高频微束等离子弧焊机控制系统及工艺研究

摘要

人们通常将焊接电流在30A以下的等离子弧焊接称为微束等离子弧焊接,具有电弧拘束度高、能量密度高、电弧稳定性好等特点,特别适用于超细超薄结构件的焊接。现在微束等离子弧焊已经广泛的用于焊接不锈钢、铜、钛、钨等各种材料,在电子工业、仪器仪表、航空航天等领域内得到广泛地应用。国外对微束等离子弧焊的研究起步较早,1965年瑞士的一家公司即已研究了直流正极性电弧的微束等离子弧焊接方法,之后法国、美国等国家也相继展开研究。目前,法国、德国生产的微束等离子弧焊机其电流最小可以控制到0.05A,可焊接0.01mm的超薄板。国内的相关研究是从70年代开始,经近40年的研究现已取得一些成绩,但与国外的技术水平仍有一定差距。
　　本文主要对微束等离子弧焊机的控制系统和工艺实验进行了研究,研究内容主要包含模拟控制系统、数字控制系统、超小电流稳定输出和工艺实验四个方面。
　　本文从P-MPAW主弧逆变电源控制系统、P-MPAW主弧逆变电源控制与驱动系统、P-MPAW维弧控制系统三部分进行了微束等离子弧焊机模拟控制系统的研究。进行了各部分电路的设计和调试分析,最终得到了符合设计要求的微束等离子弧焊机模拟控制系统。之后,进行了微束等离子弧焊机数字控制系统的研究,从硬件电气原理、软件实现原理、试验调试、操作流程四个方面展开。完成的高频微束等离子焊机控制系统实现了全数字化技术,并且可实现直流和脉冲电流两种电流类型以及多种焊接参数、焊接功能可调。
　　对高频微束等离子弧焊超小电流输出的特殊技术研究是从焊接电源、焊枪结构、高频脉冲三个方面展开。研究中电弧电源由主弧电源和小弧电源两部分组成,解决了电源输出的焊接电流范围较大(最大电流是最小电流的375倍),单纯的采用脉宽调制很难实现精确控制的问题。研究中发现,焊枪喷嘴直径对电弧的稳定燃烧最大临界弧长和起弧难度有很大影响,随着喷嘴直径的增加,电弧的稳定燃烧最大临界弧长增加,但是电弧的起弧难度增大。脉冲焊接电流对提高电弧的拘束度和稳定性有重要影响,脉冲焊接电流将会导致带电离子径向分布的变化,增大了弧柱区的电弧压力,从而提高电弧的挺度和能量密度,增大了电弧的稳定性。
　　研究中焊接工艺部分的进行了高频微束等离子弧焊焊接超薄超细材料的实验,成功进行了丝径0.2mm的不锈钢筛网和厚度0.05mm的钛箔的焊接。在此基础上,研究了微束等离子弧焊的工艺规律,分析了各工艺参数对各种超薄超细材料焊接质量的影响,此外还对焊接中缺陷产生的原因进行了分析,并提出了相应的预防措施。本文对微束等离子弧焊工艺的研究为微束等离子弧焊在超细超薄材料领域的应用提供指导,对加快微束等离子弧焊的推广应用具有重要意义。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2微束等离子弧焊机控制系统的发展

1.3微束等离子弧焊焊接工艺的发展

1.4研究内容和创新点

1.5 研究意义

第二章 高频微束等离子弧焊机模拟控制系统的研究

2.1 P-MPAW主弧逆变电源控制系统的原理及分析

2.2 P-MPAW主弧逆变电源控制与驱动的原理及分析

2.3 P-MPAW维弧逆变电源控制驱动的原理及分析

2.4 调试结果及分析

2.5 本章小结

第三章 高频微束等离子弧焊机控制系统的数字化

3.1 硬件电气原理

3.2 软件实现原理

3.3 试验调试

3.4 本章小结

第四章 高频微束等离子弧焊超小电流输出的特殊技术研究

4.1 稳弧电源

4.2 喷嘴尺寸

4.3高频脉冲的压缩效应对电弧稳定性的影响

4.4本章小结

第五章 超薄超细件特殊焊接工艺的研究

5.1 超薄超细件的焊接难点

5.2 超细不锈钢筛网的微束等离子弧焊工艺研究

5.3 钛箔的微束等离子弧焊工艺研究

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢