 最佳匹配关系示于图3 6 。电弧电压的高低是由焊接电源调节的。电弧电压 是决定焊缝熔宽的最主要的因素。因为电弧电压越高，电弧笼罩范围也越 大。预示熔宽增加，而熔深、余高却减小。如图3 7 所示。 0 0 i ， 图3 5 电弧静特性 一 7 ， ， ， ， ， ， ， 一r ， 一， 一。 臼 ， l 一 ，一- ， 么蕊蕊勿 殇缓惑蕊笏笏钐彩钐 5 01 2 g 3 0 8j o o 5 0 0 | 8 7a o 图3 6 飞溅与焊接电流和熔滴过渡的关系 1 4 钙 如 艿 如 巧 加 巧 佃 5 口 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究第三章基于神经网络的焊接参数选择 ，r 、j 一日话瓢 孓 u 王 七 牙佘高 i j ，黼 ，焊蝣谳v 删 ，u 7 砂 7 7 ， 7 d 曰 h 、。 6 4 、， 退 7 图3 7 电弧电压与焊缝成形的关系 u q v 产生钔，区域 ，缓荔 互 形 缓 影 聋7 ， 1 0 02 0 0 3 0 0j 6 d 05 0 0 6 0 0 。一 图3 8 电弧电压与气孔的关系 电弧电压也反映了弧长的大小。电弧电压越高，弧长也越大，则焊枪 喷嘴到焊件的距离也越大，气体保护效果也变差，如图3 8 所示。当电弧电 压过高时，易生成气孔。 1 5 如 卯 刀 加坩口 第三章基于神经网络的焊接参数选择可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究 3 1 4 脉冲特性 脉冲焊接工艺是采用一个低频的协调脉冲对另个高频单位脉冲的 峰值和时间进行调制，使单位脉冲的强度在强、弱之间低频周期性切换， 得到周期性变化的强弱脉冲波。调制后的焊接电流使作用于熔池中的电弧 压力发生变化，不仅可以提高焊缝的熔深，获得均匀美观的鱼鳞纹焊缝， 而且还可以增强对熔池的冲击振动，减少和消除焊缝气孔。脉冲m i g 焊有： 值电脉冲峰流( a p k ) 、脉冲基值电流( a b k ) 、脉冲频率( p p s ) 和脉冲 峰值时间( p w m s ) 4 个基本焊接参数 3 1 5 焊接速度 在保持焊接电流和电弧电压一定的情况下，焊接速度加快则焊缝的熔 深、熔宽和余高都减小，焊道成为凸形，如图3 9 所示。焊接速度再加快， 在焊趾部会出现咬边。进一步提高焊速时将出现驼峰焊道。相反，焊速过 低，熔池中液态金属将流到电弧的前面，电弧在液态金属上面燃烧，从而 使焊缝熔合不良，形成未焊透。 3 1 6 气体成份 伫 ，口 占 6 4 7 _ - 一 b 髓 、 一 、 、f j l 萄 、。1 - - - - l 基条禹 0 j 5 05 0 6 07 0 占d9 0 1 0 0 喇( c m h l 心 图3 9 焊接速度与焊缝成形的影响 三元混合气保护焊的保护气由氩气、二氧化碳、氧气三种气体按照一 定的比率混合而成，其中氩气和二氧化碳起保护气作用，他们从焊枪喷嘴 1 6 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究第三章基于神经网络的焊接参数选择 中连续不断地喷出，机械地将空气与焊接区隔绝，使电极端部、弧焊区和 熔池金属处于保护气罩内，形成局部气体保护层，从而保证焊接过程的稳 定性，并获得质量优良的焊缝。混合气体中的氧气起增进焊接效果的作用， 它可以提高电弧稳定性，减少飞溅，改善焊缝成形和焊缝外观。氧还影响焊 接时的烧损情况，随着焊缝含氧量的增加，其强度、硬度、塑性、韧性明 显下降，此外，氧还引起红脆、冷脆和时效硬化，降低焊缝的导电性、导 磁性、抗腐蚀性。溶解在熔池中的氧与碳发生作用，生成不溶于金属的c o ：， 在熔池结晶时来不及逸出，形成气孔。氧烧损焊缝中有益的合金元素，使 焊缝性能变坏。熔滴中生成的c o 使熔滴过渡时发生爆炸，造成飞溅。 3 2 人工神经网络 所谓人工神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络结构 和功能的一种技术系统，它是一种大规模并行的非线性动力学模型。由于 人工神经网络具有信息的分布存储、并行处理以及自学能力等优点，所以 在模式信息处理和模式识别、最优化问题计算、信息的智能化处理等领域 有着广阔的应用前景。人工神经网络是一门崭新的信息处理科学，近年来， 由于神经科学、数理科学、信息科学以及计算机科学的快速发展，使得研 究以大脑工作模式、非程序的信息处理的人工神经网络成为可能。 人工神经网络是源于人脑神经系统的一类模型，它是由简单信息处理 单元( 人工神经元) 相互连接组成的网络。网络的信息处理又通过处理单 元之间的相互作用来实现。具体地说，它是通过把问题表达成处理单元之 间的连接权值来处理的。权值大，则该处理单元对后续单元的影响大，反 之亦然。 3 2 1 神经网络启动函数 人工神经网络中有多种特性的神经元，大致包括：阀值型函数、分段 线性函数和s 型函数。其中s 型启动函数具有非线性放大增益，对任意输 入，其增益等于在输入输出曲线中该输入点处的曲线斜率值。当输入由 一增大到零时，其增益由0 增至最大；然后当输入由0 增加至+ o o 时，其 增益又由最大逐渐降低至0 ，并总是为正值。利用该函数可以使同一神经 网络既能处理小信号，也能处理大信号。因该函数的中间高增益区解决了 处理小信号的问题，而在伸向两边的低增益区正好适用于处理大信号的输 1 7 图3 1 0s 型函数1 凿田：篓矍雾雯竺竺竺意输入值压缩到( o ，1 ) 的范围内。这种启动函数 姜2 兰数或双譬苎黑争类s 形状的曲线来表示，s 。型茹毫森三胭s i g m o i 裂d 函数和s ig m 。i d 曲线，对数s 型启动函数关系式3 五：4 。”州 = 专 双曲线正切s 型启动函数关系式3 1 2 b ： = 萨1 - e - 2 x 3 2 2b p 网络 神经罗络模型目前已由几十种之多，其中反向传播神经网络( b a c k p r o p a g a t i o nn e t w o r k , 简称b p 网络) 是发展较为成熟且应用最为泛爵一 可移动设备框架结构的三元混合气脉冲焊研究第三章基于神经网络的焊接参数选择 种神经网络模型，b p 网络是对非线性可微分函数进行权值训练的多层前向 网络。在人工神经网络的实际应用中，8 0 9 0 的人工神经网络模型是 采用b p 网络或它的变化形式，它主要用于以下几个方面：函数逼近：用 输入向量和相应的输出向量训练一个网络逼近函数；模式识别：用一个 特定的输出向量将它与输入向量联系起来：分类：把输入向量以所定义 的合适方式进行分类；数掘压缩：减少输出向量维数以便于传输或存储。 可以说，b p 网络是人工神经网络中前向网络的核心内容，体现了人工神经 网络最精华的部分。在人们掌握反向传播网络的设计之前，感知器和自适 应线性组件都只能适用于对单层网络模型的训练，只是在b p 网络出现后才 得到了进一步拓展。 b p 算法是经过网络学习，把网络内部权值和阀值作为知识记忆下来， 构成拟合的映像函数关系。在确定了b p 网络结构后，利用输入输出样本集 对其进行训练，也即对网络的权值和阀值进行学习和调整，使网络实现给 定的输入输出映像关系。经过训练的b p 网络，对于不是样本集中的输入也 能给出合适的输出，这种性质即是b p 网络的范化功能。从函数拟合的角度 看，这说明b p 网络具有插