摘要：针对搭接坡口的特点，在摆动TIG焊搭接坡口电弧扫描的数学模型中采用电弧圆柱体体积的变化信号作为系统的输入信号，从而建立了系统的整体仿真模型。在保证工艺参数不变的情况下，比较分析了该模型的仿真结果与传统的利用焊枪高度变化为输入的模型的仿真结果以及实际的焊接波形之间的差异。结果表明，仿真结果与试验结果相吻合，证明该模型比传统的模型更为精确，更能反映实际情况。对搭接坡口的焊缝跟踪系统研究有一定的指导意义。

关键词：钨极惰性气体保护焊；搭接坡口；数学建模仿真；电弧圆柱体

序言

钨极氩弧焊是以钨材料或钨的合金材料做电极，在惰性气体保护下进行的焊接，在钨电极的周围通过喷嘴送进保护气，保护钨电极、电弧及熔池，使其免受大气的侵害?，几乎可用于所有钢材、有色金属及其合金的焊接。目前对于TIG焊自动跟踪方面的研究随着计算机仿真技术的迅速发展，对于焊缝跟踪的仿真已经在各种焊接方法中实现，但中国TIG焊自动跟踪方面的研究略显不足，文中以TIG焊焊接中常见的搭接坡口为例，利用MATLAB软件建立TIG焊摆动电弧扫描系统仿真模型，进行仿真分析。

美国Brent K Christrer等人[21 1998年的研究结果表明，电弧长度与电弧电压之间为典型的线性关系，传统的建模都利用这一原理。利用这个原理在搭接坡口扫描时，焊枪高度(电弧长度)的变化是非线性的，但是在实际焊接过程中，电弧电压是一个线性变化的量。为了弥补这一缺陷，在仿真模型中，通过合理的假设，建立电弧圆柱体体积与电弧电压之间的关系。电弧的横截面积主要与焊接电流的大小有关，受电压的影响比较小，由TIG焊的恒流特性，假设在一定的焊接工艺参数条件下电弧横截面积是恒定值，电弧长度乘以一个横截面积常量得到电弧圆柱体体积，因此，电弧圆柱体体积与电弧电压之间也是典型的线性关系。由电弧圆柱体体积的变化，利用体积与电压之间的转换系数K得到电弧电压的变化波形，文中在此原理基础上利用MATLAB建立TIG焊搭接坡口数值仿真模型，并且通过此模型的仿真结果与传统建模方法的仿真结果，以及实际焊接波形三者之间的比较，验证了模型的可靠性和优越性。

1 数值仿真模型的建立

1．1 电弧扫描搭接坡口体积变化规律该模型建立电弧扫描过程中电弧圆柱体体积变化与时间之间的关系，由于斜切焊炬圆柱体体积计算比较复杂，而摆动幅度与摆动臂长之比很小，为了研究的方便，做如下几个假设。

(1)焊接电弧为圆柱体，在一定的焊接工艺参数条件下，焊接电流恒定不变，电弧横截面积只受焊接电流的影响，也是恒定值。又因为电弧长度与电弧电压存在线性关系，所以在一定的焊接工艺参数条件下，电弧电压与电弧圆柱体体积成正比。

(2)电弧圆柱体在扫描过程中始终为竖直方向放置。

(3)电弧圆柱体在扫描过程中移动方向始终为水平方向，而且速度均匀平稳。

(4)忽略了坡口熔化以及其它的一些因素的影响。

图1给出了搭接坡口电弧扫描的示意图以及部分符号的物理意义。h，为电弧圆柱体的高度；艿为上搭板厚度；e为焊枪对中偏差；r为电弧圆柱体底面半径；T为摆动周期。

1．2摆动TIG焊搭接坡口数学模型的建立V(t)是焊接电弧在扫描搭接坡口时体积随时间的变化规律，由序言介绍可以知道体积与电压存在线性关系：U(t)=删(t)，其中K为比例系数，曲此建立搭接坡口电弧扫描的MATIAB仿真模型，其中，c为电弧圆柱体摆动中心位置，口为电弧圆柱体摆动到最右端位置，A为电弧圆柱体摆动到最左端位置。为分析方便假设电弧圆柱体摆动到坡口的最右侧时，t=0，对搭接坡口，在电弧圆柱体偏离焊缝中心e(一￡≤e≤L，其中￡为距摆动中心的位移)的情况下，在一个摆动周期(0≤t≤T)内电弧圆柱体体积变化主要分为四个步骤：第一步，初始化系统，由输入的参数确定函数中常数的取值；第二步，对时间t进行处理，确定其在一个周期内所处的区间；第三步，根据t所在的区间，调用程序计算y(t)的值；第四步，利用y(t)与U(t)转化的比例系数K求得得到电弧电压U(t)。

2仿真分析与讨论

2．1 电压波形仿真结果由前面建立的整体仿真模型，选定参数进行数值计算，得到部分的输出结果。图4是电弧扫描电压输出u。的变化仿真波形。比较两种模型得到的电压仿真信号，可以发现，传统模型仿真结果中，当电弧扫描通过搭接坡口的时候，电压有一个阶越变化，而文中所建立的建模仿真结果中，过渡比较缓和。

2．2仿真结果的试验验证为了比较两种模型之间的优劣，采用与仿真计算过程类似的工艺参数进行了焊接试验，试验采用的焊接电源是垂直陡降特性直流模拟式焊接电源(PANA．TIC wP300)，钨极直径为声1．2 I姗，钨极尖比较这三个波形同样可以发现，文中所建立的仿真模型与传统建模方式所建立的模型相比较，更为合理，更符合实际电弧电压波形。

因此，文中提出建立的r兀G焊搭接缺口数值仿真模型能有效的提高系统的仿真精度。

论

(1)提出了以焊接电弧圆柱体体积V(t)代替传统的扫描坡口的焊枪高度变化信号作为仿真系统输入信号的思路及建模方法。

(2)建立了电弧扫描搭接坡口体积变化规律模型，并由此建立了系统整体仿真模型。

(3)通过对模型的仿真分析，得到了电弧电压的传感信号波形，并且将此波形与同参数下传统建模仿真计算得到的波形以及同参数下实际电弧电压采样波形进行了对比分析。结果表明，以电弧电弧圆柱体体积y(t)作为仿真系统输入信号建立起来的系统仿真模型的计算结果与实际焊接试验结果基本吻合，其吻合程度优于传统建模方法得到的仿真波形。