GMAW-P焊熔滴过渡协同控制的研究
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摘要
GMAW-P焊(Pulsed Gas Metal Arc Welding,脉冲熔化极气体保护焊)是一种高效、优质焊接方法,主要利用脉冲电流来控制熔滴过渡,减小飞溅,改善焊缝成形,提高焊缝质量。GMAW-P焊可在平均电流小于喷射过渡电流情况下实现稳定的喷射过渡,可实现薄板、厚板等多种板厚及全位置的焊接。GMAW-P焊还特别适合热敏感材料的焊接,应用范围越来越广泛。
为满足更高焊接质量要求而产生的新工艺等都对焊接设备提出了更高的要求。一脉一滴是GMAW-P焊的中最理想的一种熔滴过渡形式,通过对熔滴过渡的协同控制进行研究实现稳定的一脉一滴,提高电弧稳定性,进而进一步提高焊接工艺性能。
本课题在分析GMAW-P焊熔滴过渡物理现象的基础上,阐明GMAW-P焊熔滴过渡行为中的焊丝熔化、熔滴受力分析、影响GMAW-P焊熔滴过渡的因素及其规律,设计具有过渡区的脉冲电流控制波形,增强了熔滴的可控性。实现熔滴过渡的协同控制和当前周期的弧长闭环控制,提高了弧长一致性,保证了焊接质量。
本文在Matlab/Simulink环境下对数字控制的GMAW-P焊控制系统进行了建模、仿真,为进一步研究先进控制算法提供了很好的平台。
控制回路采用MCU+DSP双机构建的全数字控制系统,数字送丝机、显示板、主控板组成焊机网络,各部件之间通过数字通讯联接。该系统通过软件实现电流波形的精细控制和弧长的闭环控制,控制灵活,具有较高的精确性和一致性。焊接专家系统内置焊接工艺参数,包括多种焊丝的脉冲参数、一元化调节表格、动态调节系数。
实验结果表明,基于全数字控制的GMAW-P焊机,对熔滴过渡的控制能力较强,可实现稳定的一脉一滴的过渡形式,有较高的弧长一致性,通过改变脉冲电流波形可实现多种材料的焊接。
GMAW-P (Pulsed MIG Welding) is a high effect and high quality welding method. The Melt Metal Droplet transferred is controlled by the pulsed current mostly ,with less spatter ,nice figure and high quality. It can achieve a steady spray transfer in the current range from shoot circuit transfer to spray transfer of common GMAW. It is in favor of thin board welding, thick board welding, and all position welding. GMAW-P adapts welding heat sensitive material also. GMAW-P will be used further and further.
Advanced requirement is put forward to the welding equipment for meeting higher welding quality. One droplet per pulse transfer in GMAW-P droplet transfer ,forms is the most favorable transfer mode. It is important to further improve GMAW-P welding techniques performance and corresponding steady process results by droplet transfer cooperated control design in welding machine research.
In the basis of analysis of droplet transfer physics phenomenon, this paper clarifies GMAW-P wire melting, the forces acting on the droplet, factors and rules of effecting on GMAW-P droplet transfer. Waveform of pulse current is brought forward, that enhances droplet's controllability. These process methods by droplet transfer cooperated control and arc length closed loop control project can improve droplet diameter and arc length and arc stability.
This paper presents an integrated simulation model for full digital controlled PMIG welding system with Matlab/Simulink. The simulation results were utilized to study the issues of digital control PMIG welding in this paper.
The Control loop is a full digital control system introduced by taking "DSP+MCU" as the core. Digital wire feeder, display board and main board make up of welding machine net. The system achieves current and voltage closed loop control by software. The current loop controls current wave fine, that gets the one pulse one droplet. The voltage loop controls arc length , get steady arc and improve the arc length consistency. Expert database realize the synergic adjustment and droplet transfer cooperate control.
The results of the experiment show that the full digital GMAW-P inverter with well control ability of droplet transfer realizes one pulse one droplet and has the high arc length consistency. Multi-material will be weld by changing the pulse current wave form.
为满足更高焊接质量要求而产生的新工艺等都对焊接设备提出了更高的要求。一脉一滴是GMAW-P焊的中最理想的一种熔滴过渡形式,通过对熔滴过渡的协同控制进行研究实现稳定的一脉一滴,提高电弧稳定性,进而进一步提高焊接工艺性能。
本课题在分析GMAW-P焊熔滴过渡物理现象的基础上,阐明GMAW-P焊熔滴过渡行为中的焊丝熔化、熔滴受力分析、影响GMAW-P焊熔滴过渡的因素及其规律,设计具有过渡区的脉冲电流控制波形,增强了熔滴的可控性。实现熔滴过渡的协同控制和当前周期的弧长闭环控制,提高了弧长一致性,保证了焊接质量。
本文在Matlab/Simulink环境下对数字控制的GMAW-P焊控制系统进行了建模、仿真,为进一步研究先进控制算法提供了很好的平台。
控制回路采用MCU+DSP双机构建的全数字控制系统,数字送丝机、显示板、主控板组成焊机网络,各部件之间通过数字通讯联接。该系统通过软件实现电流波形的精细控制和弧长的闭环控制,控制灵活,具有较高的精确性和一致性。焊接专家系统内置焊接工艺参数,包括多种焊丝的脉冲参数、一元化调节表格、动态调节系数。
实验结果表明,基于全数字控制的GMAW-P焊机,对熔滴过渡的控制能力较强,可实现稳定的一脉一滴的过渡形式,有较高的弧长一致性,通过改变脉冲电流波形可实现多种材料的焊接。
GMAW-P (Pulsed MIG Welding) is a high effect and high quality welding method. The Melt Metal Droplet transferred is controlled by the pulsed current mostly ,with less spatter ,nice figure and high quality. It can achieve a steady spray transfer in the current range from shoot circuit transfer to spray transfer of common GMAW. It is in favor of thin board welding, thick board welding, and all position welding. GMAW-P adapts welding heat sensitive material also. GMAW-P will be used further and further.
Advanced requirement is put forward to the welding equipment for meeting higher welding quality. One droplet per pulse transfer in GMAW-P droplet transfer ,forms is the most favorable transfer mode. It is important to further improve GMAW-P welding techniques performance and corresponding steady process results by droplet transfer cooperated control design in welding machine research.
In the basis of analysis of droplet transfer physics phenomenon, this paper clarifies GMAW-P wire melting, the forces acting on the droplet, factors and rules of effecting on GMAW-P droplet transfer. Waveform of pulse current is brought forward, that enhances droplet's controllability. These process methods by droplet transfer cooperated control and arc length closed loop control project can improve droplet diameter and arc length and arc stability.
This paper presents an integrated simulation model for full digital controlled PMIG welding system with Matlab/Simulink. The simulation results were utilized to study the issues of digital control PMIG welding in this paper.
The Control loop is a full digital control system introduced by taking "DSP+MCU" as the core. Digital wire feeder, display board and main board make up of welding machine net. The system achieves current and voltage closed loop control by software. The current loop controls current wave fine, that gets the one pulse one droplet. The voltage loop controls arc length , get steady arc and improve the arc length consistency. Expert database realize the synergic adjustment and droplet transfer cooperate control.
The results of the experiment show that the full digital GMAW-P inverter with well control ability of droplet transfer realizes one pulse one droplet and has the high arc length consistency. Multi-material will be weld by changing the pulse current wave form.
引文
[1]潘际銮等.焊接手册.第一卷[v]北京:机械工业出版社.1992.11:72.
[2]蒙永民,黄石生等.GMAW-P焊熔滴过渡及其控制的研究现状与发展.电焊机.2000年第1期.
[3]Amin,N.1983.Pulsed current parameters for arc stability and controlled metal transfer in arc welding.Metal Construction,(5):272-278
[4]Allum,C.J.Metal transfer in arc welding as a varicose instability Ⅱ:Development of modal for arc welding.Journal of Physics D:Applied Physics,1985(18):1447-1468
[5]Wang Q L,Li P Li.Arc light sensing of droplet transfer and its analysis in pulsed GMAWprocess[J].Welding Journal,1997,76(11):458-469.
[6]彭海燕,黄石生等.脉冲MIG焊熔滴过渡控制的发展现状.焊接技术.2007年第1期.
[7]Johnson J A,Carison N M,Smart H B,et al.Process Control of GTAW:Sensoring of Metal Transfer Mode[J].Welding Journal,1991,70(4):91-s-99-s.
[8]Zhang Y M,Liguo E,Kovacevic R,et al.Active Metal Transfer Control by Monitoring Excited Droplet Oscillation[J].Welding Journal,1998,77(9):388-395.
[9]J A Johson,MCCLURE J C,FENG Z,et al.A thermal model of friction stir welding[A].Proceedings of the International Conference on Trends in Welding Research,Pine Mountain,2002.
[10]柳刚,封云,李俊岳,等.MIG焊熔滴过渡的电弧光谱信号[J].焊接学报,2004,25(1):40-44.
[11]杨立军,李桓,胡胜钢,等.光谱控制的逆变脉冲MIG焊电源及控制系统[J].焊接学报,2001,22(1):41-44.
[12]王其隆,张九海等.自适应Synergic脉冲MIG(MAG)焊微机控制研究.焊接.
[13]傅希圣,李烨.焊丝熔化率公式研究.焊接学报,1995年12月.
[14][苏]A.A.叶罗欣.熔焊原理[M].机械工业出版社.1979.
[15]王震澂,郝廷玺.气体保护焊工艺和设备[M].国防工业出版社,1996.
[16]黄勇.CO2焊熔滴短路过渡过程的分析与控制[J].北京工业大学学报.1998,24(3):76-80.
[17]焊接技术[M].天津市焊接研究所,中国工程建设焊接协会编,1999.
[18]殷树言,气体保护焊工艺基础[M].机械工业出版社,2007.
[19]殷树言,刘嘉等.从电弧物理的角度看GMA焊的发展.焊接技术.2001年第6期.
[20]林三宝等,电弧焊基础[M].机械工业出版社,2003.
[21]邢丽,朱余荣等.脉冲MAG焊时保护气体成分对电弧静特性和熔滴过渡的影 响.焊接.1996年第12期.
[22]孙栋,赵举东等.智能控制MIG焊熔滴过渡.电焊机.1996(2).
[23]李士凯,陈茂爱等.脉冲GMAW熔滴过渡动态过程的解析模型.焊接学报.2004年第2期.
[24]王伟明.逆变式GMA单脉冲和双脉冲焊机数字控制系统研究(D).北京工业大学博士论文.
[25]蒙永民,GMAW-P焊熔滴过渡模糊控制的研究[D].华南理工大学博士论文.
[26]王雅生.Ar-CO2混合气体焊丝熔化特性研究.
[27]包晔峰,殷俊.铝合金脉冲MIG焊自调节功特性研究.铁道车辆.1998年第4期.
[28]黄鹏飞,卢振洋等.熔化极脉冲氩弧焊弧长动态调节性能研究.机械工程学报.2005年第1期.
[29]卢振洋,黄鹏飞等.U-I模式脉冲MAG焊脉冲参数对熔滴过渡影响规律.2006年第5期.
[30]张光先.逆变焊机控制原理.机械工业出版社,2008.
[31]彭金宁,陈丙森.焊接专家系统在我国的发展.焊接.1993(11).
[32]柯利涛,黄石生等.中值时间对脉冲MIG焊熔滴过渡过程的影响.焊接.2006(8).
[33]吴开源,黄石生等.脉冲MAG焊后中值脉冲工艺研究.中国机械工程2007年第20期.
[34]吴开源,黄石生等.脉冲MIG焊熔滴过渡中值波形的控制策略.2004年第4期.
[35]黄石生,蒙永民等.脉冲MIG焊动态过程的仿真.电焊机.2001年第4期.
[36]傅希圣,牛尾诚夫.MAG焊时焊丝熔化速度与送丝速度稳定平衡的物理本质.焊接技术.1993年第3期.
[37]姜伟雁,张九海等.MIG(MAG)脉冲焊熔滴的过渡行为.焊接学报.1994年第1期.
[38]丁京柱.全数字化CO2气体保护焊机研究[D].北京工业大学博士论文.
[39]吴开源,黄石生等.基于DSP的GMAW_P焊数字化控制系统.焊接学报.2007年第11期.
[40]邵贝贝、龚光华.Motorola DSP型16位单片机原理与实践.2003.
[41]Freescale.56F8300 Peripheral User Manual.Rev.6.http://www.freescale.com.11/2004.
[42]杨剑,刘光斌.单片机系统中应用的几种数字滤波方式.微计算机应用.2006年第1期.
[2]蒙永民,黄石生等.GMAW-P焊熔滴过渡及其控制的研究现状与发展.电焊机.2000年第1期.
[3]Amin,N.1983.Pulsed current parameters for arc stability and controlled metal transfer in arc welding.Metal Construction,(5):272-278
[4]Allum,C.J.Metal transfer in arc welding as a varicose instability Ⅱ:Development of modal for arc welding.Journal of Physics D:Applied Physics,1985(18):1447-1468
[5]Wang Q L,Li P Li.Arc light sensing of droplet transfer and its analysis in pulsed GMAWprocess[J].Welding Journal,1997,76(11):458-469.
[6]彭海燕,黄石生等.脉冲MIG焊熔滴过渡控制的发展现状.焊接技术.2007年第1期.
[7]Johnson J A,Carison N M,Smart H B,et al.Process Control of GTAW:Sensoring of Metal Transfer Mode[J].Welding Journal,1991,70(4):91-s-99-s.
[8]Zhang Y M,Liguo E,Kovacevic R,et al.Active Metal Transfer Control by Monitoring Excited Droplet Oscillation[J].Welding Journal,1998,77(9):388-395.
[9]J A Johson,MCCLURE J C,FENG Z,et al.A thermal model of friction stir welding[A].Proceedings of the International Conference on Trends in Welding Research,Pine Mountain,2002.
[10]柳刚,封云,李俊岳,等.MIG焊熔滴过渡的电弧光谱信号[J].焊接学报,2004,25(1):40-44.
[11]杨立军,李桓,胡胜钢,等.光谱控制的逆变脉冲MIG焊电源及控制系统[J].焊接学报,2001,22(1):41-44.
[12]王其隆,张九海等.自适应Synergic脉冲MIG(MAG)焊微机控制研究.焊接.
[13]傅希圣,李烨.焊丝熔化率公式研究.焊接学报,1995年12月.
[14][苏]A.A.叶罗欣.熔焊原理[M].机械工业出版社.1979.
[15]王震澂,郝廷玺.气体保护焊工艺和设备[M].国防工业出版社,1996.
[16]黄勇.CO2焊熔滴短路过渡过程的分析与控制[J].北京工业大学学报.1998,24(3):76-80.
[17]焊接技术[M].天津市焊接研究所,中国工程建设焊接协会编,1999.
[18]殷树言,气体保护焊工艺基础[M].机械工业出版社,2007.
[19]殷树言,刘嘉等.从电弧物理的角度看GMA焊的发展.焊接技术.2001年第6期.
[20]林三宝等,电弧焊基础[M].机械工业出版社,2003.
[21]邢丽,朱余荣等.脉冲MAG焊时保护气体成分对电弧静特性和熔滴过渡的影 响.焊接.1996年第12期.
[22]孙栋,赵举东等.智能控制MIG焊熔滴过渡.电焊机.1996(2).
[23]李士凯,陈茂爱等.脉冲GMAW熔滴过渡动态过程的解析模型.焊接学报.2004年第2期.
[24]王伟明.逆变式GMA单脉冲和双脉冲焊机数字控制系统研究(D).北京工业大学博士论文.
[25]蒙永民,GMAW-P焊熔滴过渡模糊控制的研究[D].华南理工大学博士论文.
[26]王雅生.Ar-CO2混合气体焊丝熔化特性研究.
[27]包晔峰,殷俊.铝合金脉冲MIG焊自调节功特性研究.铁道车辆.1998年第4期.
[28]黄鹏飞,卢振洋等.熔化极脉冲氩弧焊弧长动态调节性能研究.机械工程学报.2005年第1期.
[29]卢振洋,黄鹏飞等.U-I模式脉冲MAG焊脉冲参数对熔滴过渡影响规律.2006年第5期.
[30]张光先.逆变焊机控制原理.机械工业出版社,2008.
[31]彭金宁,陈丙森.焊接专家系统在我国的发展.焊接.1993(11).
[32]柯利涛,黄石生等.中值时间对脉冲MIG焊熔滴过渡过程的影响.焊接.2006(8).
[33]吴开源,黄石生等.脉冲MAG焊后中值脉冲工艺研究.中国机械工程2007年第20期.
[34]吴开源,黄石生等.脉冲MIG焊熔滴过渡中值波形的控制策略.2004年第4期.
[35]黄石生,蒙永民等.脉冲MIG焊动态过程的仿真.电焊机.2001年第4期.
[36]傅希圣,牛尾诚夫.MAG焊时焊丝熔化速度与送丝速度稳定平衡的物理本质.焊接技术.1993年第3期.
[37]姜伟雁,张九海等.MIG(MAG)脉冲焊熔滴的过渡行为.焊接学报.1994年第1期.
[38]丁京柱.全数字化CO2气体保护焊机研究[D].北京工业大学博士论文.
[39]吴开源,黄石生等.基于DSP的GMAW_P焊数字化控制系统.焊接学报.2007年第11期.
[40]邵贝贝、龚光华.Motorola DSP型16位单片机原理与实践.2003.
[41]Freescale.56F8300 Peripheral User Manual.Rev.6.http://www.freescale.com.11/2004.
[42]杨剑,刘光斌.单片机系统中应用的几种数字滤波方式.微计算机应用.2006年第1期.
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