焊接过程的数字化控制

焊接过程包括引燃电弧、焊接和熄弧三个阶段，若要实现焊接自动化过程，则这三个阶段的动作需通过计算机控制系统自动地来完成。对于埋弧焊工艺，引燃电弧过程，一般要求是先使焊丝与焊件接触短路，焊机启动后通过缓慢送丝引燃电弧；电弧引燃后，行走机构先不移动，待电弧燃烧稳定后，要求焊机能自动地按预先选定的焊接参数进行焊接，并能保证这些参数在整个焊接过程中稳定；焊接结束时，焊机要求先停止行走和降低焊接电流、电压，利用电弧回烧填满弧坑，最后切断焊接电源和送丝，这样既能填满弧坑又不至于焊丝与焊件粘住，而且使焊丝末端结球削小有利于再次起弧，并使焊缝获得首尾大小相当和焊接过程均匀成形。显然，单根焊丝引弧、熄弧和焊接过程自动化控制比较简单，在实际中也容易实现，但在多电弧埋弧焊接过程中，由于各焊丝（串列）不在同一位置，每根焊丝需按一定时序关系引弧、收弧才能获得好的焊接效果。此外，焊接过程中，各电弧的稳定性及其协同控制直接影响着焊接质量，这一问题不仅表现在弧焊电源外特性、动态特性的性能和电弧稳定性，还表现在各焊丝参数搭配，对各焊丝电流、电压参数的整体搭配和各电弧之间相互作用合理控制。因此高效埋弧焊过程计算机控制可以归结为对各直流弧焊电源和交流方波弧焊电源的协同控制问题^[46]。

为实现高速焊下获得优质焊缝成形，该过程不仅体现为对两电弧输入熔池的热量合理控制，还需要对焊接过程稳定控制，这一问题主要表现为粗丝埋弧焊大电流电弧稳定的控制。目前，埋弧焊电弧稳定性控制算法使用最普遍的是PID和PI以及模糊PID算法。有些弧焊电源采用硬件实现PI功能，优点是硬件的反应速度快、简单、容易实现、成本低，缺点是没有微分环节，对误差随时间的变化率没有预知作用，动态特性稍逊，而且硬件实现的控制策略通常是不具有柔性即不容易改变。采用程序实现的控制策略具有相当的柔性，在焊接控制领域中已经有了较多的应用，如文献[47]介绍了基于短路过渡CO₂焊接短路阶段电源输出电阻的变化规律，利用MC68HC11A1单片机为核心建立了焊丝伸出长度变化前馈—过渡频率负反馈控制系统，实现了波形控制恒频短路过渡CO₂焊接，极大地提高了焊接过程的稳定性和适应能力。(www.xing528.com)

在焊接控制过程中，由于有诸多不确定和干扰因素，依赖传统控制技术往往不能应付大范围的干扰和过程参数的突变。近年来，人工智能的出现，为处理焊接过程复杂系统提供了技术基础。国内外许多学者利用专家系统、模糊控制、神经网络控制对弧焊电源外特性及动态特性进行控制，并取得了较好的成果。文献[48]提出了一种新方法，研制了一种基于模糊逻辑控制的具有恒流特性的焊接逆变电源，这种电源用于CO₂的GMAW（Gas Metal Arc Weld）焊接，采用的模糊逻辑控制方法对逆变电源的特性进行控制，实现了对飞溅的独立控制和弧长稳定性的控制，并成功地进行了试验。Cook用人工神经网络实现焊接过程的建模与控制，对可变极性等离子弧焊过程进行了监测与控制，用这种方法建立起来的系统模型具有自学习功能，适应性强^[49]。黄石生教授、覃敬藤等人还设计了一种TIG焊接参数自调整模糊与积分的混合控制器，该控制器采用精确量积分形式，以消除极限环震荡现象，获得了平缓的控制特征，保证系统的稳定性，改善了系统的动态性能^[50]。2001年，蒙永民博士的“GMAW-P焊熔滴过渡模糊控制的研究”一文中，应用双模糊控制器技术，即当弧压误差较大时，采用自调整因子的粗调模糊控制器，以送丝速度为控制量，当弧压误差较小时，采用细调模糊控制器，控制焊接过程中的弧压，使之稳定^[51]。兰州理工大学焊接研究工作者以埋弧焊控制系统为研究对象，用模糊控制器取代传统的基于系统模型的PI（D）调节器，设计了一种新型的模糊控制送丝系统配斜特性电源，对直径ϕ4和H08A的焊丝，在焊接电流300～400A，不同焊接电压的各种规范下进行了焊接试验，为实现高质量埋弧自动焊过程控制提供一种新的方法^[52]。对于大功率高速埋弧自动焊过程，在传统控制方法基础上，将先进智能控制算法引入计算机控制系统，取长补短，将得到更好的控制效果^[53]。