短路過渡gmaw動態(tài)過程建模及系統(tǒng)動態(tài)過程的研究

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1、短路過渡GMAW動態(tài)過程建模及系統(tǒng)動態(tài)過程的研究摘要短路過渡是熔化極氣體保護焊，特別是GMAW／C02中采用的一種重要的熔滴過渡形式，但是飛濺、焊縫成形這兩個問題直接影響到這種焊接工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的進一步推廣和應(yīng)用。由于理論研究的不足，在每焊一種新的材料，每研發(fā)一個新的焊接設(shè)備，每采用一種新的控制方法，都要進行大量的實驗來確定合適的參數(shù)，以得到穩(wěn)定的焊接過程、良好的焊接質(zhì)量和焊縫成形。基于流體力學(xué)理論、電磁學(xué)理論、電路分析理論，建立了短路過渡GMAW電源．電弧．熔滴．液橋整個系統(tǒng)的動態(tài)模型。特別研究了

2、GMAW短路過渡過程中熔滴和液橋形狀的動態(tài)變化過程，建立了短路過渡GMAW熔滴和液橋形狀的數(shù)學(xué)幾何動態(tài)模型，以能量最小原理，在建立的液橋形狀數(shù)學(xué)幾何動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，建立了修正的短路過渡液橋形狀的動態(tài)模型。通過對短路過渡GMAW電源．電弧一熔滴．液橋整個系統(tǒng)的動態(tài)模型的各動態(tài)參數(shù)仿真計算與實驗結(jié)果的比較表明：熔滴增長過程中的形狀變化在力的動態(tài)作用下基本維持球狀，基于能量最小原理修正的液橋形狀動態(tài)模型的仿真結(jié)果在一定程度上較好地反映了液橋動態(tài)變化的實際情況，解決了這部分動態(tài)模型理論研究的一個難點。摘要從

3、GMAW短路過渡過程中液態(tài)熔滴和液橋所受力的動態(tài)平衡的角度，理論上研究了燃弧期、短路初期、短路末期的穩(wěn)定性問題，進一步揭示造成GMAW短路動態(tài)渡過程不穩(wěn)定的內(nèi)在原因：(1)燃弧期，熔滴小于半球時，熔滴上的軸向合力起支撐作用，支撐力的大小隨著熔滴的增大和弧根的上移而減?。喝鄣未笥诎肭驎r，熔滴上的軸向合力的脫離作用加劇。(2)從力的動態(tài)平衡角度，發(fā)生瞬時短路不是在剛剛發(fā)生短路的瞬間的可能性最大，而是短路發(fā)生一定延時后發(fā)生瞬短的可能性最大，初始電流越小，初始接觸半徑越小，回路串聯(lián)電感越大，延時越長。(33短

4、路過渡液橋縮頸過程中，縮頸處的表面張力越來越阻礙液橋的縮頸，如果電流的動態(tài)變化不能大到足以克服這種阻礙作用的話，液橋?qū)⒉荒苓M行正常的縮頸過程，發(fā)生固相短路。研究了短路過渡焊接回路的動態(tài)特性和電源的動態(tài)外特性曲線。提出：(1)以電源靜態(tài)外特性為基礎(chǔ)來研究焊接回路工作點的方法在短路過渡焊接回路工作點研究過程中存在的差異，實際的短路過渡過程中焊接回路很難達到靜態(tài)工作點：(2)短路過渡焊接回路動態(tài)工作點是電源的動態(tài)外特性曲線和負載的動態(tài)特性曲線的交點；(3)電源的動態(tài)外特性由回路的動態(tài)響應(yīng)電流和電源的動態(tài)輸出

5、電壓決定。通過研究短路過渡的動態(tài)變化過程在逆變電源中對中頻變壓器原邊的映射，進一步研究了短路過渡的動態(tài)變化對逆變電源功率元件工作的影響。研究表明，焊接回路動態(tài)特性在逆變電源中對中頻變壓器原邊的映射，造成了功率元件工作點的頻繁變化，有時變化是比較劇烈的，極大影響了功率元件的正常工作，特別是在橋式逆變電源中引起交替工摘要作的功率元件工作的不對稱，極易損壞元件。研究提出，在短路過渡GMAW中，如果焊接電源控制系統(tǒng)的動態(tài)特性與焊接回路動態(tài)響應(yīng)過程的不匹配會造成整個短路過渡過程的不穩(wěn)定。通過對短路過渡GMAW過

6、程的這種可控性的理論研究表明：(1)電源的輸出電壓反饋系統(tǒng)給控制算法的實現(xiàn)留有較大的延時余量，回路電感越大，余量越大；同時該系統(tǒng)的反饋部分的慣性和前饋部分的延時會給該系統(tǒng)造成過沖諧振的不穩(wěn)定現(xiàn)象。(2)電源的電流反饋控制系統(tǒng)給控制算法的實現(xiàn)留有的延時余量不大，系統(tǒng)中比例參數(shù)越大，發(fā)生過沖諧振的不穩(wěn)定現(xiàn)象也加??；在比例參數(shù)不太小時，時間參數(shù)越大，系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象加劇，但在比例參數(shù)較小時，時間參數(shù)的加大反而使系統(tǒng)更趨穩(wěn)定。(3)瞬短抑制的電源控制很難給控制算法的實現(xiàn)留有延時余量，并且應(yīng)該由響應(yīng)速度很快的專

7、門的短路檢測電路和控制部分組成，否則不但達不到瞬短抑制的效果，反而使瞬短發(fā)生的概率大幅度增加，使短路過渡過程更不穩(wěn)定。從理論上對短路過渡的GMAW的電源一電弧一熔滴一液橋整個系統(tǒng)動態(tài)過程進行全面的研究，較充分地分析了影響短路過渡的各個因素和相互關(guān)系，不僅開拓了理論研究，并且對實踐有較強的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：短路過渡GMAW動態(tài)系統(tǒng)建模，能量最小原理，力的動態(tài)平衡，動態(tài)特性分析，動態(tài)過程可控性分析，動態(tài)穩(wěn)定性ABSTRACTMODELINGOFGMAWDYNAMICPROCESSINSHORT—CIRCU

8、lTlNGTRANSFERANDANALYSISOFTHESYSTEMShort-circuitTransferisallimportantmetaln。ansfbringasmetalarcwelding(GMAW)，particularlyinGMAW／C02．Buttwoproblems，spatterandformationofweld，arealwaysinfluencingfurtherapplicationofshort-circuitpr