孫 萍，李 朋

(1.山東體育學(xué)院，山東 濟南 250101；2山東奧太電氣有限公司，山東 濟南 250101)

0 前言

膜式水冷壁（以下簡稱膜式壁）管屏是鍋爐主要受壓部件，制造工作量大，周期長，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，是鍋爐制造的薄弱環(huán)節(jié)之一。目前國內(nèi)外主要采用埋弧焊和脈沖MAG焊兩種焊接方法焊制鍋爐膜式壁管屏。其中埋弧焊工藝焊速較高，但對焊劑處理和保存要求較高，只能采用單面焊接，焊后產(chǎn)品變形大。脈沖MAG焊能實現(xiàn)雙面同時焊接，工件受熱均勻，管屏變形小、焊縫成型飽滿、生產(chǎn)效率高，且熔深呈弧形，金屬流動性好，易獲得致密焊縫。同時脈沖電弧解決了普通MAG焊不易實現(xiàn)仰角焊和外觀尺寸不符合要求等技術(shù)難題。

脈沖MAG焊的熔滴過渡形式有三種[1]：多脈一滴、一脈一滴和一脈多滴，其中一脈一滴是最理想的過渡形式。本研究在設(shè)計合理的脈沖電流波形的基礎(chǔ)上，通過協(xié)同控制的方式實現(xiàn)弧長的快速、穩(wěn)定，對膜式壁焊接過程中的不穩(wěn)定因素具有較強的抗干擾能力。

1 脈沖電流波形設(shè)計

在脈沖焊接時，對熔滴過渡影響最大的是焊接電流波形。實驗證明，脈沖電流波形的形狀、大小決定著單個熔滴的過渡行為特性。在普通脈沖波形的基礎(chǔ)上增加了一個介于峰值電流和基值電流之間的過渡區(qū)，通過合理選擇過渡電流和過渡時間可提高熔滴過渡的可控性，使得熔滴過渡大多發(fā)生在峰值電流的下降沿至過渡區(qū)內(nèi)，有助于實現(xiàn)穩(wěn)定的一脈一滴。

1.1 普通脈沖電流波形

普通脈沖電流波形如圖1所示。焊接過程中，若因外部因素使某個周期內(nèi)熔滴的過渡時刻發(fā)生偏移[2]，幾個脈沖積累起來就會發(fā)生一脈多滴或多脈一滴現(xiàn)象，導(dǎo)致熔滴過渡的不均勻性和熔滴大小的不一致性，導(dǎo)致弧壓不一致，從而影響焊接質(zhì)量。

圖1 普通脈沖電流波形

1.2 具有過渡區(qū)的脈沖波形

為了控制一脈一滴的過渡熔滴的大小和均勻一致，較好的方法是控制波形的形狀。脈沖電流波形以下的面積確定了應(yīng)用于單個熔滴的能量大小,為此提出具有過渡區(qū)的脈沖電流波形[3]，如圖2所示。

具有過渡區(qū)的脈沖電流波形增加了一個介于峰值電流和基值電流之間的過渡區(qū)。其控制思想是：熔滴在峰值后期已經(jīng)形成，并沒有發(fā)生過渡，減小了熔滴對熔池產(chǎn)生的較大沖擊；通過合理選擇過渡電流和過渡時間，利用熔滴向下的動量和電磁力產(chǎn)生足夠大的力使熔滴脫離焊絲，保證了熔滴過渡的規(guī)則性和可預(yù)測性，為進一步實現(xiàn)弧長控制打下基礎(chǔ)。

2 當(dāng)前周期弧長閉環(huán)控制

焊接過程中，由于焊絲送進速度的不穩(wěn)定、手的抖動以及工件因熱而產(chǎn)生的變形，會引起弧長的不穩(wěn)定,所以單靠焊絲伸出長度的自身調(diào)節(jié)作用并不能保持電弧穩(wěn)定?；￠L控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 協(xié)同控制脈沖MAG焊控制框圖

為了保證弧長穩(wěn)定，選取電弧電壓作為表征電弧長度的反饋物理量[3]。根據(jù)實時弧壓反饋進行PI運算，運算結(jié)果調(diào)節(jié)基值時間Tb，當(dāng)運算結(jié)果與實際基值時間相等時當(dāng)前脈沖周期結(jié)束，從而保證弧長穩(wěn)定。當(dāng)前周期弧長變化示意如圖4所示。

圖4 當(dāng)前周期弧長變化示意

3 弧長協(xié)同控制技術(shù)

弧長協(xié)同控制技術(shù)是指針對由于焊接過程中干伸長變化引起的電壓降進行補償?shù)募夹g(shù)。

輸出電壓

式中 I為輸出電流；Rω為輸出電纜和接觸電阻；ρr為焊絲單位長度電阻；ls為干伸長；U0為電勢常數(shù)；Ra為電弧電阻；Ea為描述弧長和電弧壓降的常數(shù)。

當(dāng)干伸長減小，輸出電流減??；當(dāng)干伸長增加時，輸出電流增加。所以焊接輸出電流的變化反映了干伸長的變化趨勢。為了補償干伸長的壓降，根據(jù)上一周期電壓PI調(diào)節(jié)輸出的值來動態(tài)地改變，對當(dāng)前峰值電流進行動態(tài)調(diào)整，補償干伸長上的電壓，從而保證電弧上的壓降不變，弧長就可以保持不變。脈沖電流波形調(diào)整示意如圖5所示。

4 控制系統(tǒng)建立

單片機（MCU）和數(shù)字信號處理器（DSP）構(gòu)成雙機控制系統(tǒng)?？刂齐娐犯鱾€部件之間采用485數(shù)字通訊的方式連接。顯示板采用單片機（主機）控制，實現(xiàn)焊接狀態(tài)控制功能和電流、電壓給定等參數(shù)設(shè)定；DSP主控板進行運算功能，實現(xiàn)數(shù)字弧長控制算法和靈活的波形控制，從而精細控制熔滴過渡。控制框圖如圖6所示。

圖5 脈沖電流波形調(diào)整示意

圖6 控制系統(tǒng)框圖

5 焊接專家系統(tǒng)的建立

為了獲得一脈一滴過渡形式，焊接參數(shù)之間的配合尤為重要。每一種焊絲對應(yīng)一套專家數(shù)據(jù)，包括電流與電壓的對應(yīng)關(guān)系、脈沖電流波形的各個參數(shù)、弧長控制算法等。

在焊接某種材料時，設(shè)置脈沖參數(shù)對焊工來說較為困難。本研究設(shè)計的焊接專家系統(tǒng)[5]模仿焊接專家的知識和推理方法，指導(dǎo)焊接操作者快速掌握脈沖MAG焊接過程的軟件系統(tǒng)。具體過程如下：焊接操作者在焊機顯示面板上選擇焊絲牌號、焊絲直徑、保護氣體、母材厚度、送絲速度等輸入條件，焊接專家系統(tǒng)根據(jù)所選用的焊接條件推理確定頻率、脈沖電流控制波形的參數(shù)和控制算法。焊機顯示面板和遙控器面板如圖7所示。

圖7 焊機顯示面板和數(shù)字遙控器面板

焊接規(guī)范調(diào)節(jié)流程：（1）在控制面板上選擇好焊絲材料、焊絲直徑；（2）將遙控器電壓旋鈕調(diào)節(jié)到標準位置；（3）調(diào)節(jié)電流旋鈕就可進行焊接。

6 20頭膜式壁自動焊應(yīng)用實例

6.1 焊接設(shè)備及主要參數(shù)

某軍區(qū)鍋爐廠目前擁有的脈沖MAG膜式壁自動焊機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。管子及扁鋼材質(zhì)為低碳鋼及低合金鋼。

焊機選用山東奧太Pulse MIG-500逆變焊機，ESS-500S光柵轉(zhuǎn)速反饋送絲機，TBI-511直柄水冷焊槍。焊槍排布結(jié)構(gòu)是：上6+下6+上4+下4。

6.2 焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)范圍如表2所示，碳鋼焊接時采用SM-70焊絲，直徑φ1.2 mm，保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣。

焊接效果如圖8所示。

表1 膜式壁自動焊機技術(shù)參數(shù)

表2 焊接工藝參數(shù)

7 結(jié)論

具有過渡區(qū)的脈沖波形提高了熔滴過渡的可控性，當(dāng)前周期弧長控制和弧長協(xié)同控制技術(shù)保證整個焊接過程中電弧長度的穩(wěn)定。

圖8 焊接效果

基于以上技術(shù)的脈沖MAG焊機已經(jīng)在20頭的膜式壁自動焊中成功應(yīng)用，各項焊接指標全部達到工藝要求。

[1]林三寶.電弧焊基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]蒙永民.GMAW-P焊熔滴過渡模糊控制的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2001.

[3]李 朋.逆變焊機波形控制技術(shù)[J].電焊機，2009，39（2）：38-42.

[4]王偉明.逆變式GMA單脈沖和雙脈沖焊機數(shù)字控制系統(tǒng)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2004.

[5]彭金寧，陳丙森.焊接專家系統(tǒng)在我國的發(fā)展[J].焊接，1993（11）：10-15.