新型低能量输入电弧焊接系统及其过程控制研究

摘要

近年来，随着汽车工业的发展需要，汽车所用板材越来越薄，薄板的焊接需要降低能量输入。根据汽车薄板的焊接工艺要求，提出了新型低能量输入焊接法，即NLEI焊接法。其基本思路为：首先设定焊丝的运动曲线，使其周期性的做前进一回抽的往复运动，焊接过程不需在线调整，然后使焊接电源配合焊丝的运动输出相应的电流、电压波形，实现稳定的推拉丝短路过渡，达到降低焊接过程能量输入的目的。 根据这一思路，设计了基于推拉丝短路过渡的低能量输入电弧焊接系统，简称NLEI焊接系统。该系统由焊接电源和送丝系统两部分组成，并由软件实现焊接过程的控制。焊接电源的控制核心采用数字信号处理器TMS320F2812，充分利用DsP运算速度快、精度高、数据处理能力强、I/O口资源丰富等优势，用软件编程实现复杂焊接过程的控制，减少了复杂的硬件控制电路，使焊接设备向柔性化控制方向发展；送丝系统由交流伺服电机及其控制系统组成，可以根据实际需要灵活的编制焊丝前进一回抽运动曲线；通过送丝机接口电路实现了焊接电源和送丝系统的连接，保证了焊接过程中二者的通讯与协调。 针对NLEI焊接法推拉丝短路过渡的特点，设计了专门的波形控制方案，包括送丝控制和电流波形控制两方面。预先离线设定焊丝运动曲线，在实际焊接过程中通过电流波形与焊丝运动进行配合完成焊接。试验证明，二者配合良好，焊接过程稳定可靠。 设计了专门的弧长调节模糊控制方案，以平均电压的变化及其变化率为输入，以燃弧脉冲峰值电流的校正量为输出，通过调整焊丝的熔化来对弧长的变化进行调节。通过试验表明，所设计的弧长调节模糊控制方案，能根据弧长的变化进行自动调整，使弧长保持在一个稳定的范围内，具有较强的适应能力，保证了焊接过程的稳定。 分析了NLEI焊接法推拉丝短路过渡过程，对比了传统短路过渡和推拉丝短路过渡的熔滴受力情况。与传统短路过渡依靠较大短路电流产生电磁收缩力使液体金属形成颈缩和短路小桥过热爆断相比，NLEI法熔滴过渡是在较小短路电流下主要依靠焊丝回抽拉断熔滴，从而大大降低了焊接过程能量输入。 分析了燃弧脉冲峰值电流I<,ap>和短路后期电流Ih的参数匹配对于实现焊接参数和焊丝运动协调控制的影响。通过试验得到了I<,ap>和I<,h>的参数匹配区间，在这一区间内，可以实现焊接参数和焊丝运动的协调工作，获得稳定的焊接过程。 通过对焊接过程熔池能量输入的计算与检测，找到了NLEI焊接法推拉丝短路过渡的能量分配规律：由于电阻热的影响，短路后期能量Q<,h>对于熔化焊丝有重要作用，是熔化焊丝能量的重要组成部分，而对于加热熔池的贡献很小；由于电弧热的影响，燃弧脉冲峰值能量Q<,ap>是加热熔池的最主要能量来源，对于熔化焊丝形成熔滴也起着重要的作用。根据该规律可知：NLEI焊接法推拉丝短路过渡除了通过短路后回抽焊丝拉断熔滴，从而靠外加能量完成熔滴过渡降低能量输入外；还可以通过选择不同的参数匹配方式，采用较低燃弧脉冲峰值电流I<,ap>、较大的短路后期电流I<,h>来实现进一步降低焊接过程能量输入的目的。 采用NLEI焊接法，对薄板钢铝异种金属焊接进行了探索性研究，通过分析接头的界面组织，测试接头的力学性能，发现采用NLEI法可以得到性能良好的薄板钢铝异种金属焊接接头。 探讨了焊接工艺参数及合金元素锌对于钢铝异种金属接头性能的影响：焊枪位置对于焊接钢铝异种金属搭接焊缝非常重要，稍有偏差就会造成焊接失败，焊枪位置以选在正对焊缝中间处为最佳；焊接速度越快，温度梯度越大，线能量越低，金属间化合物层厚度越小，但是焊接速度过快时会影响焊缝金属的润湿，造成焊接失败，当送丝速度为2.16m/min时，焊接速度选在0.4m/min～0.5m/min为宜；锌很好的起到了促进焊缝金属在钢板上润湿铺展的作用，在一定范围内锌层越厚对铝和钢的焊接越有利。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2薄板气体保护焊在汽车工业中的应用

1.2.1 TIG焊

1.2.2 CO2短路过渡焊接

1.2.3脉冲MIG焊

1.2.4电弧钎焊

1.3薄板钢铝异种金属焊接

1.3.1钢铝焊接性

1.3.2汽车薄板钢铝异种金属电弧焊接研究现状

1.4各种焊接方法的电弧能量对比

1.5推拉丝短路过渡发展现状

1.6不同推拉丝短路过渡方法优缺点比较

1.7本课题基本思路和主要研究内容

第2章NLEI电弧焊接系统的研制

2.1引言

2.2 NLEI电弧焊接系统总体构成

2.3 NLEI焊接电源

2.3.1主电路工作原理

2.3.2控制电路硬件设计

2.3.3控制系统软件编程

2.3.4电源的调试

2.4送丝系统

2.4.1送丝电机

2.4.2电机控制器

2.4.3焊丝运动曲线设计

2.5送丝机接口电路

2.6本章小结

第3章NLEI焊接过程控制

3.1引言

3.2 NLEI焊接法波形控制方案

3.2.1送丝控制

3.2.2波形控制

3.2.3 NLEI法焊接过程的波形控制及参数选取原则

3.2.4波形控制试验

3.3 NLEI焊接法弧长调节控制方案

3.3.1 NLEI焊接过程中弧长的变化

3.3.2弧长调节的简单控制方案

3.3.3弧长调节的模糊控制方案

3.4 NLEI法焊接试验

3.4.1 NLEI焊接程序设计

3.4.2斜坡焊接试验

3.4.3不同送丝频率焊接过程

3.4本章小结

第4章NLEI焊接过程及能量分配规律

4.1引言

4.2 NLEI焊电弧引燃

4.3 NLEI焊接法的熔滴过渡过程

4.4不同短路过渡方法熔滴过渡过程对比分析

4.5 Ih和Iap参数匹配对于焊接过程稳定及能量分配的影响

4.5.1 Ih对于电弧再引燃的影响

4.5.2 Ih对于熔滴过渡及Ih和Iap参数匹配对于焊接过程稳定的影响

4.5.3 Ih和Iap参数的匹配关系

4.5.4 Ih和Iap参数匹配对于能量分配规律影响分析

4.5.5 Ih和Iap的不同参数匹配形式对于熔滴过渡的影响

4.6 NLEI法焊接过程的飞溅情况

4.7本章小结

第5章NLEI法焊接薄板钢铝异种金属初步研究

5.1引言

5.2 NLEI法焊接薄板钢铝异种金属试验过程

5.2.1试验材料

5.2.2试验准备

5.2.3接头性能测试

5.3钢铝异种金属NLEI法焊接性研究

5.3.1参数设置

5.3.2焊缝成形与接头形貌

5.3.3界面区显微组织

5.3.4接头拉伸性能

5.4焊接工艺参数对于接头组织性能的影响

5.4.1焊枪位置的影响

5.4.2焊接速度的影响

5.4.3 Iap和Ih参数匹配的影响

5.4.4镀锌层的影响

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢