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《焊接學(xué)報(bào)》2015年第十一期

摘要:

通過焊接電源系統(tǒng)回路模型，考慮了焊絲端部的熱焓變化，以及熔滴的能量平衡，提出并建立了較為精確的CO2焊短路過渡動(dòng)態(tài)過程仿真模型．通過該模型探究了焊接參數(shù)匹配和不匹配時(shí)，電流信號(hào)波形變化趨勢(shì)以及多個(gè)特征參數(shù)(均值電流、峰值電流、谷值電流、短路頻率、短路時(shí)間和燃弧時(shí)間)與實(shí)際的對(duì)比情況，并進(jìn)行了相關(guān)的特征參數(shù)誤差分析．結(jié)果表明，該模型基本能全面與實(shí)際相符合．從而為短路過渡仿真建模在工程中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)．

關(guān)鍵詞:

短路過渡;能量平衡;仿真模型;特征參數(shù)

短路過渡作為CO2焊的主要過渡方式之一，常常用于低碳鋼和低合金鋼的薄板焊接中［1］．而通過計(jì)算機(jī)仿真建模，探索熔滴短路過渡動(dòng)態(tài)過程的機(jī)理，進(jìn)而優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，是目前CO2焊研究的一個(gè)重要分支．氣體保護(hù)焊熔滴過渡的動(dòng)態(tài)過程仿真迄今為止已獲得了不少的研究成果［2－6］，并在實(shí)際中也有一些成功應(yīng)用，但這些模型仍存在一定的不足．如把電弧負(fù)載特性變化作為已知參量輸入［3］，或忽略了短路過渡過程熔滴變化情況［2，3］．文獻(xiàn)［5］首次從能量角度考慮了熔滴短路過渡時(shí)的動(dòng)態(tài)變化過程，但存在許多的缺點(diǎn)，如熔滴的變化考慮不夠精細(xì)，弧壓模型選用不夠精確等．另外目前這些模型常常分析的均是參數(shù)匹配情況下得到的熔滴過渡過程，而且一般只分析電信號(hào)的波形變化趨勢(shì)，或者熔滴過渡過程的某一個(gè)特征參數(shù)(如過渡頻率、平均電流等)，這對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用指導(dǎo)有限．

1系統(tǒng)模型的建立

1．1焊接回路模型焊接回路參數(shù)模型如圖1所示．U0，L和R1分別為電源電壓、回路電感以及回路電阻，R2為導(dǎo)電嘴與焊絲的接觸電阻，Rs為焊絲伸出長度電阻，RL為熔滴電阻，Ld是導(dǎo)電嘴與工件表面的距離.

1．2焊絲熔化率由于焊絲中熱傳導(dǎo)速度相對(duì)于送絲速度較小，所以靠近熔滴處焊絲(即焊絲端部)的電阻熱對(duì)熔化焊絲起主要作用，忽略固態(tài)焊絲其它部分對(duì)熔滴的加熱作用．

1．3短路時(shí)相關(guān)參量假設(shè)當(dāng)弧長larc小于0．01mm，短路開始，此時(shí)ψ=0．若要獲得弧長實(shí)時(shí)變化，焊絲伸出長度s和熔滴高度h必須已知(式(1))．前者可由式(11)求得，后者熔滴高度h則可按照1．1小節(jié)截球形狀的假設(shè).

2仿真結(jié)果分析

試驗(yàn)條件:直徑為1．2mm的H08Mn2SiA焊絲，保護(hù)氣體為100%CO2，氣體流量14L/min，焊接速度為0．3m/min，導(dǎo)電嘴與工件表面的距離為15mm，采用直流反接法，在6mm厚的低碳鋼板上進(jìn)行平鋪．給定電壓設(shè)定為20V，送絲速度由小增大，其本質(zhì)上包含有焊接過程的匹配和不匹配情況，從而便于對(duì)模型的有效驗(yàn)證．由于模型仿真中是不存在外部干擾的，其獲得的波形是極其穩(wěn)定的;但在試驗(yàn)條件下，不可避免的存在干擾．故而在挑選試驗(yàn)的對(duì)比對(duì)象時(shí)，選取實(shí)際波形中相對(duì)穩(wěn)定的一段進(jìn)行比較(100ms)．圖2～圖4分別是送絲速度2．0，3．0和4．7m/min仿真和實(shí)測(cè)波形．表2是不同送絲速度下，熔滴動(dòng)態(tài)過渡仿真和實(shí)測(cè)相關(guān)特征參數(shù)值．表2中谷值電流表示的是過渡周期中臨近于短路時(shí)的電流最小值．峰值電流、谷值電流、過渡頻率、短路時(shí)間和燃弧時(shí)間均是一段時(shí)間內(nèi)多個(gè)過渡周期的平均值．實(shí)際焊接中，短路過渡頻率一般可作為判定過渡過程穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，當(dāng)送絲速度為3．0m/min時(shí)，短路過渡頻率最大(105Hz)，而在2．0和4．7m/min時(shí)，過渡頻率分別為79，80Hz．這意味著在該給定電壓20V下，送絲速度3．0m/min為最佳匹配，2．0和4．7m/min分別對(duì)應(yīng)上述不匹配的兩種情況．表3是熔滴動(dòng)態(tài)過渡過程特征參數(shù)值相對(duì)誤差，它是以實(shí)測(cè)值作為基準(zhǔn)，正負(fù)號(hào)表示仿真值大于或小于實(shí)測(cè)．由表3可知，特征參數(shù)相對(duì)誤差有正有負(fù)，大部分都在14%以下，除了三個(gè)相對(duì)較大(2.0m/min時(shí)，電流均值+17．4%;4．7m/min時(shí)，谷值電流－29．2%;燃弧時(shí)間－16．9%)．

表4為特征參數(shù)值總體平均誤差，其計(jì)算方法是對(duì)不同送絲速度下同一特征參數(shù)求相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值．由表4可知所有特征參數(shù)總體平均誤差都在15%以下，說明模型對(duì)不同送絲速度下的參數(shù)預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確;但谷值電流卻為14．4%，誤差值較大，故而在將來的研究中要對(duì)此參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)．另外從送絲速度所有特征參數(shù)相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值(即總體偏差)來看，由表3即可得2．0，3．0和4．7m/min的總體偏差分別為6．7%，7．0%和11．7%，均在12%以下，表明參數(shù)在匹配和不匹配時(shí)，仿真結(jié)果的總體偏差都較小．再者分別把不同送絲速度下仿真與實(shí)測(cè)波形進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)波形變化趨勢(shì)基本一致．因此結(jié)合誤差和圖形的對(duì)比分析可知，在焊接參數(shù)匹配和不匹配時(shí)，雖然有一定的誤差，但該模型在波形及相關(guān)特征參數(shù)均能基本與實(shí)際相符合．

3結(jié)論

針對(duì)CO2氣體保護(hù)焊，基于焊接系統(tǒng)回路模型，考慮焊絲和熔滴的變化情況，建立了焊絲端部熱焓和熔滴平衡的相關(guān)方程，從能量角度提出設(shè)計(jì)了相對(duì)精確的短路過渡動(dòng)態(tài)過程仿真模型;并通過該模型，首次從電流信號(hào)多個(gè)過渡參數(shù)(平均電流、峰值電流、谷值電流、過渡頻率、短路時(shí)間、燃弧時(shí)間)和波形趨勢(shì)的角度，把試驗(yàn)和仿真進(jìn)行了對(duì)比分析，表明在焊接參數(shù)匹配和不匹配時(shí)，該模型基本能全面與實(shí)際相符合．

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作者：蘇東東 呂小青 王瑩 單位：天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室