朱孝祥 劉 嘉 白立來(lái)

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

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基于壓電執(zhí)行器的GMAW焊接解耦控制方法及機(jī)理的研究

朱孝祥 劉 嘉 白立來(lái)

(北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

采用基于壓電執(zhí)行器的焊絲回抽機(jī)構(gòu)，結(jié)合以DSP為核心的控制系統(tǒng)，研究額外力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響。通過(guò)焊接過(guò)程高速攝像，研究不同參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響。結(jié)果表明，采用基于壓電執(zhí)行器的焊絲回抽機(jī)構(gòu)，可以給熔滴增加額外分離力，實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡；回抽時(shí)間越長(zhǎng)，焊接電流越大，送絲速度越大，越容易實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡；焊接過(guò)程幾乎沒(méi)有飛濺；可以在電流較小時(shí)實(shí)現(xiàn)非短路過(guò)渡的熔滴過(guò)渡。

壓電執(zhí)行器 回抽 熔滴過(guò)渡

0 序 言

隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)的迅猛發(fā)展和焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步, 焊接技術(shù)得到了泛的使用，每年的焊接工程量巨大，這對(duì)焊接效率和質(zhì)量都提出了更高的要求。在諸多焊接方法中，熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)具有生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接、可全位置焊接、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn), 成為高效化焊接方法的重要選擇之一[1-2]。GMAW已應(yīng)用到汽車(chē)、造船、航天等先進(jìn)領(lǐng)域[3]。盡管GMAW優(yōu)勢(shì)明顯、應(yīng)用廣泛，并應(yīng)用到一些先進(jìn)制造領(lǐng)域，但其所占的比重并不大。這是由于GMAW采用的是短路過(guò)渡，具有飛濺大、成型差、且熱輸入量大、變形嚴(yán)重的缺點(diǎn)[4-5]。因此焊接質(zhì)量不能滿足高精密焊接的要求是影響其進(jìn)一步發(fā)展的因素。利用壓電陶瓷的快速響應(yīng)[6-7]特性對(duì)熔滴過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行控制，研究額外力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響，通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行高速攝像圖像采集，研究不同參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響。

1 試驗(yàn)原理、控制方案及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.1 試驗(yàn)原理

熔滴過(guò)渡包括復(fù)雜的物理現(xiàn)象，可以用力平衡原理來(lái)論證熔滴分離的條件。根據(jù)力平衡原理，如圖1所示，熔滴在焊絲的軸線上受到一個(gè)保持力合力fr和一個(gè)分離力合力fd。當(dāng)fd>fr時(shí)發(fā)生分離。占主導(dǎo)地位的分離力包括：①電磁力fem；②重力mg[8]。

圖1 熔滴受力示意圖

1.2 控制方案

通過(guò)前面對(duì)GMAW的工藝特性及熔滴過(guò)渡分析，設(shè)計(jì)基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過(guò)渡控制方案?？刂品椒ㄊ窃诤附舆^(guò)程的燃弧階段給焊絲一個(gè)加速度，此時(shí)熔滴由于額外增加的慣性力打破原來(lái)的受力平衡發(fā)生過(guò)渡。首先在熔滴形成過(guò)程中，利用在特定機(jī)械結(jié)構(gòu)中的壓電執(zhí)行器的動(dòng)作夾住焊絲使其停止，其次在焊絲被夾住時(shí)另一個(gè)壓電執(zhí)行器動(dòng)作使焊絲回抽并保持一段時(shí)間。此過(guò)程送絲機(jī)一直在勻速送絲并在送絲軟管內(nèi)儲(chǔ)存一定的焊絲余量,最后負(fù)責(zé)夾緊和回抽的壓電執(zhí)行器一次取消動(dòng)作，軟管內(nèi)的焊絲余量加速釋放。釋放結(jié)束后有一個(gè)瞬間減速過(guò)程，此時(shí)熔滴會(huì)在慣性力的作用下完成過(guò)渡行為。基于此控制方案設(shè)計(jì)了基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過(guò)渡控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)主要有DSP數(shù)字控制單元、壓電驅(qū)動(dòng)器、壓電執(zhí)行器等幾部分組成。其控制方案如圖2所示。DSP數(shù)字控制單元實(shí)現(xiàn)的功能是：通過(guò)調(diào)控PWM輸出方波占空比調(diào)節(jié)輸出電壓信號(hào)的大??；控制兩個(gè)壓電陶瓷動(dòng)作的時(shí)序及位移量。

圖2 控制方案示意圖

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)控制方案，改進(jìn)了焊槍?zhuān)O(shè)計(jì)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)。夾緊及回抽機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾緊及回抽機(jī)構(gòu)

由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的存在，標(biāo)準(zhǔn)的送氣管不再適用于試驗(yàn)，因此通過(guò)連接桿、轉(zhuǎn)接頭改進(jìn)了送氣機(jī)構(gòu)。如圖4所示。

夾緊和回抽機(jī)構(gòu)定型后還要設(shè)計(jì)固定臺(tái)及裝夾機(jī)構(gòu)?；爻闄C(jī)構(gòu)是在焊槍附近，由于其本身比較笨重，此外加上送氣、送電裝置都在此安裝，不利于手工焊，必需設(shè)計(jì)合適的裝夾機(jī)構(gòu)和固定臺(tái)，要求質(zhì)輕、節(jié)省空間并易于裝卸等。最終整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 改進(jìn)的送氣機(jī)構(gòu)

圖5 整體裝配機(jī)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 一組參數(shù)下回抽與不回抽對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是使熔滴在非過(guò)渡時(shí)刻使其發(fā)生熔滴過(guò)渡，通過(guò)控制焊絲回抽以增加外力，強(qiáng)迫焊接過(guò)程發(fā)生熔滴過(guò)渡。首先在一種電流參數(shù)下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：焊絲：0.8 mm的JD-56；母材：3 mm厚低碳鋼冷軋鋼板；保護(hù)氣(純氬氣)的氣流量：15 mL/min；焊炬高度：20 mm；焊接速度0.2 m/min；工藝參數(shù)：電流70 A，送絲速度4.5 m/min。

在沒(méi)有加回抽動(dòng)作時(shí)，讓其發(fā)生非短路過(guò)渡的自由過(guò)渡。從前一滴熔滴低落時(shí)開(kāi)始，到這一滴熔滴滴落結(jié)束，所用時(shí)間為0.5 s。熔滴的尺寸較大,如圖6所示。

在其他試驗(yàn)參數(shù)相同的條件下，通過(guò)回抽讓其發(fā)生非自由過(guò)渡，設(shè)置回抽頻率為30 Hz。每回抽一次就會(huì)有一滴熔滴滴落，即過(guò)渡一滴熔滴的時(shí)間為0.03 s。熔滴尺寸較小，如圖7所示。

圖6 非短路過(guò)渡的自由過(guò)渡

圖7 回抽狀態(tài)下的非自由過(guò)渡

2.2 不同參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡的影響

回抽將熔滴甩掉的過(guò)程受多個(gè)參數(shù)的影響，主要包括回抽時(shí)間、回抽頻率、焊接電流。

2.2.1 回抽頻率和回抽時(shí)間對(duì)熔滴過(guò)渡的影響

回抽時(shí)間指從夾住焊絲回抽到松開(kāi)焊絲所用的時(shí)間。在送絲速度一定的情況下，它能決定送絲軟管內(nèi)的焊絲余量，進(jìn)而決定焊絲松開(kāi)后的加速距離及熔滴的慣性力大小。回抽頻率即每秒焊絲回抽的次數(shù)，它決定熔滴的形成時(shí)間，回抽頻率越大，熔滴形成的時(shí)間越短，熔滴越小。

下面進(jìn)行了70 A恒流下，同種回抽頻率不同回抽時(shí)間,以及同種回抽時(shí)間不同回抽頻率的試驗(yàn)。幾種組合下的回抽效果見(jiàn)表1，第一行參數(shù)為回抽周期T(T=1/f，f為回抽頻率)，第一列參數(shù)為回抽時(shí)間t?；爻樾Ч谩昂谩薄ⅰ爸小?、“差”表示，其中“好”表示能夠穩(wěn)定的將熔滴甩出；“中”表示不能均勻、穩(wěn)定的將熔滴甩出；“差”表示根本無(wú)法將熔滴甩出。

從表1的二、三兩行可以看出，隨著回抽頻率降低熔滴尺寸變大，熔滴甩出變得困難，從高速攝像拍攝的圖片分析熔滴尺寸發(fā)現(xiàn)：在熔滴直徑與焊絲直徑比在1.5左右時(shí)有利于熔滴甩出。從表的后兩列能夠看出，隨著回抽時(shí)間增加，熔滴甩斷能力增強(qiáng)。這是因?yàn)榛爻闀r(shí)間越長(zhǎng)，送絲軟管內(nèi)的焊絲余量越多，焊絲松開(kāi)后的加速距離及熔滴的慣性力越大，越容易實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡。

表1 70 A恒流不同回抽頻率及回抽時(shí)間效果

2.2.2 焊接電流對(duì)熔滴過(guò)渡的影響

試驗(yàn)條件：焊絲：0.8 mm的JD-56；母材：3 mm厚低碳鋼冷軋鋼板；保護(hù)氣，純氬氣和氣流量：15 mL/min；焊炬高度：20 mm；焊接速度0.4 m/min。

分別在恒流30 A，50 A，70 A，120 A的條件下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，回抽時(shí)間都設(shè)置為7 ms，回抽周期都設(shè)置為60 ms。恒流條件下焊接電流決定送絲速度，不同的焊接電流對(duì)應(yīng)于不同的送絲速度，電流越大，設(shè)置的送絲速度越大。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 回抽時(shí)間7 ms不同電流大小熔滴過(guò)渡對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接電流越大，回抽效果越好，熔滴過(guò)渡越容易進(jìn)行。這是由于電流越大，電磁力越大，所需要回抽來(lái)提供的外力就越??；電流越大，送絲速度越大，在回抽的過(guò)程中積累的焊絲越長(zhǎng)，釋放回抽動(dòng)作時(shí)對(duì)熔滴的加速度越大。在焊接電流大于70 A時(shí)，每次回抽都會(huì)把熔滴甩出，實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡。

3 結(jié) 論

(1)使用壓電材料來(lái)設(shè)計(jì)執(zhí)行器，通過(guò)壓電效應(yīng)使電能高速地轉(zhuǎn)化成機(jī)械位移或壓力，可以給熔滴增加額外分離力，實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡。

(2)回抽時(shí)間越長(zhǎng)，熔滴的慣性力越大，越容易實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡。

(3)焊接電流越大，需要的額外分離力越小，越容易實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡；送絲速度越大，在回抽的過(guò)程中積累的焊絲越長(zhǎng)，釋放回抽動(dòng)作時(shí)對(duì)熔滴的加速度越大，越容易實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡。

(4)常規(guī)GMAW焊接工藝在短路過(guò)渡狀態(tài)下飛濺大、成型差、熱輸入量大、變形嚴(yán)重。試驗(yàn)可以在非短路過(guò)渡狀態(tài)實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡，幾乎沒(méi)有飛濺。可以在電流較小的情況下實(shí)現(xiàn)非短路過(guò)渡的熔滴過(guò)渡，即消除了飛濺又降低了熱輸入。在一定程度上解除了電流和熔滴過(guò)渡的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和熔滴過(guò)渡的自由控制。

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2017-01-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375022)

TG444+

朱孝祥，1989年出生，碩士研究生。主要從事嵌入式控制和GMAW焊接工藝研究工作，已發(fā)表論文2篇。

劉 嘉，1969年出生，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。