核乏燃料池水下局部干法机器人焊接电源的研究

发布时间：2017-07-04 20:00

  本文关键词：核乏燃料池水下局部干法机器人焊接电源的研究

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【摘要】：由于核辐射对人体健康的影响,采用焊接机器人代替焊工已成为核电站水下焊接维修的必然趋势。综合考虑乏燃料池水深、水质、机器人焊接的便利性以及对焊补质量的要求等因素,局部干法是核乏燃料池水下机器人焊接修复的优选方式。但较薄的乏燃料池壁及焊缝周边水冷却作用,极易出现引弧困难、断弧、熔滴过渡均匀性差等问题,难以获得优质的弧焊效果。因此,如何提高弧焊过程稳定性从而改善水下焊接质量是研究核乏燃料池水下局部干法机器人焊接电源的关键。论文首先阐述课题背景,分析水下局部干法焊接的国内外研究现状及发展趋势,结合水下局部干法焊接的工艺要求、高频逆变技术和数字化控制技术,设计开发了一种针对核乏燃料池水下局部干法机器人专用焊接电源。其中焊接电源设计主要分为主电路设计、硬件电路设计和控制软件设计三大部分。主电路设计包括三相EMI滤波器设计、初级逆变电路设计和次级逆变电路设计等关键器件设计,逆变器件均选用IGBT作为逆变模块的功率开关管;硬件电路设计主要以STM32F405RGT6为核心构建外围电路,包括控制电路设计、故障诊断保护电路设计和通信电路设计。控制软件设计主要以FreeRTOS实时内核环境进行焊接电源软件编写,包括控制系统总体程序设计、PID控制策略设计和通信系统软件设计。最后,以研制的水下局部干法机器人焊接电源样机为试验平台,在模拟负载下进行整机性能测试,通过改变排水罩、气体压力、焊接电流、占空比、焊接频率和焊接速度等参数进行了大量的水下局部干法焊接工艺试验,利用示波器、数字钳表等试验仪器采集试验波形和数据,并对不同参数下的焊缝成形进行对比分析。试验结果表明:采用本文所设计的水下局部干法排水罩进行水下焊接比直接采用湿法焊接电弧稳定性要好,焊缝质量要高。在不同气体压力下试验得出,气体压力较小时,不足以形成稳定的气相区,电弧稳定性差,容易断弧,焊缝成形较差;气体压力较大时,电弧由于气体压力作用而收缩,电弧不稳定,焊缝变窄、变塌。在焊接电流和占空比试验可得出,适当增大焊接平均电流,能提高焊接时输入的热量,改善焊缝成形。对比不同焊接频率试验可得知,发现脉冲频率较低,电弧挺度较低,电弧偏软,电弧容易受保护气体和排水气体压力的影响。由焊接速度试验可得知,提高焊接时线能量的输入有助于改善焊缝成形,减少咬边、驼峰等缺陷。
【关键词】：水下焊接 局部干法 焊接电源 高频逆变 数字化控制
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM623;TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 水下焊接方法13-14
• 1.2.1 湿法焊接及其特点13
• 1.2.2 干法焊接及其特点13-14
• 1.2.3 局部干法焊接及其特点14
• 1.3 局部干法焊接的研究现状及发展趋势14-16
• 1.3.1 国内外研究现状14-16
• 1.3.2 发展趋势16
• 1.4 局部干法焊接质量研究内容16-18
• 1.4.1 焊缝质量影响因素16-17
• 1.4.2 水下电弧特性17-18
• 1.4.3 焊接电源影响18
• 1.5 课题研究的主要内容18-20
• 第二章 焊接电源的总体设计20-33
• 2.1 焊接电源总体方案20-21
• 2.1.1 焊接电源性能指标20
• 2.1.2 焊接电源总体设计20-21
• 2.2 三相EMI滤波器设计分析21-24
• 2.2.1 基本结构21-22
• 2.2.2 建模分析22-24
• 2.2.3 参数设计24
• 2.3 初级逆变电路设计24-30
• 2.3.1 拓扑结构选择25-26
• 2.3.2 工作原理分析26-27
• 2.3.3 整流桥选择27
• 2.3.4 功率管IGBT选择27-28
• 2.3.5 主变压器设计分析28-30
• 2.4 次级逆变电路设计30-32
• 2.4.1 拓扑结构选择30
• 2.4.2 工作原理分析30-31
• 2.4.3 输出电感设计31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 焊接电源的硬件设计33-51
• 3.1 控制系统的总体设计33-34
• 3.2 系统控制芯片选择34-35
• 3.2.1 芯片选择34
• 3.2.2 最小系统设计34-35
• 3.3 控制电路设计35-44
• 3.3.1 电流电压采样电路设计35-41
• 3.3.2 PWM信号产生电路设计41-42
• 3.3.3 初级IGBT驱动电路设计42
• 3.3.4 次级IGBT驱动电路设计42-43
• 3.3.5 线性隔离电路设计43-44
• 3.4 故障诊断保护电路设计44-48
• 3.4.1 过流保护电路设计44-45
• 3.4.2 欠压过压保护电路设计45-46
• 3.4.3 缺相保护电路设计46
• 3.4.4 过热保护电路设计46-47
• 3.4.5 粘丝缺丝保护电路设计47-48
• 3.5 通信电路设计48-50
• 3.5.1 通信隔离概述48
• 3.5.2 隔离的实现48
• 3.5.3 隔离式通信电路设计48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 焊接电源软件设计51-63
• 4.1 软件开发环境51-52
• 4.1.1 开发工具Keil MDK-ARM介绍51
• 4.1.2 操作系统FreeRTOS介绍51-52
• 4.1.3 ST固件库函数介绍52
• 4.2 控制系统总体程序设计52-57
• 4.2.1 焊接任务及模块化设计52-53
• 4.2.2 控制程序设计53-55
• 4.2.3 波形程序设计55-56
• 4.2.4 故障中断保护程序设计56-57
• 4.3 PID控制策略57-59
• 4.3.1 模拟PID控制57
• 4.3.2 数字PID控制57-59
• 4.4 通信系统软件设计59-62
• 4.4.1 数字化面板通信软件设计60
• 4.4.2 故障诊断显示屏通信软件设计60-61
• 4.4.3 机器人通信软件设计61-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 试验及数据分析63-88
• 5.1 试验平台介绍63-65
• 5.2 整机波形测试65-67
• 5.2.1 驱动波形测试65
• 5.2.2 变压器波形测试65-66
• 5.2.3 输出波形测试66-67
• 5.3 电源性能测试67-70
• 5.3.1 输出外特性测试67-69
• 5.3.2 动态响应特性测试69-70
• 5.4 水下焊接工艺试验70-87
• 5.4.1 排水罩影响70-72
• 5.4.2 气体压力影响72-78
• 5.4.3 焊接电流影响78-82
• 5.4.4 占空比影响82-84
• 5.4.5 焊接频率影响84-86
• 5.4.6 焊接速度影响86-87
• 5.5 本章小结87-88
• 结论88-90
• 参考文献90-96
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果96-97
• 致谢97-98
• 附件98

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