（蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料重點實驗室，甘肅蘭州730050）

0 前言

近年來，隨著節(jié)能環(huán)保觀念的普及，交通運輸工具向著輕量化方向發(fā)展，鋁合金因具有比強度高、耐腐蝕、回收利用性好等優(yōu)點，廣泛應用于高速列車和節(jié)能環(huán)保型汽車等的車體結(jié)構(gòu)中[1-2]。鋁合金性質(zhì)活潑，導熱導電性好，線膨脹系數(shù)大，焊接過程中易產(chǎn)生氣孔、咬邊、裂紋等缺陷，導致焊縫成形差，接頭的力學性能下降。

保證焊接質(zhì)量是鋁合金車體焊接的關鍵。脈沖MIG焊因熔滴過渡軸向性好、無飛濺、焊縫成形美觀、焊接變形小以及易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，廣泛應用于鋁合金焊接[3]?；￠L在脈沖MIG焊接過程中是實時變化的，因此如何實時控制脈沖MIG焊接過程中的弧長成為研究熱點。

文獻[4]建立了焊接電流與焊絲熔化速度的數(shù)學模型，通過調(diào)節(jié)焊接電流保證焊絲的熔化速度與送進速度相同來穩(wěn)定弧長。文獻[5]提出了脈沖熔化極氣體保護焊接電源頻率-特性復合弧長自適應控制法，并通過實時采集電壓、電流信號以及實時調(diào)節(jié)脈沖基值時間和給定電壓來穩(wěn)定弧長。文獻[6]采用比例切換函數(shù)的滑?？刂破鲗￠L進行了控制試驗研究，實現(xiàn)了穩(wěn)定焊接，焊縫成形良好。文獻[7]通過調(diào)節(jié)峰值時間和基值時間來克服干伸長對熔化速度和熔滴體積的影響，在保證一脈一滴過渡的同時還保證每個熔滴的體積基本不變，從而使熔滴過渡更加均勻、穩(wěn)定。

上述幾種弧長控制方案的靈敏度和抗干擾性都較差，為此本研究設計了基于快速原型脈沖MIG焊電源開發(fā)平臺，采用xPC的實時目標環(huán)境，實現(xiàn)焊接電流、電壓及視頻圖像的同步采集、實時顯示及存儲功能，分析處理焊接信號，通過相應的控制算法，實時輸出控制信號，完成對焊接過程的控制。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 快速原型開發(fā)平臺設計

試驗系統(tǒng)如圖1所示，建立的鋁合金脈沖MIG焊硬件平臺主要包括焊接系統(tǒng)、圖像傳感系統(tǒng)、電信號采集及控制信號輸出系統(tǒng)。焊接系統(tǒng)采用德國DALEX VIRO MIG-400L數(shù)字脈沖焊機，圖像采集系統(tǒng)包括松下CP-230型CCD攝像機、NI PCI-1405視頻采集卡，電信號采集及控制信號輸出系統(tǒng)主要有支持xPC的研華PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡、NI PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡、研華PCL-728帶隔離的D/A數(shù)據(jù)輸出卡，輔有CSM400FA系列的閉環(huán)電流傳感器、研華ADAM-3014標準電壓隔離模塊等，軟件平臺采用支持xPC的實時目標環(huán)境[8]。

圖1 脈沖MIG焊快速原型控制系統(tǒng)示意

1.2 弧長控制軟件系統(tǒng)

在快速原型控制系統(tǒng)的基礎上，通過MATLAB/Simulink分別設計了通過調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率控制弧長的軟件系統(tǒng)，如圖2和圖3所示。控制系統(tǒng)通過弧壓反饋信號的大小來相應調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率，調(diào)節(jié)控制弧長。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的弧長調(diào)節(jié)控制，采用增量式PID控制器。

2 弧長控制試驗

在快速原型開發(fā)平臺上進行鋁合金平板堆焊弧長控制試驗，焊接過程中焊槍高度保持在20 mm，焊接材料如表1所示。

2.1 調(diào)節(jié)脈沖占空比弧長控制試驗

調(diào)節(jié)脈沖占空比弧長控制試驗參數(shù)見表2。

在進行控制試驗時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后起弧，調(diào)節(jié)占空比進行弧長控制。焊接過程中經(jīng)過分壓分流后采集到的電信號如圖4所示。

圖2 調(diào)節(jié)脈沖占空比弧長控制軟件系統(tǒng)

圖3 調(diào)節(jié)脈沖頻率弧長控制軟件系統(tǒng)

由圖4可知，當電弧受到外界干擾時，通過弧壓反饋信號，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)占空比，使脈沖電流發(fā)生變化，從而及時控制弧長變化。采用調(diào)節(jié)占空比進行弧長控制獲得的焊縫形貌如圖5所示。

表1 焊接材料

表2 調(diào)節(jié)脈沖占空比弧長控制試驗參數(shù)

圖4 焊接過程中信號的變化情況

圖5 焊縫形貌

2.2 調(diào)節(jié)脈沖頻率弧長控制試驗

調(diào)節(jié)脈沖頻率弧長控制試驗參數(shù)見表3。

表3 調(diào)節(jié)脈沖頻率弧長控制試驗參數(shù)

在進行控制試驗時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后起弧，調(diào)節(jié)脈沖頻率進行弧長控制。焊接過程中經(jīng)過分壓、分流后采集到的電信號如圖6所示。

在鋁合金平板堆焊采用調(diào)節(jié)頻率控制弧長所獲得的焊縫形貌如圖7所示。當焊接過程遇到干擾時，脈沖頻率發(fā)生改變，從而改變焊絲熔化速度，實現(xiàn)弧長控制，焊縫成形相對較好。

3 階躍驗證試驗

為了驗證基于快速原型開發(fā)平臺的鋁合金脈沖MIG焊弧長的抗擾動能力，設計了弧長階躍擾動焊接試驗，如圖8所示。

為了觀察弧長控制焊接過程，通過CCD視頻采集系統(tǒng)采集圖像，如圖9所示。通過脈沖頻率和脈沖占空比控制弧長，電弧在階躍后迅速恢復穩(wěn)定。

由于焊槍噴嘴與工件表面的距離突然減小，弧長也相應減小，此時脈沖頻率增加，焊絲熔化速度增加，同時由于焊絲送進速度恒定，弧長很快恢復到平衡位置。焊接過程中經(jīng)過分壓分流后采集到的電信號如圖10所示。

4 結(jié)論

（1）針對鋁合金脈沖MIG焊接過程電弧不穩(wěn)定的情況，建立了快速原型脈沖MIG焊電源開發(fā)平臺。

（2）在快速原型脈沖MIG焊電源開發(fā)平臺基礎上，通過調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率控制弧長進行鋁合金平板堆焊試驗，發(fā)現(xiàn)兩種方案控制效果明顯。

（3）階躍試驗表明，通過調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率可實現(xiàn)對弧長的快速、穩(wěn)定調(diào)節(jié)，同時在出現(xiàn)干擾信號時能夠迅速響應處理，保證了焊接過程的穩(wěn)定，獲得良好的焊縫成形。

圖6 焊接過程中信號的變化情況

圖7 焊縫形貌

圖9 階躍試驗電弧分幀圖

圖10 焊接過程中信號的變化情況

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