冷丝填充埋弧焊填充速度控制算法的研究

摘要

采用埋弧焊焊接高强钢、控轧钢等热敏感性强的材料时，由于高热输入导致熔池存在过多的热量，致使母材受到过热损害，其热影响区晶粒组织变得粗大，易产生脆化等现象。合理控制熔池的能量分配可以减小过热对母材的损害。冷丝填充埋弧焊就是通过插入冷丝(不通电的填充丝)来调节熔池热量分配过程，减少热量对母材过热损害的一种工艺方法。冷丝填充埋弧焊接过程中，合理的冷丝填充量是决定这种工艺方法成败的主要因素。采用自行搭建的冷丝填充埋弧焊成套装置，开展了这种工艺实现方法的研究。主要研究内容包括：
　　 (1)搭建了实现冷丝填充埋弧焊工艺的成套装置。该装置主要包括冷丝送丝机构和实现冷丝填充埋弧焊工艺过程的单片机控制系统。采用Pro-E实体建模方法设计的送丝机构可以实现冷丝插入的位置、角度等功能的调节，通过调节送丝电机电枢电压的方法实现了冷丝填充量的控制。搭建的以80C196KB单片机为核心的双机数字控制系统，通过设定熔池长度阈值作为判据，实现了冷丝填充埋弧自动焊接过程控制。
　　 (2)研究了冷丝填充埋弧焊接过程熔池热量分配机理。在热传学的基础上，采用双椭球体移动热源模式，建立了冷丝填充埋弧焊熔池热场的三维动态有限元计算模型。搭建了以热电偶、XMC5000数据采集器、计算机为核心的温度采集系统，采用MCGS组态软件构建的人机界面，实现了焊接过程的温度的实时采集、显示和存储等功能。通过有限元模型仿真输出与实际测定结果对比表明，热循环曲线、以及验证区域点的温度值基本吻合，建立的有限元模型可以用于冷丝填充埋弧焊熔池的热场动态分析。通过对比添加冷丝和不加冷丝时的数值模拟结果，探明了冷丝填充埋弧焊接过程热量分配机理。
　　 (3)探索了一种冷丝填充速度的自适应控制算法。首先，通过实验研究了冷丝填充量对冷丝填充埋弧焊焊缝成形参数、微观组织和力学性能的影响规律，以冷丝填充埋弧焊熔池热量动态分配平衡方程为基础，推导出了冷丝填充速度的控制方程。其次，以焊缝成形、微观组织和力学性能为评价指标，通过大量工艺试验构造了冷丝填充埋弧焊电弧电压U、焊接电流I和焊接速度v与冷丝填充速度v1，的映射关系。最后，采用基于遗传算法的BP神经网络(GABP)的模式识别方法，实现了以U、I、v，为输入向量，v1为目标向量的映射模型。模型仿真结果与实际测定值的线性相关系数达到0.99188，这表明建立的GABP控制算法可以用于计算冷丝填充速度的大小。