论文摘要
随着薄板和超薄板焊接技术在汽车、集装箱等企业中大量应用，对焊接过程提出了低热输入的要求。短路过渡变极性控制是一种新型的低热输入焊接方法，日益受到关注。然而这种方法尚处于发展的初期阶段，国外参考资料少，国内研究目前还处于起步阶段。因此，对短路过渡的控制及能量分配原理进行深入研究，提出理想的变极性控制方案，并研制出焊接系统平台，是目前焊接技术发展的一个重要课题。为了满足低热输入短路过渡的变极性控制，本文设计了双芯DSP控制的焊接电源系统，由主电路、控制电路和送丝系统三部分组成。双芯分别负责控制电路和送丝系统，两者通过CAN总线进行通信。主电路结构采用二次逆变结构，一次逆变采用全桥双零软开关逆变器，通过PWM控制获得焊接过程中所需的能量；二次逆变采用带耦合电感的半桥逆变结构，实现电流的极性变换，达到低热输入的目的。控制系统以DSP为核心，实现整个系统的时序控制，采用数字PID算法，实现PWM控制的数字化。采用了固定点采样的数值处理方法和整周期协调控制的策略，保证了控制的精度和稳定性。针对传统的软开关逆变电源无法满足700W以下的低功率输出的问题，创造性地提出“两级连续PWM控制方法”，使逆变电源能在全桥和半桥两种工作方式下切换，解决软开关逆变电源小功率输出的问题，从而真正实现低热输入。数字化送丝系统是数字化焊接电源的重要组成部分，其性能的好坏直接影响整个系统的精度及焊接过程稳定性，因此提高送丝系统的稳态精度和快速响应性是焊接过程中不可回避的问题。本文设计了受限单极式可逆PWM调速电路，控制芯片采用DSP，通过CAN总线与焊接电源的控制系统进行通信。通过采样电流断续时的电枢感应电压，采用数字PI方法调节PWM占空比，维持电枢感应电压恒定，从而保证送丝电机转速恒定。采用模糊PI控制技术在线整定PI参数，可提高送丝系统的动态性能。试验表明，送丝系统的静态和动态性能均高于一般的电枢电压负反馈控制，能够完美地实现送丝稳定性。提出基于弧压负反馈的变速送丝系统来解决分段恒流控制引起的弧长不稳定的问题。该系统采用双闭环模糊PI控制，内环采用感应电压负反馈的模糊控制，提高送丝速度的稳定性和快速响应性；外环采用电弧电压负反馈，调节送丝速度，保证弧长的稳定性。试验证明，该方法还能实现恒弧长、等熔深的控制。通过对短路过渡过程中熔滴受力情况的分析，提出一种波形控制方法，在短路初期降低电流减小瞬时飞溅，在短路末期液桥爆断之前迅速降低电流，使熔滴在表面张力的作用下稳定过渡。在燃弧期间采用大恒流+小恒流控制，可精确控制燃弧能量、改善焊缝成形。通过对DCEP和DCEN时焊丝和工件的热作用分析，提出了一种变极性控制方法：在短路末期实现DCEP→DCEN，不影响熔滴过渡和电弧稳定性；在燃弧初期采用DCEN实现焊丝的快速熔化、减小熔池冲击、提高熔敷效率；在燃弧后期DCEN→DCEP，对熔滴进行整形，便于熔滴过渡。提出一种电流控制方法，可避免燃弧后期极性变换时的熄弧问题，在电流过零前施加较大的燃弧脉冲，保证电流换向的顺利进行。提出一种短路限流加慢送丝的引弧方法，提高了引弧成功率。在分析短路过渡电弧物理特性的基础上，利用Matlab/Simulink工具建立了GMAW焊接电源-电弧系统动态仿真模型。功率变换单元以实际应用电路和器件为原型，所建模型能实现固定臂的零电流开关、移动臂的零电压开关。通过移动臂占空比的调节，验证了软开关逆变电路存在最小输出功率的问题，采用“两级连续PWM控制方法”可以降低功率输出。数字控制单元能根据电弧电压和电流信号实时计算主电路IGBT的驱动信号，实现分段恒流控制，使焊接电流与给定的波控信号具有很好的一致性。短路负载单元考虑了短路期间的熔滴动态变化过程，包括燃弧时弧长变化模型和液桥电路模型。仿真波形与试验结果基本一致，证明所建的系统仿真模型是正确的。在自制的变极性GMAW焊接电源平台上，进行了大量的试验研究。试验结果证明变极性短路过渡焊接方法是一种低热输入的焊接方法。同时论文还针对该方法焊接过程中各种参数大小对能量分配的实际影响作用进行相关试验研究，并得出了相应的规律。
论文目录
相关论文文献
标签：低热输入论文; 短路过渡论文; 熔化极气体保护焊论文; 变极性论文;