推拉丝短路过渡CO2焊焊接系统及过程精密控制研究

论文摘要

现代制造业的发展对产品的最终质量和加工过程都提出了更高的要求,当前汽车、摩托车、集装箱、家电等行业轻量化产品的推广应用对高质量薄板焊接技术的需求日渐增加。由于薄板对热量的敏感性强,焊接过程中在降低热量输入的同时还必须保证能量分布均匀一致。针对薄板焊接的这一特点,提出了一种基于推拉送丝方式的低飞溅、低能量、过程精密控制的推拉丝短路过渡CO2焊接法。其基本原理是:通过焊丝回抽时的机械力拉断液桥强制熔滴过渡,精确控制短路后期电流利用电阻热调节能量在焊丝与母材间的分配比例,一方面降低了焊接能量,减小了焊接飞溅;另一方面使熔滴过渡变得均匀而有规律,整个过程中能量分布可通过焊接参数的匹配实现精确控制。基于以上思路,设计了以数字化焊接电源为平台、采用高性能交流伺服推拉送丝机构为核心的推拉丝短路过渡CO2焊焊接系统,并通过软件控制的方式实现了上述低飞溅、低能量、过程精密控制的焊接方法。数字化焊接电源以运算速度快、精度高、数据处理能力强的数字信号处理器（TMS320F2812）结合逻辑处理功能强大的CPLD（EPM7128STC100）为控制核心,以软件编程的方式实现了对复杂焊接过程的控制。推拉送丝部分采用高性能的运动控制卡（PMAC2 PC-104）对转动惯量小、响应速度快的交流伺服电机进行控制实现了焊丝高频率送进-回抽运动,同时采用缓冲器为桥梁将推拉丝部分和等速送丝部分有机的结合为一体,减小焊丝运动阻力,增加了送丝距离。通过接口电路实现了焊接电源与送丝系统的连接,保证了两者可靠的协同工作。结合推拉丝短路过渡CO2焊的特点设计了焊丝的运动曲线和电流、电压波形控制方案,在短路期间采用电流控制而燃弧期间采用电压控制,有效保证了弧长的自调节能力,提出了运动参数及焊接参数的选取原则,通过电流、电压波形控制方案与焊丝运动相配合实现了稳定可靠的推拉丝短路过渡CO2焊焊接过程。分析了焊接过程中熔滴过渡的具体特点,短路初期焊丝减速送进保证了熔滴与熔池间的充分润湿,避免了瞬时短路飞溅的发生;短路末期熔滴在较小的电流水平靠机械力拉断液桥,消除了因过电流爆断液桥时产生的飞溅。整个过程熔滴在焊丝送进-回抽的强制作用下均匀、柔顺地过渡,实现了焊接过程的精确控制,同时通过电参数的配合可以对焊接过程中的能量分布进行精密控制。针对焊接过程中焊丝与母材熔化的不同特点,利用等效短路电流Ies和等效燃弧电流Iea分析了电阻热对焊接能量分配规律的影响,从而揭示了推拉丝短路过渡低热输入的机理:在送丝速度不变时,充分利用电阻热对焊丝熔化的促进作用可以有效降低燃弧期间的电弧热量,从而降低了焊接过程对母材的热输入。传统短路过渡中增加干伸长是通过增加电阻的方式增加电阻热,而推拉丝短路过渡则是通过增加等效短路电流Ies的方式增加电阻热的作用,两者均可在一定程度上降低焊接热输入。经能量对比分析可知由于附加机械力的作用摆脱了熔滴过渡对短路电流的依赖,使得推拉丝短路过渡焊接过程无论总能量还是燃弧期间能量均要低于传统短路过渡方法,并且能量分布均匀性好,为实现高质量的薄板焊接工艺奠定了基础。分析了推拉丝短路过渡CO2焊控制参数对能量分配规律的影响,结果表明随着短路末期电流的增加和燃弧峰值电压的减小,在总的焊接能量逐渐减小的同时燃弧期间能量进一步降低,可以实现更低的焊接热输入。随着熔滴过渡频率的增加,等效燃弧电流呈上升趋势,对母材的热输入也有所提高。分析表明采用燃弧期间电压控制的方法,不论焊接过程中控制参数如何变化,对整个焊接能量影响最根本的因素是等效短路电流Ies和等效燃弧电流Iea,其中等效短路电流以电阻热的形式产生热量并全部用于熔化焊丝而等效燃弧电流则决定了对母材热输入的大小。利用推拉送丝系统本身的特点,设计了回抽引弧方案,实现了可靠的引弧过程,为实现稳定的焊接过程提供了保障。推拉送丝短路过渡过程熔滴过渡有规律,能量分布均匀一致,不论在小电流还是大电流时焊缝成形均平整美观。由于电阻热的作用焊接热输入较小,焊缝成形更窄更高,可根据实际焊接的需要合理匹配I H和U P以得到理想的焊缝成形。此外推拉丝短路过渡对熔池冲击小,能量分布均匀,可形成均匀的、较浅的熔深,为推拉丝短路过渡CO2焊在堆焊和修复方面的应用提供了广阔的前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 薄板焊接的研究现状
• 1.2.1 TIG 焊
• 2 短路过渡焊接'>1.2.2 CO₂短路过渡焊接
• 1.2.3 脉冲MIG 焊
• 1.2.4 交流短路过渡焊
• 1.2.5 Cold Arc－冷电弧焊接（Cold Arc）
• 1.2.6 薄板焊接工艺研究目标
• 2 焊飞溅控制方法的研究现状'>1.3 短路过渡CO₂焊飞溅控制方法的研究现状
• 2 焊飞溅产生的原因'>1.3.1 短路过渡CO₂焊飞溅产生的原因
• 2 焊飞溅控制研究现状'>1.3.2 短路过渡CO₂焊飞溅控制研究现状
• 1.3.3 推拉丝短路过渡发展现状
• 1.4 各种焊接方法的电弧能量对比
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 数字化焊接电源系统的研制
• 2.1 引言
• 2 焊接系统的总体介绍'>2.2 推拉丝CO₂焊接系统的总体介绍
• 2.3 数字焊接电源系统设计
• 2.3.1 数字化逆变电源主电路
• 2.3.2 数字电源控制电路及接口设计
• 2.3.3 人机交互接口及参数设定
• 2.4 数字化焊接电源系统软件设计
• 2.4.1 DSP 软件控制系统
• 2.4.2 数字PI 设计
• 2.4.3 DSP 控制系统与人机交互界面的通信设计
• 2.5 数字电源平台的调试
• 2.5.1 恒流、恒压外特性测试
• 2.5.2 电源动特性测试
• 2.6 本章小结
• 2焊送丝系统的研制'>第3章 推拉丝CO₂焊送丝系统的研制
• 3.1 引言
• 3.2 推拉送丝系统设计
• 3.2.1 推拉送丝系统总体设计
• 3.2.2 伺服电机推拉送丝系统设计
• 3.2.3 缓冲器设计与实现
• 3.2.4 等速送丝系统设计
• 3.3 送丝系统性能测试
• 3.3.1 交流伺服推拉送丝部分性能测试
• 3.3.2 等速送丝部分性能测试
• 3.4 本章小结
• 2焊控制方案及参数优化'>第4章 推拉丝CO₂焊控制方案及参数优化
• 4.1 引言
• 4.2 推拉送丝熔滴过渡过程分析
• 4.3 送丝过程运动模型建立
• 4.4 焊丝运动参数规划
• 4.4.1 焊丝运动时间的确定
• 4.4.2 焊丝送进-回抽量的确定
• 4.4.3 电机参数的确定及焊丝的运动曲线规划
• 4.4.4 推拉送丝短路过渡过程熔滴受力分析
• 4.5 焊接波形控制方案及参数优化设计
• 4.5.1 传统短路过渡波形控制方案分析
• 2 焊波形控制及参数优化方案'>4.5.2 推拉丝CO₂焊波形控制及参数优化方案
• 4.5.3 波形控制初步试验
• 4.6 推拉丝短路过渡焊的熔滴过渡过程
• 4.7 本章小结
• 2焊工艺参数影响规律分析'>第5章 推拉丝CO₂焊工艺参数影响规律分析
• 5.1 引言
• 2 焊低能量规律分析'>5.2 推拉送丝短路过渡CO₂焊低能量规律分析
• 5.2.1 短路过渡焊接过程焊丝与母材熔化能量分配关系
• 5.2.2 电阻热对短路/燃弧能量影响规律分析
• 2 焊与传统方法能量对比分析'>5.2.3 推拉丝短路过渡CO₂焊与传统方法能量对比分析
• H和U_P 参数匹配对于焊接过程稳定性及能量分配的影响'>5.3 I_H和U_P参数匹配对于焊接过程稳定性及能量分配的影响
• H和U_P 参数匹配对能量分配的影响'>5.3.1 I_H和U_P参数匹配对能量分配的影响
• H对熔滴过渡及I_H和U_P 参数匹配对焊接过程稳定性的影响'>5.3.2 I_H对熔滴过渡及I_H和U_P参数匹配对焊接过程稳定性的影响
• 2 焊接工艺影响的分析'>5.4 熔滴过渡频率对推拉丝短路过渡CO₂焊接工艺影响的分析
• 5.5 本章小结
• 2焊接工艺初步研究'>第6章 推拉丝CO₂焊接工艺初步研究
• 6.1 引言
• 6.2 回抽引弧与熄弧再引燃性能研究
• 6.2.1 回抽引弧性能研究
• 6.2.2 熄弧再引燃性能研究
• 2 焊接过程飞溅研究'>6.3 推拉丝短路过渡CO₂焊接过程飞溅研究
• 2 焊焊缝成形分析'>6.4 推拉丝短路过渡CO₂焊焊缝成形分析
• 6.4.1 焊缝外观对比
• 6.4.2 焊缝成形特点分析
• 6.5 推拉丝短路过渡焊接设备性能提升及应用前景展望
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢