基于能量調(diào)節(jié)的DSP主控短路過(guò)渡GMAW焊智能控制研究.pdf

1、采用CO2氣體保護(hù)焊的短路過(guò)渡方式進(jìn)行焊接時(shí)，由于CO2氣體的性質(zhì)造成了焊接過(guò)程穩(wěn)定性及工藝性能較差(主要是飛濺大和焊縫成形差)的缺陷。本文結(jié)合CO2氣體保護(hù)短路過(guò)渡焊控制方式的研究現(xiàn)狀，以及對(duì)短路過(guò)渡各階段控制逐漸細(xì)化及精確化的發(fā)展趨勢(shì)，將先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)引入到控制過(guò)程中，同時(shí)采用更加體現(xiàn)焊接過(guò)程本質(zhì)的能量調(diào)節(jié)方式對(duì)焊接過(guò)程的各階段進(jìn)行精確控制，獲得穩(wěn)定的焊接過(guò)程，并同時(shí)達(dá)到減少飛濺及改善焊縫成形的目的。 理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2、明，短路過(guò)渡CO2焊接過(guò)程中短路期和燃弧期的能量分配是與焊接過(guò)程的穩(wěn)定性及焊接質(zhì)量有直接影響的，不同的能量分配形式會(huì)引起焊接工藝性能的很大變化。以往任何一種以減少飛濺率和改善焊縫成形為目的的波形控制方式的實(shí)質(zhì)就是對(duì)焊接電源提供能量的一種分配過(guò)程。 在一定的焊接規(guī)范下焊接電源在每一個(gè)過(guò)渡周期之內(nèi)所提供給負(fù)載的總能量Q是一定的。并且以燃弧能量Qa和短路能量Qs的形式體現(xiàn)出來(lái)并對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生不同的影響；燃弧能量Qa中包含加熱工件形成熔

3、池的能量Qb，維持電弧穩(wěn)定燃燒的能量Qp，及熔化焊絲形成熔滴所需的能量Qd。短路能量Qs主要是熔滴在向熔池過(guò)渡過(guò)程中系統(tǒng)所提供的能量。 同時(shí)CO2短路過(guò)渡焊的穩(wěn)定性與焊接過(guò)程能量的匹配有很大關(guān)系，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在一個(gè)給定的規(guī)范下存在著使焊接過(guò)程保持穩(wěn)定的最佳短路過(guò)渡頻率，在該過(guò)渡頻率下燃弧與短路過(guò)程的重復(fù)性好，因而焊接過(guò)程具有較高的穩(wěn)定性。 通過(guò)調(diào)節(jié)燃弧能量Qa及短路能量Qs的匹配及其比值對(duì)焊縫尺寸及過(guò)渡頻率的影響實(shí)

4、驗(yàn)，得出結(jié)論：燃弧能量Qa主要對(duì)焊縫的寬度(熔寬)影響較大，Qa值越高則熔寬較大、電弧穩(wěn)定性高，反之熔深較淺，且電弧不穩(wěn)定；短路能量Qs主要是短路階段中熔滴向熔池過(guò)渡時(shí)熔滴內(nèi)部積聚能量的釋放，該能量的大小直接影響到焊接過(guò)程的飛濺率，Qs值越大則飛濺率越高、反之則飛濺率減少。而燃弧能量與短路能量比(Qa/Qs)對(duì)焊接質(zhì)量及短路過(guò)渡頻率都有較大的影響，當(dāng)(Qa/Qs)較大時(shí)焊縫成形平坦而且光滑，反之則焊縫成形窄而高。同時(shí)(Qa/Qs)與短路

5、過(guò)渡頻率有很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)(Qa/Qs)合適時(shí)短路過(guò)渡頻率最高焊接過(guò)程最穩(wěn)定。 由此可見(jiàn)獲得良好的焊接質(zhì)量和穩(wěn)定焊接的過(guò)程就是焊接電源提供的諸能量之間的合理匹配的過(guò)程。 利用基于能量調(diào)節(jié)的波形控制方式通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析的方法驗(yàn)證了各控制參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響。通過(guò)大量的工藝實(shí)驗(yàn)確定了可以利用改變?cè)偃蓟‰妷篍i的方式調(diào)節(jié)短路過(guò)渡過(guò)程中的燃弧與短路階段的能量比(Qa/Qs)，從而提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性及改善焊縫成形。同時(shí)由于短

6、路過(guò)渡的過(guò)渡頻率f與能量比(Q/aQs)之間有很強(qiáng)的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可以用短路過(guò)渡頻率f作為控制目標(biāo)而實(shí)現(xiàn)基于能量調(diào)節(jié)的波形控制方式。并由此可以制定出在不改變系統(tǒng)規(guī)范參數(shù)的情況下，完全可以通過(guò)調(diào)節(jié)能量比(Qa/Qs)來(lái)調(diào)整短路過(guò)渡頻率，使焊接過(guò)程保持穩(wěn)定。 以此設(shè)計(jì)出基于能量調(diào)節(jié)的波形控制方案及具體控制區(qū)間，采用PI控制與模糊自尋優(yōu)控制相結(jié)合的控制方式，在保持燃弧階段的恒壓控制對(duì)弧長(zhǎng)波動(dòng)的抗干擾能力的同時(shí)，采用模糊自尋優(yōu)控制對(duì)

7、再燃弧脈沖電壓Ei的調(diào)節(jié)以保證在不改變規(guī)范的前提下合理調(diào)節(jié)能量比(Qa/Qs)調(diào)整短路過(guò)渡頻率使其最優(yōu)。 在數(shù)字化逆變電源的具體設(shè)計(jì)中，首先對(duì)電源系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)，并最后確定恒壓控制的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki使控制波形穩(wěn)定。根據(jù)DSP控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適于數(shù)字化程序控制的易于編程的具體PI算法公式。 在本設(shè)計(jì)中把再燃弧脈沖電壓Ei作為模糊控制的調(diào)節(jié)量，把最佳短路過(guò)渡頻率f作為被控量，采用基于短路過(guò)渡頻