中厚板窄間隙P--GMAW電弧傳感跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、中厚板窄間隙焊接已經(jīng)被廣泛用于油氣管道、壓力容器、鍋爐、造船、橋梁等行業(yè)。由于往往采用增加焊絲干伸長(zhǎng)的方式使焊絲在坡口內(nèi)擺動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)，焊絲的彎曲成為跟蹤控制中不得不著重考慮的因素。因?yàn)殡娀鞲衅骶哂械挚购附z彎曲和磁偏吹干擾等方面的優(yōu)點(diǎn)，成為首選的焊縫跟蹤傳感器。但是窄間隙焊接電弧的穩(wěn)定性較差，制約了電弧傳感器在中厚板窄間隙焊接跟蹤控制中應(yīng)用。
　　論文以建立基于電弧傳感的中厚板窄間隙P-GMAW跟蹤控制系統(tǒng)為目標(biāo)展開研究。首先建立

2、了P-GMAW擺動(dòng)焊炬電弧特征測(cè)試分析系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)不僅能夠完成擺動(dòng)焊炬焊接實(shí)驗(yàn)，觀察電弧形態(tài)，而且能夠方便地提取和分析擺動(dòng)過程中電壓和電流信號(hào)的特征參數(shù)。在分析I/I模式P-GMAW電源特性的基礎(chǔ)上，建立了擺動(dòng)焊炬P-GMAW電弧傳感的數(shù)學(xué)模型，獲得了電弧電壓與脈沖頻率隨焊槍高度的變化規(guī)律—一在忽略焊絲長(zhǎng)度變化對(duì)單位干伸長(zhǎng)電阻影響的條件下，CTWD（Contact Tip to Work piece Distance，即焊絲到工件表

3、面的距離）的變化量與電壓的變化量成正比;當(dāng)焊槍高度較大時(shí)，脈沖頻率隨CTWD大致按線性規(guī)律變化。
　　其次，對(duì)中厚板窄間隙P-GMAW的電弧特征開展了研究。(1)通過坡口角度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)普通V形和T形坡口與窄間隙坡口對(duì)電弧信號(hào)的調(diào)制機(jī)制不同:坡口角度較大時(shí)，焊槍朝向坡口側(cè)壁運(yùn)動(dòng)過程中電弧不斷受到側(cè)壁壓縮而變短，進(jìn)而引起電弧信號(hào)的變化;坡口角度很小時(shí)，焊絲幾乎平行于坡口側(cè)壁，電弧信號(hào)的變化由磁偏吹引起。(2)通過對(duì)窄間隙焊接過程中電壓

4、、電流及其特征參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)焊槍靠近側(cè)壁時(shí)基值電流、基值電壓、峰值電流、峰值電壓以及脈沖頻率同時(shí)發(fā)生改變，這些特征參數(shù)在左右側(cè)壁位置的差值均能在一定程度上反映焊縫偏差。(3)針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的“跳壁”現(xiàn)象，分析了其發(fā)生的條件—一接近直立的坡口、脈沖焊的電流特征以及焊槍運(yùn)動(dòng)到距側(cè)壁足夠近的距離。指出“跳壁”是窄間隙脈沖焊的特有現(xiàn)象。(4)“跳壁”現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，基值階段電弧建立在焊絲端部與坡口側(cè)壁之間，峰值階段的電弧建立在焊絲端部與熔池表

5、面之間。此時(shí)，電弧的基值信號(hào)反映的恰恰是焊絲到側(cè)壁的距離，峰值信號(hào)則可以用來(lái)對(duì)焊炬高度進(jìn)行跟蹤;電弧“跳壁”會(huì)引起“挖掘”效應(yīng)，造成焊槍朝向和遠(yuǎn)離側(cè)壁運(yùn)動(dòng)過程中的電弧信號(hào)存在明顯差異—一焊槍遠(yuǎn)離側(cè)壁運(yùn)動(dòng)過程中，電弧特征參數(shù)的變化率遠(yuǎn)大于焊槍朝向側(cè)壁運(yùn)動(dòng)過程中的變化率。兩側(cè)壁位置“挖掘”效應(yīng)強(qiáng)弱的不同可以從焊縫形貌的角度反映偏差。
　　考察從焊接電流和電壓中提取出的各特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)以脈沖頻率或脈沖周期內(nèi)的平均電流作為傳感特征參數(shù)具有

6、較小的誤差和較高的靈敏度。在分析“挖掘”效應(yīng)對(duì)電弧傳感的弱化作用的基礎(chǔ)上，提出基于“挖掘”效應(yīng)的偏差提取方法，并據(jù)此建立了焊縫跟蹤控制規(guī)律。
　　最后，基于DSP2812和AD7606設(shè)計(jì)了信號(hào)采集與實(shí)時(shí)處理軟硬件系統(tǒng)，與步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，開發(fā)了跟蹤控制程序。應(yīng)用所建立的系統(tǒng)完成中厚板窄間隙焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，應(yīng)用“挖掘”效應(yīng)來(lái)提取偏差是可行的。當(dāng)坡口偏移角度為4°時(shí)，5°坡口的焊縫跟蹤控制精度可達(dá)到±0.5mm