焊接过程控制演示文稿09

焊接过程控制 第一章绪论 一 课程背景 焊接过程控制 就是在焊接过程中 对影响焊接过程的各种要素进行控制 以达到获得合格焊接质量的目的 焊接工艺 的后续课程参考书 电弧焊 焊接方法及设备 压力焊 二 课程内容主要包括以下几方面 焊接参数控制 焊接质量控制 焊接程序控制 1 焊接参数控制在焊接过程中 通过控制 稳定 焊接参数控制焊接质量 对于弧焊主要焊接参数包括 I 焊接电流 U 焊接电压 电弧电压 v 焊接速度 对于电阻点焊主要焊接参数包括 I 焊接电流 t 焊接时间 F 电极力 例一 当电网电压发生变化时 某些焊接电源输出的焊接参数 I V v 则可能发生改变 例二 当焊道状态发生变化时 也会引起焊接参数的变化 2 焊接质量控制以达到焊接质量标准为控制目标 例 需要实时调整焊接参数才能保证焊接质量 3 焊接程序控制自动化焊接设备的程序自动控制的功能 例一 气体保护焊设备 提前送气 引弧 焊接 停止焊接及滞后断气的程序控制例二 火焰 等离子弧及激光数控切割设备 按预先编程的轨迹运动的功能 例三 全位置焊接 在不同空间段 转换不同的焊接参数 包括I V v及脉冲焊的脉冲频率等 第二章电弧焊电弧调节原理一 电弧调节的目的通过对电弧 长度 的调节控制 达到控制焊接参数 I U 稳定的目的 二 电弧稳定的影响因素1 电弧静态工作点 电弧处于某一相对稳定状态时 由I U构成的工作点 2 电弧静态工作点确定 由焊接电源的外特性与电弧的伏安特性 静特性 的交点确定 3 静态工作点稳定的影响因素1 电源外特性变化影响 2 电弧静特性变化影响原因包括 送丝速度不稳 焊炬变化 三 电弧自动调节 稳定 基本方法 1 电网波动的自动补偿焊接电源网压波动自动补偿功能 如SCR焊机 逆变焊机 焊机的技术指标之一 2 电弧长度自动调节当弧长因随机干扰发生变化时 控制系统自动使弧长恢复 达到稳定弧长的目的 电弧长度自动调节主要采取两种形式 电弧自身调节方式 电弧电压自动调节方式 四 等速送丝调节系统 电弧自身调节系统 一 基本概念电弧自身调节系统特点 焊接过程送丝速度不变 电弧 弧长 稳定的基本条件 vf vm电弧自身调节过程 电弧长度波动时 通过焊丝熔化速度vm自动改变恢复弧长的调节过程 lvml 二 等速送丝调节系统静特性1 焊丝的熔化特性焊接参数与焊丝熔化速度关系 vm kiI kuUvm随I增加而增加 随U增加而减小 式中 ki为vm I比例系数 与 l干有关 l干ki 电阻热增加 ki 电流密度减小 ku为vm U比例系数 与弧长及电场强度有关 2 电弧自身调节静特性曲线 定义 送丝速度vf一定条件下 稳定电弧的I与U的关系曲线 曲线关系式由vf vmvm kiI kuU得I vf ki ku ki U U I vf一定 B A C 曲线物理意义a等熔化速度曲线b稳定工作点曲线c影响曲线的因素长弧焊时 I vf ki曲线位置影响因素 ki曲线右移l干ki曲线左移短弧焊时 ku较大 曲线为B点以下的形态 曲线的实际获得实验原理 电弧稳定工作点 I U 由电源外特性和电弧自身调节静特性曲线的交点确定 实验方法 首先确定vf 然后改变外特性 在各种外特性的情况下 实测电弧的I U值 O伏安特性 外特性 调节特性 三 电弧的自身调节作用1 概念电弧自身调节作用 电弧受到干扰时 工作点会不断偏离稳定工作点 但电弧具有自动回到稳定工作点的能力 2 调节机理 3 调节灵敏度 定义 单位弧长变化引起的熔化度速变化 灵敏度 vm l 影响因素因vm kiI vm ki I vm l ki I l灵敏度与ki I有关 a ki灵敏度b 缓降电源外特性 I灵敏度 结论等速送丝调节系统适合于细丝焊配合平特性电源 典型应用是细丝CO2焊 四 电弧自身调节的静态误差1 定义 弧长波动经调节后产生新的稳定工作点 新 旧稳定工作点之差为静态误差 2 静态误差产生的原因 等熔化速度曲线的移动 主要是焊炬高度发生变化 导致l干变化 引起曲线移动 电源外特性曲线改变 网压变化 导致电源外特性变化 3 减少静态误差的措施主要采取缓降电源外特性 可减小等熔化特性曲线变化产生的静态误差 可减小电源外特性变化产生的静态误差 4 静态误差与动态偏差 五 等速送丝调节系统规范调节方法等速送丝调节系统 平特性电源 垂直 等熔化速度曲线 参数调节 U 调节电源外特性 I 调节送丝速度 vf 即移动等熔化速度曲线 六 小结1 电弧自身调节系统特点 等速送丝 通过改变vm 调节弧长 vm kiI kuU 长弧时vm kiI 2 调节静特性曲线方程 获得vf vmvm kiI kuUI vf ki ku ki U 物理意义a等熔化速度曲线 b稳定工作点曲线 3 调节机理lc变化I变化vm产生恢复速度 l I vm恢复 4 调节灵敏度 涉及电源外特性选择 灵敏度 vm l ki I l 适合平特性 2mm 静态误差 平特性时较小 5 规范参数调节 典型的细丝CO2焊 U 调节电源外特性 I 调节送丝速度 五 电弧电压 反馈 自动调节系统 一 概述 二 调节原理调节过程 lcU U U Ug vflc弧压调节器调节特性 vf k U k U Ug 三 弧压反馈调节系统静特性给定Ug的条件下 稳定电弧的I U之间的关系 vf变化 1 静特性曲线方程vf vmvm kiI kuUvf k U Ug U k k ku Ug ki k ku I 2 曲线特点曲线为直线 其 截距 Uo k k ku Ug斜率 tg ki k ku 3 物理意义 稳定工作点曲线 k越大 调节作用越强 调节Ug曲线上下移动 四 系统调节作用1 系统的静态工作点 焊接电源外特性与电弧电压反馈调节系统静特性曲线的交点 并且电弧静特性曲线经过此点 2 调节作用 弧压反馈调节作用 电弧自身调节作用 五 调节灵敏度1 定义 单位弧长变化引起的弧长恢复速度的大小 灵敏度 vf l k U l k l Ec l k Ec2 影响因素 电场强度影响主要与电弧气氛有关埋弧 Ec 3 4V mm CO2 Ec 1 5V mm Ar Ec 0 5V mm k的影响应合理选择k 获得一定的调节灵敏度 过大可能引起振荡 六 调节系统静态误差1 定义 系统调节后 静态工作点变化产生的误差 2 影响因素 系统调节静特性曲线的影响 通过l干影响ki而影响斜率 电源外特性变化影响 主要 相同网压波动条件下 陡降外特性静态误差较小 因此弧压反馈调节系统一般采用陡降外特性电源 七 规范参数调节1 电压调节 调节Ug 2 电流调节 电源外特性 八 弧压反馈调节系统具体电路分析1 发电机 电动机系统 电弧调节器特性发电机输出电压 1 Ug 2 U 2 1 U Ug 而Ud Ud E IRF CFe nF 故Ud U Ud 电动机转速 nD Ud CDe D Ud E IRD E CDe DnD 故nD vf U Ug 得到 vf k U Ug vf 0送丝 vf 0抽丝 引弧 正常焊接过程 2 1 2 晶闸管控制系统控制过程 UUA U Ug I1UBI2I3 c充电较快 Udn vf U 恢复弧长 九 小结1 弧长反馈调节系统特点采用变速送丝调节方式 根据U的改变调节vf 实现弧长反馈调节 2 系统静特性曲线vf vmvm kiI kuUU k k ku Ug ki k ku Ivf k U Ug 3 物理意义 稳定工作点曲线 曲线上各点vf不同 4 灵敏度 vf l k Ec 与焊接方法 弧柱气氛有关 适当选择k值 反馈系数 5 静态误差粗丝条件下 主要影响因素为电源外特性 应采用陡降外特性 6 调节焊接规范 I 调节电源外特性 U 调节静特性曲线 Ug 六 电弧固有调节作用1 原理焊丝熔化速度与电流的关系 vm mI2 调节过程前提条件 等速送丝 恒流外特性调节过程 l mvm I不变 l3 应用铝及合金MIG焊 利用亚射流过渡 熔点低 易蒸发 亚射流过渡特点 碟形 电弧电效率提高 电弧包住熔滴 短弧 过渡频率增大 熔滴温度低 相当于提高热效率 上述两点导致 m增大 第三章电阻点焊质量控制一 点焊质量问题1 主要质量问题保证获得一定几何尺寸的点焊熔核 以达到一定的点焊接头强度 静拉与疲劳 2 其它质量问题 表面压痕对压痕的要求 一般小于压痕与板厚之比的10 过深压痕产生原因 压力过大 加热时间过长 减小的措施 应采用强规范并限制压力 表面要求高的采用平电极 表面氧化 变黑 产生原因 a软规范 加热时间过长 b压力小 使导热不良 接触电阻增大 表面压坑电极表面不平造成的 应修磨电极 二 点焊质量控制技术1 点焊质量控制特点点焊的特点是封闭性 熔核的形成过程是不可见的 2 点焊质量控制方法间接法 通过保持某一焊接参数恒定保证熔核尺寸 典型为 恒流法 直接法 直接检测与熔核尺寸有关的信息 进行反馈控制 恒流法a原理 控制焊接电流恒定 以保证熔核尺寸 b控制过程 控制系统检测电流参数 一次或二次电流 将之与给定值比较 然后控制功率元件调节电流 使之稳定在一定的范围内c恒流控制器 单片 微机化 允许网压波动范围 15 30 电流波动范围 3 高精度的可达 2 或 1 可控制电流范围 几千 数万安培 d应用 最广泛 最成熟的方法 e局限 对网压波动有很好的补偿效果 但对分流 电极磨损等有局限性 电极区电压法a原理 检测电极间电压的变化 获得点焊熔核的生长情况 据此调节焊接电流和时间 b监控机理 利用金属热导率与温度的关系 获得熔核生长情况 据此对参数进行控制 热膨胀法a原理 点焊时加热区的体积膨胀 使上下电极产生相对移动位移反映了熔核的形成过程 b调节机理 调节主要根据热膨胀曲线t1 未熔化加热段 t2 熔核形成段 t3 熔核趋于稳定 t4 加热软化阶段 c应用 铝及其合金 动态电阻法a原理 点焊过程中 随着温度的升高 电阻率亦发生变化 根据电极间动态电阻的变化判断熔核的生长情况 b控制方法 主要根据动态电阻曲线控制t0 t1接触电阻迅速下降 t1 t2初期温度升高 t2时开始形成熔核 t2 t3熔核生长期 塑性环增大 导电通道增大 总电阻下降 根据t2后动态电阻的下降幅值作为断电的判据 第四章焊接自动控制技术一 概述1 焊接参数的恒值控制a焊接电弧参数的恒值控制 I U的静 动态控制 b恒速控制 送丝速度 行走速度控制 2 焊接程序自动控制3 焊接轨迹的自动跟踪控制 4 焊接过程自适应控制 二 恒速控制技术1 晶闸管拖动电路主电路 功能 为直流电机提供直流驱动电压 组成 整流电路 直流电机D 电压控制元件SCR 续流电路 激磁电路 2 调速与稳速控制 问题的提出 稳速控制 三种方法 1 电枢电压负反馈a调节原理b调节过程 UrUd Ud或UrUd Ud c调节电路Ufe 给定电压 Ude 电枢电压 反馈电压 UR1 Uba 同步电压 UR5 Ucd 触发电压 UR1 Ufe Ubd UdeUbd Ufe Ude UR1调节过程 UrUde Ufe Ude UR5 UdeUrUde Ufe Ude UR5 Ude 2 电枢电流正反馈和电枢电压负反馈a调节原理 Ud E反 IdRi E反 nCe n Ud IdRi Ce b调节过程 阻力nId Udn c电路分析Uu 电枢电压反馈信号Ui 电枢电流反馈信号Ug 给定信号 3 电势负反馈令R5 Ri R4 R3R5 Ri R5 R4 R3 R4 Uu R4 R3 R4 UdUi R5 R5 Ri Ud E Ui u Ui Uu m R4 m E R3 R4 R4Ce m R3 R4 n E Ce n 比较理想反馈调节方式 动态特性的改善1 振荡问题减小措施 a适当减小反馈系数 降低调节速度 b加入积分环节 c加入微分环节 2 启动问题电机工作电流很大I Ud E反 Ri Ud Ri 三 焊接程序自动控制1 示例 埋弧焊 TIG焊 CO2气体保护焊 2 程序控制的基本转换 时间转换 按规定的时间转换 行程转换 按工作行程进行转换 条件转换 以系统处于某种特定状态作为转换条件 3 弧焊程序控制的基本环节 延时控制环节UJH Js的启动电压 UJF Js的释放电压 UJH UJFts1 提前送气时间 ts2 滞后断气时间 引弧控制环节1 简单爆裂引弧控制环节 CO2 2 控制短路电流的爆裂引弧 3 慢送丝引弧Ug1 慢送丝给定电压 Ug2 正常送丝给定电压J1合合J2 CJ合 慢送丝 JL合 正常送丝 4 高频引弧aJs合J2合CJ合J3合J4合 引弧开始 加空载电压 高频引弧 b引弧成功J3释放J4释放 低电压引弧 关引弧器 熄弧控制环节1 焊丝返烧熄弧 先停送丝后断电按AN2J1放J2放JS放CJ合 停止信号 停丝 停电 2 电流衰减熄弧 程序控制转换电路K1 W1 K1K2 W2 K2 W3 K2K3 W4 K3 W5 K3K4 W6 K4 W7 K4K1 W8 四 焊接轨迹自动跟踪控制1 焊缝跟踪原理2 跟踪技术 机械式跟踪a 接触式传感 b 利用特定的坡口型式仿型跟踪 c 简单 抗干扰能力强 电弧自身传感式跟踪特点 无须其它传感器 简单 但需坡口 光电 传感 跟踪1 白线跟踪法2 激光传感法3 图象跟踪法 电磁式跟踪利用电磁效应实现跟踪传感的跟踪方式 U0 Uy 1 2 l e1 e2 e21 e22 五 焊接过程适应控制在外部条件变化时 能自动改变焊接参数 控制焊缝成型处于所要求的状态 以保证焊接质量 1 等离子弧焊熔透适应控制 2 熔池图象监测适应控制3 点焊自适应控制 第五章焊接专机与焊接机器人一 焊接专机1 定义 为某一特定焊接结构专门设计 制造的自动化焊接设备 2 基本组成 焊接操作机及焊接夹具焊接操作机是用以实现焊枪 或焊钳 按一定轨迹运动的机械装置 焊接夹具是固定工件或实现工件移动及焊道空间位置改变的机械装置 焊接电源系统 控制系统控制整个系统 操作机 卡具 焊接电源 实现自动焊接过程 3 举例 管 管对接机 管 板焊接机 管 管马鞍型焊接机 螺旋管焊接机 多点点焊机 四枪汽车轮辐焊接机 长板拼焊机 摩擦焊机 4 焊接专机优点对单件大批量生产 劳动生产率高 能够保证产品的焊接质量 5 缺点刚性很强 改变产品设计时 需对焊接专机进行改造 一次性投资大 二 焊接机器人1 定义 能模仿焊工操作的 数控或计算机控制的焊机 或可以反复编程的多功能焊接操作机 与仿人机器人区别 2 组成 操作机 控制系统 焊机 焊接机器人操作机1 自由度焊接机器人一般有4 6个自由度 基本自由度三个 a 伸缩 直线运动 b 回转 轴向指向不变 c 旋转 轴向变化 2 典型动作组合a极坐标式b关节式c园柱坐标式3 驱动方式 二种 a电动 多采用交流伺服电机 价格较低 b电液压 静 动态性能好 结构复杂 造价高 机器人控制系统1 硬件结构 一般采用两级计算机控制一级计算机为主控计算机 完成系统管理 状态监控及为二级计算机提供控制参数 二级计算机一般为若干单片机