焊接过程控制

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1、焊接过程控制 第一章 绪 论 一. 课程背景 “焊接过程控制” 就是在焊接过程中，对影响焊接过程的各种要素进行控制，以达到获得合格焊接质量的目的。 “焊接工艺”的后续课程 参考书：电弧焊 焊接方法及设备 压力焊 二. 课程内容 主要包括 以下几方面： 焊接参数控制； 焊接质量控制； 焊接程序控制。1焊接参数控制 在焊接过程中，通过控制（稳定 ）焊接参数控制焊接质量。 对于弧焊主要焊接参数包括： I焊接电流； U焊接电压（电弧电压）； v焊接速度。 对于电阻点焊主要焊接参数包括： I焊接电流； t焊接时间 ； F电极力。例一： 当电网电压发生变化时，某些焊接电源输出的焊接参数（I、V、v）则可能

2、发生改变。例二： 当焊道状态发生变化时，也会引起焊接参数的变化 2焊接质量控制 以达到焊接质量标准为控制目标。例：需要实时调整焊接参数才能保证焊接质量。窄宽3焊接程序控制 自动化焊接设备的程序自动控制的功能。例一： 气体保护焊设备：提前送气、引弧、焊接、停止焊接及滞后断气的程序控制例二： 火焰、等离子弧及激光数控切割设备：按预先编程的轨迹运动的功能。例三： 全位置焊接，在不同空间段，转换不同的焊接参数（包括I、V、v及脉冲焊的脉冲频率等）。 第二章第二章 电弧焊电弧调节原理电弧焊电弧调节原理一电弧调节的目的一电弧调节的目的 通过对电弧（长度）的调节控制，达通过对电弧（长度）的调节控制，达到控制

3、焊接参数（到控制焊接参数（I，U）稳定的目的。）稳定的目的。二电弧稳定的影响因素二电弧稳定的影响因素 1. 电弧静态工作点：电弧处于某一相电弧静态工作点：电弧处于某一相对稳定状态时，由对稳定状态时，由I、U构成的工作点。构成的工作点。 2. 电弧静态工作点确定：由焊接电源电弧静态工作点确定：由焊接电源的外特性与电弧的伏安特性（静特性）的外特性与电弧的伏安特性（静特性）的交点确定。的交点确定。电弧静特性 电源外特性VI 3.3.静态工作点稳定的影响因素静态工作点稳定的影响因素 1）电源外特性变化影响 O/ O O/ 2）电弧静特性变化影响 原因包括：送丝速度不稳；焊炬变化O O1三电弧自动调节（

4、稳定）基本方法三电弧自动调节（稳定）基本方法 1电网波动的自动补偿 焊接电源网压波动自动补偿功能（如SCR焊机，逆变焊机）。焊机的技术指标之一。 2电弧长度自动调节 当弧长因随机干扰发生变化时，控制系统自动使弧长恢复，达到稳定弧长的目的。 电弧长度自动调节主要采取两种形式： 电弧自身调节方式； 电弧电压自动调节方式。四等速送丝调节系统（电弧自身调节系统）（一）基本概念 电弧自身调节系统特点：焊接过程送丝速度不变。 电弧（弧长）稳定的基本条件： vf= vm 电弧自身调节过程：电弧长度波动时，通过焊丝熔化速度vm自动改变恢复弧长的调节过程。 l vm l vf 不变（二）等速送丝调节系统静特性

5、1焊丝的熔化特性 焊接参数与焊丝熔化速度关系： vm=ki Iku U vm随I增加而增加，随U增加而减小。 式中：ki为vm / I比例系数，与、l干有关： 、l干 ki （电阻热增加） ki （电流密度减小） ku为vm / U比例系数，与弧长及电场强度有关。 2电弧自身调节静特性曲线 定义：送丝速度vf一定条件下，稳定 电弧的I与U的关系曲线。 曲线关系式 由 vf=vm vm= ki I ku U 得 I= vf / ki+（ ku/ ki）UUIvf一定BAC 曲线物理意义 a 等熔化速度曲线 b 稳定工作点曲线 c 影响曲线的因素 长弧焊时：I= vf / ki 曲线位置影响因素：

6、 ki 曲线右移 l干 ki 曲线左移 短弧焊时：ku较大，曲线为B点以下的形态。 曲线的实际获得曲线的实际获得 实验原理： 电弧稳定工作点（I、U）由电源外特性和电弧自身调节静特性曲线的交点确定。 实验方法： 首先确定vf，然后改变外特性，在各种外特性的情况下，实测电弧的I、U值。O 伏安特性外特性调节特性 （三）电弧的自身调节作用 1概念 电弧自身调节作用：电弧受到干扰时，工作点会不断偏离稳定工作点，但电弧具有自动回到稳定工作点的能力。 2调节机理OVvfvf/O/II/IOVO/I I/ I/IO/3调节灵敏度 定义：单位弧长变化引起的熔化度速变化。 灵敏度=vm /l 影响因素 因vm

7、=ki I vm=kiI vm/l=kiI/l 灵敏度与ki、I有关。 a . ki 灵敏度 b. 缓降电源外特性 I 灵敏度 结论 等速送丝调节系统适合于细丝焊配合平特性电源（典型应用是细丝CO2焊）。（四）电弧自身调节的静态误差 1定义：弧长波动经调节后产生新的稳定工作点， 新、旧稳定工作点之差为静态误差。 2静态误差产生的原因 等熔化速度曲线的移动: 主要是焊炬高度发生变 化，导致l干变化，引起曲线移动。 电源外特性曲线改变: 网压变化，导致电源外特 性变化。OVO/IO/OVI 3减少静态误差的措施 主要采取缓降电源外特性： 可减小等熔化特性曲线变化产生 的静态误差。 可减小电源外特性

8、变化产生的静态 误差。 4静态误差与动态偏差（五）等速送丝调节系统规范调节方法 等速送丝调节系统： 平特性电源 +（垂直）等熔化速度曲线。 参数调节：U调节电源外特性； I调节送丝速度（vf）， 即移动等熔化速度曲线。Umin UUmaxUIvfmin vf vfmax（六）小结 1电弧自身调节系统特点 等速送丝； 通过改变vm，调节弧长（vm=ki Iku U； 长弧时vm=ki I）。 2调节静特性曲线方程 获得 vf=vm vm=ki I ku U I=vf / ki +（ ku / ki ）U 物理意义 a 等熔化速度曲线； b 稳定工作点曲线。 3调节机理 lc变化 I变化 vm 产

9、生恢复速度。 （l I vm 恢复）。 4调节灵敏度（涉及电源外特性选择） 灵敏度=vm /l=kiI /l （适合平特性；2mm）。 静态误差：平特性时较小。 5规范参数调节（典型的细丝CO2焊） U调节电源外特性； I调节送丝速度。 五电弧电压（反馈）自动调节系统 （一）概述 （二）调节原理 调节过程： lc U U（=UUg） vf lc 弧压调节器调节特性: vf =kU=k（U Ug ）电弧弧压调节器反馈量U控制量Ufl给定电压Ug（三）弧压反馈调节系统静特性 给定Ug的条件下，稳定电弧的I、U之间的关系（vf变化）。 1静特性曲线方程 vf=vm vm=ki Iku U vf =k

10、（U Ug ） U = k / (k+ ku) Ug +ki / (k+ ku)I 2曲线特点 曲线为直线，其： 截距：Uo = k / (k+ku) Ug 斜率：tg= ki / (k+ku)UoUvm=ki I Ivf 3物理意义 稳定工作点曲线 k越大，调节作用越强 调节Ug曲线上下移动（四）系统调节作用 1系统的静态工作点:焊接电源外特性与电弧电压反馈调节系统静特性曲线的交点，并且电弧静特性曲线经过此点 。UoU1U Io I1 IO O1 vf vf1 2调节作用 弧压反馈调节作用 电弧自身调节作用（五）调节灵敏度 1定义：单位弧长变化引起的弧长恢复速度 的大小。 灵敏度=vf /l

11、=kU/l=klEc /l=kEc 2影响因素 电场强度影响 主要与电弧气氛有关 埋弧：Ec =34V/mm； CO2： Ec =1.5V/mm； Ar： Ec =0.5V/mm。 k的影响 应合理选择k，获得一定的调节灵敏度，过大可能引起振荡。 （六）调节系统静态误差 1定义：系统调节后，静态工作点变化产生的误差。 2影响因素 系统调节静特性曲线的影响：通过l干影响ki而影响斜率。 电源外特性变化影响（主要） 相同网压波动条件下，陡降外特性静态误差较小，因此弧压反馈调节系统一般采用陡降外特性电源。UoUIO O1 O O2 O1 UI（七）规范参数调节 1电压调节：调节Ug。 2电流调节：电

12、源外特性。UIImin I ImaxUgmax Ug UgminUI（八）弧压反馈调节系统具体电路分析1发电机电动机系统Ud电 源DFMvfQQ1Q212UUgW1RkUUgvfO 电弧调节器特性 发电机输出电压：1Ug 2U =（ 2 1）（U Ug ） 而 Ud（ Ud =EI RFCFenF） 故 Ud（U Ud ）电动机转速：nD= Ud / (CDeD) （ Ud = E+I RDE= CDeD nD ） 故 nD (vf) （UUg） 得到： vf =k（UUg ） vf 0 送丝； vf 0 抽丝（引弧）。 正常焊接过程： 2 1 2晶闸管控制系统晶闸管控制系统控制过程：控制过程

13、：U UA （UUg） I1 UB I2 I3 （c充电较快充电较快） Ud n（vf ） U （恢复弧长）。（恢复弧长）。电 源DUAUdUgI1OBCI2I3-+-tUdUSCR （九）小结 1弧长反馈调节系统特点 采用变速送丝调节方式，根据U的改变调节vf，实现弧长反馈调节。 2系统静特性曲线 vf=vm vm =ki Iku U U = k / (k+ ku ) Ug +ki / (k+ ku)I vf =k（UUg） 3物理意义 稳定工作点曲线。 曲线上各点vf 不同。 4灵敏度=vf/l=kEc 与焊接方法（弧柱气氛有关）； 适当选择k值（反馈系数）。 5静态误差 粗丝条件下，主要

14、影响因素为电源外特性，应采用陡降外特性。 6调节焊接规范 I调节电源外特性； U调节静特性曲线（Ug）。六电弧固有调节作用六电弧固有调节作用 1原理原理 焊丝熔化速度与电流的关系焊丝熔化速度与电流的关系: vm =m I 2调节过程调节过程 前提条件： 等速送丝； 恒流外特性 调节过程： l m vm （I不变） l 3应用 铝及合金MIG焊，利用亚射流过渡（熔点低，易蒸发）。 亚射流过渡特点： 碟形：电弧电效率提高（电弧包住熔滴）。 短弧：过渡频率增大，熔滴温度低，相当 于提高热效率。 上述两点导致：m增大I1 I0 I2 IUO2O0O1L2L0L1U2U0U1第三章第三章 电阻点焊质量控

15、制电阻点焊质量控制一点焊质量问题一点焊质量问题 1主要质量问题主要质量问题 保证获得一定几何尺寸的点焊熔核保证获得一定几何尺寸的点焊熔核,以以达到一定的点焊接头强度（静拉与疲劳）。达到一定的点焊接头强度（静拉与疲劳）。Dh熔透率=h/2其它质量问题 表面压痕 对压痕的要求：一般小于压痕与板厚之比的10%。 过深压痕产生原因：压力过大、加热时间过长。 减小的措施：应采用强规范并限制压力，表面 要求高的采用平电极。 表面氧化（变黑） 产生原因：a 软规范（加热时间过长）； b 压力小（使导热不良，接触电阻 增大）。 表面压坑 电极表面不平造成的，应修磨电极。二点焊质量控制技术 1点焊质量控制特点

16、点焊的特点是封闭性，熔核的形成过程是不可见的。2点焊质量控制方法 间接法通过保持某一焊接参数恒定保证熔核尺寸（典型为，恒流法）； 直接法直接检测与熔核尺寸有关的信息，进行反馈控制。 恒流法 a 原理：控制焊接电流恒定，以保证熔核尺寸。 b 控制过程：控制系统检测电流参数（一次或二次电流），将之与给定值比较，然后控制功率元件调节电流，使之稳定在一定的范围内 c 恒流控制器：（单片）微机化。允许网压波动范围+1530%，电流波动范围3%，高精度的可达2%（或1%）。可控制电流范围：几千数万安培。 d 应用：最广泛、最成熟的方法。 e 局限：对网压波动有很好的补偿效果，但对分流、电极磨损等有局限性。

17、 电极区电压法 a 原理：检测电极间电压的变化，获得点焊熔 核的生长情况，据此调节焊接电流和时间。 b 监控机理：利用金属热导率与温度的关系，获得熔核生长情况，据此对参数进行控制。 热膨胀法 a 原理：点焊时加热区的体积膨胀，使上下电极产生相对移动位移反映了熔核的形成过程。 b 调节机理：调节主要根据热膨胀曲线 t1未熔化加热段；t2熔核形成段； t3熔核趋于稳定；t4加热软化阶段。 c 应用：铝及其合金。sO t1 t2 t3 t4 t热影响区软化继续软化动态电阻法 a 原理：点焊过程中，随着温度的升高，电阻率亦发生变化，根据电极间动态电阻的变化判断熔核的生长情况。 b 控制方法： 主要根据

18、动态电阻曲线控制 t0t1接触电阻迅速下降； t1t2 初期温度升高，t2时开始形成熔核； t2t3 熔核生长期，塑性环增大，导电通道增大，总电 阻下降。 根据t2 后动态电阻的下降幅值作为断电的判据。Rt0 t1 t2 t3 tR第四章第四章 焊接自动控制技术焊接自动控制技术一概述 1焊接参数的恒值控制 a 焊接电弧参数的恒值控制 （I，U的静、动态控制） b 恒速控制 （送丝速度，行走速度控制）。 2焊接程序自动控制 3焊接轨迹的自动跟踪控制。 4焊接过程自适应控制二恒速控制技术 1晶闸管拖动电路主电路 功能：为直流电机提供直流驱动电压。 组成：整流电路；直流电机D ；电压 控制元件SCR

19、；续流电路；激磁电路。D Ur Ud SCR2调速与稳速控制 问题的提出 稳速控制（三种方法） 1）电枢电压负反馈 a 调节原理 b 调节过程： Ur Ud Ud 或 Ur Ud Ud 调 调c 调节电路 Ufe给定电压；Ude电枢电压（反馈电压）； UR1（Uba）同步电压；UR5（Ucd）触发电压。 UR1 + Ufe = Ubd + Ude Ubd = (Ufe Ude ) + UR1 调节过程： Ur Ude （UfeUde） UR5 Ude Ur Ude （UfeUde） UR5 UdeR4cdfMRDR6R7R8R1R2R5R9 D1DwD2D3C1C2C3abew1w2w3Q+-

20、SCRR3Ur移相45。UrUR1Ufe-UdeUR5ttttt 2）电枢电流正反馈和电枢电压负反馈 a 调节原理（Ud=E反+ Id Ri ；E反=nCe） n=（UdId Ri）/Ce b 调节过程： 阻力 n Id Ud n c 电路分析 Uu电枢电压反馈信号Ui电枢电流反馈信号Ug给定信号+-MUrw3w1w4w2R2R3R4R5RiC1CD1D2D3BG1BG2BG3MBUdUuUi-uIR2IR1IbIb2I+-+3）电势负反馈 令 R5/Ri=R4/R3 R5 /（Ri +R5）= R4 /（R3 +R4） Uu =R4 /（ R3 + R4） Ud Ui =R5 /（ R5 +

21、Ri）（ Ud E） Ui-u =（ Ui Uu ）/m =（ R4/ m）E /（ R3 + R4 ） =（ R4 Ce/ m（ R3 + R4）n （E= Cen） 比较理想反馈调节方式。 动态特性的改善 1）振荡问题 减小措施： a 适当减小反馈系数，降低调节速度； b 加入积分环节； c 加入微分环节。n tR1ICIR1CRIbBG12）启动问题 电机工作电流很大 I=（ Ud E反）/Ri = Ud/Ri 。三焊接程序自动控制 1示例 埋弧焊 TIG焊 CO2气体保护焊UvfVwIt先停丝，后停电（防止粘丝）抽丝引弧UQVwvfVHIttQUvfIVw 2程序控制的基本转换 时间转

22、换按规定的时间转换。 行程转换按工作行程进行转换。 条件转换以系统处于某种特定状 态作为转换条件。 3弧焊程序控制的基本环节 延时控制环节 UJHJs的启动电压；UJFJs的释放电压； UJH UJF ts1提前送气时间；ts2滞后断气时间。JS1J1CJDFJS36VAN2AN1J1-1J1-2J1-3KJ1-4JS2电磁气阀试气开关电源开关tS1tS2UJHUJFtUJSR1R2R3C1C2J1JSBG 引弧控制环节 1）简单爆裂引弧控制环节（CO2）电 源CJ拖动电路J2（一次侧）CJJ2J1KJ1-1J1-2 2）控制短路电流的爆裂引弧J2-1CJDKUg36VJLR36VJ2-2J1

23、K缓降电 源JY拖动电路MJLCJJ2J1QCJY滤波1212UIIU1正常焊接； 2引弧 3）慢送丝引弧 Ug1慢送丝给定电压； Ug2正常送丝给定电压 J1合 合J2、CJ合（慢送丝） JL合（正常送丝） 电 源CJCJJLJ2J1-1J1-2DKMJ2-1触发电路JL1JL2J2-2W1W2Ug1Ug2+- 4）高频引弧 a Js合 J2合 CJ合 J3合 J4合 （引弧开始） （加空载电压） （高频引弧） b 引弧成功 J3释放 J4释放 （低电压引弧） （关引弧器）J4电 源J3高频引弧器CJR1R2J3C220J4J2CJJ3J2JS（引弧控制） 熄弧控制环节 1）焊丝返烧熄弧：先

24、停送丝后断电 按AN2 J1放 J2放 JS放 CJ合 （停止信号） （停丝） （停电） 电 源CJMRJ2J2CJJS380VJ2J1JSWJ1减少放电时间J1JSAN1AN2J1启动停止 2）电流衰减熄弧 电 源JSJ1CJUgW1W2W3J1-1J1-2J1-3JSBGUAN1AN2C 程序控制转换电路 K1W1；K1K2W2；K2W3；K2K3W4； K3W5；K3K4W6；K4W7；K4K1W8。J1J2J3J4J6J9J7J5J8J10J11J12k1K2K3K4J1J1J1J1J2J2J2J2J3J3J3J3J4J4J4J4J5J6J7J8J9J10J11J12W1W2W3W4W

25、5W6W7W8四焊接轨迹自动跟踪控制 1焊缝跟踪原理 2跟踪技术 机械式跟踪 a接触式传感； b利用特定的坡口型式仿型跟踪； c简单、抗干扰能力强。探头球铰平衡弹簧拨杆微动开关探针万向球铰光敏元件引线 电弧自身传感式跟踪 特点：无须其它传感器，简单，但需坡口。 光电（传感）跟踪 1）白线跟踪法 2）激光传感法 3）图象跟踪法 光源光敏元件1 2光电元件物镜反射镜激光源 电磁式跟踪 利用电磁效应实现跟踪传感的跟踪方式。U0Uy12le1e2e21e22五焊接过程适应控制 在外部条件变化时，能自动改变焊接参数，控制焊缝成型处于所要求的状态，以保证焊接质量。 1等离子弧焊熔透适应控制R220V36V

26、U0铜测棒等离子弧 2熔池图象监测适应控制 3点焊自适应控制CCD焊炬Rt0 t1 t2 t3 tR第五章第五章 焊接专机与焊接机器人焊接专机与焊接机器人一焊接专机一焊接专机 1定义：为某一特定焊接结构专门设计、定义：为某一特定焊接结构专门设计、 制造的自动化焊接设备。制造的自动化焊接设备。 2基本组成基本组成 焊接操作机及焊接夹具焊接操作机及焊接夹具 焊接操作机是用以实现焊枪（或焊钳）焊接操作机是用以实现焊枪（或焊钳）按一定轨迹运动的机械装置。按一定轨迹运动的机械装置。 焊接夹具是固定工件或实现工件移动焊接夹具是固定工件或实现工件移动及焊道空间位置改变的机械装置。及焊道空间位置改变的机械装置

27、。 焊接电源系统焊接电源系统 控制系统控制系统 控制整个系统（操作机、卡具、焊 接电源）实现自动焊接过程。 3举例：管管对接机；管板焊接机；管管马鞍型焊接机；螺旋管焊接机，多点点焊机；四枪汽车轮辐焊接机；长板拼焊机；摩擦焊机 4焊接专机优点 对单件大批量生产，劳动生产率高，能够保证产品的焊接质量。5缺点 刚性很强，改变产品设计时，需对焊接专机进行改造，一次性投资大二焊接机器人 1定义：能模仿焊工操作的，数控或计算机控制的焊机，或可以反复编程的多功能焊接操作机（与仿人机器人区别）。 2组成：操作机、控制系统，焊机。 焊接机器人操作机 1）自由度 焊接机器人一般有46个自由度。 基本自由度三个：a

28、. 伸缩（直线运动）； b. 回转（轴向指向不变）； c. 旋转（轴向变化）。 2）典型动作组合 a 极坐标式 b 关节式 c 园柱坐标式 3）驱动方式（二种） a 电动：多采用交流伺服电机，价格较低； b 电液压：静、动态性能好，结构复杂，造价高。 机器人控制系统 1）硬件结构：一般采用两级计算机控制 一级计算机为主控计算机，完成系统管理，状态监控及为二级计算机提供控制参数。 二级计算机一般为若干单片机，用以完成对焊机及操作机各关节的动作控制。 2）示教再现控制 示教再现控制包括： a 示教：记忆规定的动作，亦称路径规划； b 存储：保存示教信息； c 再现：读出所存储的信息，并向执行机构发

29、 出具体指令。 示教方式： a 人工引导示教 b 示教盒示教 3）智能控制 似人一样具有视觉、听觉、触觉功能。能对环境状态进行感知，能够自动识别焊接起点、路径，能对焊接质量进行适应控制。3焊接机器人类型：主要是弧焊机器人和点 焊机器人 a 点焊机器人采用简单的点位控制方式 （中间轨迹是无关紧要的，但需避让障碍物）。 b 弧焊机器人则相对复杂，需进行连续轨迹控制。 思考题1电弧自身调节系统基本原理、调节系统静特性曲线方程及其物理意义？电弧稳定工作点是如何确定的？2电弧电压反馈调节系统基本原理、调节系统静特性曲线方程及其物理意义？电弧稳定工作点是如何确定的？3比较两种电弧调节系统的特点。4电弧调节

30、系统调节灵敏度概念及影响因素？5解释电弧调节系统静态误差概念，影响静态误差的主要因素？6细丝二氧化碳气体保护焊应采用什么样的送丝方式和什么样的电源外特性，为什么？7埋弧自动焊采用什么样的送丝方式和什么样的电源外特性，为什么？8采用电弧自身调节系统及电弧电压反馈调节系统的弧焊设备调节焊接参数（电流、电压）的本质是什么？9说明几种基本的电阻点焊质量控制方法。10恒速控制系统中有几种反馈控制方法，基本原理是什么？各种方法能补偿何种干扰？11电弧电压负反馈与电势负反馈的区别在哪里？12点焊机器人与弧焊机器人的主要区别？13说明一般的电弧焊方法，程序控制包含哪些基本环节。14说明几种焊接轨迹跟踪方法的基本原理。