毕业设计论文等离子弧焊接系统的微机控制.doc

目 录目 录 I摘要 IIABSTRACT III第一章 绪论 11.1 选题意义 11.2 穿孔等离子弧焊的发展历史 21.3 穿孔等离子弧焊的研究现状 21.4研究方案 41.4.1总体方案 41.4.2本论文的主要目的 6第二章 实验设备简介 72.1小孔等离子弧焊机原理 72.1.1 等离子弧的产生与类型 72.1.2等离子弧焊机的设备原理图 82.2 Fronius等离子焊接设备简介 82.2.1 设备概况 82.3 ROB4000 92.4 PCI2013数据采集卡 112.5 工作流程简介 12第三章 实验方法及其数据处理 133.1 工艺试验 133.2 等离子弧焊接参数简介 133.3 试验过程中设备出现的问题以及解决方法 143.4连续焊工艺参数分析 143.5脉冲焊工艺参数分析 19第四章 结论 23参考文献 24致谢 25等离子弧焊接系统的微机控制摘要等离子弧焊中，压缩的等离子弧被用作集中的能量源来熔化工件，由于等离子焊过程的高能量密度和高速等离子流，等离子弧焊可以产生比钨极氩弧焊更深的熔深，更小的热影响区，因此被用于许多重要设备的焊接上但是，由于需要人工控制，限制了等离子弧焊接的自动化使用，因此，如何利用微机控制便成为提高其焊接速率的重要环节。

本文基于最先进的Fronius焊机，首先掌握等离子弧焊接系统的工作原理，了解ROBO4000以及PCI数据采集卡的使用说明其次安装和调试等离子弧焊接设备，将等离子弧焊机与ROBO4000相连，安装PCI采集卡，研制出计算机控制的等离子弧焊接系统，实现对焊接电流波形的任意设计与调整最后开展等离子弧焊接工艺实验，得到一系列工艺参数，检测系统运行的稳定性，可靠性从而实现等离子焊接的微机控制，为等离子焊接的自动化做了前提工作关键词：等离子弧焊接 微机控制 自动化 工艺参数 Computer Control of PAW SystemAbstractIn PAW, constringent plasma arc is concentrated to melt the pieces. Because of the high power density and high velocity plasma in PAW, PAW could produce deeper penetration, smaller HAZ than GTAW. So PAW usually is always used for weld of many important fixture. But because the PAW needs manual control, the PAW is constricted for auto welding, and using computer to control the welding process of PAW become important in promoting the welding velocity.In this paper, author mastered how the PAW system works and had a good understanding of ROBO4000 and data-acquiring card PCI2013 based on the advanced welding machine Fronius. On the other hand, the author fixed and debugged PAW machine, connected Fronius welding machine with ROBO4000, set PCI card, and developed the welding system based on computer control to realize discretional adjusting and design of the wave of weld current.At last, the author performed the experiments based on PAW and achieved a series of experiment data to test the stability and reliability of the system. So the work of this paper is a base for the welding automation. Keywords: PAW computer control automation welding parameters第一章 绪论1.1 选题意义等离子弧焊（PAW）工艺是在普通钨极氩弧焊（GTAW）的基础上发展起来的一种高效电弧焊方法。

由于等离子弧具有能量密度集中、射流速度大、等离子流力强的特性，等离子射流可以直接穿透被焊工件，形成一个贯穿工件厚度方向的小孔（keyhole）因此，小孔等离子弧焊与激光焊、电子束焊同被归类为高能量密度焊接【1】对于激光焊，设备比较昂贵，设备运行成本较高，光斑小，对装配精度要求高，工业常用大功率CO2激光加工器其激光波长10.6µm，无法用光纤传输导致加工柔性差金属对激光具有较高反射率，尤其是有色金属，给激光焊接带来困难激光小孔焊时产生的等离子体（激光维持燃烧波）对激光有较高的吸收率，对焊接质量产生影响电子束焊，需要在真空的条件下焊接，在很大程度上限制了其在工业中的应用进入21世纪，航天航空制造业对焊接技术提出了更高的要求，人们在追求低成本高强度的焊接结构时对穿孔等离子焊接产生了新的兴趣[2]等离子弧能量密度高、射流速度大、等离子流力强[3]，穿孔等离子弧焊接（K-PAW）时等离子弧穿透工件形成小孔，随着小孔的闭合形成焊缝对于国防工业中常用金属材料如高强钢、高温合金、钛合金、不锈钢等，在中厚度（3～10mm）范围与钨极氩弧焊相比，PAW具有更好的工艺焊接性，接头内部缺陷降低、焊件变形小、焊接效率提高。

单面焊接双面成形”是K-PAW型的典特征，特别适合密闭容器、小直径管焊接等背面难于施焊的结构件焊接[2]等离子弧独特的物理特性，也为小孔等离子弧焊接带来了一些问题：等离子弧的稳定性差，对焊接工艺和规范参数的变化比较敏感，导致小孔的稳定性差，获得良好接头质量的合理规范参数范围窄，可调裕度小，这些问题制约了该工艺在工业中的大量应用针对受孔脉冲穿孔型等离子弧焊接，研究小孔形成和闭合的焊接工艺条件，对于获得稳定的小孔，从而保证焊接质量，具有重要意义[4]相关研究课题的最终目标是研发出受孔脉冲穿孔型等离子弧焊接工艺与设备，本论文是研究工作的第一步，首先研制出计算机控制的等离子弧焊接系统，实现对焊接电流波形的任意设计与调整，为相关研究工作搭建试验平台1.2 穿孔等离子弧焊的发展历史1954年，美国Union Carbide公司的Robert Gate发现，经过压缩的电弧能量密度更加集中，电弧温度和射流速度大幅度提高这种具有高温、长弧柱特性的拘束态电弧很快被用于切割有色金属，随后进一步的试验研究证实，这种压缩电弧也可用于焊接[5]等离子弧焊刚一问世，就得到工业界的极大关注，尤其是国防与航空航天工业1966年，美国Lin de公司与Westinghouse电器公司合作开发研制了一套自动化等离子弧焊设备，用于焊接直径为3m、壁厚为9.5m、材料为D6AC钢的大力神Ⅲ—C火箭助推器壳体，这标志着等离子弧焊正式应用于实际产品的生产。

原来采用TIG焊需要一层封底焊和3～4层填充焊，采用等离子弧焊只需1层穿透焊和1层盖面焊，焊接工时缩短50％，而且焊接质量要优于TIG焊其他的应用实例还有B-1轰炸机主翼机匣、RB-211喷气发动机中心压气机壳体、直升机浆叶圆柱大梁、钛合金机翼蒙皮、高强钢筒形蓄压器等60年代初期美国Thermal Dynamic公司首先采用直流反极性等离子弧焊进行了铝合金焊接试验，与TIG焊相比，等离子弧焊的生产效率和焊接质量都明显提高，但钨极烧损严重，电弧的稳定状态容易受到破坏70年代初期美国波音公司的B.P. Van Cleave采用西雅基公司制造的变极性方波电源开发出变极性等离子弧焊工艺，随后Hobart Brothers公司根据等离子弧焊工艺要求，设计制造了第1台变极性等离子弧焊电源自此，变极性等离子弧焊（VPPAW）技术以其特有的工艺优势在铝合金构件焊接中得到广泛应用1978年，美国NASA宇航局马歇尔宇航中心购买了由Hobart Brothers公司制造，专用于铝合金焊接的大功率变极性等离子弧焊系统，并决定采用变极性等离子弧焊取代钨极气体保护焊用于航天飞机外储箱的焊接，这一举措推动了等离子弧焊工艺、设备及焊缝成形与焊接质量控制等一系列壳体研究的深入开展【6】。

1.3 穿孔等离子弧焊的研究现状 等离子弧独特的物理性能，也为穿孔等离子弧焊带来了另一方面的问题：焊接质量稳定性差，这已成为制约等离子弧焊工业应用进程及其自身技术发展的主要障碍穿孔等离子弧焊焊接质量稳定性差最直观的表现由2个方面：①焊接过程中等离子弧的稳定性差，等离子弧仍属于一种气体放电现象，自由电弧的能量状态回收到气体成分、电极状态、焊接材料等多种不可控或完全不可控因素的影响，对于具有高能量密度的等离子弧来说，这种影响作用更为显著，因而等离子弧对焊接工艺和规范参数的变化比较敏感，规范参数的波动、现场的干扰及焊枪的性能对等离子弧的稳定性影响很大，获得良好接头质量的合理规范参数区间窄、裕度小，在大电流强压缩条件下易出现双弧②焊缝成形的稳定性差，对于厚板穿孔等离子弧焊，这一问题尤为突出影响焊缝成形稳定性的因素很多，如等离子弧的稳定性、熔池液态金属的流动性、穿孔熔池受力状态及平衡性等自70年代开始，焊接工作者在穿孔等离子弧焊焊接质量稳定性的影响因素及作用规律，提高焊接质量稳定性等方面开展了大量研究工作，并提出了一些具体的措施和方法归纳起来主要有一下几个方面：(1)采用弱等离子弧焊工艺 如小的钨极内缩量、大的喷嘴孔径或气动压缩等工艺措施，降低等离子弧的压缩程度，克服双弧，以提高焊接过程的稳定性(2)采用分体结构喷嘴 既避免产生双弧，又保证了等离子弧的强压缩特性。

3)减小等离子弧焊接参数的波动 尽可能稳定焊接工艺和规范参数(4)采用低频脉冲焊工艺 规律性的低频脉冲电流不仅可以更有效控制热输入量，而且可以减弱工艺参数波动对焊接过程稳定性造成的不利影响5)实现焊接质量的实时闭环控制 通过专用传感器检测与焊接过程稳定性相关的特征信号，并反馈到焊接参数调节系统其中(1)，(2)通过调整焊枪结构，以克服双弧为主要目的，或采用弱等离子弧焊工艺，以牺牲等离子弧的压缩性能为代价；或采用特殊结构的喷嘴，却增大了焊枪的尺寸3)、(4)对于提高等离子弧的稳定性具有一定的效果，易于实现，也是当前工业界广泛采用的方法，但这2种方法的作用效果有限5)是公认的提高焊接质量稳定性最有效的方法进入90年代以来，随着等离子弧焊设备整体性能水平的不断提高，包括焊枪的性能和焊接电源的性能，微型计算机及先进的控制技术在焊接设备中应用越来越广泛，等离子弧稳定性问题在很大程度上得以改善，因而，在穿孔等离子弧焊过程中，利用先进的控制技术，进一步提高焊接自动化程度，以及实时控制焊缝成形质量，必然是今后的研究发展重点1.4研究方案1.4.1总体方案对于穿孔型脉冲等离子弧焊建立闭环控制系统来。