李紅英，王 群

(1.河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山 063000;2.湖南株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001)

引言

金屬焊接方法多種多樣，特別是二十世紀(jì)20年代開始的電阻焊接技術(shù)開始應(yīng)用在薄板的焊接當(dāng)中，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，制作成系列的窄搭接焊機，大量應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)的薄板處理生產(chǎn)線中。隨著板材強度的增大，不銹鋼、低碳鋼、高硅鋼等板材的加工增多，應(yīng)用電阻焊技術(shù)的窄搭接焊機焊接的質(zhì)量及成功率大大降低。而激光焊接技術(shù)因焊接材質(zhì)范圍廣，焊接效果好，能耗低，越來越多在鋼鐵企業(yè)中應(yīng)用。

1.激光焊機簡介

1.1 激光

從1960年，梅曼在量子電子學(xué)發(fā)展的成果上發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，到1971年出現(xiàn)了第一臺商用1kW 的CO2 激光器開始，激光器的發(fā)展非常迅速，各種實用化的固體激光器和CO2氣體激光器不斷出現(xiàn)。由于激光與物質(zhì)相互作用機理研究的發(fā)展和激光輸出功率的提高，使激光器走出了實驗室成為了工業(yè)材料加工的重要設(shè)備。隨著CO2氣體激光器由幾千瓦發(fā)展到上萬瓦，光波輸出發(fā)展為連續(xù)輸出方式;光束的發(fā)散角做到幾個毫弧度，進(jìn)一步推動了激光的應(yīng)用。由于激光的單色性好、方向性好、相干性好、亮度高等優(yōu)點，作用于物體時，會引起物體快速熱效應(yīng)，適合于金屬材料的融化焊接。

1.2 激光焊接技術(shù)特點

激光焊接范圍比電阻焊接范圍廣，能焊接電阻焊接技術(shù)所不能焊接的特殊鋼品種，如高硅鋼、高強鋼、不銹鋼及低碳鋼等。因熱輸入量小、深寬比大，所有熱影響區(qū)小，工件收縮和變形較小。焊道窄且表面質(zhì)量好，焊縫強度高，具有較高的靜載強度和抗疲勞強度?？蓪崿F(xiàn)異種材料的焊接，焊接速度通常比其他焊接工藝快，可減少后處理工序(如焊縫的清潔)等優(yōu)點。

1.3 CO2激光產(chǎn)生機理

CO2激光發(fā)生器需要 CO2、N2、He 三種混和氣體，混合比例為:6%、28%、66%。在CO2 激光發(fā)生器中，當(dāng)外部輸入高頻電磁波能量時，N2分子躍遷到較高的能級。N2分子與CO2分子發(fā)生自然碰撞，將能量傳遞給CO2分子。高能級的CO2 分子通過多級能級躍遷，發(fā)射波長為10.6m 的激光光束。殘余能量部分傳遞給He 原子，其余以熱量的形式釋放。

1.4 激光焊接原理

當(dāng)板材在足夠高的功率密度激光束照射下，材料吸收光能而加熱融化，產(chǎn)生小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能量，孔內(nèi)溫度可達(dá)25000 度。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍這個孔腔的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生高溫蒸汽，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周圍著固體材料。孔壁外液體流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持動態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔內(nèi)液體在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速度向前移動，熔融金屬填充著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，將兩材料斷面互溶并焊接在一起，形成焊縫。

2.激光焊機主要設(shè)備組成

2.1 出、入口夾緊裝置

帶頭、帶尾因端面不平整，需要進(jìn)行剪切。為此需要使用夾鉗牢固夾持帶頭帶尾，進(jìn)行剪切，在焊接時，也需要夾持帶鋼。而且出、入口鉗口要等高，還要能均勻地壓緊帶鋼。夾鉗在電機驅(qū)動下可以橫向移動，使帶頭、帶尾中心線與機組中心線重合。

2.2 焊接C型車架

焊接與回程時車架都要平穩(wěn)地快速移動，車架移動機構(gòu)采用交流變頻電機驅(qū)動，滿足不同鋼種的焊接速度要求。車架上安裝有激光發(fā)生器、焊接頭及其他輔助焊接設(shè)施。

2.3 車架內(nèi)置雙刃剪切機構(gòu)、沖孔及廢料輸出裝置

采用雙刃剪同時剪切帶頭、帶尾以保證兩剪邊的平行度。下剪刃可以升降以讓開夾鉗，上剪刃由液壓油缸提供剪切力。剪切廢料由輸出裝置送入廢料箱。在上、下刀架上安裝有信號孔沖模，在剪切時即可打出焊縫位置信號孔。

2.4 激光系統(tǒng)

安裝在C 型車架上。主要產(chǎn)生用來焊接的激光束，包含有電源、激光發(fā)生器、光路、激光功率控制系統(tǒng)等部分。能按照要求輸出所需要的功率，經(jīng)凹鏡反射和透鏡聚焦，在帶鋼中心匯集出激光點。

3.焊接過程

前一帶鋼尾部由生產(chǎn)線控制停止在焊機剪刀處，由焊機控制進(jìn)行對中，然后出口夾鉗夾緊帶鋼，等待下一卷帶鋼的帶頭定位到焊機剪刀處，進(jìn)行焊機入口部分對中，入口夾鉗夾緊帶鋼。當(dāng)帶頭帶尾都準(zhǔn)備好了后，進(jìn)行剪切，入、出口夾鉗導(dǎo)板臺將剪切后的帶頭帶尾對接到焊接位置，邊部定位輪、激光頭導(dǎo)向輪、平整輪壓下，焊接小車往驅(qū)動側(cè)移動檢測到帶鋼后打開激光快門進(jìn)行焊接，當(dāng)光柵檢測不到帶鋼后結(jié)束焊接，關(guān)閉激光快門，打開出、入口夾鉗，焊接完成。

4.控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)機組發(fā)過來的帶鋼參數(shù)，如帶鋼厚度、寬度、材質(zhì)等級等，焊機根據(jù)該信息，在數(shù)據(jù)庫中查找對應(yīng)的焊接參數(shù)，進(jìn)行焊接。機組PLC 與焊機PLC之間的通訊，采用以太網(wǎng)絡(luò)連接。焊機中的位置信號檢測、動作到位反饋等信息，通過AI 或DI 模塊，輸入PLC。離PLC 安裝位置較近的部件，直接由PLC輸出模塊控制，距離較遠(yuǎn)的部件，利用DP 網(wǎng)絡(luò)掛從站的方式控制，減少長距離布線數(shù)量，提高可靠性。激光頭位置需根據(jù)板材的不同厚度，調(diào)整聚焦點與板材表面間的距離，采用步進(jìn)方式控制，控制精度可以達(dá)到0.01mm?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

5.硬件組成

采用西門子S7－300 系列作處理單元，型號選用319－3PN/DP，主要通訊采用Profibus DP 網(wǎng)，操作站采用19 寸 TFT 觸摸屏顯示器，遠(yuǎn)程 I/O 采用ET200S 系列。由S7－300、現(xiàn)場各編碼器、遠(yuǎn)程I/O ET200S 站、激光源控制柜、預(yù)熱/退火控制柜等設(shè)備共同組成一個PROFIBUSDP 網(wǎng)，實現(xiàn)激光焊機的基本自動化控制和各部件的定位控制。由S7－300 與生產(chǎn)線PLC 組成TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)，用于帶鋼數(shù)據(jù)的傳輸和信號接口的傳輸。

6.焊接小車速度控制

焊接小車的運行速度在焊接過程中，對焊縫質(zhì)量影響較大。在焊接過程中，要求速度穩(wěn)定均勻，與設(shè)定值保持一致，否則，將嚴(yán)重影響焊接效果。焊接小車裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，傳動絲桿的節(jié)距設(shè)計為20mm，編碼器每轉(zhuǎn)一周記數(shù)4096 個，這樣編碼器會產(chǎn)生每毫米4096/20 增量的軸分辨率，把小車的行走速度反饋給控制器，由控制器調(diào)節(jié)馬達(dá)來確保焊接小車的行走速度穩(wěn)定和跟隨設(shè)定速度。其速度控制原理如圖2 所示，控制器根據(jù)PI 運算法則運行。

圖2 速度控制原理圖

7.焊接控制流程圖

在程序中，采用模塊化設(shè)計，分布式編程。每個模塊含有一些設(shè)備和任務(wù)的邏輯指令，實現(xiàn)特定功能，OB1 依次調(diào)用每個塊，完成焊接順序控制。這種方式易于幾個人同時編程，而相互之間沒有沖突;便于對程序調(diào)試和故障的查找;CPU 可以有效利用。焊接主程序控制流程圖如圖3 所示。

圖3 主程序控制流程圖

8.結(jié)束語

本文探討了激光焊接的優(yōu)勢及焊機設(shè)備組成，并對其控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計，擴大焊機設(shè)備的焊接材質(zhì)范圍，滿足鋼鐵企業(yè)對高強鋼和特殊鋼的焊接需求。

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