全數(shù)字控制下CO?氣保焊短路過(guò)渡行為：數(shù)學(xué)建模與仿真探索一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域，焊接技術(shù)作為一種關(guān)鍵的連接工藝，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、船舶建造、機(jī)械工程等眾多行業(yè)，其焊接質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性。CO?氣保焊作為一種高效、低成本的焊接方法，憑借其顯著的優(yōu)勢(shì)在焊接領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。CO?氣保焊具有諸多優(yōu)點(diǎn)，首先是焊接效率高。與傳統(tǒng)的焊條電弧焊相比，CO?氣保焊的電流密度大，一般可達(dá)100-300A/mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊條電弧焊的10-20A/mm2，這使得焊絲熔化速度加快，焊接速度得以大幅提高，同時(shí)在焊接過(guò)程中無(wú)需清渣，進(jìn)一步節(jié)省了時(shí)間，其生產(chǎn)率可比普通的焊條電弧焊提高2-4倍。其次，CO?氣保焊的焊接變形小。由于電弧在保護(hù)氣體的壓縮下熱量集中，焊接速度快，熔池小，熱影響區(qū)窄，且CO?氣體具有冷卻作用，使得焊件受熱面積小，尤其適用于薄板焊接，能有效減少校正變形的工作量。再者，CO?氣保焊對(duì)油銹不敏感，CO?氣體在高溫時(shí)分解，具有很強(qiáng)的氧化性，對(duì)焊件表面的油、銹及其他臟物的敏感性較小，焊前清理要求不高，只要焊件沒(méi)有明顯的黃銹，一般不必清除，這在一定程度上節(jié)省了生產(chǎn)中的輔助時(shí)間。此外，該焊接方法焊縫含氫量低，保護(hù)氣體在高溫時(shí)的強(qiáng)氧化性與氫有很強(qiáng)的親和能力，降低了焊縫的含氫量，防止了氫氣孔的產(chǎn)生，在焊接低合金高強(qiáng)鋼時(shí)，出現(xiàn)冷裂紋的傾向也較小。同時(shí)，CO?氣保焊的電弧可見(jiàn)性好，操作簡(jiǎn)單，易于對(duì)準(zhǔn)并觀察焊縫，焊工培訓(xùn)相對(duì)容易，而且CO?氣體來(lái)源廣，價(jià)格低，消耗的焊接電能少，成本一般為焊條電弧焊的40%-50%。然而，CO?氣保焊在采用短路過(guò)渡方式時(shí)，也存在一些亟待解決的問(wèn)題。短路過(guò)渡是CO?氣保焊在小電流、低電壓焊接時(shí)的一種熔滴過(guò)渡形式，此時(shí)熔滴細(xì)小而過(guò)渡頻率高（一般在250-300次/秒），焊縫成形美觀，適宜于焊接薄件。但這種過(guò)渡方式會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的飛濺問(wèn)題，主要原因包括：一是焊絲和工件中的碳在氧化性強(qiáng)的CO?氣保焊電弧氣氛中，會(huì)發(fā)生FeO+C=Fe+CO↑反應(yīng)，導(dǎo)致熔滴爆炸產(chǎn)生飛濺；二是在細(xì)絲（Φ1.6mm以下）短路過(guò)渡焊接時(shí)，電弧短路期間，電弧空間逐漸冷卻，再次引燃時(shí)電流較大，電弧熱量突然增大，較冷的氣體瞬間體積膨脹產(chǎn)生較大沖動(dòng)功，從而引起較大飛濺；三是當(dāng)焊機(jī)的動(dòng)特性不佳時(shí)，短路電流的增長(zhǎng)速度不合適，過(guò)慢會(huì)使熔滴過(guò)渡頻率降低，短路時(shí)間增長(zhǎng)，焊絲伸出部分在電阻熱作用下發(fā)紅軟化，形成大顆粒成段斷落、爆斷，使電弧熄滅，造成焊接過(guò)程不穩(wěn)，過(guò)快則一發(fā)生短路熔滴立即爆炸，產(chǎn)生大量飛濺。飛濺不僅造成大量金屬損失，使熔敷率降低，增加焊后清理工作量，還會(huì)降低電弧的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。此外，采用短路過(guò)渡的CO?氣保焊還存在焊縫成形差的問(wèn)題，表現(xiàn)為焊縫表面不光滑、熔深淺、焊縫成形窄而高，容易出現(xiàn)未熔合等焊接缺陷，這些問(wèn)題限制了CO?氣保焊的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。隨著科技的不斷進(jìn)步，全數(shù)字控制技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。全數(shù)字控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的精確控制，通過(guò)數(shù)字化的控制算法和高速處理器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整焊接電流、電壓、送絲速度等參數(shù)，使焊接過(guò)程更加穩(wěn)定、精確。例如，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用，使得焊接電源的控制更加靈活和高效，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的波形控制和自適應(yīng)控制策略。與傳統(tǒng)的模擬控制相比，全數(shù)字控制具有更高的控制精度、更強(qiáng)的抗干擾能力和更好的靈活性，能夠有效改善CO?氣保焊短路過(guò)渡過(guò)程中的飛濺和焊縫成形問(wèn)題。數(shù)學(xué)建模與仿真技術(shù)為研究CO?氣保焊短路過(guò)渡行為提供了有力的工具。通過(guò)建立CO?氣保焊短路過(guò)渡過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，可以深入了解焊接過(guò)程中各種物理現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制和變化規(guī)律。例如，對(duì)熔滴受力分析建立的模型，可以清晰地展示表面張力、電磁力、重力等對(duì)熔滴過(guò)渡的影響。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，如MATLAB/Simulink等軟件平臺(tái)，可以對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解和分析，模擬不同焊接參數(shù)下的短路過(guò)渡過(guò)程，得到焊接電流、電弧電壓、熔滴過(guò)渡頻率等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況。通過(guò)仿真，可以在實(shí)際焊接試驗(yàn)之前對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，同時(shí)還能對(duì)一些在實(shí)際試驗(yàn)中難以直接觀測(cè)的參量進(jìn)行分析研究，為焊接工藝的改進(jìn)和焊接設(shè)備的研發(fā)提供理論依據(jù)。綜上所述，研究全數(shù)字控制CO?氣保焊短路過(guò)渡行為的數(shù)學(xué)建模與仿真具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。一方面，有助于深入理解CO?氣保焊短路過(guò)渡的物理過(guò)程，揭示飛濺和焊縫成形不良的本質(zhì)原因，為解決這些問(wèn)題提供理論指導(dǎo)；另一方面，通過(guò)全數(shù)字控制技術(shù)和數(shù)學(xué)建模與仿真技術(shù)的結(jié)合，可以?xún)?yōu)化焊接工藝參數(shù)，開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的焊接控制策略和設(shè)備，提高CO?氣保焊的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推動(dòng)焊接技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在CO?氣保焊短路過(guò)渡數(shù)學(xué)建模與仿真領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，取得了一系列重要成果，推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。國(guó)外對(duì)CO?氣保焊短路過(guò)渡的研究起步較早。美國(guó)學(xué)者在焊接過(guò)程的物理機(jī)制研究方面處于領(lǐng)先地位，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，深入探究了熔滴過(guò)渡的受力情況，建立了基于力學(xué)分析的熔滴過(guò)渡模型。他們運(yùn)用高速攝像技術(shù)，捕捉熔滴過(guò)渡的瞬間形態(tài)，為模型的建立提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。在電源控制策略方面，美國(guó)研發(fā)的先進(jìn)焊接電源能夠精確控制電流和電壓的波形，有效減少了飛濺和改善了焊縫成形。德國(guó)在焊接工藝優(yōu)化和設(shè)備制造方面具有深厚的技術(shù)積累，其研究重點(diǎn)在于如何提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)對(duì)焊接回路參數(shù)的精確控制和電源動(dòng)特性的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)短路過(guò)渡過(guò)程的精細(xì)調(diào)控，提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。日本則側(cè)重于開(kāi)發(fā)智能化的焊接系統(tǒng)，利用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的各種參數(shù)，并通過(guò)反饋控制調(diào)整焊接工藝參數(shù)，使焊接過(guò)程更加穩(wěn)定、高效。國(guó)內(nèi)在CO?氣保焊短路過(guò)渡研究方面雖然起步相對(duì)較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速。許多高校和科研機(jī)構(gòu)積極投入到該領(lǐng)域的研究中，取得了豐碩的成果。在數(shù)學(xué)建模方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合國(guó)內(nèi)焊接工藝的實(shí)際需求，對(duì)熔滴過(guò)渡、電弧行為等進(jìn)行了深入研究，建立了多種數(shù)學(xué)模型。例如，基于能量守恒定律建立的電弧能量模型，考慮了電弧熱傳遞、電磁力等因素對(duì)焊接過(guò)程的影響，為深入理解電弧行為提供了理論依據(jù)。在仿真技術(shù)應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)廣泛采用MATLAB、ANSYS等軟件平臺(tái)進(jìn)行焊接過(guò)程的仿真研究。通過(guò)仿真，能夠直觀地展示焊接過(guò)程中各種物理量的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)焊接缺陷的產(chǎn)生，為焊接工藝的優(yōu)化提供了有力支持。在控制策略研究方面，國(guó)內(nèi)提出了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制策略，并將其應(yīng)用于CO?氣保焊電源的控制中。這些智能控制策略能夠根據(jù)焊接過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，提高了焊接過(guò)程的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在CO?氣保焊短路過(guò)渡數(shù)學(xué)建模與仿真領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在數(shù)學(xué)模型方面，現(xiàn)有的模型往往難以全面準(zhǔn)確地描述復(fù)雜的焊接物理過(guò)程，對(duì)一些微觀現(xiàn)象和多物理場(chǎng)耦合作用的考慮還不夠完善。例如，對(duì)于熔滴過(guò)渡過(guò)程中的液態(tài)金屬流動(dòng)、溫度分布以及電磁力與表面張力的相互作用等復(fù)雜現(xiàn)象，模型的描述還存在一定的局限性。在仿真精度方面，由于焊接過(guò)程涉及到多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象和參數(shù)，仿真結(jié)果與實(shí)際焊接過(guò)程之間還存在一定的偏差。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，焊接過(guò)程受到多種因素的影響，如焊件材質(zhì)、焊接環(huán)境等，現(xiàn)有的仿真模型難以全面考慮這些因素的影響，導(dǎo)致仿真結(jié)果的可靠性和實(shí)用性受到一定限制。在控制策略方面，雖然智能控制策略在一定程度上提高了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量，但這些控制策略的實(shí)現(xiàn)往往依賴(lài)于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和復(fù)雜的算法，對(duì)硬件設(shè)備的要求較高，增加了控制系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，限制了其在一些小型企業(yè)中的推廣應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞全數(shù)字控制CO?氣保焊短路過(guò)渡行為展開(kāi)，主要涵蓋以下幾個(gè)方面：CO?氣保焊系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立：對(duì)CO?氣保焊系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵組成部分，包括焊接電源、電弧、熔滴過(guò)渡等，進(jìn)行深入的理論分析和數(shù)學(xué)建模。例如，基于電路原理和電磁學(xué)理論，建立焊接電源的等效電路模型，準(zhǔn)確描述電源輸出特性與電氣參數(shù)之間的關(guān)系；運(yùn)用流體力學(xué)和傳熱學(xué)知識(shí)，構(gòu)建熔滴過(guò)渡的力學(xué)模型，考慮表面張力、電磁力、重力等多種力對(duì)熔滴行為的綜合影響；基于氣體放電理論和能量守恒定律，建立電弧模型，分析電弧的物理特性和能量傳輸過(guò)程。全數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：設(shè)計(jì)基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或其他先進(jìn)數(shù)字控制芯片的全數(shù)字控制系統(tǒng)。詳細(xì)闡述系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，包括主控制電路、信號(hào)采集電路、驅(qū)動(dòng)電路等的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行；深入研究控制算法，如采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流、電壓、送絲速度等關(guān)鍵參數(shù)的精確控制，提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真：利用MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)，搭建CO?氣保焊短路過(guò)渡行為的仿真模型。將建立的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為Simulink模塊，通過(guò)合理設(shè)置參數(shù)和連接模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真。對(duì)不同焊接參數(shù)組合下的短路過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析焊接電流、電弧電壓、熔滴過(guò)渡頻率等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，觀察熔滴的形態(tài)變化和過(guò)渡過(guò)程，研究焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響機(jī)制。仿真結(jié)果分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行全面、深入的分析，總結(jié)焊接參數(shù)與焊接質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，為焊接工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。例如，分析不同焊接電流和電壓下的飛濺情況、焊縫成形質(zhì)量等，找出最佳的焊接參數(shù)范圍；將仿真結(jié)果與實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，對(duì)模型和控制策略進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，確保研究成果能夠切實(shí)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的全面性、準(zhǔn)確性和可靠性，具體方法如下：理論分析方法：深入研究CO?氣保焊短路過(guò)渡過(guò)程中的物理現(xiàn)象和基本原理，運(yùn)用電路理論、電磁學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、氣體放電理論等多學(xué)科知識(shí)，對(duì)焊接電源、電弧、熔滴過(guò)渡等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的理論推導(dǎo)和分析。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，揭示焊接過(guò)程中各種物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律，為后續(xù)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。例如，在建立熔滴過(guò)渡模型時(shí)，運(yùn)用力學(xué)原理分析熔滴所受的各種力，通過(guò)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)得出熔滴的運(yùn)動(dòng)方程，從而深入理解熔滴過(guò)渡的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)研究方法：搭建CO?氣保焊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用合適的焊接設(shè)備、焊接材料和測(cè)量?jī)x器，進(jìn)行實(shí)際的焊接實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，如焊接電流、電壓、送絲速度、氣體流量等，通過(guò)改變不同的參數(shù)組合，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。利用高速攝像技術(shù)、焊接參數(shù)采集系統(tǒng)等手段，對(duì)焊接過(guò)程中的電弧形態(tài)、熔滴過(guò)渡過(guò)程、焊接電流和電壓波形等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。對(duì)焊接后的試件進(jìn)行外觀檢查、金相分析、力學(xué)性能測(cè)試等，評(píng)估焊接質(zhì)量，為驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。例如，通過(guò)高速攝像觀察熔滴過(guò)渡的瞬間形態(tài)，與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。計(jì)算機(jī)仿真方法：借助MATLAB/Simulink等專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)仿真軟件，對(duì)CO?氣保焊短路過(guò)渡行為進(jìn)行仿真研究。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，在軟件平臺(tái)上搭建相應(yīng)的仿真模型，設(shè)置合理的參數(shù)和仿真條件，模擬不同焊接參數(shù)下的短路過(guò)渡過(guò)程。通過(guò)仿真，可以直觀地觀察焊接過(guò)程中各種物理量的變化情況，快速分析不同參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，為焊接工藝的優(yōu)化提供便捷、高效的手段。同時(shí)，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，不斷優(yōu)化仿真模型，提高仿真的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在Simulink中搭建焊接電源和電弧的仿真模型，通過(guò)改變參數(shù)進(jìn)行多次仿真，分析不同參數(shù)組合下的焊接電流和電壓波形，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型的有效性。二、全數(shù)字控制CO?氣保焊原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1CO?氣保焊工作原理CO?氣保焊，即二氧化碳?xì)怏w保護(hù)電弧焊，是以CO?氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)電弧和焊接區(qū)的電弧焊方法。其工作原理是在焊接過(guò)程中，通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)將焊絲經(jīng)送絲軟管連續(xù)不斷地送進(jìn)焊槍?zhuān)附z在焊槍導(dǎo)電嘴的作用下帶電，在焊件與焊絲之間產(chǎn)生電弧，利用電弧的熱量使焊絲和焊件局部熔化。與此同時(shí)，CO?氣體從焊槍的噴嘴中以一定的流量噴出，在電弧周?chē)纬梢粚颖Ｗo(hù)氣幕，將空氣與焊接區(qū)域隔離，防止空氣中的氧、氮等有害氣體侵入熔池，從而保證焊接過(guò)程的順利進(jìn)行和焊縫的質(zhì)量。在CO?氣保焊中，熔滴過(guò)渡形式主要有短路過(guò)渡、滴狀過(guò)渡和射滴過(guò)渡，其中短路過(guò)渡是小電流、低電壓焊接時(shí)常見(jiàn)的一種熔滴過(guò)渡形式，在薄板焊接和全位置焊接中應(yīng)用廣泛。短路過(guò)渡的過(guò)程如下：在較小的焊接電流和較低的電弧電壓條件下，焊絲端部的金屬在電弧熱的作用下開(kāi)始熔化形成熔滴，隨著熔滴逐漸長(zhǎng)大，其受到的重力、電磁力和表面張力等的作用也逐漸發(fā)生變化。當(dāng)熔滴長(zhǎng)大到一定程度時(shí)，在重力和電磁力的作用下，熔滴向熔池靠近并與熔池接觸，此時(shí)電弧熄滅，焊接回路處于短路狀態(tài)，短路電流迅速上升。在電磁壓縮力和熔池表面張力的共同作用下，熔滴與焊絲之間的頸部逐漸變細(xì)，當(dāng)短路電流增大到一定數(shù)值后，頸部的液態(tài)金屬迅速氣化，縮頸爆斷，熔滴落入熔池，完成一次熔滴過(guò)渡。隨后，電源電壓迅速恢復(fù)，電弧重新引燃，焊絲端部又開(kāi)始形成新的熔滴，進(jìn)入下一個(gè)短路過(guò)渡周期。短路過(guò)渡具有以下特點(diǎn)：一是電弧燃燒、熄滅和熔滴過(guò)渡過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)較為均勻的焊縫成形。二是由于采用小電流、低電壓焊接，焊接熱輸入較小，適合于薄板焊接，能夠有效減少焊件的變形。三是短路過(guò)渡時(shí)熔滴細(xì)小，過(guò)渡頻率較高，一般可達(dá)每秒幾十次到一百多次，這使得焊縫的熔敷效率相對(duì)較高。然而，短路過(guò)渡也存在一些不足之處，如在熔滴短路瞬間，容易產(chǎn)生較大的飛濺，這不僅會(huì)造成焊接材料的浪費(fèi)，還可能影響焊縫的外觀質(zhì)量和焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。2.2全數(shù)字控制系統(tǒng)組成與工作方式全數(shù)字控制CO?氣保焊系統(tǒng)主要由焊接電源、控制系統(tǒng)、送絲調(diào)速系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和焊槍等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同完成焊接過(guò)程的精確控制。焊接電源是CO?氣保焊系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其作用是為焊接過(guò)程提供穩(wěn)定的電能。在全數(shù)字控制CO?氣保焊系統(tǒng)中，焊接電源通常采用逆變式電源結(jié)構(gòu)。逆變式電源通過(guò)將工頻交流電經(jīng)整流、濾波后逆變?yōu)楦哳l交流電，再經(jīng)過(guò)降壓、整流和濾波，得到適合焊接的直流輸出。這種結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕、效率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速響應(yīng)控制系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流和電壓的精確調(diào)節(jié)。例如，在短路過(guò)渡焊接時(shí)，焊接電源需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成從燃弧到短路、再到重新燃弧的電流和電壓切換，逆變式電源的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性能夠很好地滿(mǎn)足這一要求，確保焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。其工作方式是根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和頻率，改變輸出電壓和電流的大小，以適應(yīng)不同的焊接工藝需求。控制系統(tǒng)是全數(shù)字控制CO?氣保焊系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)焊接過(guò)程的監(jiān)測(cè)、控制和調(diào)節(jié)。它主要由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、微控制器（MCU）以及相關(guān)的外圍電路組成。DSP具有高速的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的運(yùn)算功能，能夠?qū)崟r(shí)采集和處理焊接過(guò)程中的各種信號(hào)，如焊接電流、電弧電壓、送絲速度等，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法和焊接工藝參數(shù)，快速計(jì)算出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電源和送絲調(diào)速系統(tǒng)的精確控制。MCU則主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理和監(jiān)控，包括人機(jī)交互、參數(shù)設(shè)置、故障診斷等功能。控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程中的電流、電壓等信號(hào)，與預(yù)設(shè)的焊接參數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)偏差值采用相應(yīng)的控制算法，如PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，計(jì)算出控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制焊接電源的功率開(kāi)關(guān)器件和送絲調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的閉環(huán)控制，確保焊接參數(shù)的穩(wěn)定和焊接質(zhì)量的可靠。例如，當(dāng)檢測(cè)到焊接電流偏離設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整焊接電源的輸出，使電流恢復(fù)到設(shè)定值，保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。送絲調(diào)速系統(tǒng)用于控制焊絲的送進(jìn)速度，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。該系統(tǒng)主要由送絲電機(jī)、減速器、送絲輪和送絲軟管等組成。送絲電機(jī)在控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)減速器帶動(dòng)送絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將焊絲經(jīng)送絲軟管連續(xù)不斷地送進(jìn)焊槍。送絲調(diào)速系統(tǒng)的工作方式是根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送的送絲速度指令，通過(guò)調(diào)節(jié)送絲電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)焊絲送進(jìn)速度的精確控制。例如，在短路過(guò)渡焊接中，送絲速度需要與焊接電流和電壓精確匹配，以保證熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性。當(dāng)焊接電流發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地調(diào)整送絲速度指令，送絲調(diào)速系統(tǒng)接收到指令后，通過(guò)調(diào)節(jié)送絲電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變焊絲的送進(jìn)速度，使焊接過(guò)程保持穩(wěn)定。此外，送絲調(diào)速系統(tǒng)還需要具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，能夠快速跟隨控制系統(tǒng)的指令變化，避免出現(xiàn)送絲滯后或超前的現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。供氣系統(tǒng)的作用是為焊接過(guò)程提供穩(wěn)定的CO?保護(hù)氣體，防止空氣中的有害氣體侵入焊接區(qū)域，保證焊接質(zhì)量。它主要由CO?氣瓶、減壓閥、流量計(jì)、干燥器和電磁氣閥等組成。CO?氣瓶?jī)?chǔ)存高壓的CO?氣體，減壓閥將氣瓶?jī)?nèi)的高壓氣體減壓至合適的工作壓力，流量計(jì)用于精確控制氣體的流量，干燥器用于去除氣體中的水分，防止水分進(jìn)入焊接區(qū)域?qū)е潞缚p產(chǎn)生氣孔等缺陷，電磁氣閥則在控制系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)氣體的通斷。在焊接開(kāi)始前，控制系統(tǒng)會(huì)控制電磁氣閥提前打開(kāi)，使CO?氣體以設(shè)定的流量流出，在焊接區(qū)域形成保護(hù)氣幕；焊接結(jié)束后，電磁氣閥延遲關(guān)閉，確保熔池在冷卻過(guò)程中仍能得到有效保護(hù)。焊槍是直接進(jìn)行焊接操作的部件，它將焊絲、電流和保護(hù)氣體輸送到焊接區(qū)域。焊槍主要由槍體、導(dǎo)電嘴、噴嘴和送絲機(jī)構(gòu)等部分組成。焊絲通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)從導(dǎo)電嘴送出，在導(dǎo)電嘴的作用下帶電，與焊件之間產(chǎn)生電??；保護(hù)氣體從噴嘴噴出，在電弧周?chē)纬杀Ｗo(hù)氣幕。在焊接過(guò)程中，焊工手持焊槍?zhuān)鶕?jù)焊接工藝要求和焊件的形狀、位置等，靈活調(diào)整焊槍的角度和移動(dòng)速度，以保證焊縫的質(zhì)量和成形。全數(shù)字控制CO?氣保焊系統(tǒng)各組成部分之間通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同工作。控制系統(tǒng)與焊接電源之間通過(guò)高速通信總線(xiàn)，如CAN總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)等，實(shí)時(shí)傳輸控制信號(hào)和狀態(tài)信息，確保焊接電源能夠準(zhǔn)確響應(yīng)控制系統(tǒng)的指令?？刂葡到y(tǒng)與送絲調(diào)速系統(tǒng)之間也通過(guò)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)送絲速度與焊接電流、電壓的精確匹配。此外，控制系統(tǒng)還可以通過(guò)通信接口與上位機(jī)（如PC機(jī)）連接，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置、焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。2.3全數(shù)字控制對(duì)短路過(guò)渡行為的影響全數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用為CO?氣保焊短路過(guò)渡行為帶來(lái)了多方面的顯著影響，極大地提升了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性、焊接質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。在精確控制焊接參數(shù)方面，全數(shù)字控制系統(tǒng)展現(xiàn)出了卓越的性能。傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)在焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)上存在一定的局限性，精度難以滿(mǎn)足一些對(duì)焊接質(zhì)量要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。而全數(shù)字控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和高精度的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，能夠?qū)附与娏?、電壓、送絲速度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確的測(cè)量和控制。以焊接電流為例，全數(shù)字控制系統(tǒng)可以將電流控制精度提高到±1A以?xún)?nèi)，相比傳統(tǒng)模擬控制的±5A精度，有了質(zhì)的飛躍。這種高精度的控制使得焊接過(guò)程中電流的波動(dòng)極小，能夠有效保證熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性。在短路過(guò)渡過(guò)程中，穩(wěn)定的電流可以使熔滴在合適的時(shí)間和條件下過(guò)渡到熔池中，避免了因電流波動(dòng)導(dǎo)致的熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定，減少了飛濺的產(chǎn)生。同時(shí)，精確控制的送絲速度與焊接電流、電壓實(shí)現(xiàn)了高度匹配，確保了焊絲的熔化速度與熔滴過(guò)渡速度的協(xié)調(diào)，進(jìn)一步提高了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。全數(shù)字控制還能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的波形控制，這對(duì)改善短路過(guò)渡行為具有重要意義。通過(guò)編程和數(shù)字信號(hào)處理算法，全數(shù)字控制系統(tǒng)可以產(chǎn)生各種復(fù)雜的電流、電壓波形，以滿(mǎn)足不同焊接工藝的需求。例如，在短路過(guò)渡CO?氣保焊中，采用雙斜率控制的電流波形可以有效減少短路期間的飛濺。在短路初期，通過(guò)控制電流以較低的斜率上升，避免了電流的急劇增大對(duì)熔滴造成的沖擊，減少了熔滴爆炸產(chǎn)生飛濺的可能性；在短路后期，當(dāng)熔滴即將過(guò)渡到熔池時(shí)，適當(dāng)增大電流斜率，利用電磁力的作用促進(jìn)熔滴的快速過(guò)渡，提高了熔滴過(guò)渡的效率。此外，還可以采用脈沖波形控制，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的頻率、寬度和幅值，精確控制焊接過(guò)程中的能量輸入。在燃弧期間，較大的脈沖電流可以提供足夠的能量使焊絲充分熔化和過(guò)渡，而在短路期間，較小的脈沖電流則可以減少能量輸入，降低飛濺的產(chǎn)生。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和調(diào)整這些復(fù)雜的波形，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)短路過(guò)渡過(guò)程中能量的精確分配和控制，從而有效改善焊縫成形和減少飛濺。全數(shù)字控制顯著提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，這對(duì)于短路過(guò)渡行為的優(yōu)化至關(guān)重要。在CO?氣保焊短路過(guò)渡過(guò)程中，電弧的燃燒和熄滅、熔滴的過(guò)渡等過(guò)程都在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求極高。全數(shù)字控制系統(tǒng)采用高速的DSP芯片和先進(jìn)的控制算法，能夠快速采集和處理焊接過(guò)程中的各種信號(hào)，并及時(shí)做出響應(yīng)。例如，當(dāng)檢測(cè)到電弧電壓或電流發(fā)生突變時(shí)，全數(shù)字控制系統(tǒng)可以在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)調(diào)整焊接電源的輸出，使電弧迅速恢復(fù)穩(wěn)定。這種快速的響應(yīng)能力使得全數(shù)字控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤焊接過(guò)程的變化，及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，保證短路過(guò)渡過(guò)程的順利進(jìn)行。與傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)相比，全數(shù)字控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高了數(shù)倍，大大增強(qiáng)了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。在面對(duì)外界干擾時(shí)，如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、焊件表面狀態(tài)變化等，全數(shù)字控制系統(tǒng)能夠迅速做出調(diào)整，維持焊接參數(shù)的穩(wěn)定，確保焊接質(zhì)量不受影響。全數(shù)字控制對(duì)短路過(guò)渡行為的穩(wěn)定性、飛濺和焊縫成形產(chǎn)生了積極的影響。通過(guò)精確控制焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定和送絲速度的匹配；通過(guò)復(fù)雜波形控制，有效減少了飛濺并改善了焊縫成形；通過(guò)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，增強(qiáng)了焊接過(guò)程對(duì)各種變化的適應(yīng)性。這些優(yōu)勢(shì)使得全數(shù)字控制CO?氣保焊在現(xiàn)代焊接生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠滿(mǎn)足越來(lái)越高的焊接質(zhì)量要求。三、CO?氣保焊短路過(guò)渡行為數(shù)學(xué)建模3.1物理過(guò)程分析在CO?氣保焊短路過(guò)渡過(guò)程中，燃弧階段和短路階段呈現(xiàn)出一系列復(fù)雜且獨(dú)特的物理現(xiàn)象，深入剖析這些現(xiàn)象是建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的重要前提。燃弧階段，電弧作為一種強(qiáng)烈的氣體放電現(xiàn)象，在焊絲與焊件之間產(chǎn)生。電弧的形態(tài)受到多種因素的影響，包括焊接電流、電壓、氣體流量以及焊絲的材質(zhì)和直徑等。當(dāng)焊接電流通過(guò)焊絲時(shí)，焊絲端部被加熱熔化，形成熔滴。在電弧的高溫作用下，CO?氣體發(fā)生分解，產(chǎn)生的CO和O?等氣體參與到焊接化學(xué)反應(yīng)中。此時(shí)，熔滴主要受到多種力的共同作用。表面張力是維持熔滴形狀的重要因素，它使熔滴傾向于保持球形，其大小與熔滴的表面積和表面能有關(guān)。電磁力則是由于焊接電流在電弧和熔滴中產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的，電磁力的方向和大小取決于電流的分布和磁場(chǎng)的強(qiáng)度。在一定的焊接條件下，電磁力可以促進(jìn)熔滴的過(guò)渡，例如在射滴過(guò)渡和射流過(guò)渡中，電磁力起到了主導(dǎo)作用。此外，重力也對(duì)熔滴產(chǎn)生影響，尤其是在平焊位置，重力有助于熔滴向熔池過(guò)渡，但在其他焊接位置，重力的影響可能會(huì)導(dǎo)致熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定。在能量傳輸方面，電弧通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)等方式將能量傳遞給焊絲和焊件。輻射是電弧能量傳輸?shù)闹匾绞街?，電弧發(fā)出的強(qiáng)烈輻射能使焊絲和焊件表面迅速升溫。對(duì)流則是由于電弧周?chē)鷼怏w的流動(dòng)，將熱量帶到焊絲和焊件上。傳導(dǎo)是通過(guò)焊絲和焊件自身的熱傳導(dǎo)，將熱量傳遞到內(nèi)部。這些能量傳輸過(guò)程使得焊絲不斷熔化，熔滴逐漸長(zhǎng)大，為熔滴過(guò)渡奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，電弧的穩(wěn)定性也對(duì)能量傳輸產(chǎn)生影響，穩(wěn)定的電弧能夠保證能量傳輸?shù)木鶆蛐裕环€(wěn)定的電弧則會(huì)導(dǎo)致能量傳輸?shù)牟▌?dòng)，進(jìn)而影響熔滴的形成和過(guò)渡。短路階段，當(dāng)熔滴長(zhǎng)大到一定程度后，與熔池接觸，電弧熄滅，焊接回路進(jìn)入短路狀態(tài)。此時(shí)，短路電流迅速上升，在電磁壓縮力和熔池表面張力的作用下，熔滴與焊絲之間的頸部逐漸變細(xì)。短路電流的大小和變化速度對(duì)短路過(guò)程起著關(guān)鍵作用，它直接影響著電磁壓縮力的大小。電磁壓縮力會(huì)使熔滴頸部受到強(qiáng)烈的收縮作用，加速頸部的變細(xì)過(guò)程。而熔池表面張力則試圖阻止熔滴與焊絲的分離，保持熔滴的完整性。隨著短路電流的繼續(xù)增大，頸部的液態(tài)金屬迅速氣化，縮頸爆斷，熔滴落入熔池，完成一次熔滴過(guò)渡。在這個(gè)過(guò)程中，能量主要以電能的形式轉(zhuǎn)化為熱能，用于加熱熔滴和熔池，以及促進(jìn)液態(tài)金屬的相變。同時(shí)，由于短路過(guò)程的快速性和復(fù)雜性，會(huì)產(chǎn)生較高的電流峰值和電壓波動(dòng)，這些波動(dòng)可能會(huì)對(duì)焊接設(shè)備和焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。3.2數(shù)學(xué)模型建立3.2.1電源模型逆變電源在全數(shù)字控制CO?氣保焊中占據(jù)關(guān)鍵地位，其輸出特性和控制方式對(duì)焊接電流和電壓有著直接且重要的影響。為準(zhǔn)確描述逆變電源的行為，需依據(jù)電路理論和控制算法來(lái)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。在電路結(jié)構(gòu)方面，逆變電源通常采用全橋式逆變電路。該電路由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件（如絕緣柵雙極型晶體管IGBT）組成，通過(guò)控制這些開(kāi)關(guān)器件的通斷，將直流輸入轉(zhuǎn)換為高頻交流輸出。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，可運(yùn)用基爾霍夫定律對(duì)電路進(jìn)行分析。以電壓為例，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，輸入直流電壓與輸出交流電壓之間存在特定關(guān)系。假設(shè)輸入直流電壓為U_{dc}，輸出交流電壓為u_{o}，當(dāng)兩個(gè)對(duì)角的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，u_{o}=U_{dc}；當(dāng)另外兩個(gè)對(duì)角的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，u_{o}=-U_{dc}。通過(guò)這種方式，可以建立起輸出電壓與開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在控制算法上，常用的有脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)。PWM控制通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，即脈沖寬度，來(lái)控制輸出電壓的大小。設(shè)開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，導(dǎo)通時(shí)間為t_{on}，則輸出電壓的平均值U_{avg}可表示為U_{avg}=\frac{t_{on}}{T}U_{dc}。在全數(shù)字控制中，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）根據(jù)預(yù)設(shè)的焊接參數(shù)和反饋信號(hào)，精確計(jì)算出每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間t_{on}，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。以某型號(hào)的逆變式CO?氣保焊電源為例，其輸入直流電壓為540V，開(kāi)關(guān)頻率為20kHz，即開(kāi)關(guān)周期T=50\mus。在某一焊接工況下，根據(jù)控制算法計(jì)算得到的導(dǎo)通時(shí)間t_{on}=20\mus，則此時(shí)輸出電壓的平均值U_{avg}=\frac{20\times10^{-6}}{50\times10^{-6}}\times540=216V。通過(guò)這種方式，可以根據(jù)不同的焊接需求，靈活調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出特性的精確控制，為穩(wěn)定的焊接過(guò)程提供可靠的電源支持。此外，逆變電源的輸出特性還受到電感、電容等電路元件的影響。例如，輸出電感L對(duì)電流的平滑起到關(guān)鍵作用，根據(jù)電感的伏安特性u(píng)=L\frac{di}{dt}，在焊接過(guò)程中，輸出電流的變化會(huì)受到電感的抑制，從而使電流更加穩(wěn)定。通過(guò)合理選擇電感值，可以有效減少電流的紋波，提高焊接質(zhì)量。同時(shí)，考慮到實(shí)際電路中的寄生參數(shù)和功率開(kāi)關(guān)器件的非線(xiàn)性特性，在數(shù)學(xué)模型中還需對(duì)這些因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚脱a(bǔ)償，以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2.2電弧模型電弧作為CO?氣保焊中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)出顯著的非線(xiàn)性和時(shí)變性，其物理特性極為復(fù)雜，受到多種因素的綜合影響。為深入理解和準(zhǔn)確描述電弧行為，構(gòu)建科學(xué)合理的電弧模型至關(guān)重要。從物理特性角度來(lái)看，電弧可視為一種高溫等離子體，其內(nèi)部存在著強(qiáng)烈的電離、復(fù)合和能量交換過(guò)程。在建立電弧模型時(shí)，Mayr模型是一種常用的經(jīng)典模型。該模型基于能量平衡原理，認(rèn)為電弧的能量輸入主要來(lái)自于電流通過(guò)電弧時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，而能量輸出則包括輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)等方式。其核心方程為：\frac{dT}{dt}=\frac{\etai^{2}R-P_{loss}}{C_{p}m}其中，T為電弧溫度，t為時(shí)間，\eta為能量轉(zhuǎn)換效率，i為電弧電流，R為電弧電阻，P_{loss}為能量損失率，C_{p}為比熱容，m為電弧質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，模型參數(shù)如\eta、P_{loss}、C_{p}和m等需要根據(jù)具體的焊接條件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。例如，對(duì)于CO?氣保焊，在不同的氣體流量、焊接電流和電壓條件下，這些參數(shù)會(huì)有所不同。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，可以建立起適用于特定焊接條件的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便在模型計(jì)算中準(zhǔn)確選取參數(shù)。在考慮弧柱強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電弧電壓和電流關(guān)系的影響時(shí)，弧柱強(qiáng)度與電弧溫度、氣體電離程度密切相關(guān)。當(dāng)電弧溫度升高時(shí)，氣體電離程度增強(qiáng)，弧柱中的帶電粒子增多，弧柱的導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻減小。根據(jù)歐姆定律U=iR，在電流一定的情況下，電阻減小會(huì)導(dǎo)致電弧電壓降低。電場(chǎng)強(qiáng)度E則與電弧電壓和電弧長(zhǎng)度l有關(guān)，即E=\frac{U}{l}。在焊接過(guò)程中，電弧長(zhǎng)度會(huì)隨著熔滴過(guò)渡和焊件表面的起伏而發(fā)生變化。當(dāng)電弧長(zhǎng)度增加時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度減小，電弧的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，可能導(dǎo)致電弧電壓波動(dòng)增大。因此，在電弧模型中，需要準(zhǔn)確描述電弧長(zhǎng)度的變化，并考慮其對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度和電弧電壓、電流關(guān)系的影響。例如，可以通過(guò)建立電弧長(zhǎng)度與焊接過(guò)程參數(shù)（如送絲速度、焊接速度等）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)時(shí)計(jì)算電弧長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而準(zhǔn)確模擬電弧電壓和電流的動(dòng)態(tài)變化。此外，電弧的輻射和對(duì)流換熱也會(huì)對(duì)其能量平衡和溫度分布產(chǎn)生重要影響。輻射換熱與電弧溫度的四次方成正比，隨著電弧溫度的升高，輻射換熱的作用會(huì)更加顯著。對(duì)流換熱則主要受到氣體流速和溫度梯度的影響，在CO?氣保焊中，保護(hù)氣體的流速會(huì)影響電弧周?chē)臍怏w流動(dòng)狀態(tài)，從而改變對(duì)流換熱的強(qiáng)度。在電弧模型中，需要綜合考慮這些因素，以更全面地描述電弧的物理過(guò)程。3.2.3熔滴過(guò)渡模型在CO?氣保焊短路過(guò)渡過(guò)程中，熔滴過(guò)渡行為對(duì)焊接質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，建立準(zhǔn)確的熔滴過(guò)渡模型對(duì)于深入理解焊接過(guò)程和優(yōu)化焊接工藝具有重要意義。熔滴在形成和過(guò)渡過(guò)程中，受到多種力的復(fù)雜作用。重力F_g是其中之一，其大小可根據(jù)重力公式F_g=mg計(jì)算，其中m為熔滴質(zhì)量，g為重力加速度。在平焊位置，重力方向向下，有助于熔滴向熔池過(guò)渡；而在立焊、仰焊等位置，重力則可能阻礙熔滴過(guò)渡，甚至導(dǎo)致熔滴脫落。例如，對(duì)于直徑為d的球形熔滴，其質(zhì)量m=\frac{4}{3}\pi(\fraccamssyk{2})^3\rho，其中\(zhòng)rho為熔滴材料的密度。當(dāng)熔滴直徑為1mm，材料密度為7800kg/m^3時(shí)，重力F_g=\frac{4}{3}\pi(\frac{1\times10^{-3}}{2})^3\times7800\times9.8\approx4\times10^{-5}N。電磁力F_{em}在熔滴過(guò)渡中也起著關(guān)鍵作用。根據(jù)安培力公式，電磁力與焊接電流i、電弧磁場(chǎng)B以及熔滴的幾何形狀和位置有關(guān)。在短路過(guò)渡時(shí)，短路電流會(huì)在熔滴和焊絲中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與電流相互作用產(chǎn)生電磁力。電磁力的方向和大小會(huì)隨著電流的變化而改變，在某些情況下，電磁力可以促進(jìn)熔滴的過(guò)渡，如在熔滴與熔池接觸短路時(shí)，電磁壓縮力會(huì)使熔滴頸部受到強(qiáng)烈的收縮作用，加速熔滴與焊絲的分離。然而，當(dāng)電磁力過(guò)大或分布不均勻時(shí)，可能導(dǎo)致熔滴飛濺。例如，在焊接電流較大時(shí)，電磁力可能會(huì)使熔滴受到過(guò)大的沖擊，從而引發(fā)飛濺現(xiàn)象。表面張力F_s是維持熔滴形狀的重要力，其大小與熔滴的表面積和表面能有關(guān)。表面張力試圖使熔滴保持球形，抵抗其他力對(duì)熔滴形狀的改變。表面張力F_s可表示為F_s=\sigmaL_c，其中\(zhòng)sigma為表面張力系數(shù)，L_c為熔滴的周長(zhǎng)。在熔滴過(guò)渡過(guò)程中，表面張力與其他力相互作用，共同影響熔滴的尺寸、形狀和過(guò)渡頻率。當(dāng)表面張力較大時(shí)，熔滴的尺寸相對(duì)較小，過(guò)渡頻率可能較高；而當(dāng)表面張力較小時(shí)，熔滴可能會(huì)長(zhǎng)大并以較大尺寸過(guò)渡。綜合考慮這些力的作用，結(jié)合力學(xué)原理，可以建立描述熔滴尺寸、形狀和過(guò)渡頻率變化的數(shù)學(xué)模型。例如，可以根據(jù)牛頓第二定律F=ma，將作用在熔滴上的各種力進(jìn)行合成，得到熔滴的運(yùn)動(dòng)方程。設(shè)熔滴的加速度為a，則有F_{total}=F_g+F_{em}+F_s=ma，通過(guò)求解該方程，可以得到熔滴在不同力作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡和過(guò)渡特性。同時(shí)，考慮到熔滴在過(guò)渡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，如熔滴與熔池接觸時(shí)的變形、頸部的縮頸和斷裂等現(xiàn)象，還需要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化和修正。例如，可以引入表面張力系數(shù)隨溫度和時(shí)間的變化關(guān)系，以及考慮熔滴內(nèi)部的液態(tài)金屬流動(dòng)對(duì)力的分布和熔滴行為的影響。通過(guò)這些方法，可以建立更加準(zhǔn)確和全面的熔滴過(guò)渡模型，為深入研究CO?氣保焊短路過(guò)渡行為提供有力的理論支持。3.2.4負(fù)載模型在CO?氣保焊過(guò)程中，負(fù)載特性處于動(dòng)態(tài)變化之中，建立精確的非線(xiàn)性負(fù)載模型對(duì)于準(zhǔn)確描述電源與負(fù)載之間的相互作用以及深入理解焊接過(guò)程具有重要意義。焊接過(guò)程中的負(fù)載主要包括電弧和熔池，其特性受到多種因素的綜合影響。從電路角度來(lái)看，負(fù)載可等效為一個(gè)非線(xiàn)性電阻和電感的組合。其中，非線(xiàn)性電阻R_{load}用于描述電弧的電阻特性，其值會(huì)隨著電弧的燃燒狀態(tài)、弧長(zhǎng)變化以及氣體電離程度等因素而發(fā)生顯著改變。例如，在燃弧階段，隨著電弧溫度的升高，氣體電離程度增強(qiáng)，電弧電阻減??；而在短路階段，電弧熄滅，電阻急劇增大。電感L_{load}則主要考慮了焊接回路中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它對(duì)電流的變化起到阻礙作用，影響著焊接電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了更準(zhǔn)確地描述負(fù)載特性，可采用合適的數(shù)學(xué)表達(dá)式。一種常用的方法是將非線(xiàn)性電阻表示為電流和電壓的函數(shù)，即R_{load}=f(i_{weld},u_{weld})。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，可以確定該函數(shù)的具體形式。例如，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在一定的焊接條件下，非線(xiàn)性電阻R_{load}與焊接電流i_{weld}之間可能存在如下關(guān)系：R_{load}=\frac{R_0}{1+ki_{weld}}，其中R_0為初始電阻，k為與焊接條件相關(guān)的系數(shù)。這種表達(dá)式能夠較好地反映出電阻隨電流變化的非線(xiàn)性特性。在考慮負(fù)載對(duì)電源輸出的影響時(shí)，根據(jù)歐姆定律u=iR，電源輸出電壓u_{output}與負(fù)載電流i_{load}之間的關(guān)系為u_{output}=i_{load}R_{load}。由于負(fù)載電阻的非線(xiàn)性，電源輸出電壓和電流之間的關(guān)系也呈現(xiàn)出非線(xiàn)性特征。例如，當(dāng)焊接電流增大時(shí)，根據(jù)上述電阻表達(dá)式，負(fù)載電阻減小，在電源輸出功率一定的情況下，電源輸出電壓會(huì)相應(yīng)降低。同時(shí)，負(fù)載電感L_{load}會(huì)使電流的變化產(chǎn)生滯后，影響電源輸出的動(dòng)態(tài)特性。在建立負(fù)載模型時(shí)，需要綜合考慮這些因素，通過(guò)電路分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立起能夠準(zhǔn)確描述負(fù)載對(duì)電源輸出影響的數(shù)學(xué)模型。例如，可以利用基爾霍夫定律，結(jié)合負(fù)載的等效電路模型，得到電源輸出電壓和電流的動(dòng)態(tài)方程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程中電源與負(fù)載相互作用的精確模擬。此外，還需考慮焊接過(guò)程中的其他因素對(duì)負(fù)載特性的影響，如焊件的材質(zhì)、厚度以及焊接位置等。不同的焊件材質(zhì)具有不同的電阻率和熱物理性質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電阻和熱傳遞特性的差異。焊件厚度的變化會(huì)影響焊接電流的分布和熱輸入，進(jìn)而改變負(fù)載特性。焊接位置的不同，如平焊、立焊、仰焊等，會(huì)使熔滴過(guò)渡方式和電弧形態(tài)發(fā)生變化，也會(huì)對(duì)負(fù)載特性產(chǎn)生影響。在建立負(fù)載模型時(shí)，需要充分考慮這些因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，確定相應(yīng)的修正系數(shù)或模型參數(shù)，以提高負(fù)載模型的準(zhǔn)確性和適用性。3.3模型驗(yàn)證與分析為了驗(yàn)證所建立的CO?氣保焊短路過(guò)渡行為數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，將模型的仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)采用[具體型號(hào)]的CO?氣保焊機(jī)，焊接材料為[具體材質(zhì)及規(guī)格]的鋼板，焊絲為[焊絲型號(hào)及規(guī)格]。在不同的焊接參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用高速攝像設(shè)備記錄熔滴過(guò)渡過(guò)程，同時(shí)使用焊接參數(shù)采集系統(tǒng)獲取焊接電流、電弧電壓等數(shù)據(jù)。以焊接電流和電弧電壓的對(duì)比驗(yàn)證為例，在某一特定焊接參數(shù)組合下，模型仿真得到的焊接電流和電弧電壓波形與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形在趨勢(shì)上基本一致，焊接電流和電弧電壓的變化規(guī)律得到了較好的模擬。在燃弧階段，電流和電壓的數(shù)值以及變化趨勢(shì)都較為吻合；在短路階段，短路電流的上升速度和峰值、電弧電壓的下降趨勢(shì)等關(guān)鍵特征也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。通過(guò)計(jì)算兩者的相關(guān)系數(shù)，得到焊接電流的相關(guān)系數(shù)為[具體數(shù)值]，電弧電壓的相關(guān)系數(shù)為[具體數(shù)值]，進(jìn)一步量化了兩者的相似度，表明模型能夠較為準(zhǔn)確地反映焊接電流和電弧電壓在短路過(guò)渡過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化。在熔滴過(guò)渡方面，通過(guò)對(duì)比模型計(jì)算得到的熔滴尺寸、形狀和過(guò)渡頻率與高速攝像觀察到的實(shí)際熔滴過(guò)渡情況，也驗(yàn)證了模型的有效性。模型計(jì)算得到的熔滴尺寸與實(shí)際測(cè)量的熔滴尺寸偏差在[具體偏差范圍]內(nèi)，熔滴過(guò)渡頻率的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差為[具體誤差數(shù)值]，說(shuō)明模型對(duì)熔滴過(guò)渡行為的模擬具有較高的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步分析模型中各參數(shù)對(duì)短路過(guò)渡行為的影響規(guī)律。對(duì)于電源模型中的開(kāi)關(guān)頻率，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率從[初始頻率值]提高到[變化后頻率值]時(shí)，焊接電流的紋波明顯減小，從[初始紋波幅值]降低到[變化后紋波幅值]，這是因?yàn)檩^高的開(kāi)關(guān)頻率使得電源輸出的高頻交流信號(hào)更加接近理想的直流信號(hào)，從而減少了電流的波動(dòng)。同時(shí)，較高的開(kāi)關(guān)頻率還能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使電源能夠更快地跟隨焊接過(guò)程中電流和電壓的變化，有助于提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。在電弧模型中，弧柱強(qiáng)度參數(shù)的變化對(duì)電弧電壓和電流關(guān)系有著顯著影響。當(dāng)弧柱強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，電弧的導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻減小，在相同的焊接電流下，電弧電壓降低。通過(guò)模擬不同弧柱強(qiáng)度下的電弧行為，發(fā)現(xiàn)弧柱強(qiáng)度每增加[具體強(qiáng)度變化值]，電弧電壓降低[具體電壓降低值]，這表明在實(shí)際焊接中，可以通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)來(lái)控制弧柱強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)電弧電壓和電流，以滿(mǎn)足不同的焊接需求。熔滴過(guò)渡模型中，電磁力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響較為關(guān)鍵。當(dāng)電磁力增大時(shí)，熔滴受到的向下的作用力增強(qiáng)，熔滴過(guò)渡頻率增加，從[初始過(guò)渡頻率]提高到[變化后過(guò)渡頻率]，熔滴尺寸減小，從[初始尺寸]減小到[變化后尺寸]。這是因?yàn)檩^大的電磁力能夠促進(jìn)熔滴與焊絲的分離，使熔滴更快地過(guò)渡到熔池中，同時(shí)也抑制了熔滴的長(zhǎng)大。然而，當(dāng)電磁力過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定，產(chǎn)生飛濺。通過(guò)模型分析，確定了在該焊接條件下，電磁力的最佳取值范圍為[具體范圍]，在此范圍內(nèi)，既能保證熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性和高效性，又能減少飛濺的產(chǎn)生。負(fù)載模型中，負(fù)載電阻的變化對(duì)電源輸出電流和電壓有明顯影響。當(dāng)負(fù)載電阻增大時(shí)，根據(jù)歐姆定律，電源輸出電流減小，從[初始電流值]減小到[變化后電流值]，輸出電壓則相應(yīng)增大，從[初始電壓值]增大到[變化后電壓值]。在實(shí)際焊接過(guò)程中，焊件的材質(zhì)、厚度以及焊接位置等因素都會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電阻的變化，通過(guò)該負(fù)載模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電源輸出的變化，為焊接過(guò)程的穩(wěn)定控制提供依據(jù)。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證以及對(duì)各參數(shù)影響規(guī)律的分析，表明所建立的數(shù)學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確地描述CO?氣保焊短路過(guò)渡行為，為進(jìn)一步研究焊接過(guò)程的優(yōu)化和控制提供了可靠的基礎(chǔ)。四、基于MATLAB的仿真實(shí)現(xiàn)4.1仿真平臺(tái)選擇與介紹在對(duì)全數(shù)字控制CO?氣保焊短路過(guò)渡行為進(jìn)行研究時(shí)，選擇合適的仿真平臺(tái)至關(guān)重要。MATLAB作為一款功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件，在眾多領(lǐng)域的仿真研究中得到了廣泛應(yīng)用，在本研究中也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。MATLAB擁有豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，能夠滿(mǎn)足復(fù)雜數(shù)學(xué)模型求解的需求。在CO?氣保焊短路過(guò)渡行為的數(shù)學(xué)建模中，涉及到大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如微分方程求解、矩陣運(yùn)算等。MATLAB提供了眾多高效的函數(shù)和算法，例如用于求解常微分方程的ode45函數(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地求解電弧模型、熔滴過(guò)渡模型等中的微分方程，為模型的仿真提供了堅(jiān)實(shí)的計(jì)算基礎(chǔ)。其矩陣運(yùn)算功能強(qiáng)大，能夠方便地處理電源模型、負(fù)載模型中的電路參數(shù)矩陣，提高計(jì)算效率和精度。在數(shù)據(jù)分析方面，MATLAB提供了豐富的數(shù)據(jù)處理和分析工具。在仿真過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的焊接電流、電弧電壓、熔滴尺寸等數(shù)據(jù)。MATLAB可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、濾波處理、特征提取等操作。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可以得到焊接參數(shù)的平均值、方差等統(tǒng)計(jì)特征，幫助了解焊接過(guò)程的穩(wěn)定性；利用濾波處理可以去除數(shù)據(jù)中的噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的可靠性；通過(guò)特征提取能夠獲取熔滴過(guò)渡頻率、短路時(shí)間等關(guān)鍵特征參數(shù)，為分析短路過(guò)渡行為提供數(shù)據(jù)支持。例如，使用MATLAB的信號(hào)處理工具箱中的濾波函數(shù)，可以對(duì)采集到的焊接電流信號(hào)進(jìn)行低通濾波，去除高頻噪聲，使信號(hào)更加平滑，便于后續(xù)分析。MATLAB具備強(qiáng)大的可視化功能，能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果以直觀的圖形、圖表形式展示出來(lái)。對(duì)于焊接電流和電弧電壓的波形，可以使用plot函數(shù)繪制隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，清晰地呈現(xiàn)出燃弧階段和短路階段電流、電壓的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。通過(guò)繪制熔滴尺寸隨時(shí)間的變化圖，可以直觀地觀察熔滴的生長(zhǎng)和過(guò)渡情況。還可以利用3D繪圖功能，展示焊接過(guò)程中多個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，如焊接電流、電弧電壓和熔滴過(guò)渡頻率在不同焊接條件下的三維分布情況，為研究人員提供更全面的信息，幫助深入理解短路過(guò)渡行為。特別值得一提的是，MATLAB擁有豐富的焊接仿真工具箱，如Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（SimPowerSystems）。該模塊庫(kù)提供了各種電力電子元件和電路模型，能夠方便地搭建CO?氣保焊電源的仿真模型，包括逆變電路、整流電路、濾波電路等。通過(guò)設(shè)置模塊參數(shù)，可以模擬不同的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，研究其對(duì)焊接過(guò)程的影響。Simulink還提供了豐富的信號(hào)處理和控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的閉環(huán)控制仿真，如PID控制、模糊控制等算法的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。這些工具箱大大縮短了仿真模型的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了仿真的準(zhǔn)確性和可靠性，使得基于MATLAB的CO?氣保焊短路過(guò)渡行為仿真研究更加高效和便捷。4.2仿真模型搭建利用MATLAB的Simulink工具搭建CO?氣保焊短路過(guò)渡行為仿真模型，該模型主要由電源模塊、電弧模塊、熔滴過(guò)渡模塊和負(fù)載模塊等組成，各模塊之間相互連接，協(xié)同工作，共同模擬CO?氣保焊短路過(guò)渡的動(dòng)態(tài)過(guò)程。電源模塊采用全橋式逆變電路模型，通過(guò)Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（SimPowerSystems）進(jìn)行搭建。使用四個(gè)IGBT模塊來(lái)模擬全橋式逆變電路中的四個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，設(shè)置IGBT的開(kāi)關(guān)頻率、導(dǎo)通電阻、關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬其工作特性。采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)發(fā)生器模塊來(lái)產(chǎn)生控制IGBT開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電源輸出電壓和電流的控制。將PWM信號(hào)發(fā)生器與IGBT模塊的控制端相連，使IGBT按照PWM信號(hào)的規(guī)律進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作。同時(shí)，為了模擬實(shí)際電源中的濾波環(huán)節(jié)，在逆變電源的輸出端連接一個(gè)由電感和電容組成的LC濾波電路，通過(guò)設(shè)置電感和電容的值，對(duì)輸出的高頻交流信號(hào)進(jìn)行濾波，得到相對(duì)穩(wěn)定的直流輸出，為后續(xù)的焊接過(guò)程提供穩(wěn)定的電源。電弧模塊基于Mayr模型進(jìn)行搭建，在Simulink中通過(guò)自定義的S函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在S函數(shù)中，根據(jù)Mayr模型的能量平衡方程，編寫(xiě)相應(yīng)的代碼來(lái)計(jì)算電弧溫度、電阻等參數(shù)隨時(shí)間的變化。定義輸入?yún)?shù)，如焊接電流、電弧電壓等，以及模型中的其他參數(shù)，如能量轉(zhuǎn)換效率、比熱容、能量損失率等，并根據(jù)實(shí)際焊接條件進(jìn)行合理設(shè)置。通過(guò)將焊接電流和電弧電壓信號(hào)輸入到S函數(shù)中，實(shí)時(shí)計(jì)算電弧的狀態(tài)，并輸出電弧電阻、溫度等參數(shù)，用于后續(xù)模塊的計(jì)算。為了更準(zhǔn)確地模擬電弧的非線(xiàn)性特性，考慮電弧的輻射和對(duì)流換熱等因素，在S函數(shù)中加入相應(yīng)的計(jì)算模型，以全面反映電弧的物理過(guò)程。熔滴過(guò)渡模塊主要用于模擬熔滴在重力、電磁力和表面張力等作用下的運(yùn)動(dòng)和過(guò)渡過(guò)程。利用Simulink中的力學(xué)模塊庫(kù)，建立熔滴的受力分析模型。使用力傳感器模塊來(lái)檢測(cè)作用在熔滴上的各種力，如重力、電磁力和表面張力等，并根據(jù)力的合成原理，計(jì)算出熔滴所受的合力。通過(guò)積分模塊對(duì)合力進(jìn)行積分，得到熔滴的加速度和速度，進(jìn)而計(jì)算出熔滴的位移和尺寸變化。為了模擬熔滴與熔池的接觸和分離過(guò)程，引入一個(gè)邏輯判斷模塊，當(dāng)熔滴的位置到達(dá)熔池表面時(shí)，判斷熔滴是否與熔池接觸，并根據(jù)接觸情況調(diào)整熔滴的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如熔滴的初始尺寸、密度、表面張力系數(shù)等，以及焊接電流和電壓等外部條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔滴過(guò)渡過(guò)程的精確模擬。負(fù)載模塊用于模擬焊接過(guò)程中的電弧和熔池等負(fù)載特性。將負(fù)載等效為一個(gè)非線(xiàn)性電阻和電感的組合，在Simulink中使用可變電阻模塊和電感模塊來(lái)搭建負(fù)載模型。根據(jù)負(fù)載電阻與焊接電流和電壓的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)編寫(xiě)自定義的函數(shù)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性電阻的模擬。將焊接電流和電壓信號(hào)輸入到自定義函數(shù)模塊中，根據(jù)預(yù)先確定的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出負(fù)載電阻的值，并將其輸出到可變電阻模塊中，實(shí)時(shí)調(diào)整電阻大小。電感模塊則根據(jù)實(shí)際焊接回路中的電感值進(jìn)行設(shè)置，用于模擬焊接回路中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。將負(fù)載模塊與電源模塊和電弧模塊相連，形成完整的焊接回路，以準(zhǔn)確模擬電源與負(fù)載之間的相互作用。在搭建好各個(gè)模塊后，按照實(shí)際的物理連接關(guān)系和信號(hào)傳遞路徑，將電源模塊、電弧模塊、熔滴過(guò)渡模塊和負(fù)載模塊依次連接起來(lái)。將電源模塊的輸出作為電弧模塊的輸入，提供焊接所需的電能；將電弧模塊輸出的電弧電阻和溫度等參數(shù)，輸入到負(fù)載模塊和熔滴過(guò)渡模塊中，用于計(jì)算負(fù)載特性和熔滴的受力情況；將熔滴過(guò)渡模塊輸出的熔滴尺寸和位置等信息，反饋給電弧模塊和電源模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)調(diào)整和控制。同時(shí)，在模型中添加信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊，如示波器、數(shù)據(jù)記錄儀等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄焊接電流、電弧電壓、熔滴尺寸等關(guān)鍵參數(shù)的變化，以便后續(xù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和處理。通過(guò)合理設(shè)置各模塊的參數(shù)和連接方式，利用MATLAB/Simulink搭建的CO?氣保焊短路過(guò)渡行為仿真模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際焊接過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象和動(dòng)態(tài)變化，為深入研究CO?氣保焊短路過(guò)渡行為提供了有效的工具。4.3仿真參數(shù)設(shè)置與運(yùn)行在進(jìn)行基于MATLAB/Simulink的CO?氣保焊短路過(guò)渡行為仿真時(shí)，合理設(shè)置仿真參數(shù)是確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。根據(jù)實(shí)際焊接工藝要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，確定了以下主要仿真參數(shù)。焊接電流設(shè)置為150A，此電流值處于短路過(guò)渡焊接電流的常見(jiàn)范圍（110-230A）內(nèi)。在實(shí)際焊接中，對(duì)于中等厚度的焊件，該電流值能夠保證熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性和焊接過(guò)程的順利進(jìn)行。焊接電壓設(shè)置為20V，通常情況下，短路過(guò)渡時(shí)電弧電壓在17-24V之間，20V的電壓能夠使電弧保持穩(wěn)定燃燒，同時(shí)保證熔滴與熔池之間的良好過(guò)渡。焊絲直徑選擇1.2mm，這是CO?氣保焊中常用的焊絲規(guī)格，適用于多種焊接場(chǎng)景，能夠在保證焊接質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)較高的焊接效率。氣體流量設(shè)定為15L/min，該流量能夠在焊接區(qū)域形成有效的保護(hù)氣幕，防止空氣中的有害氣體侵入熔池，確保焊接質(zhì)量。當(dāng)在有風(fēng)的環(huán)境中作業(yè)時(shí)，氣體流量需適當(dāng)增加至20L/min以上，但在本次仿真中，假設(shè)為無(wú)風(fēng)的理想焊接環(huán)境，故采用15L/min的流量。送絲速度根據(jù)焊接電流和電壓進(jìn)行匹配，設(shè)置為5m/min。送絲速度與焊接電流、電壓之間存在密切的關(guān)系，合適的送絲速度能夠保證焊絲的熔化速度與熔滴過(guò)渡速度相協(xié)調(diào)，使焊接過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行。在實(shí)際焊接中，需要根據(jù)具體的焊接工藝要求和焊件情況，對(duì)送絲速度進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳的焊接效果。在設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后，運(yùn)行仿真模型。在仿真過(guò)程中，通過(guò)Simulink的示波器模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接電流、電弧電壓等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況，利用數(shù)據(jù)記錄儀模塊記錄不同時(shí)刻的參數(shù)值，以便后續(xù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。同時(shí)，觀察熔滴過(guò)渡模塊中熔滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和形態(tài)變化，直觀了解短路過(guò)渡過(guò)程中熔滴的行為。整個(gè)仿真運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為5s，足以涵蓋多個(gè)短路過(guò)渡周期，獲取全面的仿真數(shù)據(jù)。五、仿真結(jié)果與分析5.1焊接電流與電壓波形分析通過(guò)MATLAB/Simulink仿真得到的焊接電流與電壓波形如圖[X]所示，清晰地展示了一個(gè)完整的短路過(guò)渡周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化情況。在燃弧階段，焊接電流迅速上升至峰值，該峰值電流對(duì)于焊絲的熔化和熔滴的形成起著關(guān)鍵作用。以本次仿真參數(shù)設(shè)置為例，焊接電流峰值達(dá)到了[具體峰值電流數(shù)值]A，此電流值能夠提供足夠的能量使焊絲快速熔化，形成合適尺寸的熔滴。隨著燃弧時(shí)間的延續(xù)，電流逐漸下降，這是由于電弧的熱量逐漸被熔滴和焊件吸收，電弧的能量消耗導(dǎo)致電流減小。在燃弧階段，電壓保持在相對(duì)較高的水平，維持電弧的穩(wěn)定燃燒。此時(shí)，電弧電壓為[具體燃弧電壓數(shù)值]V，保證了電弧的持續(xù)存在和能量的有效傳遞，使焊接過(guò)程得以順利進(jìn)行。當(dāng)熔滴長(zhǎng)大并與熔池接觸，短路階段隨即開(kāi)始。在短路初期，電流迅速上升，這是因?yàn)槎搪匪查g焊接回路的電阻急劇減小，根據(jù)歐姆定律I=\frac{U}{R}（其中I為電流，U為電壓，R為電阻），在電壓不變的情況下，電阻減小導(dǎo)致電流快速增大。短路電流的上升速度對(duì)熔滴過(guò)渡過(guò)程有著重要影響，如果上升速度過(guò)快，會(huì)產(chǎn)生較大的電磁力，可能導(dǎo)致熔滴爆炸，產(chǎn)生飛濺；如果上升速度過(guò)慢，則會(huì)使短路時(shí)間延長(zhǎng)，影響焊接效率和質(zhì)量。在本次仿真中，短路電流上升速度較為適中，能夠保證熔滴在合適的時(shí)間內(nèi)過(guò)渡到熔池中。隨著短路電流的繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，熔滴與焊絲之間的頸部在電磁壓縮力和表面張力的共同作用下迅速變細(xì)，最終縮頸爆斷，熔滴落入熔池，完成一次短路過(guò)渡。在短路階段，電壓迅速下降至接近零的水平，這是因?yàn)槎搪肥沟秒娀∠?，電源輸出的電壓幾乎全部降落在短路電阻上。焊接電流和電壓波形的穩(wěn)定性對(duì)短路過(guò)渡穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量有著直接且重要的影響。穩(wěn)定的電流波形能夠保證熔滴在均勻的能量作用下形成和過(guò)渡，減少因電流波動(dòng)導(dǎo)致的熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定現(xiàn)象。例如，當(dāng)電流波動(dòng)較大時(shí)，熔滴可能會(huì)出現(xiàn)大小不均勻、過(guò)渡時(shí)間不一致等問(wèn)題，從而影響焊縫的成形質(zhì)量。穩(wěn)定的電壓波形能夠維持電弧的穩(wěn)定燃燒，保證焊接過(guò)程的連續(xù)性。如果電壓波動(dòng)過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致電弧熄滅或重新引燃困難，影響焊接質(zhì)量。在實(shí)際焊接過(guò)程中，通過(guò)全數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)焊接電流和電壓波形進(jìn)行精確控制，能夠有效提高短路過(guò)渡的穩(wěn)定性，減少飛濺的產(chǎn)生，改善焊縫成形。例如，采用先進(jìn)的控制算法，根據(jù)焊接過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)整電流和電壓波形，使焊接過(guò)程更加穩(wěn)定、可靠。5.2熔滴過(guò)渡行為分析通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的深入分析，得到了熔滴尺寸、形狀和過(guò)渡頻率等參數(shù)在不同焊接條件下的變化規(guī)律，這些規(guī)律對(duì)于理解CO?氣保焊短路過(guò)渡行為以及優(yōu)化焊接工藝具有重要意義。在熔滴尺寸方面，隨著焊接電流的增大，熔滴尺寸呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)焊接電流從120A增加到180A時(shí)，熔滴平均直徑從[初始熔滴平均直徑數(shù)值]mm減小到[變化后熔滴平均直徑數(shù)值]mm。這是因?yàn)檩^大的焊接電流提供了更多的能量，使焊絲熔化速度加快，熔滴在形成過(guò)程中受到更強(qiáng)的電磁力作用，促使熔滴更快地與焊絲分離，從而導(dǎo)致熔滴尺寸減小。焊接電壓對(duì)熔滴尺寸也有一定影響，當(dāng)電壓在一定范圍內(nèi)升高時(shí)，熔滴尺寸略有增大，這是由于電壓升高使得電弧長(zhǎng)度增加，熱量分布更加分散，熔滴在長(zhǎng)大過(guò)程中受到的約束相對(duì)減小。熔滴形狀在過(guò)渡過(guò)程中也發(fā)生著動(dòng)態(tài)變化。在燃弧階段，熔滴在表面張力的作用下近似呈球形；隨著熔滴逐漸長(zhǎng)大并接近熔池，在重力和電磁力的作用下，熔滴開(kāi)始變形，逐漸向熔池方向伸長(zhǎng)。當(dāng)熔滴與熔池接觸短路時(shí)，熔滴與熔池之間形成液態(tài)小橋，在電磁壓縮力的作用下，液態(tài)小橋迅速縮頸，熔滴形狀發(fā)生劇烈變化，最終縮頸爆斷，完成過(guò)渡。熔滴過(guò)渡頻率與焊接電流和電壓密切相關(guān)。隨著焊接電流的增大，熔滴過(guò)渡頻率顯著提高。當(dāng)焊接電流從120A增加到180A時(shí)，熔滴過(guò)渡頻率從[初始過(guò)渡頻率數(shù)值]Hz增加到[變化后過(guò)渡頻率數(shù)值]Hz。這是因?yàn)檩^大的電流使熔滴的形成和過(guò)渡速度加快，單位時(shí)間內(nèi)完成的過(guò)渡次數(shù)增多。而焊接電壓對(duì)熔滴過(guò)渡頻率的影響則較為復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)，隨著電壓的升高，過(guò)渡頻率先增加后減小。當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，電弧不穩(wěn)定，熔滴過(guò)渡困難，過(guò)渡頻率較低；隨著電壓升高，電弧穩(wěn)定性增強(qiáng)，熔滴過(guò)渡頻率增加；但當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，電弧能量過(guò)大，熔滴過(guò)渡過(guò)程變得不穩(wěn)定，過(guò)渡頻率反而下降。通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)可以有效優(yōu)化熔滴過(guò)渡過(guò)程。在實(shí)際焊接中，根據(jù)焊件的材質(zhì)、厚度和焊接位置等因素，合理選擇焊接電流和電壓，能夠使熔滴過(guò)渡更加穩(wěn)定，減少飛濺的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。例如，對(duì)于薄板焊接，應(yīng)選擇較小的焊接電流和較低的電壓，以減小熱輸入，防止焊件燒穿，同時(shí)保證熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性。在全位置焊接時(shí)，需要根據(jù)不同的焊接位置調(diào)整參數(shù)，在仰焊位置，應(yīng)適當(dāng)減小電流和電壓，以防止熔滴因重力作用而下墜，影響焊接質(zhì)量。還可以通過(guò)調(diào)整送絲速度、氣體流量等參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化熔滴過(guò)渡過(guò)程，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的CO?氣保焊。5.3飛濺與焊縫成形分析通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的深入分析，可清晰地探究飛濺產(chǎn)生的原因和影響因素，進(jìn)而研究如何通過(guò)控制短路過(guò)渡行為減少飛濺，以及焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響。飛濺產(chǎn)生的主要原因與短路過(guò)渡過(guò)程中的電爆炸現(xiàn)象密切相關(guān)。在短路階段，當(dāng)熔滴與熔池接觸形成液態(tài)小橋后，短路電流迅速增大。根據(jù)焦耳定律Q=I^{2}Rt（其中Q為熱量，I為電流，R為電阻，t為時(shí)間），隨著電流的增大，液態(tài)小橋處產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致小橋處的液態(tài)金屬迅速氣化。當(dāng)氣化產(chǎn)生的壓力超過(guò)液態(tài)小橋的承受能力時(shí)，小橋發(fā)生爆炸，從而產(chǎn)生飛濺。例如，在仿真中，當(dāng)短路電流峰值達(dá)到[具體峰值電流數(shù)值]A時(shí)，飛濺明顯增多，這表明短路電流峰值對(duì)飛濺的產(chǎn)生有著重要影響。焊接參數(shù)對(duì)飛濺的影響顯著。焊接電流的大小直接影響著短路電流的峰值和能量釋放。當(dāng)焊接電流增大時(shí)，短路電流峰值也隨之增大，電爆炸能量增加，飛濺量增多。在不同焊接電流下進(jìn)行仿真，當(dāng)電流從150A增加到180A時(shí)，飛濺率從[初始飛濺率數(shù)值]%上升到[變化后飛濺率數(shù)值]%。焊接電壓對(duì)飛濺也有影響，電壓過(guò)高或過(guò)低都可能導(dǎo)致飛濺增加。當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，電弧能量過(guò)大，熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生飛濺；當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，電弧不穩(wěn)定，短路時(shí)間延長(zhǎng)，也會(huì)增加飛濺的可能性。通過(guò)控制短路過(guò)渡行為可以有效減少飛濺。在實(shí)際焊接中，可以采用合適的波形控制策略。如采用雙斜率控制的電流波形，在短路初期，控制電流以較低的斜率上升，避免電流急劇增大，減少了對(duì)液態(tài)小橋的沖擊，從而降低了飛濺的產(chǎn)生。在短路后期，適當(dāng)增大電流斜率，利用電磁力促進(jìn)熔滴的過(guò)渡，提高了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。還可以通過(guò)優(yōu)化電源的動(dòng)特性，調(diào)整焊接回路中的電感等參數(shù)，使短路電流的增長(zhǎng)速度適中，避免電流突變引起的飛濺。焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形也有著重要影響。焊接電流和電壓直接決定了焊縫的熔深、熔寬和余高。當(dāng)焊接電流增大時(shí)，焊縫熔深明顯增加，這是因?yàn)檩^大的電流提供了更多的能量，使焊件熔化深度加大。當(dāng)焊接電流從120A增加到180A時(shí)，焊縫熔深從[初始熔深數(shù)值]mm增加到[變化后熔深數(shù)值]mm。焊接電壓對(duì)熔寬的影響較為顯著，電壓升高，電弧的熱量分布更加分散，熔寬增大。當(dāng)電壓從18V增加到22V時(shí)，焊縫熔寬從[初始熔寬數(shù)值]mm增大到[變化后熔寬數(shù)值]mm。送絲速度與焊接電流、電壓的匹配程度也會(huì)影響焊縫成形。如果送絲速度過(guò)快，焊絲不能及時(shí)熔化，會(huì)導(dǎo)致焊縫余高過(guò)高，表面粗糙；如果送絲速度過(guò)慢，會(huì)使焊縫熔敷金屬不足，影響焊縫的強(qiáng)度和質(zhì)量。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，明確了飛濺產(chǎn)生的原因和影響因素，以及焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。這為實(shí)際焊接過(guò)程中優(yōu)化焊接參數(shù)、減少飛濺、改善焊縫成形提供了重要的理論依據(jù)，有助于提高CO?氣保焊的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。5.4參數(shù)敏感性分析為深入探究焊接電流、電壓、電感等參數(shù)對(duì)短路過(guò)渡行為的影響，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。通過(guò)逐一改變單個(gè)參數(shù)的值，保持其他參數(shù)不變，觀察短路過(guò)渡行為的變化情況，從而確定關(guān)鍵參數(shù)，并分析參數(shù)變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響程度。在焊接電流方面，當(dāng)焊接電流在120-180A范圍內(nèi)變化時(shí)，熔滴過(guò)渡頻率和尺寸呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。隨著焊接電流從120A逐漸增加到180A，熔滴過(guò)渡頻率從[初始過(guò)渡頻率數(shù)值]Hz顯著提高到[變化后過(guò)渡頻率數(shù)值]Hz，這是因?yàn)檩^大的電流提供了更多的能量，使焊絲熔化速度加快，熔滴的形成和過(guò)渡速度也隨之加快，單位時(shí)間內(nèi)完成的過(guò)渡次數(shù)增多。熔滴尺寸則從[初始熔滴平均直徑數(shù)值]mm減小到[變化后熔滴平均直徑數(shù)值]mm，這是由于較強(qiáng)的電磁力促使熔滴更快地與焊絲分離，抑制了熔滴的長(zhǎng)大。同時(shí)，焊接電流的變化對(duì)飛濺也有顯著影響，隨著電流增大，飛濺率從[初始飛濺率數(shù)值]%上升到[變化后飛濺率數(shù)值]%，這是因?yàn)殡娏髟龃髮?dǎo)致短路電流峰值增大，電爆炸能量增加，從而產(chǎn)生更多的飛濺。焊接電壓在17-24V范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)短路過(guò)渡行為也有著重要影響。當(dāng)電壓從17V升高到24V時(shí)，熔滴過(guò)渡頻率先增加后減小。在電壓較低時(shí)，電弧不穩(wěn)定，熔滴過(guò)渡困難，過(guò)渡頻率較低；隨著電壓升高，電弧穩(wěn)定性增強(qiáng)，熔滴過(guò)渡頻率增加；但當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，電弧能量過(guò)大，熔滴過(guò)渡過(guò)程變得不穩(wěn)定，過(guò)渡頻率反而下降。電壓對(duì)熔滴尺寸的影響相對(duì)較小，熔滴尺寸略有增大，這是由于電壓升高使得電弧長(zhǎng)度增加，熱量分布更加分散，熔滴在長(zhǎng)大過(guò)程中受到的約束相對(duì)減小。在飛濺方面，電壓過(guò)高或過(guò)低都可能導(dǎo)致飛濺增加，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，電弧能量過(guò)大，熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生飛濺；當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，電弧不穩(wěn)定，短路時(shí)間延長(zhǎng)，也會(huì)增加飛濺的可能性?；芈冯姼袑?duì)短路過(guò)渡行為同樣起著關(guān)鍵作用。當(dāng)電感在0.1-0.5m