雙電弧共熔池埋弧焊數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)

何寬芳 黃石生 李學(xué)軍 肖冬明

1.湖南科技大學(xué)，湘潭，411201 2.華南理工大學(xué)，廣州，510640

0 引言

埋弧焊作為一種有效的焊接方法，特別適合于中厚板結(jié)構(gòu)長(zhǎng)焊縫的焊接，是焊接生產(chǎn)中使用最為普遍的方法之一[1－3]。為滿足生產(chǎn)對(duì)埋弧焊的高效化要求，埋弧焊朝著雙絲和多絲的方向發(fā)展，近年來(lái)國(guó)外研制和生產(chǎn)了雙絲高速焊裝備[4－8]。雙絲高速焊兩根焊絲的電弧在同一個(gè)熔池上燃燒，不僅增加了總的熱量輸入，而且改變了熱量的分布，兩電弧能向熔池及其兩側(cè)面提供充足的液態(tài)金屬和熱量；兩電弧之間的相互熱作用可以降低第二根焊絲的電能輸入需求。此外，通過(guò)對(duì)兩根焊絲能量參數(shù)分別進(jìn)行控制，能有效避免咬邊、駝峰等缺陷，在高速焊時(shí)可以獲得較好的焊縫成形質(zhì)量。

目前，國(guó)內(nèi)在雙電弧高速埋弧焊方面的研究尚處于起步階段[9－10]。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)出現(xiàn)的雙電弧共熔池埋弧焊裝備的兩電弧是沒(méi)有協(xié)同關(guān)系的，兩電弧彼此獨(dú)立，參數(shù)由電位器給定，存在焊接過(guò)程參數(shù)管理及調(diào)節(jié)不方便、操作過(guò)程復(fù)雜、焊縫成形差等缺陷，限制了這類裝備在高速焊接領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。雙電弧串列共熔池埋弧焊接過(guò)程中，各焊絲（串列）不在同一位置，每根焊絲需按一定時(shí)序關(guān)系引弧、收弧才能獲得好的焊接效果。筆者針對(duì)雙電弧高速埋弧焊裝備存在的問(wèn)題，結(jié)合工控機(jī)和PLC數(shù)字化控制技術(shù)，成功研制了基于工控機(jī)和PLC的雙電弧高速埋弧焊數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)。雙電弧高速埋弧焊試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，能實(shí)現(xiàn)良好的雙電弧高速埋弧焊工藝。

1 兩電弧時(shí)序關(guān)系

雙電弧共熔池埋弧焊典型的焊縫成形特點(diǎn)如圖1所示，由圖1可見(jiàn)，焊縫頭尾較窄且焊縫收弧位置下塌明顯。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，焊接過(guò)程中主從焊機(jī)的焊絲串聯(lián)排列，如圖2所示。圖2中，“1”表示主從焊機(jī)為啟動(dòng)狀態(tài)，“0”表示主從焊機(jī)為停止?fàn)顟B(tài)。主機(jī)焊絲所處位置為B，從機(jī)焊絲所處位置為A。焊接過(guò)程中，兩根焊絲起弧同時(shí)燃燒和熄滅時(shí)，AB段焊縫只在從機(jī)電弧作用下成形，BC段焊縫在兩電弧共同熱作用下成形，CD段焊縫只在主機(jī)電弧作用下成形。從整個(gè)過(guò)程可以看出，相對(duì)于AB段和CD段，BC段焊縫在兩電弧作用下成形，故其尺寸較大，如圖1所示。目前，雙電弧共熔池埋弧焊焊縫都存在焊縫頭尾較窄且焊縫收弧位置下塌明顯這一現(xiàn)象，其原因在于所使用的雙絲埋弧焊裝備是采用模擬控制的，兩電弧沒(méi)有數(shù)字化協(xié)同控制。

圖1 無(wú)協(xié)同控制的焊縫外觀圖

圖2 雙電弧共熔池埋弧焊焊絲位置及時(shí)序關(guān)系

圖3 雙電弧共熔池埋弧焊時(shí)序控制方案

為了保證焊縫頭尾熔寬盡量一致并降低收弧位置的下塌程度，可按一定的時(shí)序關(guān)系對(duì)2臺(tái)主機(jī)電源和行走機(jī)構(gòu)的起停動(dòng)作進(jìn)行控制，其時(shí)序關(guān)系如圖3所示。焊接開始時(shí)，先啟動(dòng)主機(jī)電源和行走機(jī)構(gòu)，電弧引燃后，按預(yù)先選定的焊接速度進(jìn)行焊接，當(dāng)后面焊絲移到B位置時(shí)，啟動(dòng)從機(jī)電源。從機(jī)電源啟動(dòng)后，主從焊機(jī)按預(yù)先選定的工藝參數(shù)在整個(gè)焊接過(guò)程中穩(wěn)定運(yùn)行。焊接結(jié)束，即當(dāng)前面電弧移到D位置時(shí)，立即斷開主機(jī)電源并停止送絲，行走機(jī)構(gòu)繼續(xù)行走，當(dāng)后面電弧移到D位置時(shí)，先停止行走并降低焊接電流和電壓，利用電弧回?zé)顫M弧坑，最后切斷從機(jī)電源并停止送絲。通過(guò)對(duì)兩主機(jī)電源及行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行時(shí)序關(guān)系的控制，可避免雙電弧共熔池埋弧焊在焊縫頭尾出現(xiàn)較窄的焊縫，并且能降低焊縫收弧位置的下塌程度。

利用雙電弧共熔池埋弧焊數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編程可很方便地實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程：焊接起動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)主機(jī)電源、送絲和行走機(jī)構(gòu)，經(jīng)一定延時(shí)后啟動(dòng)從機(jī)電源并送絲；焊接結(jié)束時(shí)，先切斷主機(jī)電源并停止送絲，經(jīng)一定延時(shí)后停止從機(jī)電源、送絲和行走機(jī)構(gòu)。

2 數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)的組成

雙電弧共熔池埋弧焊裝備由兩套埋弧焊接系統(tǒng)經(jīng)協(xié)同控制組合而成。所設(shè)計(jì)的雙電弧高速焊數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)中，2臺(tái)逆變焊接電源設(shè)定為主從模式，主機(jī)電弧在前，從機(jī)電弧在后。2臺(tái)電源都采用恒流外特性。為了避免兩電弧相互干擾，主機(jī)采用直流逆變電源，從機(jī)采用交流方波逆變電源。焊絲之間的距離范圍為25～35mm，前絲導(dǎo)電嘴保持垂直，后絲導(dǎo)電嘴與前絲導(dǎo)電嘴的夾角為10°，后絲導(dǎo)電嘴略微前傾能使熔深減小、熔寬增大，可增大對(duì)熔池前方母材的預(yù)熱，這對(duì)主機(jī)電弧是有利的。

2.1 協(xié)同控制器的組成

雙電弧共熔池埋弧焊過(guò)程中，兩電弧的電磁干擾大，數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)處理器的選擇顯得尤為重要。本文采用抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的PLC作為系統(tǒng)的硬件核心，選用三菱FX2N－64MR型主模塊為協(xié)同控制器內(nèi)核處理器，2個(gè)FX2N－4DA和2個(gè)FX2N－4AD擴(kuò)展模塊分別用于數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換，各模塊功能如下：①數(shù)字量傳輸，把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)傳送給雙絲埋弧焊控制盒中的可控開關(guān)器件，控制主從2臺(tái)逆變電源、送絲機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)與停止；②數(shù)模轉(zhuǎn)換，對(duì)2臺(tái)逆變電源焊接電流、電壓進(jìn)行設(shè)定和焊接速度進(jìn)行設(shè)定；③模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)2臺(tái)逆變電源焊接電流、電弧電壓和小車行走速度進(jìn)行采樣，采集的信號(hào)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和顯示。雙／三電弧埋弧焊過(guò)程數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)硬件如圖4所示。

2.2 協(xié)同控制系統(tǒng)的軟件組成

雙電弧共熔池埋弧焊設(shè)備運(yùn)行復(fù)雜、繁瑣，合理的軟件流程和結(jié)構(gòu)是保證焊接過(guò)程有效控制的關(guān)鍵，通過(guò)軟件編程可以方便、靈活地控制2套埋弧焊接系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)系及過(guò)程參數(shù)，以滿足不同的焊接工藝要求。

2.2.1 數(shù)據(jù)通信

雙電弧埋弧焊接過(guò)程的協(xié)同控制要求數(shù)字化控制系統(tǒng)具備雙向傳輸數(shù)據(jù)的能力。本文采用的計(jì)算機(jī)與PLC通信主要是通過(guò)RS422轉(zhuǎn)換RS232接口進(jìn)行的。在工控機(jī)Windows操作系統(tǒng)中，采用DELPHI進(jìn)行通信程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與PLC的串行通信，利用編程工具Visual Basic提供的特定通信控件 MSComm，分別對(duì)該控件Input屬性和Output屬性編程來(lái)實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送的操作。工控機(jī)接收數(shù)據(jù)和向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程是一樣的，其程序流程如圖5所示。

圖4 雙電弧共熔池埋弧焊控制系統(tǒng)框圖

圖5 通信程序流程

2.2.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

協(xié)同控制系統(tǒng)軟件主要面向雙電弧埋弧焊裝備，系統(tǒng)適用于單雙電弧埋弧自動(dòng)焊接裝備的使用，協(xié)同控制過(guò)程復(fù)雜，系統(tǒng)軟件適應(yīng)性與穩(wěn)定運(yùn)行更為重要。協(xié)同控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，根據(jù)控制系統(tǒng)完成的功能，分為不同的功能模塊。軟件部分要完成起弧和收弧過(guò)程中主從機(jī)2臺(tái)電源之間的協(xié)同控制以及各自的焊接電流、電弧電壓及送絲速度等焊接參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋采樣信號(hào)的處理，對(duì)焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、焊接參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示以及對(duì)焊接時(shí)序進(jìn)行設(shè)置等功能。

根據(jù)以上要求，本軟件主要包括四大部分，即主從機(jī)的焊前準(zhǔn)備部分、引弧部分、焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制部分以及收弧部分。主從機(jī)的各部分程序通過(guò)協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制。將協(xié)同控制模塊的參數(shù)預(yù)置程序、啟動(dòng)程序、起弧時(shí)序控制程序、焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)程序、收弧時(shí)序控制程序、通信部分的發(fā)送和接收程序編成相應(yīng)的函數(shù)，其中主要的函數(shù)結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)如下：

（1）參數(shù)預(yù)置函數(shù)，該函數(shù)用于焊接系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，表示為Csyzhs，并設(shè)定函數(shù)返回值（16進(jìn)制數(shù)，用后綴 H 表示）為F1、F2、F3，用于判斷參數(shù)設(shè)置的有效性。該函數(shù)流程如圖6所示。調(diào)用該函數(shù)時(shí)，先顯示主從焊接電源的電流I1和I2、電壓U1和U2、焊接速度v等參數(shù)的設(shè)置界面。該函數(shù)需調(diào)用通信部分發(fā)送程序。

圖6 參數(shù)預(yù)置

（2）起弧控制函數(shù)，該函數(shù)用于兩焊絲起弧的時(shí)序控制，表示為Qhkzhs，并設(shè)定函數(shù)返回值為Fq1、Fq2、Fq3，用于判斷起弧是否成功，F(xiàn)q1、Fq3為1時(shí)表示起弧成功，F(xiàn)q1、Fq3為0時(shí)表示起弧失敗。前絲起弧后，F(xiàn)q2用于判斷延時(shí)是否為后絲以焊接速度v移動(dòng)焊絲間距l(xiāng)所需的時(shí)間t。函數(shù)流程如圖7所示。為了獲得好的起弧效果，調(diào)用該函數(shù)實(shí)現(xiàn)2根焊絲按一定的時(shí)序起弧。

（3）焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)函數(shù)，該函數(shù)表示為Hjgcjchs，并設(shè)定函數(shù)返回值為Ix1、Ix2、Ux1、Ux2，用于將采集到的電流、電壓信號(hào)由前臺(tái)界面顯示。該函數(shù)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集及顯示由霍爾傳感器拾取的電流和電壓。對(duì)2臺(tái)弧焊電源監(jiān)測(cè)的函數(shù)流程如圖8所示。該函數(shù)中需調(diào)用通信部分的接收程序。

圖7 起弧控制

圖8 焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)

（4）焊接停止時(shí)，需調(diào)用收弧控制函數(shù)，該函數(shù)表示為Shkzhs，并通過(guò)設(shè)定的函數(shù)返回值Fs來(lái)判斷收弧是否成功。函數(shù)流程如圖9所示。為了獲得好的收弧效果，需要調(diào)用該函數(shù)實(shí)現(xiàn)兩根焊絲按一定的時(shí)序收弧。

圖9 收弧控制

3 雙絲高速焊試驗(yàn)結(jié)果

焊接試驗(yàn)條件：MZ2000＋MZE1800逆變式埋弧焊電源組合，焊接材料為低碳鋼板（厚20mm），前絲直徑為5mm，后絲直徑為4.8mm，焊絲牌號(hào)H08A，焊劑HJ431，采用數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)（軟件主界面如圖10所示）進(jìn)行控制，采用堆焊方法進(jìn)行焊接。在該試驗(yàn)條件下進(jìn)行了3組工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示，運(yùn)行計(jì)算機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)，選擇起弧、收弧程序，得到相應(yīng)的焊縫外觀，如圖11所示。

圖10 數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)主界面

表1 雙電弧埋弧焊工藝規(guī)范參數(shù)

圖11 協(xié)同控制的焊縫外觀圖

從圖11中可以看出，雙電弧埋弧焊接速度均在1.4m／min以上，焊接過(guò)程無(wú)短路、無(wú)斷弧，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫起弧、收弧效果好，焊縫成形好。

由試驗(yàn)結(jié)果（表1和圖11）可見(jiàn)，采用計(jì)算機(jī)協(xié)同控制的雙電弧埋弧焊試驗(yàn)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊接性能好，焊縫起弧、收弧位置效果比較好，焊縫成形得到改善。說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的雙電弧埋弧焊數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)，適用于單雙電弧埋弧自動(dòng)焊接，而且焊接過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)論

（1）工控機(jī)和PLC的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了雙電弧高速埋弧焊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)雙電弧高速埋弧焊起弧、收弧和焊接過(guò)程中兩電弧的時(shí)序控制。

（2）應(yīng)用研制的雙電弧高速埋弧焊裝備進(jìn)行雙電弧高速埋弧焊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明研制的數(shù)字化控制系統(tǒng)控制性能滿足雙電弧高速埋弧焊的控制要求，焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊接速度快、熔敷率高，焊縫成形良好。

[1]李鶴岐，王新，蔡秀鵬，等.國(guó)內(nèi)外埋弧焊的發(fā)展?fàn)顩r[J].電焊機(jī)，2006，36（4）：1-6.

[2]李遠(yuǎn)波，黃石生，王振民，等.新型軟開關(guān)埋弧弧焊逆變器外特性分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，31（5）：39－42.

[3]梁衛(wèi)東，馬躍洲，高輝云.埋弧自動(dòng)焊數(shù)字控制器設(shè)計(jì)[J].焊接學(xué)報(bào)，2004，25（6）：54－58.

[4]Tusek J.Raising Submerged Arc Welding Productivity[J].Fielding Review International，1996（8）：102－105.

[5]Tusek J.SAW with Multiple Electrodes Achieves High Production Rates[J].Welding Journal，1996，75（8）：41.

[6]Tusek J.Narrow－gap Submerged－arc Welding with a Multiple－wire Electrode[J].Metalurgija，2002，41（2）：83－88.

[7]Tusek J.Mathematical Modeling of Melting Rate in Twin－wire Welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，100（1／3）：250－256.

[8]Tusek J.Metal－powder Twin－wire Submergedarc Welding[J].Welding ＆ Metal Fabrication，1998，66（7）：21－24.

[9]宋天虎.先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展與焊接技術(shù)的未來(lái)[C]／／第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集.北京，1997：1－17.

[10]孟慶國(guó)，方洪淵，徐文立.雙絲焊熱源模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41（4）：110－113.