弧焊短路过渡混沌动力学模型及其机理的研究

To overcome the shortcoming of current mechanism models which were used to only analyze droplet performance in a single equilibrium transfer period and predict one size of droplet,the chaos dynamic model of short circuiting transfer which is used to analyze a series of transfer periods is put forward. Chaos dynamic model of short circuiting transfer contains droplet performance at different stages in a single transfer period and correlation feature between droplets in a series of transfer periods. Through this model,the long-range distribution of droplet sizes can be predicted. The contents of the project are as follows: (1)Based on welding current rate of change equation,melting wire heat equation contributed by wire extention,wire extention rate of change equation,and droplet detachment mechanism,the chaos dynamic model of short circuiting transfer is obtained. (2)By the model,the effects of welding parameters and power parameters on periodic orbit feature(namely the correlation feature between droplets in a series of transfer periods) are studied. The effects of parameters on the long-range distribution of droplet sizes are acquired. The relationship between the periodic orbit feature and stability is gained. This work will provide a theoretic foundation for the design of chaos control based on periodic orbit feature. Thereby,the practical problems of short circuiting arc welding may be resolved,such as improving stability of droplet transfer,controlling penetration,increasing welding speed and so on.

针对目前短路过渡机理模型只能分析熔滴平衡态下的一个过渡周期行为，只能预测一个尺寸，课题提出建立可描述熔滴一系列过渡周期动态过程的混沌动力学模型。它不仅蕴含着单个过渡周期内的行为特征，还包含着过渡周期之间的关联特征，且可预测熔滴尺寸的长程分布。具体研究内容如下：(1)建立短路过渡焊接电流变化率方程、干伸长贡献熔化热方程和干伸长变化率方程，以及结合探索出熔滴过渡的脱离机制，在此基础上获得短路过渡的混沌动力学模型；(2) 依据建立的模型，研究工艺、电源等参数对周期轨道特征（即过渡周期之间的关联特征）的影响，掌握参数对熔滴尺寸长程分布的影响规律，获悉周期轨道特征与稳定性的关系。课题的研究旨在为制定出基于过渡周期轨道特征的混沌控制策略奠定坚实理论基础，进而期望解决短路过渡电弧焊的生产实际问题，如提高电弧稳定性，控制熔深，提高焊接速率等。

针对短路过渡只能分析熔滴平衡条件下的一个过渡周期行为，只能预测一个尺寸，项目提出了建立可描述熔滴一系列过渡周期动态过程的混沌动力学模型。它可预测熔滴尺寸的长程分布。开展的工作主要分为四个方面：首先，通过数据替代法理论探讨了短路过渡在不同参数条件下的过渡过程随机性和确定性，以及讨论了短路过渡的能量平衡过程。基于此，深入考虑了电弧的变化，熔滴在短路时的变化过程等，建立了可描述短路过渡的长程行为动力学模型，并与实际焊接结果进行了对比分析，验证了该模型有效性，并通过此模型分析短路过渡工艺，表明在最优工艺时，熔滴的质心位移最小，过渡尺寸最小。第二，从焊机的输入端研究了短路过渡的稳定性，表明焊接时输入功率脉动峰值、脉动能量同短路过渡电流具有较好的一致性，并从时域和频域进行了初步的证明。就可以为研究不同工艺参数下谐波、进行相关功率因数校正研究奠定基础，同时因输入电流变化比输出端要小得多，那么从输入端就可能集成传感器，为以后的通过电力载波进行现场监控提供可能。第三，因在建立动力学模型时，发现以前的弧压取值于静态平衡的结果，实际短路过渡过程中电流却是动态变化，故而对电弧模型开展了初步研究。为了剔除熔化极的影响，针对直流脉冲钨极氩弧焊，基于电弧过渡的机理以及mayr和cassie模型，初步建立了电弧模型，并从静特性和动特性进行了参数验证。第四，对熔滴的过渡过程机理进行了探讨，并把熔滴滴落过程分为近阴极区，弧柱区以及近阳极区，且发现在每个区熔滴有不同的速度行为，即在弧柱区为匀加速，而在近阴极区是较大的减速，近阳极区却是轻微的减速或者匀速。