受控脉冲穿孔PAW对接焊过程控制的试验研究

将受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统应用于中厚度板的对接焊。对接焊工艺中板间存在的缝隙会对尾焰电压测量结果和穿孔状态带来不利影响,造成控制系统对穿孔状态误判而达不到良好焊接效果,需要对系统进行改进实现良好穿孔过程。基于受控脉冲控制策略和工件合理的装配,避免等离子弧从对接工件缝隙透过而引起的系统误判。开展6 mm和8 mm厚度304不锈钢平板的对接焊控制试验,找到合理的工艺参数。设计一组变厚度不锈钢板对接试验,考察系统在对接焊条件下的控制效果。控制系统根据测量的表征穿孔状态的尾焰电压信号,实时调节焊接电流峰值及其下降沿斜率;随着板厚的减小,系统做出快速调节,一脉一孔的动态过程平稳,控制效果显著,焊缝成形质量良好。

受控脉冲穿孔等离子弧焊接控制系统

穿孔等离子弧焊接过程中存在的一些问题制约了该工艺在现代工业中的推广和应用,如焊接工艺合理参数区间窄,可调裕度小,导致焊接过程中小孔的稳定性较差等。熔池的小孔行为是直接影响焊接过程稳定性和接头质量的关键因素,为拓展合理工艺参数范围,提高焊接过程稳定性和焊缝质量,研制出受控脉冲穿孔等离子弧焊接控制系统。基于简易测试装置,实时采集焊接过程中的尾焰电压信号,可靠描述焊缝熔池穿孔与否以及小孔尺寸;采用受控脉冲穿孔的控制策略,适时调整峰值电流和基值电流的作用时间,使得小孔一直处于'准稳态'。实现'一脉一孔',但脉冲时间和基值电流并不固定,取决于每个脉冲过程小孔的建立时间和存在时间;保证穿孔,使小孔尺寸在预定值附近波动,并防止烧穿的发生;大幅拓展穿孔等离子弧焊接合理工艺参数区间。工艺试验结果表明,当工件散热条件和厚度发生变化时,控制系统能够迅速做出调节,运行稳定可靠,控制效果显著。

PAW受控脉冲穿孔状态的检测与控制

根据受控脉冲穿孔的控制策略,研制出等离子弧焊接(PAW)小孔状态的检测与控制系统,采用等离子弧尾焰电压作为表征小孔状态的传感检测信号,对不同焊接电流作用下的焊接过程进行实时监测,系统可以同时采集焊接电流和尾焰电压信号,并对信号进行分析、处理,建立了焊接电流、尾焰电压和背面熔宽三者之间的定量关系曲线.结果表明,尾焰电压信号能够迅速准确地反映出小孔状态和焊缝背面熔宽.根据检测试验得到的数据,建立穿孔型PAW焊接闭环控制系统,通过对普通平板和改变散热条件工件进行闭环控制焊接试验,获得了适当的焊缝背面熔宽及良好的焊缝质量,证明了该系统运行稳定、可靠.

基于背面小孔图像的受控脉冲穿孔PAW控制系统

已开发的受控脉冲穿孔等离子弧焊被验证能够较好地控制小孔的穿透行为,提高焊接稳定性,保证焊接质量。然而,过去开发的控制系统使用间接反映小孔穿透状态的尾焰电压作为反馈量,不能够反映熔池的热量状态。前期研究发现,背面小孔参数中,小孔中心位置的变化能够反映熔池热量的变化趋势,脉冲电流下降沿时长能够调节小孔中心位置。本研究,利用摄像机拍摄的背面小孔图像信号为反馈信号,以小孔中心偏移量为被控制量,以脉冲电流下降沿时长为控制量,基于预测控制算法,设计新的受控脉冲穿孔等离子弧焊控制系统。利用新的脉冲穿孔焊接控制系统焊接9.5 mm厚304不锈钢,能够控制小孔周期性稳定穿透,得到了高质量的焊缝。

受控脉冲穿孔等离子弧焊接小孔动态行为的检测

受控脉冲穿孔等离子弧焊接新工艺能有效扩展适用的焊接工艺参数区间,在中厚度高性能金属结构成形制造领域有广阔应用前景。为掌握这一新工艺涉及的热物理机制,检测其熔池小孔随脉冲电流的动态变化过程有重要意义。介绍受控脉冲穿孔等离子弧焊接小孔动态行为的试验检测系统和方法。在受控脉冲电流波形作用下,通过调控电流脉冲后沿的两个下降斜率,主动地控制热输入和小孔的形成与闭合,保证熔池穿孔、工件熔透。采用视觉传感技术实时拍摄受控脉冲穿孔等离子弧焊接过程中小孔的序列图像,提取不同时刻小孔形状、尺寸和位置的数据。展示一个受控脉冲周期内在'小孔形成-长大-缩小-闭合'周期性过程中小孔尺寸和位置偏移量随焊接电流的瞬态变化规律。研究结果为受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺优化和过程控制奠定基础。

脉冲后沿斜率可调的受控穿孔PAW系统

在穿孔等离子弧焊接过程中,为使小孔的'开—闭—开'状态转换更加平稳,对研制出的方波脉冲穿孔等离子弧焊接系统做出进一步的改进。设计出脉冲后沿带两个缓降坡度的脉冲焊接电流波形,通过调节这两个下降斜率的大小,可以更加灵活地控制热输入和等离子流力;在优化脉冲参数的基础上,提高穿孔状态转变的平稳性。以表征小孔尺寸的等离子弧尾焰电压为被控制量,脉冲电流峰值及其两个后沿下降斜率为控制量,采用PI控制算法和受控脉冲穿孔的控制策略,建立受控脉冲穿孔等离子弧焊接控制系统。工艺试验结果表明,系统准确工作在'一脉一孔'状态,既保证穿孔,又使小孔尺寸维持在预定值附近;与原来的方波相比,小孔的'开—闭'状态转换更加平稳,焊缝成形良好,控制效果显著。

受控脉冲穿孔等离子弧焊小孔热滞后效应的研究

利用自主研发的受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统及其控制模式,进行了等厚度板和变厚度板的受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺实验.本文中定义小孔的热滞后时间(t_L)为尾焰电压信号达到其峰值70%时所需时间(t_(VE0.7))与焊接电流达到峰值所需时间(t_(IP))之差,并测定了不同工艺条件下小孔的热滞后时间.实验结果表明,等厚度不锈钢板焊接实验条件下,小孔的热滞后平均时间是0.36 s;变厚度不锈钢板焊接实验条件下,随着试件厚度逐渐变薄,焊接电流峰值不断降低,但各个周期内小孔的热滞后时间的波动幅度不大,其平均值为0.22 s.

受控脉冲PAW过程小孔动态变化的数值模拟

受控脉冲穿孔等离子弧焊接(PAW)过程中,小孔形状随焊接电流动态变化,经历"形成—长大—缩小—闭合"的变化过程.本文在对受控脉冲PAW瞬态温度场进行数值模拟的基础上,通过分析焊接熔池表面的受力状态,建立了小孔形状的模型,考虑了盲孔(小孔深度小于工件厚度)和穿透小孔2类情况.对焊接熔池内三维小孔在一个脉冲周期内的变化过程进行了数值计算.进行了受控脉冲PAW工艺实验,验证了穿孔持续时间的数值分析结果.