鎳板拼接等離子弧焊控制系統(tǒng)的研制

肖 軍，陳克選，柴廷璽

（蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

鎳及鎳合金板帶材生產(chǎn)線中，拼焊工序是銜接熱軋與冷軋的關鍵工序，拼焊接長可為后續(xù)冷軋工序提供大卷重坯料。通常來說，鎳及鎳基合金的焊接可以采用焊條電弧焊、TIG、MIG、埋弧焊等焊接方法，但鎳及鎳基合金的熱導率低、電阻率大，如果采用自由電弧焊接時熱輸入不易控制，可能導致HAZ大和晶粒粗化，從而降低焊接接頭的組織力學性能。1954年,美國Union Carbide公司的Robert Gage發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過壓縮的電弧能量更加集中，電弧溫度和射流速度大幅度提高，這種壓縮電弧也可用于焊接[1]。等離子弧為壓縮電弧，能量密度高，能實現(xiàn)中厚板單面焊雙面成形，焊縫熱影響區(qū)窄、焊接變形小。因此，等離子弧焊可視為鎳板拼接的最佳選擇，但是等離子弧焊設備相對于普通弧焊設備更復雜，工藝參數(shù)多?；诖?，設計了一套以PLC為控制核心的自動等離子弧焊設備。主電路由兩個逆變電源供電，并以歐姆龍公司的CP1H型PLC為控制核心實現(xiàn)焊接過程的自動控制。

1 等離子弧焊設備的組成

本研究研制的等離子弧焊設備主要組成包括焊槍、焊接電源、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、機械裝置、小車行走系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)等。焊槍可以產(chǎn)生高能量密度的等離子??；本設備采用兩臺獨立焊接電源供電，其中一臺為維弧電源，另一臺為主弧電源，由于兩者互不干擾，這樣就提高了設備的穩(wěn)定性；氣路系統(tǒng)為焊接提供離子氣和保護氣；水路系統(tǒng)主要起到冷卻焊槍和銅襯墊的作用；小車行走系統(tǒng)調(diào)節(jié)焊接速度和焊槍高度；最關鍵的部分就是PLC控制系統(tǒng)，其控制著等離子弧焊過程中的一系列動作，具體控制要求主要有[2]：

（1）等離子弧焊槍固定于工作臺上，由小車載著工件移動，可以實現(xiàn)小車電路通斷自動控制。

（2）實現(xiàn)對焊接電源和送氣系統(tǒng)的控制，自動完成提前送氣、接通焊接電源、切斷電源及停止送氣等一系列動作。

（3）利用開關切換完成等離子弧引弧及非轉(zhuǎn)移弧與轉(zhuǎn)移弧的切換。如果引弧失敗，系統(tǒng)能暫時停止執(zhí)行下一步程序，通過系統(tǒng)自動或人工手動引弧，直到引弧成功，才能繼續(xù)下一個過程。

（4）在焊接前逐個打開氣閥試氣，檢查氣路是否暢通并預調(diào)離子氣和保護氣流量。

（5）小車撞上行程開關或按下停止按鈕后，先停焊機，延時送氣，小車停止行走。

（6）出現(xiàn)緊急狀態(tài)時按急停鍵，焊接電源和工件行走電機立即停止工作。

（7）循環(huán)水箱的啟動開關也是控制柜的電源啟動開關，可保證只有在接通冷卻水的情況下才能進行焊接。

2 控制系統(tǒng)的硬件電路設計

由于鎳板厚度為6 mm，需采用穿透型等離子弧焊的焊接方法?？刂葡到y(tǒng)示意如圖2所示，具體要求為：有預置和自動兩個檔，焊前準備時按下預置檔能夠調(diào)節(jié)氣體流量、焊槍高度、焊槍對中、小車的行走速度以及送絲速度，待焊前準備工作完成恢復到自動擋；按下啟動按鈕先起維弧，之后起主弧，在主弧建立之后立即切斷維弧；在焊接即將結(jié)束時按下停止按鈕即可停止焊接，若焊接過程出現(xiàn)緊急情況可按下急停按鈕，則可立即切斷焊接電源停止焊接。其中PLC的I/O口的地址對照如表1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

3 控制系統(tǒng)PLC程序設計

穿透型等離子弧焊接過程中一系列動作的時序為：做好焊前準備工作以后，按下啟動開關，通離子氣；延遲2 s，維弧焊機開關閉合，焊槍噴嘴與鎢電極之間建立非轉(zhuǎn)移弧；延遲2 s，通保護氣；延遲2 s，主弧焊機開關閉合，鎢電極與工件之間建立轉(zhuǎn)移??；轉(zhuǎn)移弧產(chǎn)生以后立即切斷非轉(zhuǎn)移?。谎舆t2 s，焊接小車開關閉合，小車開始行走；待焊接即將結(jié)束時按下停止按鈕，小車停止行走；延遲2 s焊接電源和離子氣氣閥斷開；延遲10 s保護氣氣閥斷開，停止送氣。如果焊接過程中遇到緊急情況，可以按急停開關，則可立即切斷焊接電源，從而停止焊接。根據(jù)此焊接時序進行PLC編程，其控制時序如圖2所示。

4 設備調(diào)試和試焊

4.1 設備調(diào)試

（1）PLC在線調(diào)試。根據(jù)等離子弧焊接工藝過程進行PLC編程后，可將PLC與計算機連接，將編好的程序傳送至PLC，并將編程軟件置于調(diào)試或運行模式下檢查程序的可靠性。

表1 I/O分配表

圖2 控制時序

（2）控制面板的調(diào)試。首先檢查控制柜內(nèi)部連線是否正確，是否出現(xiàn)短路或斷路現(xiàn)象，繼電器和控制面板上的開關是否工作正常等；然后給控制柜上電，分別在預置和自動檔觀察繼電器的工作情況是否符合PLC程序。

（3）設備安裝與調(diào)試?？刂泼姘逭{(diào)試后，完成控制柜與其他設備之間的接線。通過萬用表對各電器觸點進行檢查，找出是否存在連接錯誤的和接觸不良的接點；并檢查電路中是否有斷路和短路現(xiàn)象。在不起弧的前提下，即斷開焊接電源，只給控制柜上電，通過設置控制面板上的開關按鈕來檢查設備的動作是否與PLC設定的程序一致。

4.2 焊接工藝實驗

通過大量的工藝實驗驗證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。兩組典型鎳板拼焊焊道如圖3所示。

（1）N6 供貨狀態(tài)（見圖3a）：退火，板厚6mm。工藝參數(shù)：焊接電流210 A、焊接速度3 mm/s、離子氣流量200 L/h、保護氣流量1300 L/h。

（2）4J36供貨狀態(tài)（見圖3b）：退火，板厚6 mm。工藝參數(shù)：焊接電流160 A、焊接速度3 mm/s、離子氣流量160 L/h、保護氣流量1200 L/h。

圖3 鎳板拼焊接頭

5 結(jié)論

實驗表明，研制的以歐姆龍CP1H型PLC為控制系統(tǒng)的等離子弧焊設備操作簡單，成本低廉，焊接過程穩(wěn)定可靠，在一定程度上提高了焊接效率，保證了焊接質(zhì)量。

[1]沈 勇，劉黎明，張兆棟.鎂合金中厚板變極性等離子弧焊工藝[J].焊接學報，2005，26（6）：1-4.

[2]韓 儉，胡繩蓀，韓敬華，等.等離子弧焊機PLC系統(tǒng)的研制[J].電焊機，2004，34（8）：42-44.