【摘 要】
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锁孔效应钨极氩弧焊（Keyhole Tungsten Inert Gas welding,K-TIG welding）采用大焊接电流的自激磁场完成电弧的磁压缩,能够得到能量密度高、挺度大的自由电弧,是一种实现大熔深、单面焊双面成形的高效焊接形式,在中厚板材和大型罐体的焊接领域有很大的应用和发展前景。由于K-TIG焊的焊接稳定性由锁孔保证,电弧长度又是影响锁孔稳定的重要因素,综合考虑K-TIG焊对电
【基金项目】
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广东省重点领域研发计划重大专项项目“智能无轨导全位置爬行高效焊接机器人系统研发及应用（项目编号:2020B090928003）”； 广东省自然科学基金项目“水下局部干法锁孔效应深熔K-TIG焊接技术的基础研究（项目编号:2020A1515010051）”；
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锁孔效应钨极氩弧焊（Keyhole Tungsten Inert Gas welding,K-TIG welding）采用大焊接电流的自激磁场完成电弧的磁压缩,能够得到能量密度高、挺度大的自由电弧,是一种实现大熔深、单面焊双面成形的高效焊接形式,在中厚板材和大型罐体的焊接领域有很大的应用和发展前景。由于K-TIG焊的焊接稳定性由锁孔保证,电弧长度又是影响锁孔稳定的重要因素,综合考虑K-TIG焊对电弧长度的稳定性要求以及电弧传感技术简单、高效、实时性好的特点,为了将电弧传感技术应用于K-TIG焊这种新型焊接形式,有必要探讨K-TIG焊中电压与弧长之间的关系。本论文通过试验和理论分析并行的方法,通过试验现象总结各焊接条件下K-TIG焊中电压-弧长关系的规律,并加以理论分析以建立简化物理模型来对规律进行描述。本论文通过多组K-TIG焊接试验,发现存在一个特定的弧长值,当电弧长度小于这个值时,电压与弧长间存在线性关系;当电弧长度大于这个值时,电压与弧长间存在非线性关系。本论文将这个弧长值称为非线性转变点,随后建立了简化的电弧物理模型以分析非线性转变点的形成机理。考虑到焊接参数的变化,电弧压力的降低是导致电压-弧长关系从线性转变为非线性的主要因素,而保护气体流量是最有效的参数。针对大型结构件爬行焊接机器人的应用场景,随着横焊倾角的改变,只要熔池下淌没有导致焊缝塌陷,K-TIG焊中电压-弧长关系依然与平焊位置相同,横焊的影响可以忽略不计。在直流纵向磁场的影响下,电弧被进一步压缩,提高的电弧挺度使电压-弧长关系在长弧区域获得更好的线性度,但是存在一个最佳磁场强度,当磁场过大时会导致短弧区域内的电弧失去稳定,导致线性区间范围的减小甚至消失。在焊接间隙的影响下,焊缝上端面出现下凹,导致实际电弧长度大于测得电弧长度,从而使电压-弧长关联模型的线性区间范围减小。基于各种焊接情况下K-TIG焊电压-弧长关联模型特性,提出以分段控制为核心的总体控制策略,通过特征分析与提取构建了KNN分类算法模型将电压-弧长关系分为线性与非线性两类,根据分类结果进行分段控制。经过交叉验证,算法分类预测准确率可达93.9%。
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