基于快速原型开发平台的铝合金脉冲MIG焊弧长控制

（兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室，甘肃兰州730050）

0 前言

近年来，随着节能环保观念的普及，交通运输工具向着轻量化方向发展，铝合金因具有比强度高、耐腐蚀、回收利用性好等优点，广泛应用于高速列车和节能环保型汽车等的车体结构中[1-2]。铝合金性质活泼，导热导电性好，线膨胀系数大，焊接过程中易产生气孔、咬边、裂纹等缺陷，导致焊缝成形差，接头的力学性能下降。

保证焊接质量是铝合金车体焊接的关键。脉冲MIG焊因熔滴过渡轴向性好、无飞溅、焊缝成形美观、焊接变形小以及易于实现自动化等优点，广泛应用于铝合金焊接[3]。弧长在脉冲MIG焊接过程中是实时变化的，因此如何实时控制脉冲MIG焊接过程中的弧长成为研究热点。

文献[4]建立了焊接电流与焊丝熔化速度的数学模型，通过调节焊接电流保证焊丝的熔化速度与送进速度相同来稳定弧长。文献[5]提出了脉冲熔化极气体保护焊接电源频率-特性复合弧长自适应控制法，并通过实时采集电压、电流信号以及实时调节脉冲基值时间和给定电压来稳定弧长。文献[6]采用比例切换函数的滑模控制器对弧长进行了控制试验研究，实现了稳定焊接，焊缝成形良好。文献[7]通过调节峰值时间和基值时间来克服干伸长对熔化速度和熔滴体积的影响，在保证一脉一滴过渡的同时还保证每个熔滴的体积基本不变，从而使熔滴过渡更加均匀、稳定。

上述几种弧长控制方案的灵敏度和抗干扰性都较差，为此本研究设计了基于快速原型脉冲MIG焊电源开发平台，采用xPC的实时目标环境，实现焊接电流、电压及视频图像的同步采集、实时显示及存储功能，分析处理焊接信号，通过相应的控制算法，实时输出控制信号，完成对焊接过程的控制。

1 试验系统

1.1 快速原型开发平台设计

试验系统如图1所示，建立的铝合金脉冲MIG焊硬件平台主要包括焊接系统、图像传感系统、电信号采集及控制信号输出系统。焊接系统采用德国DALEX VIRO MIG-400L数字脉冲焊机，图像采集系统包括松下CP-230型CCD摄像机、NI PCI-1405视频采集卡，电信号采集及控制信号输出系统主要有支持xPC的研华PCL-812PG数据采集卡、NI PCI-6221数据采集卡、研华PCL-728带隔离的D/A数据输出卡，辅有CSM400FA系列的闭环电流传感器、研华ADAM-3014标准电压隔离模块等，软件平台采用支持xPC的实时目标环境[8]。

图1 脉冲MIG焊快速原型控制系统示意

1.2 弧长控制软件系统

在快速原型控制系统的基础上，通过MATLAB/Simulink分别设计了通过调节脉冲占空比和脉冲频率控制弧长的软件系统，如图2和图3所示。控制系统通过弧压反馈信号的大小来相应调节脉冲占空比和脉冲频率，调节控制弧长。为了实现稳定的弧长调节控制，采用增量式PID控制器。

2 弧长控制试验

在快速原型开发平台上进行铝合金平板堆焊弧长控制试验，焊接过程中焊枪高度保持在20 mm，焊接材料如表1所示。

2.1 调节脉冲占空比弧长控制试验

调节脉冲占空比弧长控制试验参数见表2。

在进行控制试验时，系统运行稳定后起弧，调节占空比进行弧长控制。焊接过程中经过分压分流后采集到的电信号如图4所示。

图2 调节脉冲占空比弧长控制软件系统

图3 调节脉冲频率弧长控制软件系统

由图4可知，当电弧受到外界干扰时，通过弧压反馈信号，在一定范围内调节占空比，使脉冲电流发生变化，从而及时控制弧长变化。采用调节占空比进行弧长控制获得的焊缝形貌如图5所示。

表1 焊接材料

表2 调节脉冲占空比弧长控制试验参数

图4 焊接过程中信号的变化情况

图5 焊缝形貌

2.2 调节脉冲频率弧长控制试验

调节脉冲频率弧长控制试验参数见表3。

表3 调节脉冲频率弧长控制试验参数

在进行控制试验时，系统运行稳定后起弧，调节脉冲频率进行弧长控制。焊接过程中经过分压、分流后采集到的电信号如图6所示。

在铝合金平板堆焊采用调节频率控制弧长所获得的焊缝形貌如图7所示。当焊接过程遇到干扰时，脉冲频率发生改变，从而改变焊丝熔化速度，实现弧长控制，焊缝成形相对较好。

3 阶跃验证试验

为了验证基于快速原型开发平台的铝合金脉冲MIG焊弧长的抗扰动能力，设计了弧长阶跃扰动焊接试验，如图8所示。

为了观察弧长控制焊接过程，通过CCD视频采集系统采集图像，如图9所示。通过脉冲频率和脉冲占空比控制弧长，电弧在阶跃后迅速恢复稳定。

由于焊枪喷嘴与工件表面的距离突然减小，弧长也相应减小，此时脉冲频率增加，焊丝熔化速度增加，同时由于焊丝送进速度恒定，弧长很快恢复到平衡位置。焊接过程中经过分压分流后采集到的电信号如图10所示。

4 结论

（1）针对铝合金脉冲MIG焊接过程电弧不稳定的情况，建立了快速原型脉冲MIG焊电源开发平台。

（2）在快速原型脉冲MIG焊电源开发平台基础上，通过调节脉冲占空比和脉冲频率控制弧长进行铝合金平板堆焊试验，发现两种方案控制效果明显。

（3）阶跃试验表明，通过调节脉冲占空比和脉冲频率可实现对弧长的快速、稳定调节，同时在出现干扰信号时能够迅速响应处理，保证了焊接过程的稳定，获得良好的焊缝成形。

图6 焊接过程中信号的变化情况

图7 焊缝形貌

图9 阶跃试验电弧分帧图

图10 焊接过程中信号的变化情况

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