窄間隙GMAW焊接過程高性能控制方法與應(yīng)用研究

量大面廣的焊接過程普遍存在能/材耗巨大、污染嚴(yán)重、可靠性低等問題，是制約我國高端裝備制造業(yè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。本項(xiàng)目擬針對(duì)高效節(jié)能的窄間隙GMAW 焊接過程展開研究，這不僅是焊接技術(shù)領(lǐng)域的時(shí)代主題和研究熱點(diǎn)，也是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展國防建設(shè)以及高端裝備制造業(yè)崛起的重大需求。 （1）窄間隙焊接過程非線性建模與仿真分析。詳細(xì)分析了窄間隙焊接機(jī)理，建立了基于電弧擺動(dòng)和電弧旋轉(zhuǎn)的窄間隙焊接過程動(dòng)態(tài)仿真模型，從工藝參數(shù)對(duì)熱輸入影響的角度切入，研究了其對(duì)焊接質(zhì)量的影響以及側(cè)壁熔合不良、焊縫超高、凸度過大、咬邊等缺陷產(chǎn)生的原因，為窄間隙焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 （2）功率變換系統(tǒng)及控制策略研究。分析了VIENNA整流器輸入電流過零點(diǎn)畸變機(jī)理及電位振蕩與零序分量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出一種修正注入零序分量載波調(diào)制策略，解決了電流過零點(diǎn)畸變問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)VIENNA整流器中點(diǎn)電位的平衡和紋波振蕩的抑制；為解決常規(guī)模糊控制器存在穩(wěn)態(tài)誤差的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種弧焊電壓自適應(yīng)模糊控制器，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小。 （3）焊接過程信號(hào)處理與焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究。焊接過程強(qiáng)烈的高頻干擾和隨機(jī)擾動(dòng)，影響了反饋信息的真實(shí)性，為此提出一種適合于焊接電流的平滑窗口寬度可調(diào)的自適應(yīng)卡爾曼濾波方法，魯棒性強(qiáng)；焊接性能的綜合評(píng)價(jià)是優(yōu)化焊接工藝和指導(dǎo)焊接過程控制的重要保障，為此研究了電弧電壓和焊接電流概率密度分布與焊接穩(wěn)定性的關(guān)系，提出了基于U-I二值圖像的弧焊穩(wěn)定性判定方法，可定量分析焊接過程的穩(wěn)定性。 （4）大功率電源高抗擾組網(wǎng)群控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)。提出了基于三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的焊接電源群控系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了基于B/S架構(gòu)的群控管理系統(tǒng)；研究了基于多路Wi-Fi的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方法，通過自組網(wǎng)算法，構(gòu)建了多信道多路徑的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，保障了大功率逆變電源系統(tǒng)的集群可靠管理。 2100433B

伴隨現(xiàn)代制造業(yè)的高速發(fā)展，特別是超高速、超臨界等極端服役環(huán)境下的重大工程建設(shè)與日劇增，研發(fā)厚/超厚板材高效高性能焊接技術(shù)與裝備極為迫切。窄間隙熔化極氣保焊（NG-GMAW）以省時(shí)/電/力/料而著稱，極具應(yīng)用前景。NG-GMAW焊接過程本質(zhì)上是一類異常復(fù)雜的非線性、時(shí)變、不確定、多參數(shù)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，現(xiàn)有方法難以實(shí)現(xiàn)焊縫的高質(zhì)成形，亟需新的理論和方法予以突破。本項(xiàng)目將從探究焊接質(zhì)量和工藝參數(shù)關(guān)系入手，由正交試驗(yàn)獲得完備數(shù)據(jù)并灰關(guān)聯(lián)分析；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理論和相關(guān)向量機(jī)方法，建立焊接質(zhì)量等的預(yù)測(cè)模型；研究高精度、快響應(yīng)焊接電反饋參數(shù)容積積分卡爾曼濾波算法和MIMO自適應(yīng)模糊控制策略，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的閉環(huán)控制；最后，基于混合多目標(biāo)優(yōu)化方法建立焊接質(zhì)量、效率和成本綜合評(píng)價(jià)體系。本項(xiàng)目屬控制、材料、電工等多學(xué)科交叉前沿研究，有望突破NG-GMAW焊接技術(shù)及裝備產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵瓶頸，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科理論與應(yīng)用的發(fā)展。

大厚板窄間隙工藝開發(fā)。 2100433B

針對(duì)現(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)、壓力容器和國防建設(shè)的厚板焊接現(xiàn)有方法效率低、能耗和成本高、接頭熱損傷大等問題，提出基于千瓦級(jí)激光器，通過激光自熔焊、激光填絲焊與激光-GMAW復(fù)合焊等三種焊接方法的科學(xué)組合設(shè)計(jì)，進(jìn)行高精度高效率的厚板窄間隙非自熔性激光多道焊接。項(xiàng)目研究著眼于解決該方法目前存在的過程穩(wěn)定性、質(zhì)量可靠性和工藝適應(yīng)性不足的問題，深入探討窄間隙條件下焊絲的熔入過渡機(jī)制及其對(duì)焊接過程穩(wěn)定性的影響、焊接熔池形狀的控制以及易發(fā)生缺陷的控制機(jī)理等關(guān)鍵問題，并建立基于分層焊縫形貌控制與協(xié)調(diào)的厚板接頭成形控制模型?；谏鲜鲫P(guān)鍵問題的深入認(rèn)識(shí)，建成一套可用于厚板焊接的窄間隙非自熔性激光焊接試驗(yàn)系統(tǒng)，并用千瓦級(jí)激光器實(shí)現(xiàn)20~40mm厚板的優(yōu)質(zhì)高效焊接。該項(xiàng)技術(shù)一旦取得突破，對(duì)滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)的短周期、低成本和高質(zhì)量的迫切需求有著重要意義。