基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過(guò)渡控制

史明宇，劉 嘉，朱孝祥，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）

基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過(guò)渡控制

史明宇，劉 嘉，朱孝祥，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）

熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）作為一種高效靈活的焊接方法，已得到了廣泛應(yīng)用，但在精密焊接應(yīng)用較少，其熔滴過(guò)渡不易控制、焊接過(guò)程不夠穩(wěn)定是限制其應(yīng)用的主要原因。在此提出以施加機(jī)械力的方式使熔滴發(fā)生可控的過(guò)渡行為，設(shè)計(jì)了以DSP為核心的壓電執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，采用等速送絲和快速回抽相結(jié)合的熔滴過(guò)控制方案。以響應(yīng)速度快，頻率高的壓電執(zhí)行器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了焊絲擠壓回抽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了焊絲的送進(jìn)回抽功能。在該系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)了同一電流下不同頻率的熔滴過(guò)渡行為和對(duì)焊接過(guò)程熔滴尺寸的控制。

壓電執(zhí)行器；熔滴過(guò)渡；焊絲回抽

0 前言

GMAW作為一種高效靈活的焊接方法，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)，但在航天與核能領(lǐng)域，為了確保焊接的可靠性，仍然以TIG焊為主。這是因?yàn)門(mén)IG焊中填充金屬是通過(guò)電弧間接加熱，很容易調(diào)節(jié)熱輸入；填充焊絲不通過(guò)焊接電流，不存在熔滴過(guò)渡問(wèn)題，焊接過(guò)程沒(méi)有飛濺，焊縫成形美觀[1]。GMAW采用可熔化焊絲與焊件之間的電弧作為熱源來(lái)熔化焊絲，雖然提高了焊接效率，但也帶來(lái)了熔滴過(guò)渡過(guò)程受焊接電壓、電流影響大，熔滴過(guò)渡及熱輸入難以控制，無(wú)法保證高質(zhì)量焊接的問(wèn)題[2]。

為實(shí)現(xiàn)GMAW焊接過(guò)程熔滴過(guò)渡的可控性，本研究提出一種施加外力的方式，通過(guò)改變?nèi)鄣蔚氖芰ζ胶鉅顟B(tài)，使熔滴在同一電流下實(shí)現(xiàn)不同尺寸的熔滴過(guò)渡，進(jìn)而消除GMAW電壓電流對(duì)熔滴過(guò)渡的影響，實(shí)現(xiàn)過(guò)程穩(wěn)定、熱輸入可控的焊接過(guò)程。即在熔滴形成過(guò)程中，在電弧力和重力作用下不足以使熔滴產(chǎn)生過(guò)渡時(shí)，利用壓電陶瓷快速響應(yīng)夾住焊絲使其停止，并由另一個(gè)壓電陶瓷動(dòng)作使夾緊焊絲回抽，此過(guò)程送絲機(jī)仍在等速送絲，送絲軟管內(nèi)有一定的焊絲余量，當(dāng)夾緊焊絲結(jié)束時(shí)，余量焊絲將有一個(gè)加速釋放的過(guò)程，余量釋放結(jié)束時(shí)熔滴將在慣性力作用下脫離焊絲實(shí)現(xiàn)過(guò)渡。

1 熔滴受力分析

焊絲端頭熔滴所受的力主要有：表面張力、重力、電磁力。燃弧期隨著焊絲的熔化，熔滴體積逐漸增大，熔滴形狀的動(dòng)態(tài)變化直接影響熔滴的軸向長(zhǎng)度和熔滴下端的形狀。熔滴較小時(shí)，重力作用不明顯，熔滴上的主要作用力為表面張力和電磁力，表面張力使熔滴的表面能趨于最小，熔滴趨于球形，液面的壓力指向球心內(nèi)側(cè)，因此，在熔滴較小時(shí)，表面張力起到阻礙熔滴過(guò)渡的作用，并維持熔滴呈球形；熔滴較大時(shí)，重力的作用將軸向拉長(zhǎng)熔滴，呈橢圓或下垂形[3]。電磁力對(duì)熔滴的作用取決于弧根和熔滴的大小，熔滴小于半球和熔滴大于半球時(shí)的力的作用情況如圖1所示。

圖1 熔滴受力情況

熔滴較小時(shí)，熔滴上的軸向電磁分力向上，對(duì)熔滴起支撐作用，克服重力的作用，維持熔滴呈球形；熔滴較大時(shí)，燃弧段后期弧根擴(kuò)展，軸向電磁力向下，使熔滴呈拉長(zhǎng)趨勢(shì)。

熔滴所受的表面張力表示為

式中σ為表面張力系數(shù)；rd為熔滴半徑。

熔滴所受的重力表示為

式中md為熔滴質(zhì)量；g為是重力與質(zhì)量的比值。

作用在有電流流動(dòng)的物體上的電磁力具有方向和大小的矢量，設(shè)作用在單位體積上的力為fem（單位：N/m3），則每一個(gè)小熔滴單元上所受的電磁力fem為

式中fem為每一個(gè)單元上所受的電磁力（單位：N）；J為電流密度（單位：A/m2）；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位：T）。

電流流過(guò)焊絲產(chǎn)生環(huán)形的感應(yīng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)對(duì)熔滴產(chǎn)生的電磁力隨著熔滴動(dòng)態(tài)而變化。電流為發(fā)散或聚集狀流過(guò)熔滴時(shí)，電磁力可以分解為徑向和軸向的分力，作用在熔滴上的電磁力的軸向分力可以是方向向上，也可以是方向向下。通過(guò)對(duì)熔滴內(nèi)單位體積所受電磁力的積分，得到熔滴的軸向電磁力[4]

式中I為焊接電流；re為焊絲半徑；rd為熔滴半徑；θ為熔滴角度；μ0為真空導(dǎo)磁率。

若計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，說(shuō)明電磁力方向向上，為正值則方向向下。可以看出，電磁力與熔滴形狀和電流大小密切相關(guān)。

2 控制方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)熔滴受力分析可知，熔滴受力與熔滴形狀及焊接電流等多因素有關(guān)，不易控制，本研究提出施加外界機(jī)械力打破熔滴的受力平衡實(shí)現(xiàn)熔滴提前過(guò)渡的方案。根據(jù)此方案設(shè)計(jì)了基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過(guò)渡控制系統(tǒng)，主要由DSP數(shù)字控制、壓電驅(qū)動(dòng)器、壓電執(zhí)行器、弧壓采樣幾部分組成。控制框圖如圖2所示，系統(tǒng)中加入弧壓采樣及反饋回路，以便實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)干擾，及時(shí)作出調(diào)整。

圖2 熔滴過(guò)渡控制系統(tǒng)控制框圖

DSP控制部分實(shí)現(xiàn)功能有：電弧電壓采樣分析，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)的大小；控制兩個(gè)壓電陶瓷動(dòng)作的時(shí)序及位移量。焊絲的回抽環(huán)節(jié)是本研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅要有合理的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，還要實(shí)現(xiàn)在很短時(shí)間內(nèi)完成焊絲夾緊回抽。選擇目前應(yīng)用較為成熟的壓電陶瓷作為執(zhí)行器，它能通過(guò)壓電效應(yīng)使電能高速地轉(zhuǎn)化成機(jī)械位移和壓力。采用PI公司的兩款高剛度線性壓電致動(dòng)器A，B來(lái)完成上述動(dòng)作，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 壓電陶瓷性能參數(shù)

2.2 基于陶瓷特性的控制方案

由表1可知，該壓電陶瓷相當(dāng)于一個(gè)容性負(fù)載，壓電陶瓷動(dòng)作的過(guò)程就是壓電陶瓷本身的充電過(guò)程，充電過(guò)程停止壓電陶瓷動(dòng)作停止。壓電陶瓷動(dòng)作的控制信號(hào)從DSP發(fā)出，經(jīng)過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)器放大對(duì)壓電陶瓷供電，兩壓電陶瓷在供電時(shí)充電響應(yīng)曲線如圖3所示。通道1的方波為DSP給出的脈沖信號(hào)，有緩慢上升過(guò)程的通道2為壓電陶瓷充電響應(yīng)曲線，可以看出信號(hào)從DSP輸出經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器沒(méi)有延時(shí)，因壓電陶瓷A電容量小于B電容量，其充放電過(guò)程均快于后者。

圖3 壓電陶瓷充電響應(yīng)曲線

根據(jù)兩個(gè)壓電陶瓷的響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)兩個(gè)陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓的信號(hào)先后順序，使兩個(gè)陶瓷能夠協(xié)調(diào)動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)擠壓動(dòng)作的壓電陶瓷A比實(shí)現(xiàn)回抽動(dòng)作壓電陶瓷B的供電信號(hào)提前1 ms，以保證在進(jìn)行回抽動(dòng)作時(shí)另一個(gè)陶瓷完成對(duì)焊絲的擠壓，當(dāng)回抽動(dòng)作結(jié)束時(shí)，擠壓焊絲的動(dòng)作同樣先于回抽的動(dòng)作結(jié)束，使余量焊絲加速送出。

3 焊絲回抽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

焊絲回抽的動(dòng)作是兩個(gè)壓電陶瓷在合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)回抽過(guò)程分析，需要對(duì)焊絲擠壓和擠壓塊的整體回抽動(dòng)作。機(jī)構(gòu)中采用了兩個(gè)微型直線滑塊組，在上下兩個(gè)滑塊上固定壓塊，并在壓塊上開(kāi)V形槽對(duì)焊絲擠壓，壓電陶瓷A作用于一個(gè)滑塊組實(shí)現(xiàn)擠壓功能，壓電陶瓷B作用于下壓塊，使擠壓后上下壓塊和焊絲能一起隨陶瓷對(duì)壓塊的推移而移動(dòng)實(shí)現(xiàn)回抽。壓電陶瓷的響應(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)回抽功能的壓電陶瓷最大額定位移0.5 mm，高速攝像拍攝其運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)達(dá)到的加速為1 000 m/s2，所以完成焊絲回抽動(dòng)作的擠壓整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量要小，以減小慣性力，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 回抽機(jī)構(gòu)

焊絲回抽過(guò)程中起阻礙作用的力包括：整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的慣性力，回抽部分焊絲的慣性力，焊絲折彎的屈服力Fr。以0.8mm鋼焊絲為例，在發(fā)生彎曲時(shí)由于其直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其彎曲長(zhǎng)度，可以將焊絲抽象為細(xì)長(zhǎng)桿，假設(shè)以0.5m長(zhǎng)焊絲算其屈服力Fr=0.5N。焊絲回抽時(shí)焊絲在送絲軟管內(nèi)彎曲并有一部分回抽，送絲管一般為3 m，以其中一半發(fā)生回抽動(dòng)作，其質(zhì)量約為13.3 g（鋼的密度為7.85 g/cm3），設(shè)計(jì)的整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量為56.2 g。由表1查得壓電陶瓷能受最大正壓力為100 N，代入式（5）

式中F為壓電陶瓷提供的最大推力（單位：N）；m1為長(zhǎng)一米的0.8 mm鋼焊絲質(zhì)量（單位：Kg）；m2為設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)塊總質(zhì)量（單位：Kg）；a1為加速度（單位：m/s2）。計(jì)算得a1＞1000m/s2，移動(dòng)快，質(zhì)量滿足慣性力要求。

4 實(shí)驗(yàn)分析

應(yīng)用小電流對(duì)薄鋼進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：焊絲為φ0.8mm的JM-56，母材為3mm厚低碳冷軋鋼；保護(hù)氣體為100％氬氣，氣流量15mL/min；焊炬高度20 mm，焊接速度0.4 m/min。工藝參數(shù)：電流70 A，送絲速度4.5 m/min。在不加回抽動(dòng)作情況下，用高速攝像拍攝熔滴過(guò)渡行為，每秒鐘約發(fā)生1次不規(guī)律的短路過(guò)渡。

圖5 兩陶瓷供電順序

基于上述數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中回抽時(shí)間為5 ms，給焊絲施加不同的回抽頻率，觀測(cè)回抽后熔滴過(guò)渡過(guò)程。過(guò)程中兩壓電陶瓷充電響應(yīng)曲線如圖5所示，超前1ms的陶瓷負(fù)責(zé)擠壓動(dòng)作。焊絲回抽頻率從10Hz逐漸增加到40 Hz，在10 Hz時(shí)熔滴過(guò)渡次數(shù)有所增加，每秒中出現(xiàn)2～3次，過(guò)渡行為仍不受控制，熔滴要經(jīng)過(guò)多次回抽（熔滴足夠大時(shí)）才會(huì)發(fā)生過(guò)渡。熔滴過(guò)渡后第一次回抽和甩出動(dòng)作如圖6所示。圖中1～5為回抽過(guò)程，6～9為加速甩出過(guò)程，到10甩出過(guò)程結(jié)束熔滴又趨于穩(wěn)定，并未實(shí)現(xiàn)過(guò)渡。

圖6 回抽頻率10 Hz時(shí)熔滴動(dòng)作過(guò)程

頻率從10 Hz增加到20～25 Hz時(shí)熔滴出現(xiàn)了規(guī)律的過(guò)渡行為（每次回抽都有一個(gè)熔滴形成），頻率繼續(xù)增加，熔滴過(guò)渡又出現(xiàn)不規(guī)律性。在20 Hz時(shí)回抽下的熔滴過(guò)渡過(guò)程如圖7所示。可以看出，隨著焊絲向下加速運(yùn)動(dòng)結(jié)束，熔滴脫離了焊絲，熔滴直徑明顯小于10 Hz時(shí)。通過(guò)高速攝像拍的圖片分析熔滴向下甩的過(guò)程用時(shí)2 ms，焊絲回抽時(shí)間5 ms，期間送絲0.53 mm，焊絲回抽0.5 ms，設(shè)軟管內(nèi)焊絲余量釋放為恒加速，則焊絲完全釋放時(shí)其速度超過(guò)60 m/min，釋放結(jié)束變?yōu)檎Ｋ徒z速度4.5 m/min，此時(shí)熔滴受到較大的慣性力，打破原來(lái)各力的平衡，熔滴發(fā)生過(guò)渡。

圖7 回抽頻率20 Hz時(shí)熔滴過(guò)渡過(guò)程

實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：回抽將熔滴甩掉的過(guò)程受多個(gè)參數(shù)影響，在焊接電流、送絲速度、焊絲直徑一定的情況下影響其脫落的因素有回抽頻率（Hz）和回抽時(shí)間長(zhǎng)度（T）。在電流一定的情況下，回抽頻率決定回抽時(shí)刻熔滴直徑與焊絲直徑的比值。多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其比值為1.5時(shí)熔滴容易被甩出。回抽時(shí)間長(zhǎng)度是指夾住焊絲回抽到松開(kāi)焊絲的時(shí)間間隔。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)時(shí)的加速距離及熔滴的慣性力大小。回抽時(shí)間過(guò)短不足以甩出熔滴，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熔滴的過(guò)渡頻率及焊接效率都將受到影響。實(shí)驗(yàn)中將回抽時(shí)間改為10 ms時(shí)，熔滴穩(wěn)定過(guò)渡的回抽頻率范圍明顯變寬，說(shuō)明通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)合理配合能滿足不同的工藝需求。

5 結(jié)論

利用壓電執(zhí)行器的高頻響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)焊絲高頻的送進(jìn)—回抽動(dòng)作，使熔滴在機(jī)械力的作用下實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的熔滴過(guò)渡行為，GMAW的熔滴過(guò)渡時(shí)的熱、力、質(zhì)的傳遞過(guò)程成為可控，提高了

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GMAW droplet transfer control based on piezoelectric actuators

SHI Mingyu，LIU Jia，ZHU Xiaoxiang，BAI Lilai
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

GMAW welding as an efficient and flexible method has been widely used，but less in precision welding applications，because it is difficult to control droplet transfer and the welding process is not stable enough to limit.Therefore，this paper proposes a way of applying a mechanical force to make controllable droplet transfer behavior occur，the actuator is designed to DSP core piezoelectric control system，constant wire feed and fast withdrawing combination of controlling the droplet program.In response speed,high frequency piezoelectric actuator is designed based on the wire extrusion withdrawing mechanism to achieve a wire feed withdrawing function.Under the control of the system to achieve the droplet transfer behavior of different frequencies in the same current，can realize the welding process control droplet size.

piezoelectric actuator；droplet transfer；welding wire return

TG444+.72

A

1001－2303（2016）12－0118-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.26

獻(xiàn)

史明宇，劉嘉，朱孝祥，等.基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過(guò)渡控制[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：118-121，127.

2016-05-02

史明宇（1988—），男，河南商丘人，碩士，主要從事嵌入式控制和GMAW焊接工藝的研究工作。