焊接熱輸入精確控制機理研究

《焊接熱輸入精確控制機理研究》是依託北京工業大學，由黃鵬飛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：焊接熱輸入精確控制機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃鵬飛
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

精確控制焊接熱輸入並抑制其產生波動是薄板高速焊接工藝的瓶頸問題。當弧長產生擾動時，傳統方式通過調節電弧總能量改變焊絲熔化速度，實現弧長調節。由於擾動無法避免，所以能量波動也無法避免。本課題提出一種新的控制方法：通過改變電弧中用於加熱焊絲的能量占電弧總能量的比例實現弧長調節，可以從根本上抑制焊接熱輸入的波動。設計了一種雙閉環的弧源控制系統，在傳統弧長調節閉環控制的基礎上，增加焊接熱輸入的閉環控制。通過對焊接電流波形進行高頻調製，解耦電流對焊絲熔化和母材加熱的不同作用。通過採用變極性電弧焊接，調節電弧能量在焊絲和母材之間的分配比率。當弧長發生波動時，在調節用於加熱焊絲的能量同時，補償該調節方式對母材熱輸入的影響，使之在熔滴過渡的周期內基本保持不變。該法突破了弧長調節的傳統方式，使焊接熱輸入從線能量控制提升到點能量控制水平，為高速焊接工藝的推廣和套用解決最後一個關鍵問題。

結題摘要

精確控制焊接熱輸入並抑制其產生波動是薄板高速焊接工藝的瓶頸問題。當弧長產生擾動時，傳統方式通過調節電弧總能量改變焊絲熔化速度，實現弧長調節。由於擾動無法避免，所以能量波動也無法避免。 本課題提出一種新的控制方法：通過改變電弧中用於加熱焊絲的能量占電弧總能量的比例實現弧長調節，從而抑制焊接熱輸入的波動。通過對焊接電流波形進行高頻調製，解耦電 流對焊絲熔化和母材加熱的不同作用。通過採用變極性電弧焊接，調節電弧能量在焊絲和母材之間的分配比率。該法突破了弧長調節的傳統方式，對抑制焊接熱輸入的變化具有重要作用。 熔化極氣體保護焊一般採用等速送絲配合平特性電源。為了保證焊接過程的穩定，研製了三種不同的送絲速度調節方法。 （1）採用電樞電壓內反饋實現電機轉速穩定（成果1）。 （2）採用模糊控制技術的變參數PI調節實現電機轉速穩定（成果2）。 （3）採用空間矢量算法實現基於交流伺服電機的送絲速度調節系統，為通過電機控制調節焊接過程奠定基礎（成果3）。 研製了一套具有良好動態回響性能的焊接電源(成果4)，該系統電流變化速度可以達到20A/us以上，在該電源基礎上，調節電弧電流的有效值和平均值之間的差值實現弧長調節的方法。實驗表明高頻脈衝電流的電弧力對焊接過程的穩定性有較大影響，有效值和平均值的差異對弧長調節的效果也比較有限。該套設備通過簡單改裝還可以用於超音頻直流脈衝TIG焊接工藝。 為了充分利用電弧不同極區的產熱不同，研製了一套方波交流電源，通過調節正負半波的比例改變電弧能量在焊絲和母材之間的分配，實現弧長調節的方法（成果5）。該方案適用於焊接電流大於相應焊絲的臨界電流的情況，而在平均電流小於臨界電流時，熔滴過渡呈現大滴過渡，過程無法穩定。僅僅採用調節正負半波比例的方法很難快速改變焊絲的熔化速度，弧長調節速度受到限制。 為了在保持電弧平均電流相同的條件下，增大用於熔化焊絲的電弧能量的變化速度，研製了一套高頻方波交流電源，該設備即可以調節電極正負半波的比例，也可以調節正負半波的幅度，能有效擴大能量調節的範圍，可以提高弧長調解的靈敏度（成果6）。目前初步完成設備的調試過程，即將開始工藝試驗研究。 為了解決短路過渡過程中的能量調節問題，研製了一套具有能量保持迴路的高頻脈衝焊接電源，在短路過渡焊接工藝中，可以控制燃弧階段的電流脈衝（成果7）。目前已經初步完成設備的調試過程，即將開始工藝試驗研究