铝合金双脉冲MIG焊波形调制方法及工艺机理研究

发布时间：2018-03-01 11:31

本文关键词： 铝合金双脉冲MIG焊遗传算法梯形波调制正弦波调制神经网络模糊综合定量评定　出处：《华南理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：铝合金材料以其轻量化、耐磨耐腐蚀、抗冲击性能好、可回收利用等优异的综合性能,越来越多地应用于汽车、船舶以及航空航天等领域,而焊接在铝合金工业生产过程中占有非常重要的地位。铝合金焊接技术的关键点是对电流的精确控制,如果输入电流不适当将导致焊接过程不稳定,焊接接头性能下降等缺陷。论文对铝合金双脉冲熔化极惰性气体保护焊(Metal inert-gas welding,MIG)波形调制方法及工艺机理进行了研究,对促进智能弧焊电源技术、焊接控制策略技术的发展与应用,具有重要的学术价值和实际意义。研究得到了广东省自然科学基金(2016A030313117)资助、广东省省部产学研(2013B090600098、2013B090600030)资助。铝合金双脉冲MIG焊接电源是实现铝合金焊接技术的前提和基础,论文先研究了焊接电源的硬件系统:全桥移相软开关主电路、功率电路参数设计、DSP核心控制电路、模块化控制电路、IGBT驱动电路、送丝电路、人机交互系统等,为MIG焊电流波形调制和工艺机理研究打下基础。在焊接电源硬件电路设计的基础上,建立基于Simulink的系统仿真模型,包括主电路、控制电路、脉冲电流波形和PID控制建模等,并且进行了仿真分析。通过Simulink仿真,验证了硬件电路拓扑结构设计的合理性;优化了焊接电源关键元件的参数,为焊接工艺试验奠定了良好的基础;通过常规PID控制和基于模糊约束满意度函数的遗传优化PID控制的对比分析,验证了遗传优化PID控制具有良好的鲁棒性和自适应性,能够在焊接过程中更精细和准确地控制电流。针对铝合金双脉冲MIG焊焊接参数繁多、调节不便和焊接规范复杂等问题,分析了焊接电源的静特性和动特性,研究了基于脉冲电流变频调节的弧长控制,在对比拉格朗日插值、牛顿插值和三次样条插值等插值算法之后,建立了基于大步距标定和三次样条插值的参数一元化调节专家数据库。在硬件电路设计、Simulink仿真和专家数据库的基础上,成功地研制出铝合金双脉冲MIG焊接电源及其软件系统。通过自行搭建的焊接试验平台,进行了常规的铝合金双脉冲MIG焊焊接工艺性能试验,验证了强弱脉冲个数比率、强弱脉冲群脉冲个数、高频脉冲频率和低频调制频率对焊缝成形及焊接质量的影响。提出了利用神经网络算法对送丝速度进行预测的建模方法,通过给定焊接平均电流、高频脉冲频率和低频调制频率预测焊接过程的送丝速度,并进行了试验验证。试验结果表明,在实际焊接生产过程中,基于神经网络的送丝速度预测模型获得的送丝速度,能有效地匹配其他焊接参数,获得令人满意的焊缝。针对铝合金常规(矩形波)双脉冲MIG焊能量突变的问题,提出了改进型双脉冲MIG焊焊接工艺。在分析梯形波调制和正弦波调制工作原理的基础上,分别进行了梯形波与矩形波调制、正弦波与矩形波调制的双脉冲MIG焊接对比试验,试验结果表明梯形波调制和正弦波调制在铝合金MIG焊上比矩形波调制的焊接过程更稳定、焊缝更美观,验证了改进型双脉冲MIG焊接工艺对铝合金焊接的研究具有重要的参考意义。论文最后介绍了焊接过程电信号的特征信息量:概率密度比L、基于U-I图的周期重复率P和电流样本熵CSaEn,以及各自对焊接质量的定量评定。为了避免单一评定指标的不确定性、评定过程中人的主观随意性以及离线检测的滞后性,提出了一种能在线对焊接质量检测的模糊综合定量评定方法,通过观察各特征信息L、P和CSaEn的变化规律,获取专家经验,得到各自的隶属度函数,总结出模糊逻辑推理规则,根据最大隶属度原则对焊接质量进行定量评定。通过梯形波双脉冲MIG焊获得的焊缝验证,该模糊逻辑综合定量评定系统评定结果的正确率达83.3%,说明了该定量评定系统的有效性。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG457.14

【参考文献】