gmawp焊接控制系统及熔滴过渡动态数值模拟研究

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1、摘要GMAW-P焊接控制系统及熔滴过渡动态数值模拟研究气体保护熔化极脉冲电弧焊(GMAW-P)的熔滴形成、熔滴尺寸、熔滴过渡形式及过渡特征等是影响GMAW-P熔滴过渡过程、电弧的稳定性、熔池形态、焊缝成形和焊接质量的重要的因素。GMAW-P熔滴过渡过程受弧焊电源控制性能的影响，GMAW-P熔滴的形成、熔滴尺寸及其过渡形式则进一步受脉冲焊接参数的影响，因此GMAW-P熔滴过渡控制对弧焊电源的输出特性提出了相应的要求。长期以来，GMAW-P焊接电源控制系统的研究设计及脉冲焊接参数的选择主要基于经验和工艺试验的方法确定，对

2、于～种焊接材料、通常需要进行大量的实验以确定合适的控制参数及脉冲焊接参数，其研究周期长、实验成本高。论文研制了基于DSP双闭环控制的GMAW-P焊接电源系统，根据焊接电源系统的控制结构、信号传递过程及脉冲焊的控制特性，采用Matlab／simulink扩展工具S函数，构建了基于S函数的GMAW-P焊接电源一电弧系统动态仿真模型，对焊接电源一电弧系统进行了仿真研究，实现了对GMAW-P电源控制器参数的优化设计。通过对焊接系统仿真及焊接实验研究表明，仿真结果与焊接实验结果具有较好的～致性；控制l上海交通太学博士学位论文系

3、统具有良好的动态性能、抗干扰性能和稳态精度：本文所建立的系统仿真模型拓展了GMAW-P焊接电源一电弧系统仿真建模技术，揭示了电源一电弧系统中动态参数的内在联系，可以实现控制器参数的优化设计、验证控制算法及控制策略，为实际焊接电源控制系统结构设计、调试及先进的数字控制算法应用研究提供了新的解决途径。在GMAW-P脉冲熔滴过渡控制的基础上，根据磁流体动力学理论，以流体动力学连续性方程、动量方程为基础，建立了二维GMAW-P熔滴过渡的动态数学模型。提出了VOF与CSF相结合的方法以实现熔滴自由表面跟踪和熔滴表面张力的处理，

4、在模型中将作用在熔滴表面的等离子流力转化为体积力形式加以处理。基于所建立的二维GMAW-P熔滴过渡的动态数学模型，实现了对GMAW-P熔滴过渡过程的数值模拟，分析了熔滴在形成、长大及脱离焊丝端部的过程中熔滴形状的演变、熔滴内部液态金属的流动机制及其速度场分布规律。研究表明，熔滴在形成、长大及脱离焊丝端部的整个过程中，作用在熔滴上的力和熔滴的几何形状是交互影响的，作用在熔滴上的力导致熔滴几何形状发生改变，熔滴的几何形状的改变反过来又引起作用在熔滴上的体积力发生变化。研究发现在基值电流期间表面张力作为主导力决定了熔滴的动

5、态行为，在峰值电流期间电磁力作为主导力决定了熔滴的动态行为，进而从理论上揭示了GMAW-P熔滴过渡行为与驱动力的内在关系。基于所建立的二维GMAW-P熔滴过渡动态数学模型，在焊接工艺参数(包括峰值电流和基值电流)确定的条件下，分析了脉冲峰值时间对¨摘要熔滴过渡动态行为及熔滴过渡形式的影响，确定了实现一脉一滴且在脉冲之后基值时间的熔滴过渡形式的理论脉冲参数，进而为焊接电源控制系统提供脉冲参数支持，同时揭示了由于峰值时间短导致熔滴在基值时间发生回弹、振荡进而形成多脉一滴熔滴过渡的力学因素，为今后进一步利用此现象设计新型脉

6、冲波形(如阶梯式脉冲电流波形)实现一脉一滴的熔滴过渡形式提供新的研究途径。论文构建了基于LabVIEW虚拟仪器和高速摄像的GMAW-P熔滴过渡多信息同步采集与分析系统平台。应用动态仿真所确定的脉冲焊接参数作为理论指导，进行低碳钢焊接工艺实验。利用焊接熔滴过渡图像信息及同步采集的焊接电参数，研究了脉冲参数对熔滴过渡形式的影响，分析了不同脉冲参数对应的熔滴过渡形式的过渡过程。基于本文所建立的系统平台为深入分析脉冲参数对熔滴过渡形式的影响提供了较好的实验研究基础。研究结果表明，数值模拟得到的多脉一滴和一脉一滴熔滴过渡形式与

7、焊接实验对应的熔滴过渡形式的动态行为具有较好的一致性，应用经焊接实验修正后的脉冲控制参数，能够得到一脉一滴且在脉冲之后基值时问过渡的熔滴过渡形式。关键词：气体保护熔化极脉冲电弧焊，弧焊电源一电弧系统，动态性能，仿真，熔滴过渡，流场，数值模拟RIABSTRACTSTUDYONCONTROLSYSTEM0FGMAW二PANDDYNAMICNUMERICALSIMULATIONoFMETALTRANSFERPROCESSABSTRA(玎Themainfactorswhichaffectmetaltransferproces

8、s,arcstability,moltenpoolform,weldappearanceandweldingqualityofplll∞gasmetalarcwelding(GMAW-P)includethedropletformation,dropletdimension,metaltransferformandmetaltransfersp