镍板拼接等离子弧焊控制系统的研制

2013-08-06陈克选柴廷玺

电焊机 2013年9期

肖军，陈克选，柴廷玺

（兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

0 前言

镍及镍合金板带材生产线中，拼焊工序是衔接热轧与冷轧的关键工序，拼焊接长可为后续冷轧工序提供大卷重坯料。通常来说，镍及镍基合金的焊接可以采用焊条电弧焊、TIG、MIG、埋弧焊等焊接方法，但镍及镍基合金的热导率低、电阻率大，如果采用自由电弧焊接时热输入不易控制，可能导致HAZ大和晶粒粗化，从而降低焊接接头的组织力学性能。1954年,美国Union Carbide公司的Robert Gage发现，经过压缩的电弧能量更加集中，电弧温度和射流速度大幅度提高，这种压缩电弧也可用于焊接[1]。等离子弧为压缩电弧，能量密度高，能实现中厚板单面焊双面成形，焊缝热影响区窄、焊接变形小。因此，等离子弧焊可视为镍板拼接的最佳选择，但是等离子弧焊设备相对于普通弧焊设备更复杂，工艺参数多。基于此，设计了一套以PLC为控制核心的自动等离子弧焊设备。主电路由两个逆变电源供电，并以欧姆龙公司的CP1H型PLC为控制核心实现焊接过程的自动控制。

1 等离子弧焊设备的组成

本研究研制的等离子弧焊设备主要组成包括焊枪、焊接电源、气路系统、水路系统、机械装置、小车行走系统、PLC控制系统等。焊枪可以产生高能量密度的等离子弧；本设备采用两台独立焊接电源供电，其中一台为维弧电源，另一台为主弧电源，由于两者互不干扰，这样就提高了设备的稳定性；气路系统为焊接提供离子气和保护气；水路系统主要起到冷却焊枪和铜衬垫的作用；小车行走系统调节焊接速度和焊枪高度；最关键的部分就是PLC控制系统，其控制着等离子弧焊过程中的一系列动作，具体控制要求主要有[2]：

（1）等离子弧焊枪固定于工作台上，由小车载着工件移动，可以实现小车电路通断自动控制。

（2）实现对焊接电源和送气系统的控制，自动完成提前送气、接通焊接电源、切断电源及停止送气等一系列动作。

（3）利用开关切换完成等离子弧引弧及非转移弧与转移弧的切换。如果引弧失败，系统能暂时停止执行下一步程序，通过系统自动或人工手动引弧，直到引弧成功，才能继续下一个过程。

（4）在焊接前逐个打开气阀试气，检查气路是否畅通并预调离子气和保护气流量。

（5）小车撞上行程开关或按下停止按钮后，先停焊机，延时送气，小车停止行走。

（6）出现紧急状态时按急停键，焊接电源和工件行走电机立即停止工作。

（7）循环水箱的启动开关也是控制柜的电源启动开关，可保证只有在接通冷却水的情况下才能进行焊接。

2 控制系统的硬件电路设计

由于镍板厚度为6 mm，需采用穿透型等离子弧焊的焊接方法。控制系统示意如图2所示，具体要求为：有预置和自动两个档，焊前准备时按下预置档能够调节气体流量、焊枪高度、焊枪对中、小车的行走速度以及送丝速度，待焊前准备工作完成恢复到自动挡；按下启动按钮先起维弧，之后起主弧，在主弧建立之后立即切断维弧；在焊接即将结束时按下停止按钮即可停止焊接，若焊接过程出现紧急情况可按下急停按钮，则可立即切断焊接电源停止焊接。其中PLC的I/O口的地址对照如表1所示。

图1 控制系统原理

3 控制系统PLC程序设计

穿透型等离子弧焊接过程中一系列动作的时序为：做好焊前准备工作以后，按下启动开关，通离子气；延迟2 s，维弧焊机开关闭合，焊枪喷嘴与钨电极之间建立非转移弧；延迟2 s，通保护气；延迟2 s，主弧焊机开关闭合，钨电极与工件之间建立转移弧；转移弧产生以后立即切断非转移弧；延迟2 s，焊接小车开关闭合，小车开始行走；待焊接即将结束时按下停止按钮，小车停止行走；延迟2 s焊接电源和离子气气阀断开；延迟10 s保护气气阀断开，停止送气。如果焊接过程中遇到紧急情况，可以按急停开关，则可立即切断焊接电源，从而停止焊接。根据此焊接时序进行PLC编程，其控制时序如图2所示。