毛志偉，羅香彬，周少玲，潘際鑾，李凱瑩，鄧凡靈

（1.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031；2.江西省工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江西 南昌330095；3.清華大學機械工程系，北京 100086）

旋轉(zhuǎn)電弧傳感理論數(shù)學模型研究及展望

毛志偉1，羅香彬1，周少玲2，潘際鑾3，李凱瑩1，鄧凡靈1

（1.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031；2.江西省工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江西 南昌330095；3.清華大學機械工程系，北京 100086）

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器是焊縫自動跟蹤系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，建立精確系統(tǒng)數(shù)學理論模型是準確識別焊炬姿態(tài)和焊縫左右偏差的前提。詳細討論了焊接電源、焊絲干伸長、焊接電弧、接頭幾何形狀等關(guān)鍵因子對模型的影響，闡述了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)電弧傳感GMAW焊接系統(tǒng)數(shù)學理論模型的基本思路，提出進一步提高模型精度的改進策略，為獲得更精確的旋轉(zhuǎn)電弧傳感數(shù)學理論模型打下基礎(chǔ)。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感；熔化極氣體保護焊；數(shù)學模型；熔池形狀

0 前言

傳感器是焊縫自動跟蹤系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器是以機械或磁控方法使電弧擺動或者旋轉(zhuǎn)，通過焊炬導(dǎo)電嘴端面至母材表面的距離（即焊炬高度，Contact-tubeto workpiecedistance，CTWD）變動，使電弧參數(shù)（焊接電流、焊接電壓）變化從而獲得焊炬高度偏差和焊縫左右偏差等傳感量。由電弧傳感器組成的自動跟蹤焊接系統(tǒng)直接使用焊接過程中當前焊接點作為信號監(jiān)測點，沒有因傳感器前置而導(dǎo)入的誤差，實時性強，且抗弧光、耐高溫及抗磁干擾能力強，因此得到廣泛應(yīng)用[1-5]。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感系統(tǒng)的數(shù)學理論模型是準確識別焊炬姿態(tài)和焊縫左右偏差的前提，為此，許多學者作了大量的研究工作。韓國Yongjae.Kim等[6]人采用電流面積差分法（CAD）、電流積分差分法（CID）、焊接端點電流積分法（WID），分別建立了偏差為反應(yīng)量與焊接電流面積積分值、焊接電流差分值、焊接端點電流差分值為回歸量的單一回歸模型和多元回歸模型，以此提取焊縫偏差；日本S.Kodama[7]分析焊接動態(tài)過程并建立了基于射流過渡和短路過渡的高頻（10～50 Hz）擺動焊傳感器數(shù)學模型，得到焊接電流隨焊炬高度變化關(guān)系，以此提取焊縫偏差傳感量；國內(nèi)南昌大學李志剛[8]考慮高壓水環(huán)境下通過分析坡口掃描單元、逆變電源模塊、動態(tài)電壓負載模塊、弧長變化模塊和液橋行為模塊建立旋轉(zhuǎn)電弧傳感器基于射流過渡—短路過渡方式的數(shù)學仿真模型；清華大學潘際鑾[9-10]基于焊接電流與焊接高度的變化特性及其幅頻特性與相頻特性建立了電弧傳感器理論模型，對焊接系統(tǒng)的材料、保護氣體氛圍、試驗條件等依賴性太強；華南理工大學石永華[11]基于焊接系統(tǒng)模型和焊絲端部運動學模型建立的高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器數(shù)學模型，考慮了接頭形狀因子，但焊縫偏差提取精度較低。

迄今為止，還沒有較為完善的旋轉(zhuǎn)電弧傳感理論模型，故本研究在詳細分析焊接電源、焊絲干伸長、焊接電弧、接頭形狀等關(guān)鍵因子對模型的影響，討論國內(nèi)外現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)電弧傳感GMAW焊接系統(tǒng)數(shù)學理論模型特點的基礎(chǔ)上，提出了進一步提高模型精度的改進策略，為得到更精確的旋轉(zhuǎn)電弧傳感數(shù)學理論模型提供方法。

1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感數(shù)學模型概述

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器理論數(shù)學模型的建立以理論分析和試驗研究為根基，描述了焊接系統(tǒng)的電弧參數(shù)隨CTWD發(fā)生變化而動態(tài)變化的規(guī)律。首先，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器不是一個孤立的元件，如圖1所示，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器是由焊炬、焊接電源、送絲機、母材坡口形式及連接電纜等組成的系統(tǒng)，其理論數(shù)學模型即指該系統(tǒng)的模型。

系統(tǒng)中包括兩種平衡關(guān)系：一是焊接電源與焊接電弧之間的能量供需平衡關(guān)系；二是焊絲熔化與送進的平衡關(guān)系。旋轉(zhuǎn)電弧傳感理論模型主要由焊接電源模塊、焊絲干伸長模塊、焊接電弧模塊和接頭形狀模塊組成，如圖2所示。下面首先討論這四個關(guān)鍵因子對模型的影響。

1.1 焊接電源模塊

對于熔化極氣體保護焊（GMAW）焊接系統(tǒng)，焊接電源即焊機，也稱弧焊電源。目前，弧焊電源有各種分類方法：按輸出電流的種類分，有直流、交流和脈沖三大弧焊電源類型；按輸出外特性特征分，有恒電流（垂直下降）外特性、恒電壓（平）外特性和介乎這兩者之間的緩降外特性；按對外特性和焊接參數(shù)等的控制與調(diào)節(jié)分，有機械控制、電磁控制和電子控制[12]。

由于弧焊電源必須應(yīng)用在GMAW焊接系統(tǒng)中，文獻[13]對各種弧焊電源進行試驗測試，并建立數(shù)學模型如下：

式中 K=6 A/V；T=0.127 ms。式（1）表達簡單下降特性弧焊電源，等效其為一階非周期環(huán)節(jié)。

式中 K=47.5A/V；T1=0.65ms；T2=0.012ms。式（2）表達模擬型晶體管平特性弧焊電源，等效其為一個零點的一階非周期環(huán)節(jié)

式中 K=1.72A/V；T=0.05s；T2=0.012ms；n=51.5Hz，=0.65。式（3）表達旋轉(zhuǎn)式弧焊發(fā)電機弧焊電源，等效其為一個零點的二階系統(tǒng)，。

對于逆變弧焊電源，文獻[8]將其主電路包含的輸入整流濾波、IGBT逆變和輸出整流濾波三部分等效為直流電壓Us與占空比D相乘，則有

式中 I（s）為焊機輸出電流；U（s）為負載電壓；Ld為直流電抗器的等效電感量；R為電源輸出回路等效電阻。

對于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的GMAW焊接系統(tǒng)，挪威E. Halmoy[14]、韓國G.H.Kim和S.J.Na[15]、清華大學潘際鑾院士[13]、華南理工大學石永華[11]等人所提出的數(shù)學模型中，均假設(shè)焊機存在內(nèi)部電阻Rs和內(nèi)部電感Ls以及焊接回路上存在電阻Rc和電感Lc。研究表明，Rs與Rc之和及Ls與Lc之和對旋轉(zhuǎn)傳感器數(shù)學模型的靈敏度有所影響，仿真分析時必須取合理數(shù)值才能使其靈敏度較高。

1.2 焊絲干伸長模塊

如圖1所示，焊絲干伸長模塊包含焊絲熔化速率vm和焊絲干伸長上的電壓降Ue。在焊絲動態(tài)熔化模型中，焊絲送絲速度與熔化速度平衡，但在旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊接系統(tǒng)的動態(tài)焊接過程中，研究學者均認為焊絲干伸長的變化率dle/dt等于送絲速度和熔化速度的矢量和，即

1.2.1 焊絲熔化速率

在旋轉(zhuǎn)電弧傳感GMAW焊中，焊絲熔化速率是實現(xiàn)穩(wěn)定焊接工藝過程和得到滿意焊接質(zhì)量的基本特性。多數(shù)研究學者認為，焊絲熔化速率是由焊絲干伸長、焊接電流決定。為了計算出焊絲熔化速率，清華大學的張連第[16]、甘肅工業(yè)大學的傅希圣[17]、挪威的E.Halmoy[14]、韓國的C.H.Kim和S.J.Na[15]通過試驗，研究了在不同的焊絲干伸長、焊接電流、保護氣體成分的情況下，焊絲熔化速率產(chǎn)生相應(yīng)的變化；且均從能量和溫度場角度分析得出，焊絲熔化由焊接電弧傳導(dǎo)的電弧熱和焊絲干伸長本身的電阻熱兩部分引起的。利用能量守恒定律，即焊絲端部加熱至熔化溫度所需的能量等于焊絲端部的電阻熱量和焊接電弧傳導(dǎo)至焊絲端部的熱量之和，則可以獲得焊絲熔化速率計算公式：

式中 vm為焊絲熔化速率；I為焊接電流；le為焊絲干伸長；km為電弧熱對焊絲熔化的影響系數(shù)；kr為電阻熱對焊絲熔化的影響系數(shù)，km、kr均為常數(shù)。

不同材質(zhì)的φ1.2mm焊絲熔化速率隨焊接電流變化關(guān)系如圖3所示，大體上隨著焊接電流的增加而增加[18]。

斯洛文尼亞學者M.Suban等[19]通過在MIG/MAG焊的T.I.M.E.的工藝下進行試驗研究，獲得在實心焊絲和藥芯焊絲的焊接條件下的取值范圍，如表1所示。

此外，文獻[20]中A.A.Ostsemin對電弧焊中焊絲熔化速率的數(shù)學模型進行了綜述，并分析得出最符合實際焊絲熔化的數(shù)學描述，與試驗數(shù)據(jù)比較的誤差保持在4%以下。

綜上所述，在焊接過程中，焊絲熔化速度會受到焊接電流、焊接電弧電壓、弧長、焊絲直徑、焊絲干伸長、焊絲材質(zhì)、焊絲極性和熔滴過渡形態(tài)等的影響。

1.2.2 焊絲干伸長上的電壓降

為了建立旋轉(zhuǎn)電弧傳感GMAW焊接系統(tǒng)的數(shù)學模型，焊絲干伸長上的電壓降必須準確獲得且有利于數(shù)學分析和計算機運算。為了獲得焊接動態(tài)過程中真實的電壓降，必須通過試驗數(shù)據(jù)分析出對焊絲干伸長上的電壓降影響因子是如何作用的，包括焊絲的材質(zhì)、比熱容、電阻率、熱導(dǎo)率、密度等。由于這些因子是隨時間變化的，在實際情況下它們是一個變量。而在對電壓降進行數(shù)學描述時，需將一些因子假設(shè)為定值，如比熱容。對焊絲干伸長上電壓降最常見的數(shù)學描述是

式中 Ue為焊絲干伸長上的電壓降；ke為單位焊絲干伸長上的電阻。

而E.Halmoy[21]對GMAW焊接系統(tǒng)中焊絲熔化進行了數(shù)學建模，他分析得出焊絲干伸長上的電壓降除了電阻造成的電壓降外，還有焊接開始時焊絲初始熱容量必須考慮，則可表示為

1.3 焊接電弧模塊

焊接電弧是旋轉(zhuǎn)電弧傳感GMAW焊接系統(tǒng)的動態(tài)負載部分，屬于一個非線性元件（負載）。對于“電源-電弧”焊接系統(tǒng)，焊接電源的靜特性及動特性、焊接電弧的靜特性都均可通過理論分析和試驗研究得出。一般來說，焊接電弧的靜特性是一個非線性函數(shù)，很難用一個精確的數(shù)學公式來描述，只能尋求一個近似表達公式或多項式進行數(shù)學描述。目前有很多的近似表達式被提出，其中Ayrton[22]經(jīng)驗公式如下

式中 Ua為焊接電弧電壓；la為弧長；a，b，c均為常數(shù)。

對于焊接電弧區(qū)域，電弧電壓降Ua包括陽極壓降Uano、陰極壓降Ucat、弧柱壓降Ucol三部分，如圖4所示。但目前對于電弧電壓的數(shù)學描述，學者認可的表達式為公式（10）和（11），由弧長和焊接電流雙重影響占主導(dǎo)。

式中 k0，k1，k2，k3為焊接電弧電壓的相關(guān)影響因子，為常數(shù)。

在等速送絲電弧控制系統(tǒng)中，焊接電弧的弧長具有自調(diào)節(jié)特性，即在電弧焊接過程中，因各種因素造成弧長發(fā)生變化時，其可在不用任何人工調(diào)節(jié)的情況下具有恢復(fù)原有弧長的能力，又順利達到電弧靜特性中的另一穩(wěn)態(tài)工作點。通過文獻[23]中作者利用電弧照相法、電弧高速攝影和高速現(xiàn)象分析裝置對GMAW焊接過程中影響電弧弧長穩(wěn)定性的因素進行了分析，并計算了焊絲干伸長的恢復(fù)時間常數(shù)。除此之外，根據(jù)焊接理論中的能量最小原理可知，電弧將沿著兩電極間的最短距離方向起弧。弧長等于焊炬高度（焊絲端部至工件表面的距離，即CTWD）與焊絲干伸長之差，則最常見的弧長表述為

1.4 接頭幾何形狀模塊

接頭幾何形狀模塊對于建立數(shù)學模型是不可忽略的部分，目前研究最多的是熔池動力學、熔池三維形狀的預(yù)測等。目前旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在V型坡口對接焊縫和角焊縫中廣泛應(yīng)用。故在建立旋轉(zhuǎn)電弧傳感GMAW焊接系統(tǒng)的數(shù)學模型過程中，坡口形狀具有局限性。

對于熔池形狀，焊接熔池的形態(tài)對凝固后焊縫形狀具有顯著的遺傳性，而焊接熔池形態(tài)又與焊接能量參數(shù)和工藝因素密切相關(guān)。因此，越來越多的學者對焊接熔池內(nèi)熔化金屬的流動展開研究，深入分析焊接熔池形態(tài)行為和熔池動力學問題，從而獲得熔池的形狀。

在國外，G.M.Oreper等人[24]利用電磁力、浮力和表面力梯度和所得到的方程組數(shù)值求解，結(jié)果表明這些力會一定程度的影響熔池流場分布，從而為確定熔池的三維形狀提供了理論依據(jù)；T.Zacharia等人[25-27]利用快速瞬態(tài)三維計算模型研究了焊接熔池內(nèi)的熱傳導(dǎo)和流體流場，對建立準確實時的熔池形狀有著指導(dǎo)意義。在國內(nèi)，賈劍平[8]通過數(shù)值模擬仿真的方法分析不同旋轉(zhuǎn)電弧工藝參數(shù)下的焊接熱過程，獲得了主要工藝參數(shù)對焊接熔池形狀尺寸的影響規(guī)律，并分析了電弧旋轉(zhuǎn)對熔池形態(tài)的作用。丁敏[28]采用量綱分析法分析旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW焊縫表面成形，構(gòu)建旋轉(zhuǎn)電弧焊縫表面形狀與基本參數(shù)關(guān)系模型，根據(jù)材料性質(zhì)和焊接參數(shù)特征的無量綱確定了焊縫成形良好的窗口范圍以及建立了熔池形狀計算方程。還有其他學者采用敏感度分析技術(shù)研究得到在旋轉(zhuǎn)電弧仰焊焊接時旋轉(zhuǎn)半徑和焊接速度的改變可使得焊縫熔寬發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)頻率越高，CTWD越大，焊縫熔寬越窄[29]。

對于熔滴過渡方式，熔滴過渡動態(tài)模型、熔滴過渡頻率等的變化均會造成液態(tài)金屬波動和熔池形狀發(fā)生變化，熔深熔寬與焊縫余高均會發(fā)生變化，從而影響焊接電流與焊炬高度之間的數(shù)學關(guān)系。熔滴過渡過程照片如圖5所示。

對于旋轉(zhuǎn)電弧傳感方式，焊炬在旋轉(zhuǎn)掃描坡口時，CTWD也發(fā)生變化；而坡口形狀和坡口中熔池形狀均會影響CTWD的變化關(guān)系，進而會影響所建立數(shù)學模型的精確度。清華大學潘際鑾院士所帶領(lǐng)的課題組通過將坡口特征諧波向量正交處理可排除熔池鐵水對CTWD及旋轉(zhuǎn)掃描傳感信號的影響。

2 國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)電弧傳感器理論模型

2.1 E.Halmoy建立的模型1

挪威的E.Halmoy分析了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感GMAW焊接系統(tǒng)的焊接電源特性、焊絲干伸長特性、焊接電弧特性和焊接接頭幾何形狀特性之間的相互聯(lián)系，并利用焊炬以垂直方式和傾斜45°角方式對內(nèi)角焊縫和外角焊縫進行自動跟蹤，基于此建立了旋轉(zhuǎn)電弧傳感GMAW焊接系統(tǒng)的數(shù)學理論模型。通過仿真模擬和試驗分析驗證了模型能夠提高焊縫跟蹤精度。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較如圖6所示。

其數(shù)學描述如下（式中的符號意義見文獻[14]）：

2.2 G.H.Kim等人建立的模型2

韓國的G.H.Kim和S.J.Na首先建立了焊絲熔化的動態(tài)模型，分析獲得焊絲干伸長和焊接電弧的溫度場分布[31]，再對基于其設(shè)計的空心電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊接系統(tǒng)建立了比較準確的數(shù)學模型。對于焊絲，其中本身的電阻率是隨溫度變化的量，并給出相應(yīng)的數(shù)學描述，對數(shù)學模型的準確度有所提高?？紤]熔池形狀時進行仿真模擬和試驗比較，結(jié)果表現(xiàn)較好。其仿真結(jié)果與實驗結(jié)果比較如圖7所示，其數(shù)學描述如下（式中的符號意義見文獻[15]）：

2.3 潘際鑾等人建立的模型3

清華大學潘際鑾院士通過理論分析和試驗研究以及利用兩種平衡關(guān)系：其一是焊接電源與焊接電弧之間的能量供需平衡關(guān)系；其二是焊絲熔化與送進的平衡關(guān)系。建立了電弧傳感器的動態(tài)物理數(shù)學模型，并且運用模型對旋轉(zhuǎn)電弧傳感過程進行仿真模擬，如圖8所示，將獲得的高度變化關(guān)系進行抽樣，離散傅立葉變換，系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)，離散傅立葉逆變換，得到了焊接電流的變化關(guān)系而得出焊縫偏差。其數(shù)學模型的系統(tǒng)控制框圖如圖9所示（圖中的符號意義見文獻[13]）。

2.4 石永華等人建立的模型4

華南理工大學石永華等人從韓國科學技術(shù)院YOO建立的GMAW數(shù)學模型出發(fā)，建立角接接頭和V型坡口中焊絲端部運動的幾何模型，假設(shè)角接接頭中熔池形狀的橫截面為等腰三角形和V型坡口中熔池形狀的橫截面為扇形，獲得弧長的數(shù)學描述，從而建立了高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的數(shù)學模型，并且可以運用在焊接終點的檢測[32]。通過實際焊接試驗顯示模擬焊接電流與實際波形吻合，驗證了所建立的數(shù)學模型是準確的。其仿真結(jié)果和試驗結(jié)果比較如圖10所示，角接接頭中的數(shù)學描述如下（式中的符號意義見文獻[11]）。

3 現(xiàn)有理論模型的不足和展望

3.1 現(xiàn)有理論模型的不足

模型1通過計算機仿真模擬旋轉(zhuǎn)電弧傳感器跟蹤焊縫，僅獲得對焊炬接近內(nèi)角焊縫和外角焊縫時的電流變化。仿真與試驗比較可知，模型1中仿真的弧柱電場強度取值太低，未解決接頭中液態(tài)金屬及已填充金屬對焊炬高度變化的影響，焊接電源仿真模型簡化與實際行為有所不同。

模型2考慮焊絲動態(tài)熔化過程、焊絲溫度分布瞬變過程和焊機內(nèi)部電阻和電感等動態(tài)特性，建立了空心軸電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器理論數(shù)學模型，獲得電流波形與實際吻合度稍好。由于焊接過程中，焊絲內(nèi)部溫度是動態(tài)變化的，必然導(dǎo)致焊絲材料屬性隨溫度發(fā)生變化。而模型2假設(shè)焊絲電阻率與溫度為線性，焊絲熱導(dǎo)率和比熱容為常數(shù)，必然會導(dǎo)致理論模型有所偏差。并且模型2在低旋轉(zhuǎn)頻率下的仿真結(jié)果與實際結(jié)果相比準確性弱。

模型3中焊接電源的動態(tài)外特性、焊接條件、焊接材料、氣體氛圍等因子對其靈敏度影響較大，導(dǎo)致電弧傳感器系統(tǒng)動態(tài)物理數(shù)學模型不能準確描述實際焊接情況下的動態(tài)變化。模型仿真的頻率限制在15～35 Hz之間才能得到較高的靈敏度。

模型4是對GMAW焊接系統(tǒng)和高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進行數(shù)學建模，得到在高速旋轉(zhuǎn)時弧長變化較焊絲干伸長變化更顯著，通過積分法提取焊縫左右偏差。但是焊接電流試驗結(jié)果和仿真結(jié)果依然存在電流差，導(dǎo)致偏差提取精度降低。

上述四種現(xiàn)有理論數(shù)學模型中，都可以將其運用到旋轉(zhuǎn)掃描傳感信號處理分析和偏差識別，但是仿真模擬結(jié)果與實際焊接試驗數(shù)據(jù)的吻合度依然有差距，識別精度依然有待提高。

3.2 展望理論數(shù)學模型

由于現(xiàn)有的不足，必須采取合理的方式和方法對旋轉(zhuǎn)電弧傳感數(shù)學模型進行改進。

（1）焊接系統(tǒng)的標定試驗。

在旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊接系統(tǒng)理論數(shù)學模型建立過程中，焊機特性、焊絲干伸長特性、旋轉(zhuǎn)電弧特性、旋轉(zhuǎn)電弧熔池特性尤為重要。故需對目前先進的焊機進行準確的標定試驗，獲得焊接電源的動態(tài)特性（焊機特性方程）；需對焊絲熔化動態(tài)過程中通過試驗研究焊絲溫度分布，如先進的測溫傳感系統(tǒng)；需對旋轉(zhuǎn)掃描中的電弧特性準確獲得電弧電壓、弧長、電弧形態(tài)等；需對旋轉(zhuǎn)電弧熔池特性進行準確的預(yù)測或測量。

（2）焊接動態(tài)過程。

現(xiàn)有理論模型中，有的忽略熔池形狀影響，有的忽略焊炬傾角，有的忽略焊縫跟蹤方向角，忽略了焊接動態(tài)過程中的重要因子，這對模型的精確度必有影響。故需在焊絲端部的運動幾何模型中加入熔池形狀（彎月牙形狀），加入焊縫跟蹤方向角（附加一坐標系變換）才能建立較精確的數(shù)學模型，才能準確識別偏差，才能保證焊縫質(zhì)量。

（3）焊炬高度。

考慮到焊接過程中鐵水流動會對焊炬高度產(chǎn)生影響，故可在焊接后對焊縫進行高度檢測，獲得準確的高度數(shù)據(jù)，可進一步提高理論數(shù)學模型的精確度和吻合度。

4 結(jié)論

（1）分析討論了焊接電源、焊絲干伸長、焊接電弧和接頭幾何形狀等對旋轉(zhuǎn)電弧傳感模型精度的影響。

（2）闡述了國內(nèi)外現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)電弧傳感器數(shù)學模型的建立過程及其思路與不足。

（3）提出了依靠數(shù)值仿真模擬技術(shù)、可靠合理的焊接試驗以及焊炬高度、系統(tǒng)固有特性標定、焊接動態(tài)過程等方面進行改進策略，提高旋轉(zhuǎn)電弧傳感器數(shù)學模型精度。

[1] 李曉延，武傳松，李午申.中國焊接制造領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展研究[J].機械工程學報，2012，48（6）：19-31.

[2]余 剛，丁 敏，崔海超，等.10Ni5CrMoV鋼旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙GMAW研究[J].焊接技術(shù)，2010（11）：12-15+5.

[3]焦向東，朱加雷.海洋工程水下焊接自動化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].金屬加工（熱加工），2013（02）：24-26+32.

[4]陳華斌，黃紅雨，林 濤，等.機器人焊接智能化技術(shù)與研究現(xiàn)狀[J].電焊機，2013，43（4）：8-15.

[5]賈劍平，張 華，徐健寧.焊接電弧傳感器的研究現(xiàn)狀與展望[A].中國接卸工程學會、中國焊接協(xié)會.第十一次全國焊接會議論文集（第2冊）[C].中國機械工程學會、中國焊接協(xié)會，2005.

[6]Kim Yongjae，SehunRhee.Arcsensormodelusing multipleregression analysis and a netural network[J].Proceedings of the institution of Mechanical Engineer，Part B：Journal of Engineering Manufacture，2005，219（6）：431-445.

[7]Kodama S，Ichiyama Y，Ikuno Y，et al.Amathematical model of short-circuitingtransferinthehigh-speed oscillating MAG process-development of automatic MAG welding machine with arc sensor and its application to field welding of gas pipelines[J].Welding in the World，2004（48）：27-34.

[8]李志剛.高壓水環(huán)境旋轉(zhuǎn)電弧焊接特性及其焊縫傳感跟蹤研究[D].江西：南昌大學，2009.

[9]廖寶劍，吳世德，潘際鑾.電弧傳感器理論模型及信息處理[J].焊接學報，1996，17（4）：263-271.

[10]潘際鑾.弧焊過程控制[J].南昌大學學報（工科版），1998，20（1）：1-13.

[11]石永華，王國榮，YOO Won-Sang，等.高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的數(shù)學模型[J].機械工程學報，2007（11）：217-223.

[12]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[13]潘際鑾.現(xiàn)代弧焊控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[14]Halmoy E.Simulation of rotational arc sensing in gas metal arc welding[J].Science and Technology of Welding and Joining，1999，4（6）：347-351.

[15]Kim C.H.，Na S.J..A study of an arc sensor model for gas metal arc welding with rotating arc-part 2：simulation of an arc sensor in mechanically rotating gas metal arc welding[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers-Part B，London，2001，215（B9）：1281-1288.

[16]張連第.MIG焊焊絲熔化率的研究[J].清華大學學報（自然科學版），1982（03）：47-58.

[17]傅希圣，李 燁.焊絲熔化率公式研究[J].焊接學報，1995（04）：226-232.

[18]Modensi P J，Resi R I.A model for melting rate phenomena in GMA welding[J].Journal of Material Processing Technology，2007（189）：199-205.

[19]Suban M，Tusek J.Development of melting rate in MIG/MAG welding on the type of shielding gas used[J].Journal of Materials Processing Technology，2001（119）：185-192.

[20]OstseminAA.MeltingRateofElectrodeWireinArcWelding[J]. Russian Engineering Research，2010，30（7）：677-679.

[21]Halmoy E.Wire melting rate，droplet temperature and effective anode melting potential[R]//Arc Physics and Weld Pool Behavior.Cambridge：The Welding Insititute，1980：49-54.

[22]盧 本，王大麟.焊接自動化基礎(chǔ)[M].湖北：華中工學院出版社，1985.

[23]傅希圣，李 燁，王夏冰.熔化極氣體保護焊焊絲伸出長度和電弧弧長的穩(wěn)定性[J].焊接學報，1995，6（2）：100-105.

[24]Oreper G M，Szekely J.Heat-and fluid-flow Phenomena in weldPools[J].JournalofF-luidMechanics.1984（147）：53-79.

[25]Zacharia T，Eraslan A H.Three-Dimensional Transient Model for Arc Welding Process[J].Metallurgical Transactions（B），1989，20（10）：645-655.

[26]Zacharia T，David S A.Computational Modeling of Stationary Gas-Tungsten-ArcWeldsPoolsandComparisontoStainless Steel 304 Experimental Results[J].Metallurgical Transactions（B），1991，22（4）：243-257.

[27]Zacharia T，David S A.Surface Temperature Distribution of GTA Weld PoolsonThin-Plate304StainlessSteel[J].Welding Journal，1995，74（11）：353-362.

[28]丁 敏.10Ni5CrMoV鋼旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW穩(wěn)定性與物理冶金研究[D].上海：上海交通大學，2011.

[29]俞國慶，梁 斌，石永華，等.旋轉(zhuǎn)電弧CO2焊接焊縫成形的敏感度分析[J].電焊機，2012，42（09）：21-24+96.

[30]Julien Chapuis.Experiment analysis of droplet-gas inter actionduringGMAWprocess[C].Chicago：in 9th International Trends in Welding Research Conference，2012.

[31]Kim C H，NaSJ.Astudyofanarcsensor model for gas metal arc welding with rotating arc-part 1：dynamic simulation of wire melting[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers-Part B，London，2001，215（B9）：1271-1279.

[32]SHI Y H，KIM J T，NA S J.Signal Patterns of High Speed RotationalArcSensorforGasMetalArcWelding[C].Houston：Sensors for Industry Conference，2005：9-14.

Research and prospect for rotating arc sensing theory mathematical model

MAO Zhi-wei1，LUO Xiang-bin1，ZHOU Shao-lin2，PAN Ji-luan3，LI Kai-yin1，DENG Fan-ling1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China；2.Jiangxi Industry Polytechnic College，Nanchang 330095，China；3.Department of Mechanical Engineer，Tsinghua University，Beijing 100086，China）

Rotating arc sensor is a critical component of the automatic seam tracking system，establishing the precise mathematical model is the premise of welding torch position and seam deviation being identified accurately in the automatic seam tracking system. The welding power source，welding wire extension，welding arc，connector shape which are influenced on the model are introduced in details，the current rotating arc sensing GMAW welding system mathematical model of the basic ideas is addressed，and the future of their improvement strategies are forecasted，that can lay the groundwork and provide a way to get a more accurate mathematical model of rotating arc sensing.

rotating arc sensing；GMAW；mathematical model；weld pool geometry

TG409

：A

：1001-2303（2014）02-0001-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.01

2013-07-05

國家自然科學基金資助項目（51265036）

毛志偉（1969—），男，江西南昌人，副教授，博士，主要從事移動機器人及復(fù)雜機械系統(tǒng)設(shè)計與仿真的研究工作。