基于快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)的鋁合金脈沖MIG焊弧長(zhǎng)控制

（蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

0 前言

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

保證焊接質(zhì)量是鋁合金車(chē)體焊接的關(guān)鍵。脈沖MIG焊因熔滴過(guò)渡軸向性好、無(wú)飛濺、焊縫成形美觀、焊接變形小以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋁合金焊接[3]。弧長(zhǎng)在脈沖MIG焊接過(guò)程中是實(shí)時(shí)變化的，因此如何實(shí)時(shí)控制脈沖MIG焊接過(guò)程中的弧長(zhǎng)成為研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[4]建立了焊接電流與焊絲熔化速度的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)調(diào)節(jié)焊接電流保證焊絲的熔化速度與送進(jìn)速度相同來(lái)穩(wěn)定弧長(zhǎng)。文獻(xiàn)[5]提出了脈沖熔化極氣體保護(hù)焊接電源頻率-特性復(fù)合弧長(zhǎng)自適應(yīng)控制法，并通過(guò)實(shí)時(shí)采集電壓、電流信號(hào)以及實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)脈沖基值時(shí)間和給定電壓來(lái)穩(wěn)定弧長(zhǎng)。文獻(xiàn)[6]采用比例切換函數(shù)的滑?？刂破鲗?duì)弧長(zhǎng)進(jìn)行了控制試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定焊接，焊縫成形良好。文獻(xiàn)[7]通過(guò)調(diào)節(jié)峰值時(shí)間和基值時(shí)間來(lái)克服干伸長(zhǎng)對(duì)熔化速度和熔滴體積的影響，在保證一脈一滴過(guò)渡的同時(shí)還保證每個(gè)熔滴的體積基本不變，從而使熔滴過(guò)渡更加均勻、穩(wěn)定。

上述幾種弧長(zhǎng)控制方案的靈敏度和抗干擾性都較差，為此本研究設(shè)計(jì)了基于快速原型脈沖MIG焊電源開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用xPC的實(shí)時(shí)目標(biāo)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)焊接電流、電壓及視頻圖像的同步采集、實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)功能，分析處理焊接信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的控制算法，實(shí)時(shí)輸出控制信號(hào)，完成對(duì)焊接過(guò)程的控制。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，建立的鋁合金脈沖MIG焊硬件平臺(tái)主要包括焊接系統(tǒng)、圖像傳感系統(tǒng)、電信號(hào)采集及控制信號(hào)輸出系統(tǒng)。焊接系統(tǒng)采用德國(guó)DALEX VIRO MIG-400L數(shù)字脈沖焊機(jī)，圖像采集系統(tǒng)包括松下CP-230型CCD攝像機(jī)、NI PCI-1405視頻采集卡，電信號(hào)采集及控制信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)電壓隔離模塊等，軟件平臺(tái)采用支持xPC的實(shí)時(shí)目標(biāo)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(zhǎng)控制軟件系統(tǒng)

在快速原型控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)MATLAB/Simulink分別設(shè)計(jì)了通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率控制弧長(zhǎng)的軟件系統(tǒng)，如圖2和圖3所示?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)弧壓反饋信號(hào)的大小來(lái)相應(yīng)調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率，調(diào)節(jié)控制弧長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)控制，采用增量式PID控制器。

2 弧長(zhǎng)控制試驗(yàn)

在快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行鋁合金平板堆焊弧長(zhǎng)控制試驗(yàn)，焊接過(guò)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(zhǎng)控制試驗(yàn)

調(diào)節(jié)脈沖占空比弧長(zhǎng)控制試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

在進(jìn)行控制試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后起弧，調(diào)節(jié)占空比進(jìn)行弧長(zhǎng)控制。焊接過(guò)程中經(jīng)過(guò)分壓分流后采集到的電信號(hào)如圖4所示。

圖2 調(diào)節(jié)脈沖占空比弧長(zhǎng)控制軟件系統(tǒng)

圖3 調(diào)節(jié)脈沖頻率弧長(zhǎng)控制軟件系統(tǒng)

由圖4可知，當(dāng)電弧受到外界干擾時(shí)，通過(guò)弧壓反饋信號(hào)，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(shí)控制弧長(zhǎng)變化。采用調(diào)節(jié)占空比進(jìn)行弧長(zhǎng)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(zhǎng)控制試驗(yàn)參數(shù)

圖4 焊接過(guò)程中信號(hào)的變化情況

圖5 焊縫形貌

2.2 調(diào)節(jié)脈沖頻率弧長(zhǎng)控制試驗(yàn)

調(diào)節(jié)脈沖頻率弧長(zhǎng)控制試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 調(diào)節(jié)脈沖頻率弧長(zhǎng)控制試驗(yàn)參數(shù)

在進(jìn)行控制試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后起弧，調(diào)節(jié)脈沖頻率進(jìn)行弧長(zhǎng)控制。焊接過(guò)程中經(jīng)過(guò)分壓、分流后采集到的電信號(hào)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(zhǎng)所獲得的焊縫形貌如圖7所示。當(dāng)焊接過(guò)程遇到干擾時(shí)，脈沖頻率發(fā)生改變，從而改變焊絲熔化速度，實(shí)現(xiàn)弧長(zhǎng)控制，焊縫成形相對(duì)較好。

3 階躍驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)的鋁合金脈沖MIG焊弧長(zhǎng)的抗擾動(dòng)能力，設(shè)計(jì)了弧長(zhǎng)階躍擾動(dòng)焊接試驗(yàn)，如圖8所示。

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

由于焊槍噴嘴與工件表面的距離突然減小，弧長(zhǎng)也相應(yīng)減小，此時(shí)脈沖頻率增加，焊絲熔化速度增加，同時(shí)由于焊絲送進(jìn)速度恒定，弧長(zhǎng)很快恢復(fù)到平衡位置。焊接過(guò)程中經(jīng)過(guò)分壓分流后采集到的電信號(hào)如圖10所示。

4 結(jié)論

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

（2）在快速原型脈沖MIG焊電源開(kāi)發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率控制弧長(zhǎng)進(jìn)行鋁合金平板堆焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種方案控制效果明顯。

（3）階躍試驗(yàn)表明，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖占空比和脈沖頻率可實(shí)現(xiàn)對(duì)弧長(zhǎng)的快速、穩(wěn)定調(diào)節(jié)，同時(shí)在出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)能夠迅速響應(yīng)處理，保證了焊接過(guò)程的穩(wěn)定，獲得良好的焊縫成形。

圖6 焊接過(guò)程中信號(hào)的變化情況

圖7 焊縫形貌

圖9 階躍試驗(yàn)電弧分幀圖

圖10 焊接過(guò)程中信號(hào)的變化情況

[1]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車(chē)輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014（01）：1-16.

[2]鄭暉，趙曦雅.汽車(chē)輕量化及鋁合金在現(xiàn)代汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2016（02）：1-6.

[3]張剛，黃健康，石玗，等.基于脈沖電流參數(shù)的鋁合金脈沖MIG 焊過(guò)程控制[J].焊接學(xué)報(bào)，2013（12）：59-62+4.

[4]Praveen P，Yarlagadda P K D V，Kang M J.Advancements in pulse gas metal arc welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2005，164-165（20）：1113-1119.

[5]Hua X，F(xiàn)ang L I，Zhiqiang L U，et al.Frequency-character combine control method of arc length adjustment of GMAW-P[J].Transactions of the China Welding Institution，2009，30（10）：53-56.

[6]Lihui L U，Ding F，Huang J，et al.Study on arc length control system for pulsed MIGweldingofaluminumalloy[J].Hanjie Xuebao/transactions of the China Welding Institution，2011，32（9）：53-56.

[7]王偉明，劉嘉，馬德，等.脈沖焊全數(shù)字控制系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報(bào)，2004，25（2）：35-38.

[8]盧立暉，石玗，黃健康，等.鋁合金脈沖MIG焊焊絲伸出長(zhǎng)度視覺(jué)檢測(cè)控制[J].焊接學(xué)報(bào)，2011（07）：63-66+116.