能量平衡短路过渡动态过程的仿真范文

《焊接学报》2015年第十一期

摘要:

通过焊接电源系统回路模型，考虑了焊丝端部的热焓变化，以及熔滴的能量平衡，提出并建立了较为精确的CO2焊短路过渡动态过程仿真模型．通过该模型探究了焊接参数匹配和不匹配时，电流信号波形变化趋势以及多个特征参数(均值电流、峰值电流、谷值电流、短路频率、短路时间和燃弧时间)与实际的对比情况，并进行了相关的特征参数误差分析．结果表明，该模型基本能全面与实际相符合．从而为短路过渡仿真建模在工程中的进一步应用奠定了理论基础．

关键词:

短路过渡;能量平衡;仿真模型;特征参数

短路过渡作为CO2焊的主要过渡方式之一，常常用于低碳钢和低合金钢的薄板焊接中［1］．而通过计算机仿真建模，探索熔滴短路过渡动态过程的机理，进而优化焊接工艺参数，是目前CO2焊研究的一个重要分支．气体保护焊熔滴过渡的动态过程仿真迄今为止已获得了不少的研究成果［2－6］，并在实际中也有一些成功应用，但这些模型仍存在一定的不足．如把电弧负载特性变化作为已知参量输入［3］，或忽略了短路过渡过程熔滴变化情况［2，3］．文献［5］首次从能量角度考虑了熔滴短路过渡时的动态变化过程，但存在许多的缺点，如熔滴的变化考虑不够精细，弧压模型选用不够精确等．另外目前这些模型常常分析的均是参数匹配情况下得到的熔滴过渡过程，而且一般只分析电信号的波形变化趋势，或者熔滴过渡过程的某一个特征参数(如过渡频率、平均电流等)，这对实际的工程应用指导有限．

1系统模型的建立

1．1焊接回路模型焊接回路参数模型如图1所示．U0，L和R1分别为电源电压、回路电感以及回路电阻，R2为导电嘴与焊丝的接触电阻，Rs为焊丝伸出长度电阻，RL为熔滴电阻，Ld是导电嘴与工件表面的距离.

1．2焊丝熔化率由于焊丝中热传导速度相对于送丝速度较小，所以靠近熔滴处焊丝(即焊丝端部)的电阻热对熔化焊丝起主要作用，忽略固态焊丝其它部分对熔滴的加热作用．

1．3短路时相关参量假设当弧长larc小于0．01mm，短路开始，此时ψ=0．若要获得弧长实时变化，焊丝伸出长度s和熔滴高度h必须已知(式(1))．前者可由式(11)求得，后者熔滴高度h则可按照1．1小节截球形状的假设.

2仿真结果分析

试验条件:直径为1．2mm的H08Mn2SiA焊丝，保护气体为100%CO2，气体流量14L/min，焊接速度为0．3m/min，导电嘴与工件表面的距离为15mm，采用直流反接法，在6mm厚的低碳钢板上进行平铺．给定电压设定为20V，送丝速度由小增大，其本质上包含有焊接过程的匹配和不匹配情况，从而便于对模型的有效验证．由于模型仿真中是不存在外部干扰的，其获得的波形是极其稳定的;但在试验条件下，不可避免的存在干扰．故而在挑选试验的对比对象时，选取实际波形中相对稳定的一段进行比较(100ms)．图2～图4分别是送丝速度2．0，3．0和4．7m/min仿真和实测波形．表2是不同送丝速度下，熔滴动态过渡仿真和实测相关特征参数值．表2中谷值电流表示的是过渡周期中临近于短路时的电流最小值．峰值电流、谷值电流、过渡频率、短路时间和燃弧时间均是一段时间内多个过渡周期的平均值．实际焊接中，短路过渡频率一般可作为判定过渡过程稳定性的标准，如表2所示，当送丝速度为3．0m/min时，短路过渡频率最大(105Hz)，而在2．0和4．7m/min时，过渡频率分别为79，80Hz．这意味着在该给定电压20V下，送丝速度3．0m/min为最佳匹配，2．0和4．7m/min分别对应上述不匹配的两种情况．表3是熔滴动态过渡过程特征参数值相对误差，它是以实测值作为基准，正负号表示仿真值大于或小于实测．由表3可知，特征参数相对误差有正有负，大部分都在14%以下，除了三个相对较大(2.0m/min时，电流均值+17．4%;4．7m/min时，谷值电流－29．2%;燃弧时间－16．9%)．

表4为特征参数值总体平均误差，其计算方法是对不同送丝速度下同一特征参数求相对误差绝对值的平均值．由表4可知所有特征参数总体平均误差都在15%以下，说明模型对不同送丝速度下的参数预测比较准确;但谷值电流却为14．4%，误差值较大，故而在将来的研究中要对此参数进行针对性改进．另外从送丝速度所有特征参数相对误差绝对值的平均值(即总体偏差)来看，由表3即可得2．0，3．0和4．7m/min的总体偏差分别为6．7%，7．0%和11．7%，均在12%以下，表明参数在匹配和不匹配时，仿真结果的总体偏差都较小．再者分别把不同送丝速度下仿真与实测波形进行对比，发现波形变化趋势基本一致．因此结合误差和图形的对比分析可知，在焊接参数匹配和不匹配时，虽然有一定的误差，但该模型在波形及相关特征参数均能基本与实际相符合．

3结论

针对CO2气体保护焊，基于焊接系统回路模型，考虑焊丝和熔滴的变化情况，建立了焊丝端部热焓和熔滴平衡的相关方程，从能量角度提出设计了相对精确的短路过渡动态过程仿真模型;并通过该模型，首次从电流信号多个过渡参数(平均电流、峰值电流、谷值电流、过渡频率、短路时间、燃弧时间)和波形趋势的角度，把试验和仿真进行了对比分析，表明在焊接参数匹配和不匹配时，该模型基本能全面与实际相符合．

参考文献:

［1］陈茂爱，蒋元宁，武传松．受控短路过渡CO2焊焊接电流波形参数优化［J］．焊接学报，2014，35(7):79－82．ChenMaoai，JiangYuanning，WuChuansong．OptimizationofweldingcurrentwaveformparametersincontrolledshortcircuitingtransferGMAW［J］．TransactionsoftheChinaWeldingInstitu-tion，2014，35(7):79－82．

［2］XuP，RadosM，SimpsonSW．Circuitsimulationforgasmetalarcwelding［J］．ScienceandTechnologyofWeldingandJoining，1999，4(6):341－346．

［3］余文松，薛家祥，黄石生，等．CO2电弧焊动态过程的MAT-LAB仿真研究［J］．焊接学报，1999，20(3):153－157．YuWensong，XueJiaxiang，HuangShisheng，etal．SimulationstudyondynamicprocessofCO2arcweldingwithMATLAB［J］．TransactionsoftheChinaWeldingInstitution，1999，20(3):153－157．

［4］ChoiJH，LeeJY，YooCD．SimulationofdynamicbehaviorinaGMAWsystem［J］．WeldingJournal，2001，80(10):239s－245s．

［5］TerasakiH，SimpsonSW．ModellingoftheGMAWsysteminfreeflightandshortcircuitingtransfer［J］．ScienceandTechnologyofWeldingandJoining，2005，10(1):120－124．

［6］何建萍，华学明，吴毅雄，等．GMAW短路过渡动态模型的建立［J］．焊接学报，2006，27(9):77－80．HeJianping，HuaXueming，WuYixiong，etal．DynamicmodelofGMAWsystemwithshortcircuitingtransfer［J］．TransactionsoftheChinaWeldingInstitution，2006，27(9):77－80．

［7］MaoW，UshioM．Measurementandtheoreticalinvestigationofarcsensorsensitivityindynamicstateduringgasmetalarcwelding［J］．ScienceandTechnologyofWeldingandJoining，1997，2(5):191－198．

［8］RaoZH，ZhouJ，TsaiHL．Determinationofequilibriumwire-feed-speedsforstablegasmetalarcwelding［J］．InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2012，55(23－24):6651－6664．

作者：苏东东 吕小青 王莹 单位：天津大学 材料科学与工程学院 天津大学 天津市现代连接技术重点实验室