交流埋弧焊轧辊堆工艺及设备的研究

摘要

轧辊是轧钢和有色金属轧制设备的重要部件，也是最主要的消耗部件，尤其大型轧辊价格昂贵，动辄百万。轧辊工作环境恶劣，亦易老化磨损，一旦由于磨损造成辊身直径低于使用下限值，或出现其他原因造成的损伤情况，轧辊就会在功能上失效。通过修复和再制造使轧辊恢复使用功能，已成为钢铁冶金企业最为关心和重视的课题之一。而通过交流埋弧堆焊的方法，正是最优实现方式之一。
　　本文从工艺的角度，详细阐明了交流埋弧焊接波形控制与通过交流埋弧堆焊手段实现轧辊修复的关系。研究交流埋弧焊接波形可控性以适应轧辊堆焊的复杂性和多样性，对满足高品质轧辊修复的要求有着重要的现实意义，这也是设计交流埋弧轧辊堆焊设备的基础和前提。
　　在分析交流埋弧焊接波形控制与轧辊堆焊焊接工艺实现关系的基础上，设计了大功率单逆变器焊机主电路和基于FPGA的全数字控制的电源设计方案，对交流电流过零再引弧技术进行了分析，并提出了解决方案。从节能角度，演算了焊机主要功率器件的参数，并通过优化设计达成了相关能效等级的要求，并制作完成了样机。
　　焊机的控制系统采用基于FPGA的全数字控制。通过构建的NiosⅡ软核完成焊接工艺参数存储与调用、事务执行与协调。同时，通过FPGA构造PI运算模块、PWM模块对逆变器进行控制，在真正意义上实现了SOPC片上可编程系统，既实现了设计的灵活性，又提高了整个系统的运算速度和控制精度。
　　通过样机调试和测试，证明设计达到应用的要求，并通过试焊结果进一步印证了交流调节参数与轧辊堆焊工艺实现的关系。所研制的交流埋弧焊设备适用于轧辊堆焊的应用。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究和发展现状

1．2．1 轧辊堆焊的研究和发展现状

1．2．2 焊接电源的发展

1．2．3 交流埋弧焊的研究和发展现状

1．3 论文研究内容及章节说明

1．3．1 论文主要研究内容

1．3．2 本文的章节说明

第二章 基于波形控制的交流埋弧焊轧辊堆焊工艺的实现

2．1 埋弧堆焊工艺概述

2．1．1 埋弧堆焊的特点

2．1．2 埋弧堆焊的工艺参数

2．2 轧辊埋弧堆焊工艺的特点和要求

2．2．1 轧辊埋弧堆焊工艺自身特点

2．2．2 轧辊埋弧堆焊工艺对焊接设备提出的要求

2．3 波形控制与交流埋弧轧辊堆焊工艺的实现

2．3．1 焊接输出频率与交流埋弧轧辊堆焊工艺的关系

2．3．2 正反向电流比例与交流埋弧轧辊堆焊工艺的关系

2．3．3 正反向电流幅值和交流埋弧轧辊堆焊工艺的关系

2．3．4 电流相位与交流埋弧轧辊堆焊工艺的关系

2．4 基于波形控制的轧辊堆焊典型缺陷的解决

2．5 本章小结

第三章 焊机主电路设计及实现

3．1主电路分析与设计

3．2 一次逆变电路的设计与实现

3．3 二次逆变电路的设计与实现

3．3．1 二次逆变电流过零问题的分析

3．3．2 二次逆变电路的实现

3．4 焊机节能设计

3．4．1 焊机设计指标

3．4．2 节能设计与计算

3．5 本章小结

第四章 控制系统的设计

4．1 控制系统概述

4．2 FPGA的选型与电路设计

4．3 Nios Ⅱ软核系统设计

4．3．1 Nios Ⅱ软核的构建

4．3．2 Nios Ⅱ软核与软核外FPGA通信的实现

4．4 软核外FPGA的任务及设计

4．5 逆变器驱动的设计

4．6 本章小结

第五章 系统调试及焊接实验

5．1 样机调试

5．1．1 主回路调试

5．1．2 起弧熄弧调试和波形控制验证实验

5．2 焊接工艺实验

5．2．1 支撑辊焊接工艺实验

5．2．2 平整辊焊接工艺实验

5．3 产品化测试

5．3．1 3C标准下的负载率测试

5．3．2 能效标准下的节能测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 展望及不足

参考文献

致谢