基于动态能量平衡模式的弧焊熔透复合控制
摘要：从熔透控制的本质问题出发，提出了控制熔池动态热输入变化与热输出变化平衡以保证熔透稳定成形的思想，将散热条件变化引起热输出的变化作为干扰量，进行前馈补偿，同时将焊件整体温度进行反馈，应用前馈加反馈的复合控制方法达到了良好的熔透控制效果。
叙词：复合控制 熔透 线能量
分类号：TG409
COMBINED CONTROL OF PENETRATION SHAPE ON THE DYNAMIC ENERGYEQUILIBRIUM IN THE ARC WELDING
Li Liangyu Geng Zheng Yin Shuyan
(Harbin University of Technology)
Abstract：The idea of dynamic energy equilibrium of the molten pool from the essence of penetration control is put forward in order to maintain stable pool shape.The heat output change of pool,regarded as a interference variable,is compensated in former-feedback method because of diversification of workpiece heat conduction,in the meantime ,the temperature of the whole workpiece is considered as a feedback variable,so the combined control system is composed of the feedforward back and feedback.The experimental results show that control approach is progressed.
Key words：Combined control Penetration Heat input
0前言
目前国内外对于熔透控制的研究给予了足够的重视，并试图采用各种方法在熔透过程中实行实时控制，但现有的控制方法，大多是基于熔池尺寸传感技术的闭环反馈控制，由于熔池尺寸传感方式及现有技术的局限，使得从熔池正面直接检测背面熔透情况几乎是不可能的，只能通过正面间接物理量来反映背面熔透信息，而这种间接物理量又不可能与熔透建立精确的数学物理关系，即反馈的不是确切的熔透信息，结果导致这种熔透反馈控制方法除少数可在简单的条件下初步应用外，多数研究离实用要求相差还很远。而从背面提取熔透信息和小孔等离子熔透控制在特定生产中应用良好，从侧面也说明这个问题症结所在。本文针对现有熔透控制方法存在的问题，结合焊接实际条件，从探讨熔透稳定成形实质入手，提出一种熔透复合控制方法，旨在从另一种角度探讨熔透控制的技术及方法，为熔透控制的实际生产应用开辟一条新的途径。
1熔池动态能量变化平衡原理
在弧焊过程中，作为熔透控制的被控对象熔池来讲，其中所进行的过程几乎离不开物质和能量的流动，因此我们可以将熔池视为一个隔离体，把从外部流入熔池内部的物质和能量称为流入量，熔池本身的物质和能量称为内部量，从熔池流出的量称为流出量，如图1所示。熔池流入量、内部量和流出量既适用于物质流的情况(如MIG焊或MAG焊)，也适用于属于能量流的情况(如非填丝TIG焊)，这是因为能量往往以某种流体作为它的载体，改变了作为载体的物质流也就改变了能量流。
图1熔池动态热输入与热输出平衡原理图
对于焊接过程中的熔池，因为其处于不断熔化与结晶状态，只有流入量与流出量保持动态平衡，内部量等于常量，才能保证它的稳定成形，上述关系一旦遭到破坏，就必然会反映在熔池某个参数或多个参数量的变化上(如背面熔宽)。但是这种关系的破坏，在焊接过程中，是经常发生难以避免的。如果要保持熔透均匀一致，就必须随时控制流入量与流出量。对于焊接实际情况而言，熔池流出量是不容易控制的，它由环境条件决定，留给我们的主要是控制熔池流入量，这也就是为什么通常我们在焊接过程中，只调节电流或速度等参数的主要原因。
一般来讲，在具体焊接条件下，焊接热过程是决定焊缝宏观质量和微观质量的关键因素，所以我们可以将熔池流入量和流出量主要看作为熔池的热输入与热输出，熔池内部量主要看作熔池的热积累，通过控制熔池的热输入变化与热输出变化平衡，来实现熔池成形既熔透的均匀一致。
对于任一焊接过程，熔池动态热能量传递应有如下关系式
(1)
式中P1(t)——电弧有效热输入功率
Q(t)——熔池的热积累
P2(t)——由熔池传送给母材总热输出功率
如下图1所示。
对式(1)求导可得
P1(t)=dQ(t)+P2(t)(2)
上式说明在焊接动态过程中，电弧热输入功率等于熔化金属的热功率与熔池传导给母材热输出功率之和。具体来讲，对于熔池有输入的热量，也有输出的热量，当这两种作用平衡时，就表现为动态熔池形状恒定，即熔透恒定；这两种作用不平衡时，就表现为熔池大小的波动，从而出现熔透的变化。例如：由于干扰，热输出P2(t)减小时，由于热输入P1(t)不变，使得输入熔池的热量随之相对增加，此时输入热量大于输出热量，为了达到新的平衡状态，多余的热量将使靠近熔池的金属熔化，使熔池增大，熔透也增大。反之亦然。因此为了使熔透均匀一致，就需要使动态熔池热积累增量等于零，即
dQ(t)=0
故要求
P1(t)=P2(t)
ΔP1(t)=ΔP2(t)(3)
如果P2(t)发生变化，就需要调整P1(t)，使两者保持一致，从而使熔透成形一致。所以这种熔透控制主要是考虑焊接工件的形状尺寸、间隙、焊接位置等随机因素的变化引起工件散热变化既P2(t)变化与P1(t)不变之间的矛盾，实时调整焊接规范使P1(t)与之相适应。
依据上述能量平衡思想，实现熔透控制的关键是如何实时可靠地检测母材热输出的变化，同时这种控制思想显著特点之一就是使我们避开了由于电弧干扰带来直接检测熔池参数的困难，取而代之的是检测母材热影响区反映热输出P2(t)变化的参数。
2熔池热输出检测策略
从上述分析可知，如果我们能精确地测量出熔池热输出，可达到比较好的控制效果。现在问题的关键就变为如何在工程上找出检测和计算熔池热输出的合理方法。
2.1直接法
这种方法就是利用热像仪测量出整个温度场分布，如图2所示，通过图像处理的方法，将熔池的边缘确定出来，熔池边缘即为温度为熔点的一条等温线，然后再确定出与其紧密相邻的另一条等温线，计算出这两条等温线之间热阻后，即可得到熔池热输出。这种方法的优点是熔池热输出获得精确，主要问题是热像仪价格非常昂贵，难以承受。当然热阻的计算也是一个难点，因为此时计算的热阻是一个分布参数。
图2熔池热输出检测原理
2.2间接法
作者在文献〔2〕中通过有限元数值模拟的方法，发现焊件熔池前部热影响区长度方向的温度梯度和宽度方向的温度梯度的变化可以反映熔池热输出变化。因此我们没有必要获得整个温度场再来求取熔池热输出，只要测出熔池前部长度方向和宽度方向的四个点温度值即可。进一步对于薄板来讲，将一个测温点置于电弧前方，另一个为电弧左方或右方，如图3a，那么同样也可反映熔池热输出变化，因为在图3b中，ΔT在x方向的矢量ΔTx就可以反映x方向热输出，同理ΔTy反映y方向的热输出，所以检测出这两点温度值差值，就可以起到反映熔池在平面热输出变化情况。在这里使用温度梯度或温差作为检测信号的一个突出优点，就是测试设备简单同时提高了温度场测试的相对准确性，克服辐射测温具有影响因素多，精确性差的缺点。
图3测温点与电弧的相对位置示意图
3熔透稳定成形复合控制
3.1熔透复合控制系统
作者认为控制理论中基于不变性原理组成的前馈控制，在补偿散热条件变化对熔透稳定成形造成的干扰中，可得到较充分的应用。这种前馈控制的主要原理是把影响焊接过程的散热条件引起热输出的变化预先测量出来，再根据熔池动态能量平衡条件，计算出适应该扰动的调节量熔池热输入，然后进行补偿，所以无论何时，只要散热条件干扰出现，就立即进行校正热输入，使得它影响熔池热输出之前就被抵消掉。因此，即使对于难控的熔透过程，在理论上，前馈控制可以做到尽善尽美。在这里需要引起注意的是这种前馈控制方法要求焊件在达到基本稳态才使用温差作为检测信号，但焊接初始时温差是一个变量，因此还应将焊件温度作为一个反馈量，同时焊件的整体温度对熔池成形也有一定程度影响，也需要将焊件温度作为一个反馈量，所以组成一个即有前馈又有反馈的复合控制系统，如图4所示。
图4熔透复合控制系统原理图
3.2变散热条件熔透稳定成形复合控制试验
首先对板厚为1.5mm的凹形低碳钢板进行了开环TIG焊堆焊试验，氩气流量qV=5L/min，焊接速度v=15cm/min，电流I=75 A,其试验结果如图5所示。
图5变散热条件开环控制焊缝背面
从图5可以看出，焊缝背面熔宽变化很大。焊件在变散热条件处由于熔池热输出减小导致背面熔宽增大。但在恢复到初始散热条件的地方，背面熔宽仍然比较大，这主要是由于电弧的预热作用，工件的整体温度升高，实际上熔池热输出仍然比较小的原因所致。
为了对散热条件变化引起熔池热输出的变化进行补偿及考虑焊件整体温度的影响，进行了复合控制试验，控制时调节电流，试验条件与图5相同。使用两个测温仪分别获取两点温度值如图4所示，其中1号测温仪测温点1的位置为：x1=0，y1=7.5mm，温度为T1；2号测温仪测温点2的位置为：x2=10mm，y2=0，温度为T2，其试验结果如图6。由图6c可以看出，由于进行了有效的复合控制，背面熔宽变得非常均匀，图6b中电流曲线在变散热条件处减小也说明了控制的有效性。
(c)焊缝背面
图6 变散热条件复合控制试验
4 结论
(1)提出了控制熔池动态热输入变化与热输出变化平衡以保证熔透成形稳定的思想。
(2)试验结果证明基于熔池动态能量平衡思想的复合控制对于补偿散热条件变化造成熔透变化是一种比较好的控制方法。
基金项目：国家教育部博士点基金资助项目(97021314)。
作者简介：李亮玉，男，1965年出生，哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室博士生，主要从事焊接设备及过程控制的研究，发表论文20余篇。
作者单位：李亮玉（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室 哈尔滨 150001）
耿正（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室 哈尔滨 150001）
殷树言（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室 哈尔滨 150001）
参考文献：
〔1〕Zhang Y M.Monitoring of weld pool appearance for penetratio control.Journal of System and Control Engineer,1995,207(3)∶234～267
〔2〕李亮玉，耿正.基于变散热条件的弧焊熔透成形数值模拟.焊接学报，1999，19(3)∶78～83
〔3〕金以慧.过程控制.北京∶清华大学出版社，1993
