基于PLC的鎳板對接等離子弧焊過程控制

沈亮， 趙倩， 武強強， 烏蘭， 徐永勝

(1.西北民族大學(xué)，蘭州 730030；2.蘭州華僑實驗學(xué)校，蘭州 730030)

0 前言

鎳具有耐高溫、抗腐蝕的性能，尤其在高溫下更為顯著，這些性質(zhì)使得鎳及鎳合金在國防、航空航天、真空儀器儀表、通訊領(lǐng)域等有著較為廣泛的使用[1-3]。由于液態(tài)鎳的特性，決定了焊接熔池容易形成氣孔；同時Ni與P，S結(jié)合易產(chǎn)生裂紋。為此，在焊接時，一般在氣體保護下或隔絕外界環(huán)境的條件下采用高能量密度的焊接方法[4-5]。非熔化極氣體焊都可以用來焊接鎳。其中，等離子弧焊能量集中，焊接過程焊縫成形美觀、質(zhì)量好，在焊接鎳及鎳合金時效果更好。但是等離子弧焊焊接時，影響焊接質(zhì)量穩(wěn)定的外因較多，如：焊接電流、電弧電壓、保護氣體流量、離子氣體流量等[6]。實際焊接過程中焊接參數(shù)設(shè)定繁瑣、焊接控制動作復(fù)雜，焊接質(zhì)量較難保證，因此，它的應(yīng)用一直受到限制。

若采用自動控制系統(tǒng)對等離子焊接過程的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，則可以大幅度的提高焊接過程的穩(wěn)定性，提高焊接質(zhì)量[7]。PLC(可編程控制器)有運算速度快、指令強大、可靠性強的優(yōu)點；同時，觸摸屏具有操作簡單、界面友好、節(jié)省空間等優(yōu)點，采用觸摸屏可以對系統(tǒng)進行集中控制，從而提高對系統(tǒng)的可操作性；二者的相互結(jié)合已經(jīng)在工業(yè)自動化的很多領(lǐng)域得到運用[8]。因此設(shè)計了以PLC為處理單元，結(jié)合觸摸屏人機界面技術(shù)對等離子弧焊控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，在鎳板焊接中取得了很好的效果。

1 等離子弧焊系統(tǒng)的組成

以PLC為處理單元，觸摸屏為操作界面的等離子弧焊系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

觸摸屏選用MT6070iH，尺寸為7寸[9]；該觸摸屏支持USB1.1和USB2.0兩種類型，可以連接U盤，打印、輸入、等外部USB設(shè)備；提供了RS-485和RS-232兩種通訊接口；同時屏幕支持100 M的計算機局域網(wǎng)通訊，傳送資料速度快捷，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

PLC采用CP1H-X40DT-D型，可進行RS-232C 通信或RS-422A/485 通信，由于RS-485具有可靠性高、抗干擾性強、傳送距離遠等優(yōu)點，故該系統(tǒng)采用RS-485與PLC通訊，完成觸摸屏與PLC之間的數(shù)據(jù)交換。焊接時PLC分別對焊接電源，行走機構(gòu)，氣路系統(tǒng)的電磁氣閥及送絲系統(tǒng)進行控制。

焊接電源采用WS-400型焊機和TIG-200型焊機。WS-400焊機作為主弧電源，其采用IGBT逆變技術(shù)，選配有線遙控器后，可實現(xiàn)遠距離遙控操作。維弧電源選用小功率的TIG-200型焊機，該焊機采用MOSFET逆變控制技術(shù)，起弧容易，操作簡便。兩臺焊機相互獨立，系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性得到了提升。

行走小車負責(zé)載著待焊接鎳板做勻速運動，該小車由直流電動機旋轉(zhuǎn)帶動絲杠運動，通過控制電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)節(jié)焊接速度的效果。

直流電動機的轉(zhuǎn)速n表示為：

(1)

由公式可知，改變電樞供電電壓Ua可以實現(xiàn)達到旋轉(zhuǎn)速度的改變，改變電樞電壓的正負達到電動機轉(zhuǎn)動換向。同時，在PLC上增加模擬量輸入/輸出模塊CPM1A-DA041，通過改變電樞供電電壓，實現(xiàn)對行走小車的控制。

送絲機采用SB-11-P型送絲機，該款送絲機的焊絲直徑范圍為0.8～1.6 mm，送絲速度介于0.15～2 m/min，可以實現(xiàn)等離子弧焊過程中的送絲要求。

2 PLC控制系統(tǒng)及人機界面的設(shè)計

等離子焊接時序圖如圖2所示。PLC控制整焊接過程，實現(xiàn)自動焊接；行走機構(gòu)利用調(diào)速裝置控制電動機帶動絲杠，絲杠上放置小車，當絲杠旋轉(zhuǎn)時，小車帶動工件行走；氣路系統(tǒng)通過電磁閥控制，氣體由氣瓶流經(jīng)減壓器、電磁閥，由流量計設(shè)定氣體流量，最后通入焊槍；在焊接過程中，由冷卻水箱提供焊槍的冷卻水循環(huán)，水循環(huán)由兩部分組成。第一部分：水冷焊槍。冷卻水流經(jīng)焊槍、噴嘴形成回路。第二部分：冷卻襯墊。通過給紫銅材質(zhì)的襯墊通入冷卻水，實現(xiàn)對工件的冷卻效果。在沒有水循環(huán)冷卻等離子焊槍的條件下進行焊接，會造成等離子焊槍的燒損，所以在焊接時要保證水循環(huán)的暢通?？紤]到水循環(huán)的重要性，該系統(tǒng)將水循環(huán)系統(tǒng)的開關(guān)作為整套系統(tǒng)的開關(guān)，這樣就確保了在水循環(huán)打開時進行焊接操作。

圖2 等離子焊接時序圖

該系統(tǒng)有參數(shù)預(yù)置、自動焊接兩個模式，試焊選用參數(shù)預(yù)置模式，通過觸摸屏打開離子氣、保護器開關(guān)，用流量計調(diào)節(jié)氣體流量、輸入小車速度(焊接速度)、送絲速度，完成焊接參數(shù)的預(yù)設(shè)。在設(shè)定完參數(shù)后，起維弧手動控制小車行走對焊縫進行對中，待焊縫對中，參數(shù)確定無誤后，準備工作完成恢復(fù)到自動擋；按下自動焊接按鈕后按照PLC設(shè)定的操作順序自動操作。首先使焊槍壁與鎢極建立維弧，然后鎢極與工件建立主弧，在焊槍與工件建立主弧之后斷開維弧；在焊接完畢時按下結(jié)束按鈕停止工件焊接。另外，獨立于PLC控制系統(tǒng)設(shè)定了物理急停按鈕，在出現(xiàn)緊急情況時可切斷電源防止發(fā)生意外。PLC控制流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制流程圖

該系統(tǒng)采用Easy Builder 8000工業(yè)編程設(shè)計軟件對屏幕窗口進行設(shè)計。它是用來進行人機界面(HMI)設(shè)計的專用軟件，功能強大，可以用來顯示參數(shù)，設(shè)置參數(shù)和實時控制。在開始一個新的工程時可以選擇所需的觸摸屏型號及與PLC通訊的協(xié)議。所有通過Easy Builder 8000作圖軟件配置到畫面上的內(nèi)容，都稱為元件。作圖軟件對象列表中以對象的形式分類列出許多元件，在使用時，只需要調(diào)出相應(yīng)的元件，在其屬性窗口中設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，并配置到界面上合適的地方即可。這樣的畫面制作方式，稱之為組態(tài)畫面制作方式。在Easy Builder 8000中，與各元件相關(guān)的PLC地址、系統(tǒng)內(nèi)部存儲器等，都是通過變量來定義、使用的。所有在界面中使用的按鍵變量都要通過變量定義的方式進行與PLC地址或系統(tǒng)內(nèi)部存儲器關(guān)聯(lián)定義，然后才可以使用。該系統(tǒng)操作界面如圖4所示，通過參數(shù)預(yù)置按鈕可以提前調(diào)節(jié)建立維弧，氣體流量開啟，焊接速度(小車速度)、送絲速度等參數(shù)。

圖4 等離子弧焊操作界面

3 工藝試驗

3.1 不填絲熔焊試驗

試驗采用不填絲熔焊的方法，對6 mm厚度的N6鎳板進行焊接。焊槍采用TX-3型等離子焊槍，噴嘴采用直徑為3.2 mm的圓柱單孔噴嘴，孔道比為1，鎢極直徑4.8 mm，焊接前用鎢極限位塞規(guī)將內(nèi)縮量控制在2.5 mm，焊接時噴嘴距離鎳板8 mm。不填絲焊接工藝參數(shù)見表1，圖5、圖6、圖7分別為不同參數(shù)下不填絲焊縫形貌。

表1 不填絲焊接參數(shù)

圖5 A組焊縫形貌

圖6 B組焊縫形貌

圖7 C組焊縫形貌

3.2 填絲熔焊試驗

在相同的焊接控制系統(tǒng)下，該試驗還采取了填絲焊接6 mm厚度N6鎳板的試驗。試驗采用直徑為1 mm的ERNi-1焊絲作為填充焊絲，焊接時，通過送絲嘴將焊絲送入電弧下方，送絲嘴與焊槍夾角為60°。 ERNi-1焊絲的成分見表2，焊接參數(shù)見表3，圖8、圖9、圖10為分別不同焊接工藝參數(shù)下填絲焊縫形貌。

表2 ERNi-1焊絲的化學(xué)成分 (質(zhì)量分數(shù)，%)

表3 填絲焊接參數(shù)

圖8 D組焊縫形貌

圖9 E組焊縫形貌

圖10 F組焊縫形貌

4 結(jié)論

通過多組試驗證明，該套等離子弧焊控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。觸摸屏的使用，將繁瑣的參數(shù)調(diào)節(jié)集中化設(shè)置，參數(shù)設(shè)定更加便捷，簡化了焊接操作過程，整套控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)6 mm厚度N6鎳板的對接焊接需求，確保了焊接質(zhì)量。