焊接热输入精确控制机理研究

精确控制焊接热输入并抑制其产生波动是薄板高速焊接工艺的瓶颈问题。当弧长产生扰动时，传统方式通过调节电弧总能量改变焊丝熔化速度，实现弧长调节。由于扰动无法避免，所以能量波动也无法避免。本课题提出一种新的控制方法：通过改变电弧中用于加热焊丝的能量占电弧总能量的比例实现弧长调节，可以从根本上抑制焊接热输入的波动。设计了一种双闭环的弧源控制系统，在传统弧长调节闭环控制的基础上，增加焊接热输入的闭环控制。通过对焊接电流波形进行高频调制，解耦电流对焊丝熔化和母材加热的不同作用。通过采用变极性电弧焊接，调节电弧能量在焊丝和母材之间的分配比率。当弧长发生波动时，在调节用于加热焊丝的能量同时，补偿该调节方式对母材热输入的影响，使之在熔滴过渡的周期内基本保持不变。该法突破了弧长调节的传统方式，使焊接热输入从"线能量"控制提升到"点能量"控制水平，为高速焊接工艺的推广和应用解决最后一个关键问题。

精确控制焊接热输入并抑制其产生波动是薄板高速焊接工艺的瓶颈问题。当弧长产生扰动时，传统方式通过调节电弧总能量改变焊丝熔化速度，实现弧长调节。由于扰动无法避免，所以能量波动也无法避免。.本课题提出一种新的控制方法：通过改变电弧中用于加热焊丝的能量占电弧总能量的比例实现弧长调节，从而抑制焊接热输入的波动。通过对焊接电流波形进行高频调制，解耦电 流对焊丝熔化和母材加热的不同作用。通过采用变极性电弧焊接，调节电弧能量在焊丝和母材之间的分配比率。该法突破了弧长调节的传统方式，对抑制焊接热输入的变化具有重要作用。.熔化极气体保护焊一般采用等速送丝配合平特性电源。为了保证焊接过程的稳定，研制了三种不同的送丝速度调节方法。.1）采用电枢电压内反馈实现电机转速稳定（成果1）。.2）采用模糊控制技术的变参数PI调节实现电机转速稳定（成果2）。.3）采用空间矢量算法实现基于交流伺服电机的送丝速度调节系统，为通过电机控制调节焊接过程奠定基础（成果3）。..研制了一套具有良好动态响应性能的焊接电源(成果4)，该系统电流变化速度可以达到20A/us以上，在该电源基础上，调节电弧电流的有效值和平均值之间的差值实现弧长调节的方法。实验表明高频脉冲电流的电弧力对焊接过程的稳定性有较大影响，有效值和平均值的差异对弧长调节的效果也比较有限。该套设备通过简单改装还可以用于超音频直流脉冲TIG焊接工艺。.为了充分利用电弧不同极区的产热不同，研制了一套方波交流电源，通过调节正负半波的比例改变电弧能量在焊丝和母材之间的分配，实现弧长调节的方法（成果5）。该方案适用于焊接电流大于相应焊丝的临界电流的情况，而在平均电流小于临界电流时，熔滴过渡呈现大滴过渡，过程无法稳定。仅仅采用调节正负半波比例的方法很难快速改变焊丝的熔化速度，弧长调节速度受到限制。.为了在保持电弧平均电流相同的条件下，增大用于熔化焊丝的电弧能量的变化速度，研制了一套高频方波交流电源，该设备即可以调节电极正负半波的比例，也可以调节正负半波的幅度，能有效扩大能量调节的范围，可以提高弧长调解的灵敏度（成果6）。目前初步完成设备的调试过程，即将开始工艺试验研究。.为了解决短路过渡过程中的能量调节问题，研制了一套具有能量保持回路的高频脉冲焊接电源，在短路过渡焊接工艺中，可以控制燃弧阶段的电流脉冲（成果7）。目前已经初步完成设备的调试过程，即将开始工艺试验研究