GMAW-P焊接控制系統(tǒng)及熔滴過渡動態(tài)數(shù)值模擬研究.pdf

1、氣體保護熔化極脈沖電弧焊(GMAW-P)的熔滴形成、熔滴尺寸、熔滴過渡形式及過渡特征等是影響GMAW-P熔滴過渡過程、電弧的穩(wěn)定性、熔池形態(tài)、焊縫成形和焊接質(zhì)量的重要的因素.GMAW-P熔滴過渡過程受弧焊電源控制性能的影響,GMAW-P熔滴的形成、熔滴尺寸及其過渡形式則進一步受脈沖焊接參數(shù)的影響,因此GMAW-P熔滴過渡控制對弧焊電源的輸出特性提出了相應(yīng)的要求.長期以來,GMAW-P焊接電源控制系統(tǒng)的研究設(shè)計及脈沖焊接參數(shù)的選擇主要基于

2、經(jīng)驗和工藝試驗的方法確定,對于一種焊接材料、通常需要進行大量的實驗以確定合適的控制參數(shù)及脈沖焊接參數(shù),其研究周期長、實驗成本高. 論文研制了基于DSP雙閉環(huán)控制的GMAW-P焊接電源系統(tǒng),根據(jù)焊接電源系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、信號傳遞過程及脈沖焊的控制特性,采用Matlab/simulink擴展工具S函數(shù),構(gòu)建了基于S函數(shù)的GMAW-P焊接電源一電弧系統(tǒng)動態(tài)仿真模型,對焊接電源一電弧系統(tǒng)進行了仿真研究,實現(xiàn)了對GMAW-P電源控制器參數(shù)的

3、優(yōu)化設(shè)計.通過對焊接系統(tǒng)仿真及焊接實驗研究表明,仿真結(jié)果與焊接實驗結(jié)果具有較好的一致性；控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能、抗干擾性能和穩(wěn)態(tài)精度；本文所建立的系統(tǒng)仿真模型拓展了GMAW-P焊接電源一電弧系統(tǒng)仿真建模技術(shù),揭示了電源一電弧系統(tǒng)中動態(tài)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系,可以實現(xiàn)控制器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計、驗證控制算法及控制策略,為實際焊接電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)試及先進的數(shù)字控制算法應(yīng)用研究提供了新的解決途徑. 在GMAW-P脈沖熔滴過渡控制的基礎(chǔ)上

4、,根據(jù)磁流體動力學理論,以流體動力學連續(xù)性方程、動量方程為基礎(chǔ),建立了二維GMAW-P熔滴過渡的動態(tài)數(shù)學模型.提出了VOF與CSF相結(jié)合的方法以實現(xiàn)熔滴自由表面跟蹤和熔滴表面張力的處理,在模型中將作用在熔滴表面的等離子流力轉(zhuǎn)化為體積力形式加以處理.基于所建立的二維GMAW-P熔滴過渡的動態(tài)數(shù)學模型,實現(xiàn)了對GMAW-P熔滴過渡過程的數(shù)值模擬,分析了熔滴在形成、長大及脫離焊絲端部的過程中熔滴形狀的演變、熔滴內(nèi)部液態(tài)金屬的流動機制及其速度場

5、分布規(guī)律.研究表明,熔滴在形成、長大及脫離焊絲端部的整個過程中,作用在熔滴上的力和熔滴的幾何形狀是交互影響的,作用在熔滴上的力導(dǎo)致熔滴幾何形狀發(fā)生改變,熔滴的幾何形狀的改變反過來又引起作用在熔滴上的體積力發(fā)生變化.研究發(fā)現(xiàn)在基值電流期間表面張力作為主導(dǎo)力決定了熔滴的動態(tài)行為,在峰值電流期間電磁力作為主導(dǎo)力決定了熔滴的動態(tài)行為,進而從理論上揭示了GMAW-P熔滴過渡行為與驅(qū)動力的內(nèi)在關(guān)系. 基于所建立的二維GMAW-P熔滴過渡動態(tài)

6、數(shù)學模型,在焊接工藝參數(shù)(包括峰值電流和基值電流)確定的條件下,分析了脈沖峰值時間對熔滴過渡動態(tài)行為及熔滴過渡形式的影響,確定了實現(xiàn)-脈-滴且在脈沖之后基值時間的熔滴過渡形式的理論脈沖參數(shù),進而為焊接電源控制系統(tǒng)提供脈沖參數(shù)支持,同時揭示了由于峰值時間短導(dǎo)致熔滴在基值時間發(fā)生回彈、振蕩進而形成多脈-滴熔滴過渡的力學因素,為今后進一步利用此現(xiàn)象設(shè)計新型脈沖波形(如階梯式脈沖電流波形)實現(xiàn)-脈-滴的熔滴過渡形式提供新的研究途徑. 論

7、文構(gòu)建了基于LabVIEW虛擬儀器和高速攝像的GMAW-P熔滴過渡多信息同步采集與分析系統(tǒng)平臺.應(yīng)用動態(tài)仿真所確定的脈沖焊接參數(shù)作為理論指導(dǎo),進行低碳鋼焊接工藝實驗.利用焊接熔滴過渡圖像信息及同步采集的焊接電參數(shù),研究了脈沖參數(shù)對熔滴過渡形式的影響,分析了不同脈沖參數(shù)對應(yīng)的熔滴過渡形式的過渡過程.基于本文所建立的系統(tǒng)平臺為深入分析脈沖參數(shù)對熔滴過渡形式的影響提供了較好的實驗研究基礎(chǔ).研究結(jié)果表明,數(shù)值模擬得到的多脈一滴和一脈一滴熔滴過渡