（材料加工工程专业论文）gmawp焊接控制系统及熔滴过渡动态数值模拟研究.pdf

摘要 g m a w - p 焊接控制系统及熔滴过渡动态数值模拟研究 摘要 气体保护熔化极脉冲电弧焊( g m a w - p ) 的熔滴形成、熔滴尺寸、 熔滴过渡形式及过渡特征等是影响g m a w - p 熔滴过渡过程、电弧的稳定 性、熔池形态、焊缝成形和焊接质量的重要的因素。g m a w - p 熔滴过渡 过程受弧焊电源控制性能的影响，g m a w - p 熔滴的形成、熔滴尺寸及其 过渡形式则进一步受脉冲焊接参数的影响，因此g m a w - p 熔滴过渡控制 对弧焊电源的输出特性提出了相应的要求。长期以来，g m a w - p 焊接电 源控制系统的研究设计及脉冲焊接参数的选择主要基于经验和工艺试验 的方法确定，对于种焊接材料、通常需要进行大量的实验以确定合适 的控制参数及脉冲焊接参数，其研究周期长、实验成本高。 论文研制了基于d s p 双闭环控制的g m a w - p 焊接电源系统，根据 焊接电源系统的控制结构、信号传递过程及脉冲焊的控制特性，采用 m a t l a b s i m u l i n k 扩展工具s 函数，构建了基于s 函数的g m a w - p 焊接电 源一电弧系统动态仿真模型，对焊接电源一电弧系统进行了仿真研究， 实现了对g m a w - p 电源控制器参数的优化设计。通过对焊接系统仿真及 焊接实验研究表明，仿真结果与焊接实验结果具有较好的致性；控制 l 上海交通太学博士学位论文 系统具有良好的动态性能、抗干扰性能和稳态精度：本文所建立的系统 仿真模型拓展了g m a w - p 焊接电源一电弧系统仿真建模技术，揭示了电 源一电弧系统中动态参数的内在联系，可以实现控制器参数的优化设计、 验证控制算法及控制策略，为实际焊接电源控制系统结构设计、调试及 先进的数字控制算法应用研究提供了新的解决途径。 在g m a w - p 脉冲熔滴过渡控制的基础上，根据磁流体动力学理论， 以流体动力学连续性方程、动量方程为基础，建立了二维g m a w - p 熔滴 过渡的动态数学模型。提出了v o f 与c s f 相结合的方法以实现熔滴自 由表面跟踪和熔滴表面张力的处理，在模型中将作用在熔滴表面的等离 子流力转化为体积力形式加以处理。基于所建立的二维g m a w - p 熔滴过 渡的动态数学模型，实现了对g m a w - p 熔滴过渡过程的数值模拟，分析 了熔滴在形成、长大及脱离焊丝端部的过程中熔滴形状的演变、熔滴内 部液态金属的流动机制及其速度场分布规律。研究表明，熔滴在形成、 长大及脱离焊丝端部的整个过程中，作用在熔滴上的力和熔滴的几何形 状是交互影响的，作用在熔滴上的力导致熔滴几何形状发生改变，熔滴 的几何形状的改变反过来又引起作用在熔滴上的体积力发生变化。研究 发现在基值电流期间表面张力作为主导力决定了熔滴的动态行为，在峰 值电流期间电磁力作为主导力决定了熔滴的动态行为，进而从理论上揭 示了g m a w - p 熔滴过渡行为与驱动力的内在关系。 基于所建立的二维g m a w - p 熔滴过渡动态数学模型，在焊接工艺参 数( 包括峰值电流和基值电流) 确定的条件下，分析了脉冲峰值时间对 摘要 熔滴过渡动态行为及熔滴过渡形式的影响，确定了实现一脉一滴且在脉 冲之后基值时间的熔滴过渡形式的理论脉冲参数，进而为焊接电源控制 系统提供脉冲参数支持，同时揭示了由于峰值时间短导致熔滴在基值时 间发生回弹、振荡进而形成多脉一滴熔滴过渡的力学因素，为今后进一 步利用此现象设计新型脉冲波形( 如阶梯式脉冲电流波形) 实现一脉一 滴的熔滴过渡形式提供新的研究途径。 论文构建了基于l a b v i e w 虚拟仪器和高速摄像的g m a w - p 熔滴过 渡多信息同步采集与分析系统平台。应用动态仿真所确定的脉冲焊接参 数作为理论指导，进行低碳钢焊接工艺实验。利用焊接熔滴过渡图像信 息及同步采集的焊接电参数，研究了脉冲参数对熔滴过渡形式的影响， 分析了不同脉冲参数对应的熔滴过渡形式的过渡过程。基于本文所建立 的系统平台为深入分析脉冲参数对熔滴过渡形式的影响提供了较好的实 验研究基础。研究结果表明，数值模拟得到的多脉一滴和一脉一滴熔滴 过渡形式与焊接实验对应的熔滴过渡形式的动态行为具有较好的一致 性，应用经焊接实验修正后的脉冲控制参数，能够得到一脉一滴且在脉 冲之后基值时问过渡的熔滴过渡形式。 关键词：气体保护熔化极脉冲电弧焊，弧焊电源一电弧系统，动态性能， 仿真，熔滴过渡，流场，数值模拟 r i a b s t r a c t s t u d yo nc o n t r o ls y s t e m0 fg m a w 二pa n d d y n a m i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f m e t a lt r a n s f e rp r o c e s s a b s t r a ( 玎 t h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tm e t a lt r a n s f e rp r o c e s s , a r cs t a b i l i t y , m o l t e np o o lf o r m , w e l da p p e a r a n c ea n dw e l d i n gq u a l i t yo f p l l l g a sm e t a la r cw e l d i n g ( g m a w - p ) i n c l u d e t h ed r o p l e tf o r m a t i o n , d r o p l e td i m e n s i o n , m e t a lt r a n s f e rf o r ma n dm e t a lt r a n s f e rs p e c i f i c i t y e r e m e t a lw a n s f e rp r o c e s so fg m a w - pi si n f l u e n c e db yc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fw e l d i n g p o w e rs o n n c e m o r e o v e r , d r o p l e tf o m m t i o n , d i m e n s i o n , a n dt r a n s f e rf o r mo f g m a w - pa r e i n f l u e n c e db yp u l s ew e l d i n gp a r a m e t e r s 8 0t h ec o n t r o lo fg m a w - pm e t a lt r a n s f e rp u t s f o r w a r dc o r r e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t sf o rt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co fp o w e rs o u r c e s i n c e l o n gt i m e t h em e t h o do ft r i a l - a n d - e r r o rc o m b i n e de n g i n e e rt e s l 妇ga u s e dt os t u d ya n d d e s i g nc o n t r o ls y s t e mo fg m a w - pw e l d i n gp o w e rs o u s ea n dt od e t e r m i n ep u l s e p a r a m e t e r s h o w e v e r , i tn e e dal a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t st od e t e r m i n ea p p r o p r i a t e c o n t r o lp a r a m e t e r sa n dp u l s ew e l d i n gp a r a m e t e r sf o re a c h k i n do fm a t e r i a l 。a tt h e m e a n t i m e ，e m p i r i c a la p p r o a c hi sv e r yt i m e - c o n s u m i n ga n dc o s t - c o n s u m i n g i nt h i sp a p e rag m a w - p w e l d i n gp o w e rs o u r c es y s t e mw a sd e s i g n e dw h i c hb a s e do n d s pd o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o la r c l l i t e c t u r eo f w e l d i n gp o w e r s o u r o cs y s t e m ，s i g n a lw a n s f e rp r o c e s sa n dp u l s ew e l d i n gc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c ，a d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo fg m a w - pp o w e rs o u r c e a r cs y s t e mw a se s t a b l i s h e db a s e d o ns - f u n c t i o no fm a t l a b s i m u l i n ke x t e n s i o nt 0 0 1 t h e no p t i m u md e s i g no ft h ep o w e r s o n r o ec o n t r o l l e rp a r a m e t e r sw a sr e a l i z e da f t e ras e r i e so fs i m u l a t i o ns t u d yw i t ht h i s r 海变通人掌饵十掌位沦文 s i m u l a t i o nm o d e l t h er e s u l t so f s i m u l a t i o nw e r ew e l li nc o n s i s t e n tw i t ht h o s eo f w e l d i n g e x p e r i m e n t s m o r e o v e r , t h ec o n t r o ls y s t e md i s p l a y e dg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ， a n t i - d i s t o r b a n c ec a p a b i l i t ya n ds t e a d yp r e c i s i o n t h e r e f o r e ，t h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l e s t a b l i s h e di nt l ，i sp a p e rh a sd e v e l o p e dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt e c h n i q u eo fg m a w - p w e l d i n gp o w e rs o u r c e 8 1 s y s t e m , d i s c l o s o c lt h ei n h e r i tr e l a t i o n s h i po f d y n a m i cp a r a m e t e r s ， r e a l i z e dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，a n dv e r i f i e dc e n t r o la l g o r i t h ma n dc o n t r o l s t r a t e g i e s ，i ta l s op r o v i d e dan o w - s o l v i n gm e t h o df o rs t n t c t u r ed e s i g n , d e b u g g i n ga n d a d v a n c e dd i g i t a lc o n t r o la l g o r i t h ms t u d yo f r e a lw e l d i n gp o w e rs o u r c ec o n t r o ls y s t e m f u r t b e r l n o r e , a c c o r d i n gt ot h em a g n e t oh y d r o d y n a m i c ( m h d ) t h e o r y , at r a n s i e n t t w o d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i cm o d e lo fg m a w - pm e t a lt r a n s f e rw a se s t a b l i s h e db a s e do n c o n t i n u i t ye x l u a d o na n dm o m e n t u me q u a t i o n t h em o t i o no f f l e es u r f a c ew a st r a c k e db y v o f ( f r a c t i o n a lv o l u m eo ff l u i d ) m e t h o da n ds u r f a c et e n s i o nw a l lc a l c u l a t e db yc s f ( c o n t i n u u ms u r f a c ef o r e * ) m e t h n d p l a s m ad r a gf o r c ea c t i n go nt h ed r o p l e tw a s a d d e dt o t h em o d e la sv o l u m ef o r c e b a s e do nt h i sm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f g m a w - pm e t a l t r a n s f e rp r o c e s sw a sr e a l i z e d , w i t ht h i sm o d e ld r o p l e tp r o f i l ee v o l u t i o n , i n n e rl i q u i dm e t a l f l o w i n gm e c h a n i s ma n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t yd u r i n gt h ep r o c e s so f t h ed r o p l e t f o r m a t i o n , g r o w i n ga n dd e t a c h m e n tf r o mw i r et i pw o r oa n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a tf o r c e so nd r o p l e ta n dd r o p l e tp r o f i l ea r ci n t e r a c t e dw i t he a c ho t h e rd u r i n gt h e w h o l et r a n s f e rp r o c e s s o no n eh a n d , t h ef o r c e so nt h ed r o p l e tl e a dt ov a r i a t i o no ft h e d r o p l e tp r o f i l e ；o nt h eo t h e rh a n d , v a r i a t i o no fd r o p l e tp r o f i l el e a d st ot h ec h a n g eo f b o d y f o r c e t h es i m u l a t i o ns t u d ys h o w e dt h a td u r i n gt h eb a s ec u r r e n tt i m et h es u r f a c et e n s i o n a c t e da sp r i m a r yf o r c eo nt h ed r o p l e td y n a m i cb e h a v i o rw h i l et h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e d o m i n a t e dt h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h ed r o p l e td u r i n gp e a kc u r r e n tt i m e , w h i c h d i s c l o s u r e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb e h a v i o ro f m e t a lt r a n s f e ra n dd r i v i n gf o r c e s b yt h i st w o - d i m e n s i o n a ld y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e lo f g m a w - pm e t a lt m n s f e r , t h e i n f l u e n c eo fp e a kd u r a t i o no nm e t a lt r a n s f e rf o r ma n dm e t a lt r a n s f e rb e h a v i o rw a s a n a l y z e du n d e rt h eg i v e nw e l d i n gp a r a m e t e r si n c l u d i n gp e a kc u r r e n ta n db a s ec u r r e n l t h e o r e t i c a lp u l s ep a r a m e t e r sf o rb a s ed u r a t i o nt r a n s f e rf o r mo fo p o d ( o n ep u l s eo n e d r o p l e t ) w e r ea l s od e t e r m i n e d ，w h i c ha c t sa sp a r a m e t e r sr e f e r e n c ef o rw e l d i n gp o w e r v a b s ，r a c j s o u r c ec o n t r o ls y s t e m t h er e a lr e a s o nm e c h a n i c a lf o rf o r m i n gm p o d ( m u l t i p l ep u l s e s o d ed r o p l e t ) i nt h ec a s eo fs h o r tp e a kd u r a t i o nw h i c hr e s u l t e di nr e b o u n da n do s c i l l a t i o no f t h ed r o p l e ti nt h eb a s e d u r a t i o nw a sm e a n w h i l ed i s c l o s e d h e n c e ，i ts u p p l i e dan e w r e s e a r c ha p p r o a c hf o rf u r t h e rp u l s ew a v e f o r md e s i g n i n g ( s u c ha sc a s c a d ep u l s ec u r r a n t w a v e f o r m ) t or e a l i z eo p o di r a n s f e rf o r mu t i l z n gt h i sp h e n o m e n a o t h e r w i s e ，i nt h ep a p e ras y n c h r o n i z i n gm u l t i - d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i sp l a t f o r m f o rg m a 、n pm e t a lh - a n s f e r , w h i c hb a s e do nv i r t u a lh u ；u m n e n to fl a b v i e wa n dh i 【g h s p e e dp h o t o g r a p hw a sc o n s t m c t o d 1 1 1 ep u l s ep a r a m e t e r sw h i c hw c i ed e t e r m i n e db y n u m e r i c a ld y n a m i cs i m u l a t i o nw c r eu s e dt oi n s t r u c tw e l d i n ge x p e r i m e n t s u s i n gm e t a l i r a n s f e rp h o t o g r a p h sa n ds y n c h r o n i z e dw e l d i n ge l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa c q u i r e db yn l i s p l a t f o r m , t h ei n f l u e n c eo fp u l s ew e l d i n gp a r a m e t e r so nm e t a lt r a n s f e rf o r mw a ss t u d i e d ， a n dt h em e t a lt r a n s f e rp r o c e s sc o r r e s p o n d e dt od i f f e r e n tp u l s ep a r a m e t e r sw a sa l s o a n a l y z e d n 屺p l a t f o r me s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rp r o v i d e dg o o ds u p p o r tf o rs t u d y i n gt h e i n f l u e n c eo f p u l s ep a t m n e t e r so nm e t a lt r a n s f e rf o r m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i c b e h a v i o ro fm p o da n do p o dt r a n s f e rf o r mo b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ei n g o o dc o n s i s t e n tw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gt r a n s f e rf o r mi ne m p i r i c a lw e l d i n ge x p e r i m e n t s m o r e o v e r , i tc o u l db ea c h i e v e dt h a tb a s ed u r a t i o ni r a n s f c rf o r mo fo p o du s i i t gp u l s e c o n 缸o l l i n gp a r a m e t e r sc o r r e c t e db yw e l d i n ge x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：g m a w - p , w e l d i n gp o w e rs o u r c e a r cs y s t e m ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e , s i m u l a t i o n , f l o wf i e l d ，m e t a lt r a n s f e r , n u m e r i c a la n a l y s i s v 1 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 幕政 日期：& 。o ) 年雪月日 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权上海交通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、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：宋政 日期：立- o 。疋f3 月p 日 指导教师签名：灭缸卢j 日期：跏- ) 年，月上，日 | 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 气体保护熔化极电弧焊( g 1 州) 具有生产率高、焊接质量好、生产成本低、 易于实现自动化等优点，在中、薄板焊接和全位置焊接中有着广泛的应用，是目前 工业中应用最为广泛的焊接方法之一。 实现g m a w 焊接电弧、熔滴及焊缝成形精确控制，是g m a w 焊接过程自动化 及智能化控制研究的重要发展趋判。g m a w 焊接过程涉及到电弧物理、传热学、 材料冶金学、电磁学、力学等诸多因素，涉及到电场、热场、磁场、流场的交互作 用，是一种复杂的工艺过程。在这些场中，熔滴受到电磁力、表面张力、等离子流 力、重力、金属蒸发反作用力等多种力的作用，这些力的综合作用决定了熔滴的过 渡行为。熔滴的形成、熔滴尺寸、熔滴过渡形式等影响g m a w 焊接工艺性能，影响 焊接电弧的稳定性、熔池形态、焊缝成形和焊接质型2 h 1 4 1 ，这是因为：( 1 ) 熔滴的 形状和尺寸影响电弧的形态和比热流分布，而电弧形态和比热流分布影响电弧的温 度分布、导电机构及阳极区域的收缩程度、工件的热量分布及熔池形态，从而影响 焊缝成形及与焊缝成形有关的焊接缺陷、焊缝区域的应力和焊缝的承载能力等焊接 质量问题：( 2 ) 熔滴的尺寸及其过渡形式对焊接工艺的适用范围有重要影响。包括 对空间位置焊接的适应性、某一直径焊丝的稳定的焊接规范参数范围等；( 3 ) 熔滴 形态和尺寸及过渡的均匀性影响焊接飞溅的大小，这不仅关系到焊缝和工件的表面 状态，而且还因增加清理工时而降低生产效率。 稳定可控的熔滴过渡是实现g m a w 焊接过程精确控制的基础。鉴于熔滴过渡对 焊接过程的稳定性、焊缝成形以及提高焊接工艺性能和焊接质量有着十分重要的影 响，g m a w 熔滴过渡一直是国内外众多学者和焊接工程技术人员所瞩目的领域之一 和研究热点，并进行了大量的研究与探索工作1 5 】【1 3 1 1 2 0 1 - 2 。g m a w 熔滴过渡形式与焊 接电流，焊接电压，送丝速度、保护气体成分及流量、焊丝成分，焊丝直径及焊丝 干伸长度等参数有关，其熔滴过渡形式主要有短路过渡、滴状过渡、喷射过渡( t g r 海交通大学博i - 学位论文 括射滴过渡、射流过渡和旋转射流过渡) 等几种形式。文献f ”h 1 8 】研究表明，射滴过 渡焊接过程电弧稳定、焊缝成形好、产生的烟雾及飞溅少、熔滴尺寸适中，被认为 是g m a w 焊接最理想的过渡形式。若采用连续电流焊接，射滴过渡仅存在于一个很 窄的临界电流区间【1 5 1 i t 9 1 1 2 2 1 ，并受到多种焊接条件的影响，对于直径1 2m m 钢焊丝， 整个区间只有2 0a 左右。而且连续电流焊接其热输入的调节量受到临界电流及相匹 配的电弧电压限制，所以连续电流射滴过渡的应用受到了限制，无法用来焊接薄板 和热输入敏感性金属材料。为了克服这一局限性，在上个世纪六十年代发展了气体 保护熔化极脉冲电弧焊( g m a w - p ) 这一新型控制模式 2 8 1 。g m a w - p 拓宽了连续电 流g m a w 焊的焊接电流调节范围。g m a w - p 在脉冲电流控制下其熔滴过渡具有可 控特性，在很宽的焊接电流区间均可获得稳定的射滴过渡。g m a w - p 具有熔滴过渡 轴向性好，焊接过程基本无飞溅，焊缝成形美观，焊接变形小，适用于全位置焊接 等一系列优点，能够对焊件的热输入量进行有效调节和精确的控制，既可以焊接薄 板也可以焊接厚板，还可以焊接对热输入敏感的金属材料。g m a w - p 在西方主要工 业国家得到了广泛的应用1 2 9 h 3 4 1 。 g m a w - p 熔滴过渡过程在合适的电弧电压范围内主要受电弧电流的控制特性的 影响，因此g m a w - p 熔滴过渡控制对焊接电源的动态输出特性提出了相应的要求。 长期以来，g m a w - p 焊接电源系统的设计主要采用经验加试验的方法，对于某一种 焊接材料及设计一种新型控制方法时，通常又需要进行大量的实验以确定合适的控 制参数，其研究周期长、实验成本亦高。 g m a w - p 是通过脉冲电流控制熔滴过渡，根据脉冲电流等参数的不同，其熔滴 过程形式主要有：一个脉冲电流周期过渡多个熔滴即一脉多滴、一个脉冲电流周期 过渡一个熔滴即一脉一滴、多个脉冲电流周期过渡一个熔滴即多脉一滴等三种过渡 形式。脉冲电流等脉冲参数以及焊接参数决定了熔滴过渡的形式及特点，而熔滴过 渡过程的稳定性又影响焊接过程的稳定性。在焊接工艺确定的条件下，通过合适的 脉冲参数可以获得一脉一滴的最佳熔滴过渡形式p 5 h 4 2 g m a w - p 主要脉冲参数有： 基值电流厶，基值时间毛，峰值电流，峰值时间。对于这些复杂的脉冲控制参 数，在一定焊接工艺条件( 母材及焊丝化学成分、焊丝直径、保护气体种类及流量， 焊接参数等) 下存在一个优化的参数组合。对于每种焊接工艺，如何确定优化参数 2 第一覃绪论 组合以获得稳定的熔滴过渡形式具有较大的困难9 1 1 4 3 h 5 2 j 。目前，实现g m a w - p 一脉 一滴熔滴过渡形式的脉冲参数通常是通过大量实验来确定，然而这些实验往往要消 耗大量的人力、物力，周期时间长，且其结果通常局限在所研究的工艺参数范围内， 当母材、焊丝的材料及直径发生变化时，还要进行重复实验。 现代计算机仿真技术的发展为g m a w - p 电源动态输出特性的优化设计提供了一 种科学手段。通过建立g m a w - p 焊接电源一电弧系统动态数学模型对焊接电源控制 系统进行仿真研究，进而用于指导焊接电源控制系统及其控制参数优化设计，研究 控制算法及控制策略等。在此基础上，通过建立g m a w - p 熔滴过渡动态数学模型对 熔滴过渡的动态行为及脉冲参数对熔滴过渡形式的影响进行研究，为焊接电源控制 系统提供脉冲参数支持。 1 2g m a w p 焊接电源一电弧系统仿真研究现状 计算机仿真技术建立在现代仿真技术及计算机技术基础之上，通过建立系统的 数学模型，以计算机数值计算为手段，对系统进行仿真研究f 5 3 l 。近年来，电路分析 和设计的方法由于采用计算机仿真技术而得到飞速发展。在电力电子电路的设计中， 计算机仿真技术主要用于设计方案的验证、系统性能的预测、优化元件参数，新产 品潜在问题的早期发觉诊断以及解决问题方法的评价等【州。 作为一门新兴的学科，计算机仿真技术在焊接学科中的应用时问相对较短，但 自从焊接技术人员把计算机仿真技术引入到焊接电源研究领域，对焊接电源电路结 构的设计、控制系统结构及其控制参数的优化设计等发挥出了巨大的作用，大大降 低了设计成本，缩短了设计周期，提高了产品的可靠性，具有很大的发展潜力5 5 h 删。 由于c m a w p 焊接电源一电弧系统是一个大功率电源一电弧负载构成的系统，其中 有强电变流系统。也有弱电控制系统，电弧具有非线性、时变性的特性，运行过程 中存在较多干扰因素( 弧长干扰、送丝速度干扰、网压干扰等) ，因此很难建立精 确的数学模型。对g m a w - p 焊接电源一电弧系统进行动态仿真研究首先需要解决如 何建立系统非线性数学模型的问题，其次需要选择算法可靠、稳定的仿真软件。 m a t l a b 是自动控制系统计算机辅助设计的功能强大的软件，它支持连续、离散或 者两者混合的线性或非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统，因此 p 海交通大学博t 学位论文 m a t l a b s i m u l i n k 可以作为一种有效的工具实现对g m a w 焊接电源一电弧系统动 态过程进行建模和仿真研究【5 9 h 6 5 1 1 6 9 1 【7 引。 从国内外现有文献检索可以看出，目前对于g m a w - p 焊接电源一电弧系统建模 研究较少，处于初步发展阶段。文献 6 9 】针对g m a w - p 系统的特点，应用m a t l a b 软件分别建立了g m a w p 电弧负载模型、弧长变化的仿真模型、电弧自身调节作用 模型、逆变器的仿真模型和占空比控制环节模型，在此基础上对g m a w - p 系统动态 过程进行了仿真与实验研究，仿真结果与试验结果基本是一致的，为定量分析 g m a w - p 弧焊系统的动态过程提供一个成功范例。 文献【7 0 】- 【7 2 】研究了在m a t l a b 、s i m u l i n k 环境下数字控制逆变g m a w - p 焊接电源 系统的基于“功率变换器一数字控制系统一动态电弧负载”的仿真模型，并以受控 电流源的方式实现动态电弧负载模型与系统模型的连接，在此基础上对数字控制脉 冲焊的研究工作中所遇到的控制问题进行仿真研究，分析了系统的动态过程和控制 器的参数选择规律等。作者通过仿真和实验结果对比进一步证明了所建立的系统仿 真模型能够较为真实的模拟实际系统的动态过程。对研究弧焊逆变电源的动态过程 具有一定的参考价值。 上述研究工作取得了初步成果，然而所建立的模型均是简化模型，模型中以固 定频率和幅值的脉冲信号作为峰值电流、峰值时间、基值电流及基值时间的给定信 号，在控制系统运行过程中上述参数是固定不变的，不能实现动态调节。同时，对 于g m a w - p ，为了保证焊接过程稳定，需要根据焊接负载电压的动态变化对弧长加 以控制，即需要对焊接电压进行闭环反馈控制，动态调节焊丝熔化速度。达到稳定 弧长的目的，而上述研究所建立的仿真模型没有考虑对焊接负载电压的控制，与实 际焊接过程仍有很大差别，因此具有一定的局限性。 g m a w p 焊接过程稳定性的重要内容是电弧稳定性、熔滴过渡稳定性、弧长稳 定性。电弧稳定性及熔滴过渡稳定性主要取决于焊接电流的过程控制，弧长稳定性 主要取决于焊接电压( 电弧电压与焊丝干伸长压降) 的过程控制。由于g m a w - p 焊 接焊接电源一电弧系统自身的特点。此前的有关仿真模型和实际的g m a w - p 焊接电 源一电弧系统存在一定的差距，仿真模型应用存在一定的局限性，需要作进一步探 索研究工作。 4 第一章绪论 1 3g m a w 熔滴过渡理论研究现状 数值分析结果的准确性，首先取决于所描述物理问题的数学模型的准确性。熔 滴过渡数学模型是建立在一定的熔滴过渡理论之上，因此熔滴过渡的理论是进行熔 滴过渡模拟的基础【7 3 1 g m a w 熔滴过渡的理论研究分为宏观研究和微观研究两大范畴，前者是对液态 熔滴从力学、能量、热传递等角度的研究，后者则从液态金属中质点运动、流场分 布的角度的研刭7 4 1 。针对g m a w 熔滴过渡理论分析及数值模拟研究起步较早，前 期主要立足于分析熔滴的形状，探索熔滴从焊丝端部分离的机理。随着计算机技术、 有限元技术以及电磁流体理论的发展。关于熔滴的数值模拟也有了长足的发展，不 仅成功地发展了熔滴的时变动态模型，而且模型涵盖的变量愈来愈多，对熔滴内部 压力分布、液态金属流动的速度、方向的分析亦越来越细致【2 l 。 目前用于描述熔滴过渡的理论主要包括：静力平衡理论、收缩不平衡理论、“质 量一弹簧”理论、能量最小原理、流体动力学理论。 1 3 1 静力平衡理论 1 9 6 2 年，a n l s o nj c 等提出了g m a w 熔滴过渡的静力平衡理论( s t a t i cf o r c e b a l a n c et h e o r y ) 7 卯，l a n c a s t e rj f 进一步论证了该理论【7 6 l 。静力平衡理论【5 1 1 2 2 1 1 2 4 1 1 4 1 1 1 7 5 1 1 7 6 1 是基于作用在熔滴上力的平衡的基础上考虑的，该理论认为当作用在熔滴上的静态 分离力大于静态保持力时，熔滴从焊丝端部脱离。熔滴在脱离焊丝前受到表面张力、 重力、等离子流力和电流流过液态熔滴所产生的电磁力的作用。 液态熔滴自身的表面张力为保持力，液态熔滴受到的重力及等离子流力作为分 离力。电磁力可以是促进熔滴过渡的力，也可以是阻碍熔滴过渡的力，该力的大小 取决于电流的大小及熔滴的形态。如果熔滴中的电流线是发散的，则电磁力为分离 力，促进熔滴过渡；如果电流线是收敛的，则电磁力为保持力，阻碍熔滴过渡。电 磁力遵循l o r c n t z 定律： e = j b( 1 一1 ) 式中：，为电流密度，占为磁感应强度。假定熔滴中的电流密度均匀一致，通过式( 1 - 1 ) 对熔滴导电表面积积分即可得到作用在熔滴上总的电磁力【2 4 】： l=丛l半_-1函i+正2丽咖上i+cosejl(1-2)47， “ l ，4 l c o s p 。( 1 一c o s 口) 2 式中：，为焊接电流，肋为磁导率，劝电弧的半锥角。 熔滴的表面张力r 是保持熔滴并阻碍熔滴过渡的主要作用力，可表示为： e = 幼 ( 1 - 3 ) 式中：，为表面张力系数，为焊丝的半径。 作用在熔滴的重力可由式( 1 - 4 ) 计算得到： 咯2 ；斌3 昭 ( 1 呦 式中：r 为熔滴半径，础熔滴的密度，g 为重力加速度。 熔滴所受到的等离子流力无可用下式表示： f p = c 婚( i - 5 ) 式中：c r d 为等离子流系数，4 为等离子流力的作用面积，毋为等离子流的密度，哆 为等离子流的速度。 w a z a i n kj h 【5 1 等及k i my s 【2 2 1 等通过实验进一步研究和验证了静力学平衡理 论。利用该理论计算不同电流下的熔滴尺寸，在小电流区闯计算结果与实验结果基 本相符，但电流在滴状过渡向射流过渡电流区间以上时，计算结果与实验测量得到 数据之间存在较大的偏差。静力学平衡理论没有考虑熔滴的几何形状因素并将其假 设为球体状，电磁力是在假设熔滴中的电流密度均匀一致的情况下计算得出的，且 只考虑了轴向力对熔滴过渡的影响，未考虑径向收缩力对熔滴脱离的影响及电流的 动态变化，因此其计算精度受到较大限制，同时，该理论也不能分析熔滴过渡的动 态过程及熔滴的速度场。 1 3 2 收缩不平衡理论 收缩不平衡理论1 7 】口7 】是由融l y l e i g l l 的液柱不平衡模型的基础上发展起来的。由于 6 球体的表面能量比圆柱体小，圆柱形液体波动的频率和波长存在一定的关系，当圆 柱状液态金属受到某一特定波长的干扰时，其表面发生波动，有分裂成若干个液滴 的倾向。液滴的大小取决于增长最快的干扰波长的值，电流经过液柱产生的收缩效 应增加t i l a y l v i g h 不稳定，这是因为在液柱的挤压部分电磁压力高而膨胀部分电磁压 力低的缘故。r a y l c i g h 通过假设一个简单的正弦干扰来推导液柱不稳定的条件。液柱 的扰动可以通过求解下面的指数函数形式： r 。( ，) = p 似 ( 1 6 ) 式中：如紊( 1 彳卅鼎，7 = 等，动液滴的密度，五为干扰波长，肺 为真空的磁导率，l 白) 为一阶精度的贝塞耳函数，l 白) 为l 白) 的一阶导数，为 表面张力系数，r 为液柱的起始半径，可用下式表示： r ：盟 2 其中：为焊丝半径，屹为熔滴的半径。 临界扰动波长可近似由式( 1 - 8 ) 计算得到： 丸= ( 1 7 ) ( 1 8 ) 由式( i - 8 ) 可知，当电流增大时，临界扰动波长减小，液柱稳定性减弱，熔滴 的体积减小，