CN114535755B - 一种基于压电致动器的熔化焊过程高动态送丝控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电致动器的熔化焊过程高动态送丝控制方法，本发明借鉴“急刹车”原理，通过对熔滴施加外力的方式辅助其脱离焊丝，提出有别于“送进‑回抽”往复送丝控制的新设备促进熔滴过渡；同时，兼顾焊丝激振熔池的作用，达到搅拌熔池的效果。它的装置包括：焊接工件、电弧焊枪、压电致动器控制器、底部径向执行器、顶部径向执行器、轴向压电执行器、焊丝、焊接电源。本装置通过对压电执行器的独立编程实现一脉一滴的射滴过渡及柔顺无飞溅的短路过渡，实现熔滴过渡、母材熔化与焊接电流解耦，以及焊接过程中熔池搅拌，达到细化晶粒提升焊接强度的效果。本发明应用于熔化极气体保护焊的高效焊接、薄板精密焊接和快速成形制造过程中。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于组合压电致动器的高动态送丝状态控制方法与机构，是一种熔化焊接或熔覆堆积应用领域。
背景技术
熔化焊是各类金属焊接的主要焊接技术，具体常用方法包括熔化极气体保护焊(GMAW)、非熔化极气体保护焊(GTAW)、激光焊、电子束焊等方法。除GMAW焊接过程必然涉及焊丝送丝和熔化行为外，其它方法也大量采用填丝焊接，涉及焊丝送进和熔化行为的控制。特别的，针对GMAW工艺过程，如附图1所示，焊接过程中在焊丝与工件之间建立高温电弧，电弧同时熔化焊丝和母材，当焊丝送进速度与其熔化速度平衡时电弧长度可维持稳定。焊丝熔化形成熔滴，熔滴在电弧电磁力、自身重力、等离子体流力作用下克服熔滴表面张力脱离焊丝进入熔池的过程称为熔滴过渡，如附图2所示。熔滴过渡是决定熔化极电弧稳定性和焊接制造成形质量的最关键因素。但是熔滴过渡最主要的脱离力即电磁力由电弧电流决定，其大小与电弧电流的平方成正比。因此，传统熔化极电弧无法在小电流下获得稳定可控的熔滴过渡，而大量薄板精密焊接、电弧增材制造等过程恰恰需要使用较小的电流以控制电弧对母材的热输入。也就是说，传统GMA过程中，熔滴过渡(传质)、母材熔化(传热)均与电弧电流强耦合。理想的电弧焊接或增材制造过程应该是既可以按需精密控制焊接热输入(传热问题)，同时，又可以实现尺寸细小均匀、过渡频率稳定可控、无飞溅的传质过程，即熔滴过渡。
因此在要求使用小电流严格控制热输入的应用场景，只能通过施加外力替代电磁力作为主要熔滴脱离力的方式来促进熔滴过渡，故本发明借鉴“急刹车”的原理，提出了一种有别于现有的采用“送进-回抽”往复送丝控制的新方法以施加外力促进熔滴过渡：基于高动态送丝启停控制(焊丝正常送进—瞬态锁止—释放恢复送进)对熔滴施加惯性力使其脱离焊丝。基于送丝启停控制要获得理想的熔滴过渡效果，关键在于送丝启-停转换时间要足够短，且锁止力要足够大。因此本发明针对这一问题提出了一种基于压电致动器的高动态送丝启停控制机构。
发明内容
本发明所述的一种基于组合压电致动器的高动态送丝启停控制机构装置，它包括5个独立的压电致动器及其控制器。压电致动器典型响应频率可达kHz级别，通电膨胀产生的锁止力在百牛到千牛不同数量级可选，足以满足对焊丝高动态夹紧释放的控制要求。基本原理为：径向压电致动器通电膨胀，接触焊丝膨胀受阻产生锁止力，使焊丝瞬态锁止；轴向膨胀的压电致动器则可在径向压电致动器配合作用下，实现焊丝的回抽、横向激振运动。
一种基于压电致动器的熔化焊过程高动态送丝控制方法，实现该方法的控制系统包括焊接电源、压电致动器控制器和三组压电致动器。在焊枪结构的基础上复合三组压电致动器，三组压电致动器分为上、中、下三组，其中上、下两组压电致动器在支撑保护壳体的作用下为对称分布，上、下两组压电致动器膨胀产生锁止力瞬时锁止焊丝；中组的轴向压电致动器竖直放置连接上、下两组压电致动器，通电瞬间能够抬升顶端一组压电致动器。
为详尽说明该装置的整体工作机制将其嵌入整体焊接系统中进行详细叙述。
焊接电源与焊丝和焊接工件形成回路，压电致动控制器控制五个压电致动器的先后动作过程，控制焊丝的锁止、回抽、激振动作。
所述组合压电致动器的高动态送丝机构的作用过程，主要实现：射滴过渡、短路过渡、短路回抽过渡和熔池搅拌，分为以下4个部分：1)射滴过渡：
焊接正常进行过程中，焊丝送进速度大致等于其熔化速度，焊丝与工件之间形成焊接电弧并在电弧空间中形成过渡熔滴，该过程仅需对顶部或底部径向执行器进行独立编程控制，调节驱动信号脉冲频率及占空比即可控制压电致动器的动作进行夹紧和释放焊丝，在压电致动器高动态锁止-释放焊丝可以附加惯性力到熔滴，实现小电流下的柔顺无飞溅射滴过渡。
2)短路过渡；
基本过程与上述射滴过渡过程一致，但在焊接正常进行时，通过增加焊丝的送丝速度，使得焊丝的送丝速度大于其电弧空间内的熔化速度，就会制造出熔滴不断朝向熔池送进的状态，在不加入其他机构设备的干扰的情况下，必然会出现“扎丝、熄弧”等现象，终止焊接过程。因此，在此过程中引入一组压电致动器，通过其有规律的夹紧-释放焊丝，一方面可避免焊丝扎入熔池造成“熄弧”影响焊接进行，同时，压电致动器释放焊丝时，也可使焊丝末端熔滴短暂触碰熔池，实现稳定的短路过渡过程，使得整个焊接过程稳定、可靠进行。
3)短路回抽过渡；
焊接开始，焊丝与工件之间形成焊接电弧并在电弧空间中形成过渡熔滴，同时焊丝送进速度亦大于其熔化速度，当熔滴接触熔池实现短路时，通过采集电弧空间电压变化作为触发信号对5个压电致动器(顶部径向执行器、底部径向执行器、轴向执行器)独立编程，首先控制顶部压电执行器通电膨胀锁止焊丝并保持而后轴向压电致动器通电膨胀将焊丝向上顶起一小段位移，最后底部压电执行器通电瞬间，顶部和轴向压电致动器同时断电收缩，反复执行该过程可使焊丝实现多次回抽完成短路过渡过程，同时，避免焊丝由于过度扎入熔池而导致无法重新燃弧。该过程与2)相比对于短路过渡过程把控更加精密。
4)熔池搅拌；
焊接开始，焊丝与工件之间形成焊接电弧并在电弧空间中形成过渡熔滴，同时焊丝送进速度亦大于其熔化速度，当熔滴接触熔池实现短路时，并扎入熔池，通过采集电弧空间电压变化作为触发信号对4个压电致动器(顶部径向执行器、底部径向执行器)独立编程，首先控制顶部压电执行器通电膨胀锁止焊丝并保持，而后底部径向执行器分别施加一定频率的脉冲，使得焊丝在其作用下在熔池中呈现左后或前后的往复摆动，以此达到搅拌熔池的目的。
本发明可以获得如下有益效果：
本发明所述焊接装置实现了电弧热源和传质过程的完全解耦的控制，提升了焊接成形的精度和质量，焊丝在组合压电致动器的作用下，实现了对熔滴行为以及熔池行为的控制，具有设计简单、方便操作和易于实施的优点。
附图说明
图1是熔化极气体保护焊焊接方法示意图。
图2是熔滴过渡受力示意图。
图3是本发明所述基于组合压电致动器的高动态送丝机构装置原理示意图。
图4是本发明所述基于组合压电致动器的高动态送丝机构装置的执行机构执行过程原理图。
图3中：1为焊接工件、2为电弧焊枪、3压电致动器控制器、4-1&4-4为底部径向执行器、4-2&4-3为顶部径向执行器、5为轴向执行器、6为焊丝、7为焊接电源。
图4中：P1为顶部径向压电致动器、P2为轴向压电致动器、P3为底部径向压电致动器、vf为焊丝实时送丝速度、vact为焊丝顶端实时速度、yw为工件母材表面、L为初始上下径向压电致动器间距、ΔL为轴向压电致动器工作伸长时伸长量、ytip为熔滴在压电致动器作用下实时位置、t0为P1顶部压电致动器工作时刻、Δt1为P1顶部压电致动器工作前一时刻正常送丝、Δt2为顶部压电致动器P1锁止且轴向压电致动器P2工作时间间隔、Δt3为P1和P2压电致动器释放同时P3锁止时刻的时间间隔，其中，所有时间间隔均可以根据实际工作需求而设定。
具体实施方式
本实施例采用的设备包括：焊接工件1、电弧焊枪2、压电致动器控制器3、底部径向执行器4-1&4-4、顶部径向执行器4-2&4-3、轴向执行器5、焊丝6、焊接电源7。4-2&4-3压电致动器组合完成对焊丝锁止，与4-1&4-4并配合5轴向致动器完成对焊丝的回抽工作；而搅拌动作过程则是顶部径向执行器4-2&4-3锁止焊丝，4-1和4-4分别动作实现搅拌/激振熔池的效果。
焊丝6为直径0.8mm的ER50-6碳钢氩弧焊丝。如图4所示，t0-Δt1时为压电致动器作用前期焊丝正常送进且送丝速度等于焊丝端部瞬时速度；周期性对t0时刻顶部径向压电致动器P1施加脉冲信号就可以实现对焊丝的瞬态锁止及释放，对熔滴施加惯性力完成熔滴过渡过程，即射滴过渡；此外，在此基础上适量增加焊丝送丝速度并配合施加脉冲信号的压电致动器P1就可实现稳定的短路过渡过程；在焊丝末端与熔池短路发生时刻t0顶部P1压电致动器通电锁止焊丝并保持夹紧状态，同时，在t0+Δt2时刻，轴向压电致动器伸长，顶住焊丝回抽△L，而且进行多次回抽更能保证电弧重燃的稳定性，为此在P2下方引入P3，t0+Δt3时刻，P1和P2释放瞬间压电致动器P3再次锁止焊丝，此后重复多次上述P1、P2动作过程。整体动作过程如下：P1锁止焊丝并保持，P2通电回顶P1回抽焊丝,P3通电瞬间P1、P2断电，实现一次完整的焊丝回抽动作过程，反正执行重复上述过程可实现多次的回抽动作，即可完成回抽短路过渡过程；而熔池搅拌则是适当增加送丝速度的基础上，当焊丝扎入熔池后P1锁止焊丝，并给P3施加一定程度的脉冲，往复振动焊丝达到熔池搅拌的过程。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (1)
1.一种基于压电致动器的熔化焊过程高动态送丝控制方法，其特征在于：实现该方法的控制系统包括焊接电源、压电致动器控制器和三组压电致动器；在焊枪结构的基础上复合三组压电致动器，三组压电致动器分为上、中、下三组，其中上、下两组压电致动器对称分布，上、下两组压电致动器膨胀产生锁止力瞬时锁止焊丝；中组的轴向压电致动器竖直放置连接上、下两组压电致动器，通电瞬间能够抬升顶端一组压电致动器；
焊接电源与焊丝和焊接工件形成回路，压电致动控制器控制三组压电致动器的先后动作过程，控制焊丝的锁止、回抽、激振动作；
基于压电致动器的高动态送丝机构的作用过程，实现短路回抽过渡：
焊接开始，焊丝与工件之间形成焊接电弧并在电弧空间中形成过渡熔滴，同时焊丝送进速度大于熔化速度，当熔滴接触熔池实现短路时，通过采集电弧空间电压变化作为触发信号对三组压电致动器独立编程，首先控制上组压电执行器通电膨胀锁止焊丝并保持而后中组的轴向压电致动器通电膨胀将焊丝向上顶起一小段位移，最后下组压电执行器通电瞬间，上组和中组的轴向压电致动器同时断电收缩，实现一次完整的焊丝回抽动作过程，反复执行上述过程实现多次回抽，完成短路回抽过渡过程；
当焊丝扎入熔池后上组压电致动器锁止焊丝，并给下组压电致动器施加一定程度的脉冲，往复振动焊丝达到熔池搅拌的过程。
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