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软开关脉冲GMAW焊接电源及弧长稳定性研究

王瑞超  
【摘要】:脉冲熔化极气体保护焊(GMAW)工艺具有电流调节范围宽、适于全位置焊、焊缝成型优良等特点,在制造工业生产中逐渐获得广泛应用,然而其对弧焊电源性能提出了更高的要求。软开关弧焊电源正好符合脉冲GMAW焊的需求,当前对全桥软开关弧焊逆变器的建模研究还不系统,为了更好地在设计中优化弧焊电源参数,对软开关弧焊电源系统模型进行分析研究十分必要。通过对全桥移相软开关弧焊逆变电源的模型进行简化,建立了其等效小信号模型,并将峰值电流控制技术与移相软开关技术相互融合,研究了峰值电流控制模式下移相软开关逆变器稳定性问题,分析表明在脉宽调制占空比大于50%的情况下,斜坡补偿是逆变器稳定的必要条件。在此基础上分析了电源的动特性影响因素,并对弧焊电源的外特性边界形成因素进行了分析研究,为电源的研制和控制参数的优化设计提供了理论指导。 针对脉冲GMAW焊机设计中所存在的问题进行了分析研究,提出了基于DSP+ARM架构的控制电路设计方案,采用模块化的方式对相关电路进行功能设计,并对控制部分的软件功能实现进行了详细分析,建立了可靠的脉冲GMAW焊接电源平台,为进行弧焊过程工艺分析研究奠定了硬件基础。电源性能的测试结果表明所设计的脉冲GMAW焊接电源平台满足实际需求。 通过对脉冲GMAW焊接系统中各模块的模型分析,基于Matlab/Simulink仿真环境及其扩展工具S函数建立了脉冲GMAW焊接弧焊逆变电源主回路和控制系统的混合仿真模型,仿真模型能够有效地模拟实际弧焊逆变电源-动态电弧负载系统的动态过程特征。基于S函数所建立的脉冲GMAW焊接弧焊逆变电源-电弧系统仿真模型的控制策略能够仿真实际焊接弧长过程动态调节过程。通过引入干扰条件,仿真系统能定量分析脉冲GMAW焊接过程中各物理参数变化机理及影响因素,为实际脉冲GMAW焊逆变电源控制参数设计优化、验证新的弧长控制算法及策略提供了新途径。 脉冲GMAW焊接熔滴过渡方式对焊接工艺性能、焊缝成形和焊接质量有重要影响,为实现有效、精确控制熔滴过渡的行为,采用一脉一滴熔滴过渡方式是目前最佳的选择。在脉冲GMAW焊接特征参数选择分析的基础上,得出实现脉冲GMAW焊接一脉一滴熔滴过渡的最佳实现是I/I控制方法,即脉冲峰值和脉冲基值期间都采用恒流外特性电源。但由于恒流外特性下,电弧无自身调节作用,无法进行弧焊过程中弧长的调节,为此,提出了基于脉冲周期内环恒流控制外环弧压控制的双闭环控制策略。通过对单个脉冲周期的平均电流电压的模型计算研究发现,基于脉冲周期的双闭环弧长控制策略实现机理是周期平均值外特性自身调节作用,并通过周期平均值外特性上下台阶调节试验验证了理论分析的正确性,为脉冲GMAW焊接方式机器人自动化实现提供了理论基础。


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