何寬芳 黃石生 李學軍 肖冬明

1.湖南科技大學，湘潭，411201 2.華南理工大學，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，近年來國外研制和生產(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，通過對兩根焊絲能量參數(shù)分別進行控制，能有效避免咬邊、駝峰等缺陷，在高速焊時可以獲得較好的焊縫成形質(zhì)量。

目前，國內(nèi)在雙電弧高速埋弧焊方面的研究尚處于起步階段[9－10]。國內(nèi)市場出現(xiàn)的雙電弧共熔池埋弧焊裝備的兩電弧是沒有協(xié)同關(guān)系的，兩電弧彼此獨立，參數(shù)由電位器給定，存在焊接過程參數(shù)管理及調(diào)節(jié)不方便、操作過程復雜、焊縫成形差等缺陷，限制了這類裝備在高速焊接領(lǐng)域的推廣和應用。雙電弧串列共熔池埋弧焊接過程中，各焊絲（串列）不在同一位置，每根焊絲需按一定時序關(guān)系引弧、收弧才能獲得好的焊接效果。筆者針對雙電弧高速埋弧焊裝備存在的問題，結(jié)合工控機和PLC數(shù)字化控制技術(shù)，成功研制了基于工控機和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結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足設計要求，能實現(xiàn)良好的雙電弧高速埋弧焊工藝。

1 兩電弧時序關(guān)系

雙電弧共熔池埋弧焊典型的焊縫成形特點如圖1所示，由圖1可見，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，焊接過程中主從焊機的焊絲串聯(lián)排列，如圖2所示。圖2中，“1”表示主從焊機為啟動狀態(tài)，“0”表示主從焊機為停止狀態(tài)。主機焊絲所處位置為B，從機焊絲所處位置為A。焊接過程中，兩根焊絲起弧同時燃燒和熄滅時，AB段焊縫只在從機電弧作用下成形，BC段焊縫在兩電弧共同熱作用下成形，CD段焊縫只在主機電弧作用下成形。從整個過程可以看出，相對于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，兩電弧沒有數(shù)字化協(xié)同控制。

圖1 無協(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序關(guān)系

圖3 雙電弧共熔池埋弧焊時序控制方案

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，可按一定的時序關(guān)系對2臺主機電源和行走機構(gòu)的起停動作進行控制，其時序關(guān)系如圖3所示。焊接開始時，先啟動主機電源和行走機構(gòu)，電弧引燃后，按預先選定的焊接速度進行焊接，當后面焊絲移到B位置時，啟動從機電源。從機電源啟動后，主從焊機按預先選定的工藝參數(shù)在整個焊接過程中穩(wěn)定運行。焊接結(jié)束，即當前面電弧移到D位置時，立即斷開主機電源并停止送絲，行走機構(gòu)繼續(xù)行走，當后面電弧移到D位置時，先停止行走并降低焊接電流和電壓，利用電弧回燒填滿弧坑，最后切斷從機電源并停止送絲。通過對兩主機電源及行走機構(gòu)進行時序關(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)，通過計算機軟件編程可很方便地實現(xiàn)這一過程：焊接起動時，先啟動主機電源、送絲和行走機構(gòu)，經(jīng)一定延時后啟動從機電源并送絲；焊接結(jié)束時，先切斷主機電源并停止送絲，經(jīng)一定延時后停止從機電源、送絲和行走機構(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。所設計的雙電弧高速焊數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)中，2臺逆變焊接電源設定為主從模式，主機電弧在前，從機電弧在后。2臺電源都采用恒流外特性。為了避免兩電弧相互干擾，主機采用直流逆變電源，從機采用交流方波逆變電源。焊絲之間的距離范圍為25～35mm，前絲導電嘴保持垂直，后絲導電嘴與前絲導電嘴的夾角為10°，后絲導電嘴略微前傾能使熔深減小、熔寬增大，可增大對熔池前方母材的預熱，這對主機電弧是有利的。

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、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FX2N－4DA和2個FX2N－4AD擴展模塊分別用于數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換，各模塊功能如下：①數(shù)字量傳輸，把計算機輸出的數(shù)字信號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臺逆變電源、送絲機構(gòu)和行走機構(gòu)的啟動與停止；②數(shù)模轉(zhuǎn)換，對2臺逆變電源焊接電流、電壓進行設定和焊接速度進行設定；③模數(shù)轉(zhuǎn)換，對2臺逆變電源焊接電流、電弧電壓和小車行走速度進行采樣，采集的信號由計算機進行實時處理和顯示。雙／三電弧埋弧焊過程數(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備運行復雜、繁瑣，合理的軟件流程和結(jié)構(gòu)是保證焊接過程有效控制的關(guān)鍵，通過軟件編程可以方便、靈活地控制2套埋弧焊接系統(tǒng)的時序關(guān)系及過程參數(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。本文采用的計算機與PLC通信主要是通過RS422轉(zhuǎn)換RS232接口進行的。在工控機Windows操作系統(tǒng)中，采用DELPHI進行通信程序的設計，實現(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，分別對該控件Input屬性和Output屬性編程來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送的操作。工控機接收數(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)軟件的設計與實現(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焊接裝備的使用，協(xié)同控制過程復雜，系統(tǒng)軟件適應性與穩(wěn)定運行更為重要。協(xié)同控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化程序設計，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程中主從機2臺電源之間的協(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)的設定，實現(xiàn)對反饋采樣信號的處理，對焊接過程的實時監(jiān)控、焊接參數(shù)的動態(tài)顯示以及對焊接時序進行設置等功能。

根據(jù)以上要求，本軟件主要包括四大部分，即主從機的焊前準備部分、引弧部分、焊接過程實時控制部分以及收弧部分。主從機的各部分程序通過協(xié)同控制實現(xiàn)時序控制。將協(xié)同控制模塊的參數(shù)預置程序、啟動程序、起弧時序控制程序、焊接過程監(jiān)測程序、收弧時序控制程序、通信部分的發(fā)送和接收程序編成相應的函數(shù)，其中主要的函數(shù)結(jié)構(gòu)和流程設計如下：

（1）參數(shù)預置函數(shù)，該函數(shù)用于焊接系統(tǒng)參數(shù)的設置，表示為Csyzhs，并設定函數(shù)返回值（16進制數(shù)，用后綴 H 表示）為F1、F2、F3，用于判斷參數(shù)設置的有效性。該函數(shù)流程如圖6所示。調(diào)用該函數(shù)時，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)預置

（2）起弧控制函數(shù)，該函數(shù)用于兩焊絲起弧的時序控制，表示為Qhkzhs，并設定函數(shù)返回值為Fq1、Fq2、Fq3，用于判斷起弧是否成功，F(xiàn)q1、Fq3為1時表示起弧成功，F(xiàn)q1、Fq3為0時表示起弧失敗。前絲起弧后，F(xiàn)q2用于判斷延時是否為后絲以焊接速度v移動焊絲間距l(xiāng)所需的時間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)實現(xiàn)2根焊絲按一定的時序起弧。

（3）焊接過程監(jiān)測函數(shù)，該函數(shù)表示為Hjgcjchs，并設定函數(shù)返回值為Ix1、Ix2、Ux1、Ux2，用于將采集到的電流、電壓信號由前臺界面顯示。該函數(shù)運行過程中，實時采集及顯示由霍爾傳感器拾取的電流和電壓。對2臺弧焊電源監(jiān)測的函數(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 焊接過程監(jiān)測

（4）焊接停止時，需調(diào)用收弧控制函數(shù)，該函數(shù)表示為Shkzhs，并通過設定的函數(shù)返回值Fs來判斷收弧是否成功。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)實現(xiàn)兩根焊絲按一定的時序收弧。

圖9 收弧控制

3 雙絲高速焊試驗結(jié)果

焊接試驗條件：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）進行控制，采用堆焊方法進行焊接。在該試驗條件下進行了3組工藝試驗，試驗工藝參數(shù)如表1所示，運行計算機協(xié)同控制系統(tǒng)，選擇起弧、收弧程序，得到相應的焊縫外觀，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，焊接過程無短路、無斷弧，焊接過程穩(wěn)定，焊縫起弧、收弧效果好，焊縫成形好。

由試驗結(jié)果（表1和圖11）可見，采用計算機協(xié)同控制的雙電弧埋弧焊試驗，焊接過程穩(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。說明了本文設計的雙電弧埋弧焊數(shù)字化協(xié)同控制系統(tǒng)，適用于單雙電弧埋弧自動焊接，而且焊接過程系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)論

（1）工控機和PLC的應用大大簡化了雙電弧高速埋弧焊控制系統(tǒng)的硬件設計，可通過軟件實現(xiàn)雙電弧高速埋弧焊起弧、收弧和焊接過程中兩電弧的時序控制。

（2）應用研制的雙電弧高速埋弧焊裝備進行雙電弧高速埋弧焊試驗，試驗結(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.國內(nèi)外埋弧焊的發(fā)展狀況[J].電焊機，2006，36（4）：1-6.

[2]李遠波，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].華南理工大學學報（自然科學版），2003，31（5）：39－42.

[3]梁衛(wèi)東，馬躍洲，高輝云.埋弧自動焊數(shù)字控制器設計[J].焊接學報，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.先進制造技術(shù)的發(fā)展與焊接技術(shù)的未來[C]／／第八次全國焊接會議論文集.北京，1997：1－17.

[10]孟慶國，方洪淵，徐文立.雙絲焊熱源模型[J].機械工程學報，2005，41（4）：110－113.