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双丝脉冲MIG焊熔滴过渡分数阶控制的研究

葛卫清  
【摘要】:提高焊接效率最基本的方式之一是采用多丝焊。双丝焊是多丝焊中最基本的焊接方式,研究双丝高速焊具有代表意义。双丝焊的熔滴过渡过程及其控制的研究吸引了国内外许多研究者的关注。已有研究表明:控制熔滴过渡行为也就控制了焊接质量。进一步开展双丝脉冲焊的控制方法研究以及熔池过渡与焊缝成形的应用研究,可以为研发新的控制技术、改善和提高焊接系统的性能提供理论依据。 双丝脉冲MIG焊是一种高效的焊接方法,在实际应用中非常广泛,研究双丝脉冲MIG焊具有理论和实际意义。论文从脉冲焊的机理出发,指出峰值电流Ip、峰值时间Tp、基值电流Ib、基值时间Tb是脉冲焊中最基本的4个参数,也是影响熔滴过渡的最重要参数。这些参数都与占空比有关,因而可以通过控制占空比来控制这些参数。采用状态空间变量法分析了逆变弧焊系统的混沌特性,指出弧焊系统的焊接规范参数需要非常配合的根本原因是由其混沌特性决定的。分析了自行研制的软开关逆变电源的前馈-反馈的控制原理和方式,并采用三端开关器件建模法,得到了有5个变量的非线性模型,从理论上证明了控制系统是一个非线性系统。通过线性化,得到一个简化的小信号数学模型。 论文将当前控制领域研究的热点——分数阶理论——首次引入到弧焊控制,提出在弧焊控制系统中使用分数阶PID控制器,对分数阶理论在弧焊控制领域中的应用作了探讨,提出了一种设计分数阶控制器的新方法——值域图解法。采用值域图解法,针对建立的弧焊系统的数学模型设计了一类比例积分型的分数阶控制器(PIλ),并与传统整数阶控制器(PI)进行了仿真比较。仿真结果表明,分数阶控制器的调节动态性能比整数阶控制器要好,超调量少5%,提高了双丝MIG焊技术的动态性能。采用所设计的分数阶控制器进行了单丝焊试验,并与传统整数阶控制器的作了对比,结果分数阶控制器的效果更好。 构建了双丝高速MIG焊及其高速摄影试验平台。双丝高速MIG焊平台由2台专用弧焊逆变电源(1250A+1000A)、水冷方式的“一炬双丝”焊炬等构成,焊接电流可达千安以上。高速摄影系统由功率40mW的半导体激光光源、每秒可拍摄10000张相片的彩色数字高速摄影机等组成,完全满足实验的要求。为了去除弧光,光路采用背光阴影法来拍摄熔滴过渡行为,图片更清晰。采用高速摄影,可以方便对焊接的熔滴过渡过程的观察与分析。 论文对双丝大电流高速焊进行了工艺试验,研究了在一定的焊接规范下,双丝脉冲MIG焊接中主机与从机脉冲电流相位关系、脉冲电流频率等对熔滴过渡以及焊缝成形的影响。研究结果表明:脉冲电流相位为交替时,前丝、后丝电弧形态与单丝焊时一样,电弧为锥状。脉冲电流为同步相位时,前、后焊丝的电弧会相互吸引,引起电弧合并,电弧呈蟠桃状。脉冲电流为随机相位时,两电弧时而独立,时而吸引,电弧形状不断变化。脉冲电流频率的变化会改变前丝与后丝的熔滴过渡方式。在电流交替相位的焊接规范下,脉冲电流频率较高时,前丝熔滴过渡方式为射滴过渡,后丝熔滴过渡方式为射流过渡;在脉冲电流频率较低时,前丝、后丝熔滴过渡方式均为射滴过渡模式;而当脉冲电流频率中等时,前丝、后丝熔滴过渡方式均为射流过渡方式。当电流脉冲频率变化时,焊缝成形质量会发生变化。脉冲电流频率较高,焊缝成形较好;而脉冲频率较低时,焊缝成形较差。频率越低,成形越差,并出现驼峰焊。当脉冲电流频率在50-100Hz时,前丝、后丝在熔滴过渡时基本表现为一脉一滴形式,焊缝成形较好。


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