雙電源Plasma-MIG焊接系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王學(xué)遠 楊學(xué)勤 成群林 姜恒

摘要：根據(jù)Plasma-MIG復(fù)合電弧焊接的工作原理，以PLC為控制核心建立了雙電源Plasma-MIG焊接系統(tǒng)，針對鋁合金焊接過程中的小規(guī)范起弧問題提出了模式轉(zhuǎn)化的起弧方法，以回路中等離子電流檢測值Ip作為穩(wěn)定性判據(jù)，在MFC平臺下編寫人機界面將控制系統(tǒng)集成，試驗結(jié)果顯示該控制系統(tǒng)能夠按照Plasma-MIG焊接時序?qū)崿F(xiàn)對兩臺電源的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)鋁合金的高質(zhì)量焊接。

關(guān)鍵詞：Plasma-MIG復(fù)合電弧焊接;焊接系統(tǒng);起弧過程

中圖分類號：TG434.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0085-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.17

0 前言

Plasma-MIG是一種高效化的復(fù)合熱源焊接技術(shù)，其基本原理是利用拘束的等離子電弧對傳統(tǒng)的MIG焊接過程進行保護。焊接過程中焊絲底端、熔滴以及MIG電弧都包圍在熾熱的等離子弧內(nèi)部，熔滴過渡受力、熔化極電流走向等都發(fā)生了很大變化，由此產(chǎn)生了這種工藝方法的一系列特點：焊絲熔化速度快、無飛濺、焊接過程穩(wěn)定，尤其對于鋁合金焊接還具有氣孔少、晶粒小、接頭質(zhì)量高等優(yōu)點[1-3]，型號生產(chǎn)中對產(chǎn)品的質(zhì)量要求高，采用該方法可以同時兼顧質(zhì)量和效率的要求。Plasma-MIG焊接系統(tǒng)采用雙電源供電，MIG電源和等離子電源對輸出特性有著特殊的要求，雙電源控制系統(tǒng)的控制參數(shù)較多，包括MIG保護氣、等離子弧保護氣、冷卻水、送絲機及機器人協(xié)助運動在內(nèi)的過程控制[4-5]。本文根據(jù)確定的焊接時序，采用PLC對焊接過程中各單元的動作順序進行控制，在焊接過程中采集等離子電流輸出值Ip作為焊接過程穩(wěn)定性判據(jù)，實現(xiàn)穩(wěn)定的雙弧復(fù)合焊接過程。

1? 系統(tǒng)搭建與控制流程

根據(jù)等離子電弧的靜特性，設(shè)計的Plasma-MIG焊接系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。采用Fornius TT4000電源為等離子弧供電，其他的硬件包括Fornius TPS5000 MIG電源和VR4000送絲機、Motoma-HP20D焊接機器人、Fornius Chilly08制冷水箱，以及水冷和氣路系統(tǒng)，Omron PLC作為控制系統(tǒng)核心。

按照焊接時序進行主控制系統(tǒng)的設(shè)計，對焊接機器人進行示教后生成焊槍運動程序，焊接開始指令下達后，檢查循環(huán)水箱和兩路保護氣的開關(guān)量，延時0.5 s，從人機界面上讀取設(shè)定的工藝參數(shù)并輸入焊機，同時機器人到達示教第一點，延時0.5 s去除機械臂抖動，然后送絲機動作，焊絲與工件接觸后短路爆斷引燃MIG電弧，在等離子電壓的作用下?lián)舸┉h(huán)形電極和MIG電弧的空氣，受水冷噴嘴拘束產(chǎn)生等離子弧，當(dāng)檢測到回路中同時存在IM和Ip后表示引弧成功，機器人開始行走，在焊接過程中進行循環(huán)檢測，當(dāng)IM和Ip其中之一為零時表示雙弧復(fù)合失敗，機器人停止行走，焊接結(jié)束?？刂屏鞒倘鐖D2所示。

2 起弧過程及雙弧穩(wěn)定性判據(jù)

Plasma-MIG焊接鋁合金時采用強制水冷的環(huán)形銅電極作為陽極，電極的下端面為平面，采用短路起弧的方式先建立起MIG電弧后，電弧空間被加熱，陽極平面上P點處存在兩條等離子電弧的起弧路徑，如圖3所示。

加熱氣體中的電離過程滿足Paschen定律[6]：

Us=

式中 Us為氣體擊穿電壓;d為兩極間距，此處是兩種路徑的長度;p為氣體壓力;A，B為試驗常數(shù);γ為二次電子發(fā)射系數(shù)。

當(dāng)溫度變化時以氣體密度代替壓力，Paschen定律可表述為經(jīng)驗公式[7]：

Us=24.55δd+6.66

氬氣還沒有類似的經(jīng)驗公式，但根據(jù)Paschen的形狀可以得出其擊穿電壓具有函數(shù)關(guān)系：

Us=f（δd）=F（pd/T）

在研究范圍內(nèi)，擊穿電壓Us與pd/T正相關(guān)，pd/T越小，Us越小，氣體越容易擊穿，模擬結(jié)果顯示，在整個電弧空間中，最佳起弧路徑是沿電極平面起弧點指向MIG電弧的頂端處，即圖3中的路徑1[8]。

焊接鋁合金薄板時需采用較小的MIG電壓，當(dāng)送絲速度較大時，電弧不能沿著焊絲爬升到足夠高度，等離子焊機的空載電壓小于臨界pd/T，不能引燃等離子電弧。在試驗中發(fā)現(xiàn)，等離子弧引燃后電弧空間的溫度升高，使得臨界pd/T變小，在降低MIG電壓后等離子電弧仍能穩(wěn)定燃燒，因此，針對薄板鋁合金的焊接過程，采用模式轉(zhuǎn)化方式起弧，在焊接開始之前根據(jù)起弧參數(shù)和焊接參數(shù)建立不同的作業(yè)模式，機器人接到起弧命令后和焊機進行通訊，首先調(diào)用低送絲速度和較高電壓的起弧模式，利于MIG電弧爬升至等離子陽極附近，引燃等離子電弧，當(dāng)檢測到回路中出現(xiàn)等離子電流后表明等離子電弧已經(jīng)點燃，之后切入正常焊接模式，起弧過程信號變化如圖4所示。

兩種電弧之間的耦合作用使得Plasma-MIG在焊接鋁合金時具有獨特的優(yōu)勢。在電磁作用和熱作用下電弧空間處于非平衡狀態(tài)，為了確定焊接過程中復(fù)合電弧的穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，添加電流反饋環(huán)節(jié)，將等離子回路中電流值Ip為穩(wěn)定性判據(jù)，Ip不為0時表明等離子電源工作正常，等離子電弧存在，雙弧復(fù)合成功;當(dāng)Ip為0時表明等離子電弧已經(jīng)熄滅，焊接過程存在故障，PLC將停止信號輸入到機器人，執(zhí)行熄弧和焊接停止指令。

3 人機界面設(shè)計

人機界面的設(shè)置可以簡化Plasma-MIG焊接中的檢氣、參數(shù)給定等操作。MFC 是微軟公司提供的一種面向?qū)ο蟮目梢暬幊唐脚_，實現(xiàn)了對大多數(shù)Windows API 的封裝，是目前最受歡迎的開發(fā)工具之一[9]。結(jié)合Plasma-MIG焊接過程的工藝特點，設(shè)計了如圖5所示的界面，可在觸摸屏上進行焊接參數(shù)選取、檢氣已經(jīng)急停等操作，通過點按按鈕可以進入相應(yīng)操作模塊，輸入工藝參數(shù)后通過D/A輸出到焊機中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后也可以在焊機面板上進行參數(shù)的更改，提高焊接效率。

4 試驗

在雙電源Plasma-MIG焊接系統(tǒng)上進行堆焊試驗，選取LF6鋁合金試板，尺寸為100 mm×200 mm×10 mm，焊前進行機械清理去除表面氧化膜，選用φ1.6 mm的2325焊絲，焊接工藝參數(shù)如表1所示。采用Plasma-MIG和MIG兩種方法得到的焊縫宏觀形貌如圖6所示，可以看出Plasma-MIG得到的焊縫魚鱗紋細密，成形良好，焊接過程中熔滴過渡形式為射滴過渡，無飛濺產(chǎn)生。

5 結(jié)論

根據(jù)Plasma-MIG復(fù)合電弧焊接的工作原理，設(shè)計了雙電源Plasma-MIG控制系統(tǒng)，利用PLC對焊接電源、焊接機器人進行協(xié)調(diào)控制，提出了適用于鋁合金的模式轉(zhuǎn)化起弧方式，并將回路中等離子電流大小作為電弧穩(wěn)定性判據(jù)。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足鋁合金的高質(zhì)量焊接需求。

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