能量平衡短路過渡動態過程的仿真范文

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《焊接學報》2015年第十一期

摘要:

通過焊接電源系統回路模型，考慮了焊絲端部的熱焓變化，以及熔滴的能量平衡，提出并建立了較為精確的CO2焊短路過渡動態過程仿真模型．通過該模型探究了焊接參數匹配和不匹配時，電流信號波形變化趨勢以及多個特征參數(均值電流、峰值電流、谷值電流、短路頻率、短路時間和燃弧時間)與實際的對比情況，并進行了相關的特征參數誤差分析．結果表明，該模型基本能全面與實際相符合．從而為短路過渡仿真建模在工程中的進一步應用奠定了理論基礎．

關鍵詞:

短路過渡;能量平衡;仿真模型;特征參數

短路過渡作為CO2焊的主要過渡方式之一，常常用于低碳鋼和低合金鋼的薄板焊接中［1］．而通過計算機仿真建模，探索熔滴短路過渡動態過程的機理，進而優化焊接工藝參數，是目前CO2焊研究的一個重要分支．氣體保護焊熔滴過渡的動態過程仿真迄今為止已獲得了不少的研究成果［2－6］，并在實際中也有一些成功應用，但這些模型仍存在一定的不足．如把電弧負載特性變化作為已知參量輸入［3］，或忽略了短路過渡過程熔滴變化情況［2，3］．文獻［5］首次從能量角度考慮了熔滴短路過渡時的動態變化過程，但存在許多的缺點，如熔滴的變化考慮不夠精細，弧壓模型選用不夠精確等．另外目前這些模型常常分析的均是參數匹配情況下得到的熔滴過渡過程，而且一般只分析電信號的波形變化趨勢，或者熔滴過渡過程的某一個特征參數(如過渡頻率、平均電流等)，這對實際的工程應用指導有限．

1系統模型的建立

1．1焊接回路模型焊接回路參數模型如圖1所示．U0，L和R1分別為電源電壓、回路電感以及回路電阻，R2為導電嘴與焊絲的接觸電阻，Rs為焊絲伸出長度電阻，RL為熔滴電阻，Ld是導電嘴與工件表面的距離.

1．2焊絲熔化率由于焊絲中熱傳導速度相對于送絲速度較小，所以靠近熔滴處焊絲(即焊絲端部)的電阻熱對熔化焊絲起主要作用，忽略固態焊絲其它部分對熔滴的加熱作用．

1．3短路時相關參量假設當弧長larc小于0．01mm，短路開始，此時ψ=0．若要獲得弧長實時變化，焊絲伸出長度s和熔滴高度h必須已知(式(1))．前者可由式(11)求得，后者熔滴高度h則可按照1．1小節截球形狀的假設.

2仿真結果分析

試驗條件:直徑為1．2mm的H08Mn2SiA焊絲，保護氣體為100%CO2，氣體流量14L/min，焊接速度為0．3m/min，導電嘴與工件表面的距離為15mm，采用直流反接法，在6mm厚的低碳鋼板上進行平鋪．給定電壓設定為20V，送絲速度由小增大，其本質上包含有焊接過程的匹配和不匹配情況，從而便于對模型的有效驗證．由于模型仿真中是不存在外部干擾的，其獲得的波形是極其穩定的;但在試驗條件下，不可避免的存在干擾．故而在挑選試驗的對比對象時，選取實際波形中相對穩定的一段進行比較(100ms)．圖2～圖4分別是送絲速度2．0，3．0和4．7m/min仿真和實測波形．表2是不同送絲速度下，熔滴動態過渡仿真和實測相關特征參數值．表2中谷值電流表示的是過渡周期中臨近于短路時的電流最小值．峰值電流、谷值電流、過渡頻率、短路時間和燃弧時間均是一段時間內多個過渡周期的平均值．實際焊接中，短路過渡頻率一般可作為判定過渡過程穩定性的標準，如表2所示，當送絲速度為3．0m/min時，短路過渡頻率最大(105Hz)，而在2．0和4．7m/min時，過渡頻率分別為79，80Hz．這意味著在該給定電壓20V下，送絲速度3．0m/min為最佳匹配，2．0和4．7m/min分別對應上述不匹配的兩種情況．表3是熔滴動態過渡過程特征參數值相對誤差，它是以實測值作為基準，正負號表示仿真值大于或小于實測．由表3可知，特征參數相對誤差有正有負，大部分都在14%以下，除了三個相對較大(2.0m/min時，電流均值+17．4%;4．7m/min時，谷值電流－29．2%;燃弧時間－16．9%)．

表4為特征參數值總體平均誤差，其計算方法是對不同送絲速度下同一特征參數求相對誤差絕對值的平均值．由表4可知所有特征參數總體平均誤差都在15%以下，說明模型對不同送絲速度下的參數預測比較準確;但谷值電流卻為14．4%，誤差值較大，故而在將來的研究中要對此參數進行針對性改進．另外從送絲速度所有特征參數相對誤差絕對值的平均值(即總體偏差)來看，由表3即可得2．0，3．0和4．7m/min的總體偏差分別為6．7%，7．0%和11．7%，均在12%以下，表明參數在匹配和不匹配時，仿真結果的總體偏差都較小．再者分別把不同送絲速度下仿真與實測波形進行對比，發現波形變化趨勢基本一致．因此結合誤差和圖形的對比分析可知，在焊接參數匹配和不匹配時，雖然有一定的誤差，但該模型在波形及相關特征參數均能基本與實際相符合．

3結論

針對CO2氣體保護焊，基于焊接系統回路模型，考慮焊絲和熔滴的變化情況，建立了焊絲端部熱焓和熔滴平衡的相關方程，從能量角度提出設計了相對精確的短路過渡動態過程仿真模型;并通過該模型，首次從電流信號多個過渡參數(平均電流、峰值電流、谷值電流、過渡頻率、短路時間、燃弧時間)和波形趨勢的角度，把試驗和仿真進行了對比分析，表明在焊接參數匹配和不匹配時，該模型基本能全面與實際相符合．

參考文獻:

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作者：蘇東東 呂小青 王瑩 單位：天津大學 材料科學與工程學院 天津大學 天津市現代連接技術重點實驗室