（机械设计及理论专业论文）铝合金双脉冲工艺及控制方法研究.pdf

摘要 摘要 当前，新材料的应用，铝合金焊接的增多，为满足焊接铝合金的更高质量要 求而产生的新工艺等都对焊接设备提出了更高的要求。双脉冲铝合金气体保护焊 有如下突出特点：焊铝能获得美观的鱼鳞状焊缝外观；由于电弧形态( 包括 弧长) 的周期性变化，扰动熔池，细化焊缝晶粒。焊铝时能够减小裂纹的产生机 率，同时减小焊接气孔发生率。 对于铝合金双脉冲焊数字电源，从数字控制硬件及软件的角度存在如下问 题：1 ) 、数字焊接电源的应用环境恶劣，大多应用于的车间或野外，各种高频 信号的严重干扰很容易导致微机控制的焊接电源发生故障。如果采用资源独占式 的单一进程进行软件控制，则不仅程序设计复杂而且可靠性不高，很容易因为某 一环节的问题而导致整个进程终止，系统瘫痪。2 ) 、现代控制算法通过协同电 流、电压、时间的方式来控制焊接电源的能量，具体表现为输出波形的数字化。 但是传统的前台后台程序开发机制不能满足日益复杂应用，只有应用实时操作 系统( r t o s ) 才能满足数字电源的开发。 针对当前脉冲焊设备存在的上述问题，把控制面板、送丝机、遥控器等子系 统作为一个相对独立的单元，由单独的m c u 进行管理是一种较好的解决方案。 数字弧焊电源系统以d s p 单元为核心，通过r s 4 8 5 总线与控制面板、送丝机、 遥控器等组成基本的焊接电源系统。通过实时操作系统将整个系统的数字控制算 法融合在一起，将脉冲波形控制模块、外特性控制系统的模块、焊接参数数据库 软件三个部分融合为一个整体。 通过高速摄像观察，结合脉冲电流电压波形，分析了铝合金脉冲焊熔滴过渡 的特征。分析了电弧形态以及熔滴形态等因素对铝合金双脉冲飞溅的影响。铝合 金在熔滴过渡时，铝合金脉冲焊不同电弧行为，对熔滴过渡有较大的影响。峰值 期间易发生飞溅现象，峰值电流通过熔滴细颈时，导致细颈爆断是产生飞溅的重 要原因。在基值过渡时期，过渡过程平稳，基本无飞溅，因此基值电流期间过渡 是我们期望的熔滴过渡形式。 分析了工艺参数对飞溅发生概率影响：改变峰值时间对熔滴过渡时刻有较大 影响，当峰值时间较长时，熔滴在脉冲峰值期间过渡，峰值电流较大，爆破力也 较大，易造成较大飞溅。基值期间铝焊丝也有熔化，基值时间过长会造成熔滴体 积过大和缩颈较长，从而导致峰值期间过渡而产生飞溅。应注意配置基值电流参 数。并采取措施避免弧压调整过程中基值时间变化导致的飞溅。研究了双脉冲焊 接工艺的特点及熔滴过渡时的特点，得出双脉冲由弱到强时过大的熔滴体积是飞 溅产生的主要原因。控制双脉冲飞溅的主要手段有两个：1 ) 根据双脉冲铝合金工 北京工业大学工学博士学位论文 艺提出对脉冲基值能量精确控制方法；2 ) 根据铝合金脉冲焊电弧特点和熔滴过渡 特点设计双脉冲波形和选择脉冲参数。 根据脉冲焊参数的时间特点，将其分为四级。通过对脉冲焊四级工艺参数的 分析，我们可以了解，目前研究的注意力主要集中在动态参数和实时参数以及平 均参数身上，对外特性参数研究和控制较少。在双脉冲焊接工艺中，由于强弱脉 冲导致的弧长剧烈变化，在切换过程中，基值时间变化较大，容易产生飞溅。 本文提出采用变外特性斜率控制实现脉冲电源外特性的控制。外特性控制是 对平均电流和平均电压根据外特性斜率设定进行控制。其控制原理是：当系统出 现平均电流变化时，立即将其测量出来，通过外特性控制器，根据平均电流变化 的大小和外特性斜率设定值来改变电压设定值，以达到外特性控制的目的。 通过此种方式，弧长调节速度可以被方便的控制，其值可以由斜率k 进行调 节，使得弧长调节速度可以根据电流区间的变化而变化，使焊接过程可以在最理 想弧压调节速度下进行，焊接过程稳定，并进一步减小飞溅的产生。 通过试验得到了经过优化的1 2 m m 铝合金全规范区间工艺参数，试验证明， 焊缝表面均匀致密，工件表面基本上无飞溅，熔宽均匀一致，焊缝成形良好。根 据双脉冲参数特点，建立焊接全规范区间参数库，实现对全电流工艺区间脉冲参 数的精确控制。试验结果证明，利用全规范区间参数库，能在7 0 a - 2 0 0 a 的电流 工艺区间取得良好的焊接结果。 关键词铝合金双脉冲工艺；实时嵌入式系统；熔滴过渡控制；双脉冲飞溅控 制；外特性控制 a b s t r a c t o w i n g t oa p p l i c a t i o n so f n e wm a t e r i a l sa n dt h ei n c r e m e n to f a l u m i n u mw e l d i n g ， n e wt e c h n i c sw h i c ha r ep r o d u c e df o rs a t i s f i e dh i g i iq u a l i t yr e q u i r e m e n to fa l u m i n u m w e l d i n gh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n tt ot h ew e l d i n gm a c h i n e d o u b l ep m i gw e l d i n gh a s s o m eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e r ：p e r f e c ts c a l ep e r f o r m a n c eo fw e l d i n gl i n ec a l lb e o b t a i n e d ；mw e l d i n gp o o li sm i x e dr o u n da n dc r i t i c a lo fw e l d i n gl i n ew e r e m i n i a t u r i z e dd u et ot h ep e r i o d i c a lv a r i e t yo fa r em o d a l i t y ( i n c l u d i n gt h ea r cl e n g t h ) t h eo c c u r r e n c eo f f l a wa n dp o r ec a nb em i n i m i z e dd u r i n ga l u m i n u mw e l d i n g t h e r ea r es o m ep r o b l e m sw h i c ha r ec o n s i d e r e df r o ma l la s p e c t so f d i g i t a lc o n t r o l i nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rd o u b l ep m i gw e l d i n gm a c h i n e ：1 ) t h ea p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n to f d i g i t a lw e l d i n gm a c h i n ei sb a d ，w h i c ha r el o c a t e dm o s t l yi nw o r k s h o p a n df i e l d ，t h ef a i l u r eo f w e l d i n gm a c h i n eb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ri sr e s u l t e de a s i l y f r o ma l lk i n d so fd i s t u r b a n c e so fh i g hf r e q u e n c ys i g n a l i ft h es o f t w a r ei sc o n t r o l l e d b yt h ew a yo f s i n g l et h r e a dw h i c h i sr e s o u r c e e x c l u s i v e ，t h ep r o g r a md e s i g nb e c o m e s c o m p l i c a t e da n dl o wr e l i a b l e ，s ot h ew h o l et h r e a dc a nb et e r m i n a t e da n ds y s t e mc a n b ep a r a l y z e de a s i l yb e c a u s eo fs o m ed e t a i lp r o b l e m s 2 11 1 地e n e r g yp r o v i d e db y w e l d i n gm a c h i n ec a nb ec o n t r o l l e db ys y n c h r o n i z i n gc u r r e n t ，v o l t a g ea n dt i m eu s i n g m o d e mc o n t r o la r i t h m e t i c ，w h i c hr e p r e s e n t st h ed i g i t a lw a v e f o r mo u t p u t b u tt h e t r a d i t i o n a lf o r e g r o u n d b a c k g r o u n dp r o g r a me x p l o i t u r ec a nn o tb es a t i s f i e dw i t h c o m p l i c a t e da p p l i c a t i o n s ，c o n s e q u e n t l yt h eo n l yt h i n gt h a tc o u l ds a t i s f yt h en e e do f d e v e l o p m e n to f d i g i t a lw e l d i n gm a c h i n ei sr t o s c o n s i d e r i n g a l la b o v ep r o b l e m st h a te x i s ti nc u r r e n tp m i g w e l d i n gm a c h i n e s ，i t i sag o o ds o l u t i o nt os e p a r a t et h es u b s y s t e mo f c o n t r o lp a n e l ，f e e d e r ，r e m o t ed e v i c e 龉ar e l a t i v ei n d e p e n d e n tu n i t ，a n dt a k ec h a r g eo ft h e s es u b s y s t e m sb yi n d i v i d u a l m c u n 圮u n i to f d s pi st h ek e r n e lo f d i g i t a la r cw e l d i n gm a c h i n e ，w h i c hc o n s i s t s o fr s 一4 8 5 ，c o n t r o lp a n e l ，f e e d e r ，r e m o t ed e v i c ea n ds oo n t h ed i g i t a lc o n t r o l a r i t h m e t i co f t h ew h o l es y s t e ma r ec o m b i n e dt o g e t h e r ，t h em o d u l eo f p u l s ew a v e f o r m c o n t r o l ，t h em o d u l eo fs t a t i cc h a r a c t e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h em o d u l eo fd a t a b a s e s o f t w a r eo f p a r a m e t e r sa r ea l s om e r g e dt o g e t h e r a c c o r d i n gt oo b s e r v eo fh i g hs p e e dc a r f l e r a ，c u r r e n ta n dv o t a g ew a v e f o r mo f p u l s e ，w ea n a l y s et h ed r c l p l e t st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fa l u m i n u ma l l o y d u r i n gt h e d r o p l e tt r a n s f e r ，t h e r ea r et w oa r cf o r m ：d e l i v e r y a r ef o r ma n dr e i g n i t r o na r c f o r m d i f f e r e n ta r cf o r mw i l lr e s u l ti nd i f f e r e n td r o p l e tt r a n s f e r d e l i v e r ya r cf o r mi s a w a y sh a p p e n e dd u r i n gt h ep u l s ec u r r e n tp e r i o d ，p u l s ec u r r e n tg ot h r o u g hd r o p l e t n e c kw i l ll e a de x p l o s i o no ft h en e c k i ti sm a i nr e a s o ul e a dt os p a r e r r e i g n i t r o na 1 c f o r ma l w a y sh a p p e ni nb a s ep u l s ep e r i o d t h e r ea r en os p a t t e rd u r i n gt h ed r o p l e t t r a n s f e r ，r e i g n i t r o na r cf o r mi so u re x p e c td r o p l e tt r a n s f e rf o r m a n a l y s et h er e l a t i o n s h i pa b o u tw e l d i n gp a r a m e t e r sa n ds p a r e r s ：p u l s ec u r r e n t t i m ea f f e c td r o p l e tt r a n s f e rh a p p e nt i m eg r e a t l y w h e np u l s ec u r r e n tt i m ei sl o n g ， d r o p l e tt r a n s f e r i n p u l s ec u f f e n tt i m ea n de x p l o s i o n f o r c ec o u r s eal o to f s p a t t e r d u r i n gt h eb a s ec u r r e n tp e r i o dw i r e si sm e l t e d l o n gb a s ec u r r e n tw i l lr e s u l ti n m o r ee n e r g y i tl e a di nb i g g e rd r o p l e ta n dl o n gn e c k w es h o u l dc o n f i gt h eb a s ec u r r e n t p a r a m e t e r s ，a n da v o i ds p a r e rc a u s e db yb a s et i m ec h a n g e d s of a s td u r i n gt h ev o l t a g e a d j u s t e d w es t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i cd o u b l ep m i ga n di t s d r o p l e tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c f r o mt h er e s u l tw ek n o wt h ep r o c e s so fd o u b l ep m i gf r o mw e e kp u l s e t os t r o n g ep u l s er e s u l ti nal o to fs p a t t e r s t h e r ea r et w om e a n st ol i m i tt h es p a r e ro f d o u b l ep m i g ：1 ) a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i ca l u m i n u mo fd o u b l ep m i gt h ep a p e r b r i n gf o r w a r dt h em e a n st oc o n t r o lt h eb a s ep e r i o de n e r g y ；2 ) d e s i g nt h ed o u b l ep u l s e w a v e f o r ma n dp i c kt h ep a r a m e t e r sa c o r d i n gt oa r ca n dd r o p l e tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c o f a l u m i n u ma l l o y i tc a nb ed i v i d e di n t of o u rg r a d e sa c c o r d i n gt ot h et i m ec h a r a c t e r i s t i co fp m i g w e l d i n gp a r a m e t e r w ec a nk n o w ，o w i n gt oa n a l y s e so ff o u rg r a d e st e c h n i c s p a r a m e t e ro fp u l s ew e l d i n g ，t h a tc u r r e n t r e s e a r c h e sm a i n l yf o c u so nd y n a m i c p a r a m e t e r s ， r e a lt i m ep a r a m e t e r sa n da v e r a g ep a r a m e t e r s ，b u tt h er e s e a r c ha n d c o n t r o lo ns t a t i cc h a r a c t e ra r er e l a t i v e l yl e s s d u r i n gd o u b l ep u l s ew e l d i n gt e c h n i c s ， t h ev i o l e n tv a r i e t yo f a r cl e n g t hr e s u l t e df r o ms t r e n g t ha n dw e a kp u l s e ，h a v es e r i o u s i n f l u e n c eo nt h es t a b i l i z a t i o no fa r cl e n g t h c o n s e q u e n t l ya tt h es a m et i m eo f g u a r a n t e e i n gt h a tt h ea r cv o l t a g ei su n d e rc o n t r o l ，i ti sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c h s u b j e c tt h a tn e td i f f e r e n c eo fa r cv o l t a g ew h i c hi sm a d eb ya r cd i s t u r b a n c es h o u l db e c o m p e n s a t e d t h i sp a p e rp r e s e n t st h a tt h es t a t i cc h a r a c t e ro fp u l s ew e l d i n gm a c h i n ec o u l db e c a r r i e do u tb ys l o p ec o n t r o l l i n go fv a r i a b l es t a t i cc h a r a c t e r t h es t a t i cc h a r a c t e ri s c o n t r o l l e db yt h ev a r i e t yo f d i s t u r b a n c e t h ec o n t r o lp r i n c i p l ei st h a tt h ed i s t u r b a n c ei s m e a s u r e di m m e d i a t e l ya ss o o na st h es y s t e mi sd i s t u r b e d ，a n dt h ec o n t r o l l e dv a r i a b l e i sc h a n g e da c c o r d i n gt ot h ed i s t u r b a n c eb yt h e a r cv o l t a g es e l f - o p t i m i z a t i o no f c o n t r o l l e r ，s ot h ei n f l u e n c eo f c o n t r o l l e dv a i l a b l ec a nb ec o u n t e r a c t e da n dm i n i m i z e d i ta l s oc o u l db es a i dt h a tt h ec o o r d i n a t ep o i mi sd e c i d e db yt h es e t t i n go fw e l d i n g c u r r e n ta n da r ev o l t a g e ，a n dt h ed r o o p yc h a r a c t e ro f i 乜s e t t i n gt e n d e n c yi sd e f i n e db y t h es t a t i cc h a r a c t e ro f p u l s e i v a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，a r cl e n g t hc a nb ec o n t r o le a s i l y a n di no r d e rt ok e e p t h ea r cl e n g t hi nt h ep r e s e t t i n gr a n g e ，t h es l o p ea n d a n t e r c e p tc a nb em o d i f yt oa d j u s t i t i tm o r es u i t a b l et h ed o u b l e - p u l s e dw e l d i n gt e c h n i c sw h i c ha r cl e n g t hc h a n g e g r e a t l y b e c a u s et e c h i c sc a nm a i n t a i nt h ea r cl e n g t hs t a b l yw h e nt h ea r cl e n g t hd i s t u r b o c c u r r e d ，8 0i tc a nt a k et h es p r a yt r a n s m i tu n d e rt h ei d e a la v e r a g ec u r r e n t ， s t a b i l i z e t h ew e l d i n g p r o c e s sa n d t h ep e n e r t r a t i o n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，i tc a no b t a i nt h ee n t i r es t a n d a r ds e c t o rc r a f tp a r a m e t e r o f1 2 m mo p t i m i z e da l u m i n u ma l l o y t h ee x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a t ，w e l df a c e e v e nc o m p a c t ，t h ew o r kp i e c es u r f a c ea h n o s td 0 懿n o th a v es p l a s h e s m e l tw i d t he v e n c o n s i s t e n ta n dt h ew e l d e dj o i n tf o r m i n gi s g o o d a c c o r d i n gt ot h ed o u b l ep u l s e p a r a m e t e rc h a r a c t e r i s t i c ，e s t a b l i s h e st h ee n t i r es t a n d a r ds e c t o rp a r a m e t e rs t o r e h o u s eo f w e l d s ，r e a l i z e st h ea c c u r a t ec o n t r o lt ot h ef u l lc u r r e n tc r a f ts e c t o rp u l s ep a r a m e t e r t h et e s tr e s u l th a sp r o v e dt h a t ，u s e st h ee n t i r es t a n d a r ds e c t o rp a r a m e t e rs t o r e h o u s e ， w h i c hc a no b t a i nt h eg o o dw e l d i n gr e s u l ti nt h e7 0 a - 2 0 0 ae l e c t r i cc u r r e n tc r a f t s e c t o r k e yw o r d s ：d o u b l ep m i go fa l u m i n u m ；r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ：c o n t r o lo f d r o p l e tt r a n s f e r ；s p a t t e rc o n t r o lo l d - p m i g ；s t a t i ec h a r a c t e ro f p o w e r v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所取得的 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人 已经发表或撰写过的研究成果，不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学 位和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贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：l 丑基日期：立幽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的谂文车解密后应遵守此规定) 签名： i ；j 獐导师签名：肖玉碰日期：垒21 墨15 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 熔化极气体保护焊是一种高质量、高效率的焊接工艺，随着半自动焊与自动 焊的推广应用，在各种焊接方法中占有越来越重要的地位。其中脉冲m i g m a g 焊除扩大了焊接规范区间外，还具有良好的环保效果。从全数字控制的角度对脉 冲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设备的工艺性能是 焊接领域中的重要研究方向。直流脉冲m i g 焊是一种焊接质量、焊接效率都很 高的方法，它与m i g 焊相比突出的优点表现为：焊接电流调节范围较宽，包括 短路过渡到喷射过渡的所有电流区域，既能焊接厚板，也能焊接薄板，焊接薄板 时与短路过渡比较有熔透性好、变形小、焊接效率高等特点；利用脉冲电流，在 低于m i g 焊连续电流喷射过渡的临界电流值的情况下，可实现射流过渡，因此 母材的热输入量低、焊接变形小，适用于全位置焊接；熔滴过渡过程可控性比较 强。因此，它在实际生产中受到重视，特别是对焊接质量和精度要求比较高的场 合更是如此，如机器人焊接。在西方各主要工业国的焊接生产中，脉冲m i g m a g 焊已经逐步取代手工焊和c 0 2 焊，应用范围越来越广泛。 随着科学技术的发展，轻质铝合金材料以其优良的物理和化学特性，在 产品中应用越来越多。由于铝合金具有高强度、韧性好、疲劳强度高，具有 良好的耐腐蚀性能以及在低温下能保持良好的机械性能，可以获得重量轻而强度 高的结构，与其它的轻质合金相比具有良好的成形工艺和良好的焊接性， 在航天航空工业、高速列车、地铁车辆、汽车、石油、化工、船舶、海洋工程等 领域得到了广泛的应用。以往国内有关脉冲焊的研究和应用都是针对钢，随着铝 的广泛应用直到最近几年我国才深入进行铝合金脉冲焊的相关研究和应用，同时 涌现出了一些如铝合金双脉冲焊的新工艺。 由于铝的独特工艺性能，在焊接应用中依然存在着一些问题，为了获得好的 焊接质量，需要对脉冲m i g 焊焊铝的工艺特点进行深入研究。很多应用性的文 章指导擅长焊钢的焊工如何焊铝，但很少有研究致力于解释g m a w 焊钢和焊铝 的不同。根据其提出的g m a w 铝焊丝熔化模型和其它学者之前公开发表的钢焊 丝的熔化模型，对铝和钢的g m a w 工艺现象进行了比较。与钢相比，铝导热性 好，这就导致了钢和铝对电流、送丝速度等变化的工艺敏感性不同。尤其是薄板 铝焊，焊接平均电流较小，一般相应的基值电流也较小，基值期间控制电流很稳 定，才能保证电弧稳定不易熄弧，峰值期间电流稳定，保证不烧穿铝板，同时一 旦焊矩高度等发生交化要求调节要及时、恢复过程要稳定。本文在铝脉冲焊设备 的数字控制系统设计中就对这些都有设计考虑，通过提高对脉冲电流波形和电弧 的控制水平，来获得稳定的自动焊过程和更好的工艺效果。 铝合金双脉冲焊是近些年才出现的一种新的焊接工艺方法，双脉冲焊方法有 如下突出特点：焊铝能获得美观的鱼鳞状焊缝外观；由于电弧形态( 包括弧 长) 的周期性变化，扰动熔池，细化焊缝晶粒。焊铝时能够减小裂纹的产生机率， 同时减小焊接气孔发生率。 但是，由于焊接设备、工艺参数匹配都很复杂，目前世界上仅有少数几家公 司掌握此项技术，对于这种方法的一些焊接工艺和机理还未得到充分的研究。研 究铝合金双脉冲焊m i g 焊接技术，更有效地控制焊接电流、电压输出和熔滴过 渡过程，提高焊接过程的稳定性和焊接速度，对于提高焊接产品的质量和焊接效 率都具有重要的意义。 1 2 铝合金脉冲焊研究进展 1 2 1 脉冲电源平台研究进展 模拟控制是目前弧焊电源中应用最为普遍的控制方式【l 】【2 】。技术上已经十分 成熟，但是它也存在着缺乏灵活性、参数调节困难等缺点。在模拟控制的焊接电 源上，要想实现多功能，其控制电路就会变得十分复杂，而且模拟控制也不利于 实现智能化控制。 单片机具有较强的事件处理能力，中断、v o 资源丰富，国内经过近2 0 年的 开发应用，中文资料比较多，开发的软、硬件条件比较好。单片机系统控制部分 由电压、电流采样环节、给定环节、p l 控制器、p w m 信号产生等组成【3 l i 4 l 5 1 。 但是它的数据处理能力较弱，往往在实时性、数据处理量大的系统应用中不能胜 任。而且单片机系统并没有完全实现逆变电源的闭环控制。如果以pi 控制器作 为系统的控制核心的话，单片机系统仅完成了参数给定的功能和程序管理功能。 单片机系统虽然可以在一元化控制、波形控制等方面发挥很好的作用，但是由于 受到处理能力的限制，系统的p i 控制运算和其它工艺控制运算过程较慢。这样 系统的灵活性就受到很大的限制。同时数据信号通讯能力也不能很好的发挥。 数字信号处理器( d s p ) 的出现，以其可高速运算处理和大的实时处理信号 带宽，为实时提取和处理表征焊接过程的特征信号，通过焊接电源的输出波形精 密控制实现焊接过程的高速稳定实时精确控制提供了可能。同时数字信号处理器 的应用，使系统的柔性和适应性得到极大的提高，也为智能控制提供了更广阔的 发展空间7 。 随着控制硬件的迅速发展，控制软件的功能也变得日益强大。从原来没有控 制软件，发展到现在使用嵌入式实时系统进行控制，表1 1 可以看出控制软件的 2 第l 章绪论 变迁情况。嵌入式实时系统是计算机或微处理器嵌入安装在一些机械、电子设备 中，这些应用设备接受计算机指令的控制，并根据外界出现的不同情况，做出具 有智能化的反应。嵌入式实时系统最重要的特征是能满足实时性要求。实时性是 指系统功能的正确性不仅依赖于产生正确的逻辑结果，而且依赖予结果产生的时 间。亦即系统必须在预定的时限内对某些输入做出反应。实时性要求可分为强实 时和弱实时2 种。嵌入式实时系统是一类重要的计算机应用系统。相对而言，这 类系统对于时间性、可靠性和安全性等有着极高、甚至苛刻的要求。实时多任务 操作系统( r t o s ：r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 是嵌入式应用软件的基础和开发平 台。它是一段嵌入在目标代码中的软件，其它应用程序都建立在r t o s 之上。而 且，r t o s 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核。它将c p u 时间、中断、i ，o 、 定时器等资源都封装起来，留给用户一个标准的a p i 。并根据各个任务的优先级 合理的在不同任务之间分配c p u 时间。对焊接而言，不同的焊接方法对焊接电 源外特性的要求不同，钨极氩弧焊宜采用恒电流外特性，手工电弧焊宜采用恒电 流外拖，碳弧气刨和埋弧焊通常选择具有一定斜率的下降型外特性。这几种焊接 方法在锅炉、压力容器以及重型机械制造业最为常用。而且往往在一个产品甚至 一个接头上一起用到。研制能同时满足上述焊接方法外特性要求的焊接电源将会 给用户带来极大的便利，还能大幅度地节省设备投资。采用嵌入式的微机控制焊 接电源则提供了这种可能性l ”。 表1 - 1 焊接电源软件平台发展概况 t a b l e 1 1t h ed e v e l o p m e n to f s o f t w a r ep l a t f o r ma b o u tt h ew e l d i n ge q u i p m e n t 控制硬件核心控制软件使用情况 分立元件和集成电路无 p l c 简单时序程序 汇编 单片机及 混合信号d s p c 语言 r t o s 系统( v x w o r k 、w i n c e 、u c o s 1 i ) 1 2 2 熔滴过渡控制研究进展 熔滴过渡对焊接质量有着非常重要的影响，因而一直是国际上的研究热点。 用脉冲电流控制熔滴过渡是人们长期以来所追求的目标，其中一个脉冲过渡一个 熔滴( 简称为一脉一滴) 是最理想的熔滴过渡形式。因此掌握熔滴的过渡规律并 设法按照人们的需要对其进行控制一直是焊接领域研究的热点。 熔滴过渡对焊接质量、焊缝成形的影响很大，直接决定着焊缝表面波纹的均 北京工业大学工学博士学位论文 匀性、焊缝的熔深以及焊缝的几何形状。熔化极气体保护焊由于存在焊丝熔化、 熔滴向熔池的过渡过程而影响到电弧燃烧的稳定性，熔池活动也较为复杂。文献 【1 0 3 1 2 3 对熔化极气体保护焊的电弧形态和熔滴过渡进行了详细的研究，除短 路过渡外，熔滴过渡分为大滴过渡、喷射过渡和旋转射流过渡，其中大滴与旋转 射流过渡二种形式是不稳定的过渡形式，通常不采用，喷射过渡包括射滴过渡和 射流过渡。 研究表明，脉冲熔化极气体保护焊的熔滴过渡种类粗略说来可分为3 种基本 形式，它们是：几个脉冲过渡1 个熔滴、1 个脉冲过渡1 个熔滴和1 个脉冲过渡 多个熔滴。其中1 脉l 滴又可分为l 峰0 基( 即峰值期间过渡1 滴，基值期间无 过渡，即0 过渡。余类推) 和0 l 峰i 0 基( 过渡的l 滴可能发生在峰值期间， 也可能发生在基值期间，无严格控制) ；l 脉多滴可分为l 脉2 滴、1 脉3 滴等。 l 脉二滴又可分为2 峰0 基和1 峰l 基；l 脉3 滴又可分为3 峰0 基、2 峰1 基和 1 峰2 基。 多脉l 滴大多是大滴过渡形式，焊接电弧不易稳定，飞溅大，实际应用很少。 l 脉1 滴( 1 峰0 基) 一般是射滴过渡，熔滴大小均匀，与焊丝直径相当，过程稳 定，对提高质量有利，因此，常被认为是理想的过渡形式。l 脉2 滴、1 脉3 滴 或多滴的熔滴过渡控制较为困难，过程不易稳定，因此不认为是理想的过渡形式。 但这种说法目前正受到挑战。如果能对熔滴过渡进行精确的控制，实现1 脉2 滴中2 峰0 基或1 脉3 滴中3 峰0 基的过渡，则在定情况下会比l 峰0 基更具 优越性。例如，既可保持稳定的焊接过程，又可获得较高的生产率等。根据脉冲 m i g 焊光谱信息的最新研究结果，实现这一点是可能的。 目前脉冲m i g m a g 焊控制方法归纳起来主要有峰值期间电能量恒定控制 法、电信号控制法。电弧音频测控法、电弧弧光光强控制法以及最近新发展起来 的光谱控制法等。本节对这些控制法作简要介绍。 l 、峰值期间电能量恒定控制法 这种方法基值电流仅起维持电弧稳定作用，焊丝的熔化全部在峰值期间进 行，因此当其它焊接参数不变时，恒定峰值电流i 和峰值时间t 就能保持1 个脉 冲期间焊丝熔化量不变，当参数选取适当并加以控制，保持其稳定，就能保证1 个脉冲过渡1 个熔滴，因而人们的注意力大多集中在1 脉l 滴的参数控制上， s y n e r g i e 控制( 协同控制) 和自适应控制就是用这种形式。对于这种方式的控制 几乎都在经验公式指导下进行，最典型的经验公式：，“f = c ( 其中n 为指数，n 和c 为常数) 。它是a m i n 等人建立的峰值电流i 与峰值时间t 之间的幂的关系 公式【冽【2 7 1 。其它研究者通过不同试验条件也得出了类似公式。在实际控制过程 中，首先设定峰值电流i 值，然后依上述公式计算出峰值时间t 。在焊接过程中 4 第l 章绪论 保持峰值电流i 、峰值时间t 值不变，送丝速度或电弧电压变化时，通过改变脉 冲频率即改变基值电流时间t 调节焊接热输入，以自动适应这一变化。如上所述， 它是一种压频转换的弧压控制方法，虽然对能量有较好的控制效果，但是弧压实 时控制效果不佳，其抗弧压干扰能力较差 2 、熔滴过渡电信号控制法 1 9 9 1 年美国i d a h o 国家工程实验室j o h n s o n 等根据他们对熔滴过渡电信号的 传感研究结果，提出了利用电信号进行l 脉l 滴控制的设想。文献 1 0 7 作者 认为电压尖峰信号是熔滴过渡信号，如图l 所示；文献【l l l 】作者认为电流尖峰 信号是熔滴过渡信号。这种方法目前仅作为工艺参数调节时熔滴过渡情况的一种 检测，由于信噪比太低，机器难以识别，难以用于熔滴过渡实时控制。同时，这 种传感方式要求焊接电源输出极其平稳，否则，电源噪声将淹没熔滴过渡信号。 言 善 图1 - 1 电弧电信号与熔滴过渡 峰值电流：2 4 0 a 峰值时间：3 m s 基值电流：2 0 a 基值时间：6 m s f i g 1 1a r ee l e c t r i c a ls i g n a la n dd r o p l e tt r a n s i t i o n 3 、电弧音频测控法 通过熔滴在过渡期间伴有特定的电弧声与过渡过程的内在联系来检测控制。 在焊接过程中，电弧不断变化导致电弧声音发生变化。研究表明，虽然这种变化 对于短路过渡电弧状态比较容易识别，但对于无缩颈爆断过程的射滴过渡，其对 应关系并不明显，同时，实际工作环境中难以避免的各种声响都会成为这种传感 方式的强烈干扰源。故不能利用它进行射滴过渡的控制。 4 、电弧弧光光强控制法 基于脉冲熔化极气体保护焊时，熔滴过渡过程中伴随的电弧光的闪烁现象， 文献【1 1 9 】提出了一种新的用于测控熔滴过渡过程的电弧光强传感控制法。图1 2 为其测控的光强信号波形图。由图1 - 2 a 可见，在钢的脉冲m a g 焊的熔滴过渡 期间，电弧光强信号波形上有一个由于熔滴过渡导致的“下塌”。利用这种“下 塌”，文献1 3 2 】实现了脉冲m a g 焊1 脉1 滴的光强控制。然而在喷射过渡脉冲 北京工业大学工学博士学位论文 m i g 焊钢时，这种“下塌”特征几乎不出现( 见图1 - 2 b ) 。即使出现“下塌” 的脉冲m