本文關鍵詞：核乏燃料池水下局部干法機器人焊接電源的研究

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【摘要】：由于核輻射對人體健康的影響,采用焊接機器人代替焊工已成為核電站水下焊接維修的必然趨勢。綜合考慮乏燃料池水深、水質、機器人焊接的便利性以及對焊補質量的要求等因素,局部干法是核乏燃料池水下機器人焊接修復的優(yōu)選方式。但較薄的乏燃料池壁及焊縫周邊水冷卻作用,極易出現引弧困難、斷弧、熔滴過渡均勻性差等問題,難以獲得優(yōu)質的弧焊效果。因此,如何提高弧焊過程穩(wěn)定性從而改善水下焊接質量是研究核乏燃料池水下局部干法機器人焊接電源的關鍵。論文首先闡述課題背景,分析水下局部干法焊接的國內外研究現狀及發(fā)展趨勢,結合水下局部干法焊接的工藝要求、高頻逆變技術和數字化控制技術,設計開發(fā)了一種針對核乏燃料池水下局部干法機器人專用焊接電源。其中焊接電源設計主要分為主電路設計、硬件電路設計和控制軟件設計三大部分。主電路設計包括三相EMI濾波器設計、初級逆變電路設計和次級逆變電路設計等關鍵器件設計,逆變器件均選用IGBT作為逆變模塊的功率開關管;硬件電路設計主要以STM32F405RGT6為核心構建外圍電路,包括控制電路設計、故障診斷保護電路設計和通信電路設計�？刂栖浖O計主要以FreeRTOS實時內核環(huán)境進行焊接電源軟件編寫,包括控制系統(tǒng)總體程序設計、PID控制策略設計和通信系統(tǒng)軟件設計。最后,以研制的水下局部干法機器人焊接電源樣機為試驗平臺,在模擬負載下進行整機性能測試,通過改變排水罩、氣體壓力、焊接電流、占空比、焊接頻率和焊接速度等參數進行了大量的水下局部干法焊接工藝試驗,利用示波器、數字鉗表等試驗儀器采集試驗波形和數據,并對不同參數下的焊縫成形進行對比分析。試驗結果表明:采用本文所設計的水下局部干法排水罩進行水下焊接比直接采用濕法焊接電弧穩(wěn)定性要好,焊縫質量要高。在不同氣體壓力下試驗得出,氣體壓力較小時,不足以形成穩(wěn)定的氣相區(qū),電弧穩(wěn)定性差,容易斷弧,焊縫成形較差;氣體壓力較大時,電弧由于氣體壓力作用而收縮,電弧不穩(wěn)定,焊縫變窄、變塌。在焊接電流和占空比試驗可得出,適當增大焊接平均電流,能提高焊接時輸入的熱量,改善焊縫成形。對比不同焊接頻率試驗可得知,發(fā)現脈沖頻率較低,電弧挺度較低,電弧偏軟,電弧容易受保護氣體和排水氣體壓力的影響。由焊接速度試驗可得知,提高焊接時線能量的輸入有助于改善焊縫成形,減少咬邊、駝峰等缺陷。
【關鍵詞】：水下焊接 局部干法 焊接電源 高頻逆變 數字化控制
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM623;TP242
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 課題研究背景及意義12-13
• 1.2 水下焊接方法13-14
• 1.2.1 濕法焊接及其特點13
• 1.2.2 干法焊接及其特點13-14
• 1.2.3 局部干法焊接及其特點14
• 1.3 局部干法焊接的研究現狀及發(fā)展趨勢14-16
• 1.3.1 國內外研究現狀14-16
• 1.3.2 發(fā)展趨勢16
• 1.4 局部干法焊接質量研究內容16-18
• 1.4.1 焊縫質量影響因素16-17
• 1.4.2 水下電弧特性17-18
• 1.4.3 焊接電源影響18
• 1.5 課題研究的主要內容18-20
• 第二章 焊接電源的總體設計20-33
• 2.1 焊接電源總體方案20-21
• 2.1.1 焊接電源性能指標20
• 2.1.2 焊接電源總體設計20-21
• 2.2 三相EMI濾波器設計分析21-24
• 2.2.1 基本結構21-22
• 2.2.2 建模分析22-24
• 2.2.3 參數設計24
• 2.3 初級逆變電路設計24-30
• 2.3.1 拓撲結構選擇25-26
• 2.3.2 工作原理分析26-27
• 2.3.3 整流橋選擇27
• 2.3.4 功率管IGBT選擇27-28
• 2.3.5 主變壓器設計分析28-30
• 2.4 次級逆變電路設計30-32
• 2.4.1 拓撲結構選擇30
• 2.4.2 工作原理分析30-31
• 2.4.3 輸出電感設計31-32
• 2.5 本章小結32-33
• 第三章 焊接電源的硬件設計33-51
• 3.1 控制系統(tǒng)的總體設計33-34
• 3.2 系統(tǒng)控制芯片選擇34-35
• 3.2.1 芯片選擇34
• 3.2.2 最小系統(tǒng)設計34-35
• 3.3 控制電路設計35-44
• 3.3.1 電流電壓采樣電路設計35-41
• 3.3.2 PWM信號產生電路設計41-42
• 3.3.3 初級IGBT驅動電路設計42
• 3.3.4 次級IGBT驅動電路設計42-43
• 3.3.5 線性隔離電路設計43-44
• 3.4 故障診斷保護電路設計44-48
• 3.4.1 過流保護電路設計44-45
• 3.4.2 欠壓過壓保護電路設計45-46
• 3.4.3 缺相保護電路設計46
• 3.4.4 過熱保護電路設計46-47
• 3.4.5 粘絲缺絲保護電路設計47-48
• 3.5 通信電路設計48-50
• 3.5.1 通信隔離概述48
• 3.5.2 隔離的實現48
• 3.5.3 隔離式通信電路設計48-50
• 3.6 本章小結50-51
• 第四章 焊接電源軟件設計51-63
• 4.1 軟件開發(fā)環(huán)境51-52
• 4.1.1 開發(fā)工具Keil MDK-ARM介紹51
• 4.1.2 操作系統(tǒng)FreeRTOS介紹51-52
• 4.1.3 ST固件庫函數介紹52
• 4.2 控制系統(tǒng)總體程序設計52-57
• 4.2.1 焊接任務及模塊化設計52-53
• 4.2.2 控制程序設計53-55
• 4.2.3 波形程序設計55-56
• 4.2.4 故障中斷保護程序設計56-57
• 4.3 PID控制策略57-59
• 4.3.1 模擬PID控制57
• 4.3.2 數字PID控制57-59
• 4.4 通信系統(tǒng)軟件設計59-62
• 4.4.1 數字化面板通信軟件設計60
• 4.4.2 故障診斷顯示屏通信軟件設計60-61
• 4.4.3 機器人通信軟件設計61-62
• 4.5 本章小結62-63
• 第五章 試驗及數據分析63-88
• 5.1 試驗平臺介紹63-65
• 5.2 整機波形測試65-67
• 5.2.1 驅動波形測試65
• 5.2.2 變壓器波形測試65-66
• 5.2.3 輸出波形測試66-67
• 5.3 電源性能測試67-70
• 5.3.1 輸出外特性測試67-69
• 5.3.2 動態(tài)響應特性測試69-70
• 5.4 水下焊接工藝試驗70-87
• 5.4.1 排水罩影響70-72
• 5.4.2 氣體壓力影響72-78
• 5.4.3 焊接電流影響78-82
• 5.4.4 占空比影響82-84
• 5.4.5 焊接頻率影響84-86
• 5.4.6 焊接速度影響86-87
• 5.5 本章小結87-88
• 結論88-90
• 參考文獻90-96
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果96-97
• 致謝97-98
• 附件98

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