熔化極氣體保護(hù)焊熔滴過渡控制策略研究與應(yīng)用.pdf

1、熔化極氣體保護(hù)焊(Gas Metal Arc Welding)是一種高效節(jié)能的焊接工藝，通過連續(xù)送進(jìn)的焊絲與焊接工件之間產(chǎn)生的電弧作為熱源熔化焊絲和金屬母材，在焊接過程中外加保護(hù)氣體避免熔滴、熔池金屬及焊接區(qū)高溫金屬受到周圍空氣的氧化作用，特別適合于自動焊接生產(chǎn)線和機(jī)器人焊接系統(tǒng)。
　　 GMAW焊接過程熔滴飛濺大，焊縫成形差，焊接參數(shù)調(diào)整困難，限制了GMAW焊接工藝的推廣應(yīng)用。熔滴過渡過程直接影響GMAW焊接質(zhì)量，由于焊接規(guī)范

2、的不同，熔滴存在多種過渡模式，目前國內(nèi)外的熔滴過渡控制方法主要從作用于電弧的電流和電壓入手，針對特定的熔滴過渡模式，通過對焊絲輸入熱量的控制減小飛濺，或通過對弧壓的控制保證焊接過程的穩(wěn)定，難以適應(yīng)不同工藝參數(shù)的要求。
　　 根據(jù)GMAW焊中存在的問題，分析了熔滴過渡過程的機(jī)理，針對短路過渡模式和自由過渡模式中熔滴不同的行為狀態(tài)，采用不同的控制策略保證了熔滴過渡的平穩(wěn)和連續(xù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了基于軟開關(guān)的能適應(yīng)所有焊接參數(shù)和工

3、藝條件的GMAW焊接系統(tǒng)。主要研究工作和成果如下：
　　 (1)在對熔滴受力和熔滴的運(yùn)動過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分析了焊接電流、焊接電源輸出電壓、焊接速度等工藝規(guī)范參數(shù)對熔滴過渡模式和焊縫成形的影響，從熔滴位移和質(zhì)量變化、焊接回路動態(tài)過程、弧長變化方面對焊接過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，建立了GMAW焊接過程數(shù)學(xué)模型，并對模型進(jìn)行了仿真，證實(shí)了模型的準(zhǔn)確性。為基于模型的控制策略提供了理論基礎(chǔ)。
　　 (2)針對熔滴飛濺大和焊縫成形不

4、好的問題，提出在熔滴短路過渡模式中采用分階段電流波形控制策略，將熔滴短路過渡的物理過程分成五個(gè)階段，根據(jù)熔滴在每個(gè)階段的狀態(tài)和受力情況，輸出不同波形的焊接電流，保證熔滴在短路階段能以較小的飛濺平穩(wěn)過渡。建立分階段電流波形控制的仿真模型，為分階段電流波形控制參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法調(diào)節(jié)大電流燃弧段的作用時(shí)間維持弧長的穩(wěn)定和熔滴過渡的一致性和平穩(wěn)性，利用遺傳算法對模糊變量的隸屬度函數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，將優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)引入GM

5、AW短路過渡模式的焊接過程，通過附加動量法在線調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，在減小飛濺的基礎(chǔ)上，保證焊縫的成形。
　　 (3)在熔滴自由過渡模式中，采用直接模型參考自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的去耦控制，解決了GMAW焊接參數(shù)調(diào)節(jié)困難的問題。直接模型參考自適應(yīng)基于指令跟蹤器和輸出漸進(jìn)跟蹤理論，控制器的設(shè)計(jì)只需利用參考模型和跟蹤誤差來完成，與控制對象幾乎無關(guān)，控制結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)高階被控對象對低階參考模型的性能跟蹤。針對目前離散時(shí)間系統(tǒng)直接模

6、型參考自適應(yīng)控制算法中存在的穩(wěn)態(tài)誤差和控制律計(jì)算困難的問題，提出改進(jìn)算法消除穩(wěn)態(tài)誤差，且控制律的計(jì)算符合因果關(guān)系。分析了算法的跟蹤效果和穩(wěn)定性，采用該改進(jìn)算法，通過調(diào)節(jié)焊接電源的輸出電壓和送絲速度，實(shí)現(xiàn)焊接電流的和弧長的穩(wěn)定，保證熔滴尺寸和過渡時(shí)間間隔均勻一致，焊接過程平穩(wěn)流暢。
　　 (4)為了提高焊接電源動態(tài)性能，提出一種適合IGBT焊接電源的零電壓零電流軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過在中頻變壓器原側(cè)增加一個(gè)諧振電容和飽和電感，實(shí)現(xiàn)了

7、超前臂的零電壓開通和滯后臂的零電流開通和關(guān)斷。對超前臂和滯后臂上的開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗進(jìn)行了分析，并提出了減少超前臂開通損耗的途徑。針對焊接電源在GMAW焊接過程中負(fù)載變化劇烈，提出在高頻變壓器副側(cè)增加一個(gè)換流電感，保證空載和輕載時(shí)軟開關(guān)條件的充分實(shí)現(xiàn)。根據(jù)軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了焊接電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和設(shè)計(jì)。
　　 (5)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，開發(fā)了適合全范圍焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多過渡模式下熔滴過渡控制的GMAW焊接系統(tǒng)，系