短路过渡gmaw动态过程建模及系统动态过程的研究

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1、短路过渡GMAW动态过程建模及系统动态过程的研究摘要短路过渡是熔化极气体保护焊，特别是GMAW／C02中采用的一种重要的熔滴过渡形式，但是飞溅、焊缝成形这两个问题直接影响到这种焊接工艺在工业生产中的进一步推广和应用。由于理论研究的不足，在每焊一种新的材料，每研发一个新的焊接设备，每采用一种新的控制方法，都要进行大量的实验来确定合适的参数，以得到稳定的焊接过程、良好的焊接质量和焊缝成形。基于流体力学理论、电磁学理论、电路分析理论，建立了短路过渡GMAW电源．电弧．熔滴．液桥整个系统的动态模型。特别研究了

2、GMAW短路过渡过程中熔滴和液桥形状的动态变化过程，建立了短路过渡GMAW熔滴和液桥形状的数学几何动态模型，以能量最小原理，在建立的液桥形状数学几何动态模型的基础上，建立了修正的短路过渡液桥形状的动态模型。通过对短路过渡GMAW电源．电弧一熔滴．液桥整个系统的动态模型的各动态参数仿真计算与实验结果的比较表明：熔滴增长过程中的形状变化在力的动态作用下基本维持球状，基于能量最小原理修正的液桥形状动态模型的仿真结果在一定程度上较好地反映了液桥动态变化的实际情况，解决了这部分动态模型理论研究的一个难点。摘要从

3、GMAW短路过渡过程中液态熔滴和液桥所受力的动态平衡的角度，理论上研究了燃弧期、短路初期、短路末期的稳定性问题，进一步揭示造成GMAW短路动态渡过程不稳定的内在原因：(1)燃弧期，熔滴小于半球时，熔滴上的轴向合力起支撑作用，支撑力的大小随着熔滴的增大和弧根的上移而减小：熔滴大于半球时，熔滴上的轴向合力的脱离作用加剧。(2)从力的动态平衡角度，发生瞬时短路不是在刚刚发生短路的瞬间的可能性最大，而是短路发生一定延时后发生瞬短的可能性最大，初始电流越小，初始接触半径越小，回路串联电感越大，延时越长。(33短

4、路过渡液桥缩颈过程中，缩颈处的表面张力越来越阻碍液桥的缩颈，如果电流的动态变化不能大到足以克服这种阻碍作用的话，液桥将不能进行正常的缩颈过程，发生固相短路。研究了短路过渡焊接回路的动态特性和电源的动态外特性曲线。提出：(1)以电源静态外特性为基础来研究焊接回路工作点的方法在短路过渡焊接回路工作点研究过程中存在的差异，实际的短路过渡过程中焊接回路很难达到静态工作点：(2)短路过渡焊接回路动态工作点是电源的动态外特性曲线和负载的动态特性曲线的交点；(3)电源的动态外特性由回路的动态响应电流和电源的动态输出

5、电压决定。通过研究短路过渡的动态变化过程在逆变电源中对中频变压器原边的映射，进一步研究了短路过渡的动态变化对逆变电源功率元件工作的影响。研究表明，焊接回路动态特性在逆变电源中对中频变压器原边的映射，造成了功率元件工作点的频繁变化，有时变化是比较剧烈的，极大影响了功率元件的正常工作，特别是在桥式逆变电源中引起交替工摘要作的功率元件工作的不对称，极易损坏元件。研究提出，在短路过渡GMAW中，如果焊接电源控制系统的动态特性与焊接回路动态响应过程的不匹配会造成整个短路过渡过程的不稳定。通过对短路过渡GMAW过

6、程的这种可控性的理论研究表明：(1)电源的输出电压反馈系统给控制算法的实现留有较大的延时余量，回路电感越大，余量越大；同时该系统的反馈部分的惯性和前馈部分的延时会给该系统造成过冲谐振的不稳定现象。(2)电源的电流反馈控制系统给控制算法的实现留有的延时余量不大，系统中比例参数越大，发生过冲谐振的不稳定现象也加剧；在比例参数不太小时，时间参数越大，系统的不稳定现象加剧，但在比例参数较小时，时间参数的加大反而使系统更趋稳定。(3)瞬短抑制的电源控制很难给控制算法的实现留有延时余量，并且应该由响应速度很快的专

7、门的短路检测电路和控制部分组成，否则不但达不到瞬短抑制的效果，反而使瞬短发生的概率大幅度增加，使短路过渡过程更不稳定。从理论上对短路过渡的GMAW的电源一电弧一熔滴一液桥整个系统动态过程进行全面的研究，较充分地分析了影响短路过渡的各个因素和相互关系，不仅开拓了理论研究，并且对实践有较强的指导意义。关键词：短路过渡GMAW动态系统建模，能量最小原理，力的动态平衡，动态特性分析，动态过程可控性分析，动态稳定性ABSTRACTMODELINGOFGMAWDYNAMICPROCESSINSHORT—CIRCU

8、lTlNGTRANSFERANDANALYSISOFTHESYSTEMShort-circuitTransferisallimportantmetaln。ansfbringasmetalarcwelding(GMAW)，particularlyinGMAW／C02．Buttwoproblems，spatterandformationofweld，arealwaysinfluencingfurtherapplicationofshort-circuitpr