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简析焊接小电流脉冲TIG焊接电源与电弧物理特点

收藏本文 2024-04-16 点赞:7139 浏览:22550 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:在焊接领域中,直流TIG焊接被公认为是一种优质的焊接策略,但由于其工艺及早期TIG焊机技术不够改善,运用范围受到了一定的限制。近年来,为充分挖掘TIG焊的潜在优势,许多科研人员和工程技术人员对TIG焊在能量输出和工艺等方面进行了大胆的探讨,特别是晶体管逆变技术、微电子制约器件、微处理机、数字信号处理器和计算机软件技术在TIG焊机中的成功运用,全面提升了TIG焊接工艺水平和TIG焊机性能,其中脉冲TIG焊接技术因热输入量低、能量密度大、高效节能等优点,成为各重要工业制造部门焊接高质量不可缺少的现代加工手段。根据直流脉冲TIG焊接技术的特点,本论文设计了一套直流脉冲TIG焊接系统,系统主要包括基值电源、脉冲电源和人机界面三部分。基值电源主回路采取双功率管并联BUCK结构,即提升了工作频率,减少了输出电流的波动,同时也降低了功率管的损耗,为TIG电弧提供稳定的维弧电流;脉冲电源主回路采取全桥二次逆变拓扑结构,对于不同工作频率都有很强的适应性。一次逆变采取双PI调节方式,实现精确快速地功率输出制约,二次逆变制约采取ARM+CPLD结构,实现脉冲的频率,占空比等功能制约。双PI方式可以实现精细制约,同时又具有较高的实时性,对短路、过流等故障具有较强的保护能力。制约软件是电源系统的核心,脉冲电源制约软件采取前后台+流水线的制约结构,将通信、MODBUS协议剖析、电压信号的采集、电流信号的采集等任务放在流水线上,通过任务状态的查询,实现最短周期的调度。PI算法在前台实现,周期的更新PWM调节量。这种结构与传统的串行结构相比,具有更高的实时性、更合理的软件结构性和更高的CPU利用率。高频变压器作为焊接系统的主要器件,其设计策略众多,本论文采取有效面积Ae和磁链路长度Le作为制约参数,根据电磁论述,提出了新的设计策略,并对设计策略进行了详细推导。最后根据实验需求,依据文中设计策略对主功率变压器进行设计,在实验压器工作良好,证明了此策略的有效性。在小电流条件下,通过脉冲TIG电弧电特性的测量与探讨,发现平均电流相同的实验条件下,频率为2500Hz时输入功率出现最大值,此时平均电子密度最大,随频率的提升,使得脉冲电弧的脉动特性趋向直流特性。通过对脉冲电弧的基值、峰值以及上升沿的电特性浅析,在脉冲由峰值电流跃变到基值电流后,电弧电压和动态电阻可由一个惯性环节描述;脉冲由基值电流跃迁到峰值电流,可由三阶系统描述。探讨发现,电弧在基值时的状态对电弧的影响比较大,随电弧频率的提升增强。最后,采取文中设计的脉冲TIG焊接电源对0.8+1.5mm不锈钢(0Cr18Ni9)薄板进行叠焊工艺实验,保护气分别用Ar、A_r+H_2(1%)、A_r+H_e(5%),实验结果表明,在A_r+H_2(1%)保护气氛围中,当脉冲频率为2500Hz时,脉冲TIG焊接方式能有效地降低工件热输入,减少工件焊接变形,使焊接质量显著提升。关键词:脉冲TIG焊接电源论文电弧物理特点论文高频变压器论文不锈钢薄板焊接论文

    摘要4-6

    Abstract6-8

    论文符号表8-12

    第1章 绪论12-32

    1.1 引言12-13

    1.2 直流脉冲 TIG 焊接策略及运用13-16

    1.2.1 脉冲 TIG 焊接策略13-14

    1.2.2 脉冲 TIG 焊接保护气体14-15

    1.2.3 脉冲 TIG 焊接运用15-16

    1.3 直流脉冲 TIG 焊接的进展及近况16-20

    1.3.1 直流脉冲 TIG 焊接的进展16-17

    1.3.2 直流脉冲 TIG 电弧的探讨近况17-20

    1.4 脉冲 TIG 焊接电源的进展及近况20-28

    1.4.1 TIG 电源的进展20-22

    1.4.2 国外脉冲 TIG 焊接电源的进展近况22-23

    1.4.3 国内脉冲 TIG 焊接电源的进展近况23-28

    1.5 课题作用28-29

    1.6 本论文的主要探讨内容29-32

    第2章 直流脉冲 TIG 焊接电源系统32-66

    2.1 引言32

    2.2 系统整体结构32-36

    2.2.1 案例设计32-33

    2.2.2 系统结构33

    2.2.3 主回路结构33-34

    2.2.4 制约系统结构34-35

    2.2.5 主要芯片选型35-36

    2.3 脉冲电源设计36-61

    2.3.1 脉冲电源结构36-37

    2.3.2 主回路设计37-42

    2.3.3 一次逆变制约电路设计42-44

    2.3.4 功率变压器设计44-49

    2.3.5 滤波电路设计49-54

    2.3.6 PI 设计54-56

    2.3.7 二次逆变制约电路设计56

    2.3.8 基于 CPLD 的逻辑制约器设计56-61

    2.4 基值电源设计61-65

    2.4.1 基值电源结构62

    2.4.2 主电路结构62-63

    2.4.3 主电路工作原理63

    2.4.4 电感量计算63-65

    2.5 本章小结65-66

    第3章 直流脉冲 TIG 电弧电特性的探讨66-96

    3.1 引言66

    3.2 实验平台66-70

    3.2.1 建立观测实验平台66

    3.2.2 电流信号的检测66-67

    3.2.3 同步信号选取67-68

    3.2.4 系统延时浅析68-70

    3.3 脉冲 TIG 电弧电特性的探讨70-85

    3.3.1 电源模型71-72

    3.3.2 电源特性测试72-75

    3.3.3 脉冲 TIG 电弧电特性的探讨75-85

    3.4 电弧高频收缩的讨论85-89

    3.4.1 第一类电磁收缩力85-86

    3.4.2 第二类电磁收缩力86-87

    3.4.3 电场收缩力87-89

    3.5 脉冲 TIG 电弧物理参数数值仿真89-95

    3.5.1 基值电压模型89-91

    3.5.2 峰值电流模型91-95

    3.6 本章小结95-96

    第4章 直流脉冲 TIG 电弧电子密度探讨96-104

    4.1 引言96

    4.2 光谱法测量电子密度96-103

    4.2.1 利用光谱测量电子密度的策略96-98

    4.2.2 电弧发射光谱动态观测系统98-99

    4.2.3 谱线选取99-100

    4.2.4 脉冲电弧电子数密度计算100-103

    4.3 本章小结103-104

    第5章 直流脉冲 TIG 焊接工艺探讨104-112

    5.1 引言104

    5.2 不同保护气体对不锈钢叠焊接质量的影响104-108

    5.2.1 不同保护气体对电弧电特性的影响104-105

    5.2.2 不同保护气体对焊缝微观组织的影响105-108

    5.3 频率对焊接质量的影响108-109

    5.4 本章小结109-112

    结论112-114

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