竇曉堯

（寶鋼特鋼有限公司，上海 200000）

等離子焊接設(shè)備及控制研究

竇曉堯

（寶鋼特鋼有限公司，上海 200000）

本文介紹了特鋼冷軋廠拼卷機(jī)組GUILD焊機(jī)的焊接原理、過(guò)程、工藝參數(shù)及控制系統(tǒng)，分析了焊接過(guò)程中的焊接動(dòng)作和順序。

GUILD；等離子焊接；控制

1　概述

特鋼冷軋廠拼卷機(jī)組采用的是美國(guó)GUILD焊機(jī)制造廠的第四代寬帶鋼等離子焊機(jī)，在冷軋廠的生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。通過(guò)近3年的焊縫質(zhì)量跟蹤和分析，此焊機(jī)的焊接性能是較為可靠的。為了適應(yīng)新的材料研發(fā)，進(jìn)一步提高焊縫的質(zhì)量，減少焊縫的斷帶率，對(duì)此等離子焊機(jī)的焊接參數(shù)作合理調(diào)整［1］。利用分析處理工藝參數(shù)的功能，對(duì)焊機(jī)的控制參數(shù)、焊接程序和焊接參數(shù)進(jìn)行了研究。

2　焊機(jī)類型及參數(shù)

拼卷機(jī)組的焊機(jī)類型為：PLASMA雙頭焊機(jī)。PLASMA焊是氣體由電弧加熱產(chǎn)生離解，在高速通過(guò)水冷噴嘴時(shí)受到壓縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧。它的穩(wěn)定性、發(fā)熱量和溫度都高于一般電弧，因而具有較大的熔透力和焊接速度。形成等離子弧的氣體和它周圍的保護(hù)氣體一般用氬。采用兩個(gè)焊頭完全是為了滿足冷軋項(xiàng)目中特種帶鋼的需要。

焊機(jī)參數(shù)如下：①焊機(jī)的型號(hào)：RCM 375-54 MIG AND PLASMA WELDING MACHINE；②額定的電壓：380/ 3/50，輸入容量65KVA；③最大帶鋼張力：50t；④焊接工藝：Plasma from 0.5-5.0mm；⑤保護(hù)氣體：1-95-5（argon，oxygen）at 3L/min-plasma gas；⑥帶鋼的寬度為600-1300mm；⑦焊縫超厚量：0－3mm；⑧重焊率：小于1%。

3　拼卷機(jī)組等離子焊接設(shè)備

拼卷機(jī)組等離子焊機(jī)主要設(shè)備分為一下幾個(gè)部分：a.焊機(jī)機(jī)架主體b.一個(gè)PWM300型號(hào)等離子焊槍；c.一個(gè)Thermal Arc WC100B焊接控制柜d.一個(gè)Thermal Arc Power-Master 500P_500_350 NEW型號(hào)的焊接電源。e.冷卻水循環(huán)和焊接用氣體。

圖1　等離子焊接系統(tǒng)

3.1 等離子焊槍

機(jī)組使用的焊槍型號(hào)是Thermal Dynamics公司的PWM300系列，該焊槍使用轉(zhuǎn)移型等離子焊接工藝直流焊接含鐵或非鐵的材料。

等離子氣體被加熱到極高的溫度電離，使氣體導(dǎo)電。焊接時(shí)用這種氣體將電弧轉(zhuǎn)移到工件上，通過(guò)電弧的熱量使金屬融合在一起。

圖2為等離子焊槍的結(jié)構(gòu)，冷卻氣體比如說(shuō)Ar，在A區(qū)；在B區(qū)，電極和噴嘴之間形成引導(dǎo)弧加熱引燃?xì)怏w；在C區(qū)，電弧通過(guò)等離子氣轉(zhuǎn)移到工件上。

圖2　等離子焊槍結(jié)構(gòu)

因?yàn)榈入x子氣體和電弧通過(guò)噴嘴極小的孔洞，所以焊槍在極小的區(qū)域形成高度集中的熱量。在C區(qū)里集中了硬的、壓縮的等離子電弧。大部分等離子焊接都是采用直流電源。

采用“雙流設(shè)計(jì)”的焊槍使用保護(hù)氣體，保護(hù)氣體包圍著等離子氣體并將其引導(dǎo)至工件上，這樣能夠改善焊接的性能以及保護(hù)熔池不受大氣中有害氣體的污染。冷卻水從冷卻水循環(huán)的電源流出，到達(dá)焊槍的前后。

3.2焊接參數(shù)設(shè)定

圖3　焊接電流與材料厚度的關(guān)系

焊機(jī)帶有自動(dòng)焊接參數(shù)設(shè)定功能，焊接參數(shù)的選擇基于由總線PLC下載的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可對(duì)焊接操作進(jìn)行必要的調(diào)整。如果操作員要改變這些設(shè)置，他可以通過(guò)屏幕上的鍵盤(pán)，手動(dòng)輸入要改的數(shù)值。焊機(jī)帶有機(jī)器狀態(tài)診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在屏幕上顯示機(jī)器狀態(tài)和所發(fā)生的故障。

圖4　等離子氣體流量與電流之間的關(guān)系

3.3等離子焊接氣體選用

等離子焊接保護(hù)氣體一般分為4種：1、純氬氣：所有金屬焊接都可使用，低電流時(shí)焊接穩(wěn)定、流暢、干凈、有效，焊接鈦和有電抗性的金屬能獲得較高的焊接質(zhì)量，但是在高電壓電弧焊接時(shí)效果不夠理想，氣體流量10～20SCFH；2、氬氣+氫氣（95%+5%）：使用較普遍，更大的熱輸入，焊接時(shí)熔池更流暢，推薦焊接奧氏體、馬氏體、Ni基材料，減小表面張力，最大能使用15%的H2，能增大焊接速度，更干凈的焊縫，不推薦用于焊接鋁、銅合金，較厚的鈦材和其他電抗性的金屬，氣體流量10～20SCFH；3、氦氣：提供熱輸入更大的電弧，更好的穿透性，同等電流下更快的焊接速度，用于焊接鋁、銅合金，較厚的鈦材和其他電抗性的金屬；4氬氣+氦氣（25%+75%）：更高的熱輸入，氦氣小于40%，體現(xiàn)氬氣的特性，氦氣大于75%，體現(xiàn)氦氣的特性，氣體流量15～40SCFH。根據(jù)研究分析，我廠采用第二種保護(hù)氣體較為符合現(xiàn)場(chǎng)使用狀況。

4　焊機(jī)控制系統(tǒng)

4.1控制系統(tǒng)構(gòu)成

焊機(jī)控制系統(tǒng)主要構(gòu)成：Rockwell 500 PLC，Powerflex執(zhí)行系統(tǒng)，編碼器及等離子焊接控制單元等。PLC系統(tǒng)參與焊接全過(guò)程，負(fù)責(zé)與拼卷機(jī)組通信，是焊機(jī)控制系統(tǒng)的核心。編碼器在焊接過(guò)程中對(duì)焊接速度、焊接長(zhǎng)度進(jìn)行跟蹤閉環(huán)控制。

4.2焊機(jī)主要設(shè)備功能

4.2.1雙刃剪組件

焊機(jī)剪切單元的功能是為了獲得較滿意的焊接質(zhì)量，確保前后帶鋼所形成的對(duì)接精度，由安裝在焊機(jī)移行架上的剪切裝置同時(shí)剪切帶鋼的尾部和頭部。另外，在剪切裝置的下部的兩片刀片間，有一個(gè)廢料輸送機(jī)，用來(lái)將剪切下的廢料自動(dòng)排放到焊機(jī)的傳動(dòng)側(cè)。剪切裝置整體與過(guò)鋼中心線有3度夾角。

4.2.2帶鋼夾緊裝置

在焊接之前，將先行帶鋼的尾部夾緊，以配合完成焊機(jī)的剪切工作，然后將帶鋼的頂部夾緊，以配合完成焊機(jī)的剪切工作。焊炬頭運(yùn)行裝置由剛性軸桿支撐，球型絲桿驅(qū)動(dòng)，編碼器控制位置，進(jìn)行起焊、停焊定位。當(dāng)處理線帶鋼運(yùn)行時(shí)，焊炬頭停靠在操作側(cè)一端，便于檢查維修。連接焊炬頭的電纜、軟管等固定在滑架上隨機(jī)運(yùn)行。沖孔裝置主要是為了進(jìn)行焊縫檢測(cè)［2］。

4.2.3帶鋼對(duì)中裝置

進(jìn)口對(duì)中的集成組合可以由液壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行橫向調(diào)整，這使得由帶鋼側(cè)邊彎曲帶來(lái)的邊緣不齊得到進(jìn)一步調(diào)整。一個(gè)編碼器被用來(lái)檢測(cè)、發(fā)送進(jìn)口帶鋼的寬度信號(hào)，這可以幫助焊接過(guò)程中確定焊炬頭的起、停位置。檢測(cè)裝置安裝在各側(cè)導(dǎo)輥部位，使其在兩側(cè)同時(shí)接觸帶鋼邊緣時(shí)自動(dòng)停止。出口側(cè)導(dǎo)裝置與進(jìn)口側(cè)導(dǎo)裝置基本相同，但不具有側(cè)彎補(bǔ)償功能。側(cè)導(dǎo)輥閉合夾靠帶鋼的位置，與進(jìn)口側(cè)導(dǎo)同樣作為焊接起停的定位

4.2.4月牙剪

月牙剪安裝在焊機(jī)的出口端，它用來(lái)剪去焊接開(kāi)始和停止處的應(yīng)力集中區(qū)，也可除掉寬窄帶鋼對(duì)焊造成的邊翼。挖邊剪的剪切部分是上下模具結(jié)構(gòu)，液壓操控，通過(guò)獨(dú)立的液壓缸和控制閥分別調(diào)整

4.3焊接過(guò)程控制

在等離子焊接過(guò)程中，焊接電流、焊接速度、保護(hù)氣體的供氣穩(wěn)定性、焊嘴與焊材之間的距離都直接與焊縫的質(zhì)量相關(guān)。為了形成良好的焊縫質(zhì)量，焊接電流采用穩(wěn)流保護(hù)器輸送電流，從而保證焊接電流的持續(xù)可靠；焊接速度的控制由PLC下達(dá)控制指令，通過(guò)編碼器進(jìn)行閉環(huán)控制，保證焊接速度的精度；保護(hù)氣體由穩(wěn)壓閥控制，氣體壓力可靠；焊嘴的距離每次焊接之前檢查。通過(guò)這一系列的技術(shù)手段保證了焊縫的質(zhì)量可靠。

拼卷機(jī)組焊機(jī)對(duì)帶鋼位置和焊槍的位置控制有獨(dú)立的控制單元。帶鋼穿帶到入口夾鉗用機(jī)組的位置編碼器，焊接過(guò)程中，采用焊機(jī)本身的PLC和編碼器進(jìn)行控制，編碼器的精度對(duì)焊接過(guò)程中焊縫穩(wěn)定有較為明顯的影響，焊縫的間隙采用兩個(gè)編碼器進(jìn)行入口側(cè)、出口側(cè)相互控制從而保證精度。焊接過(guò)程中焊槍的移動(dòng)采用液壓式伺服電機(jī)控制，動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)整焊接過(guò)程中的速度，焊縫的質(zhì)量得以保證［3］。

5　現(xiàn)場(chǎng)反饋

特鋼冷軋廠拼卷機(jī)組焊機(jī)自投產(chǎn)以來(lái)，設(shè)備工作狀態(tài)良好，故障率低，對(duì)新材料的適應(yīng)性有良好的拓展能力。主要表現(xiàn)如下：

①Rockwell PLC系統(tǒng)穩(wěn)定，拓展配置豐富；

②拼卷機(jī)組的帶鋼能從穿帶到焊接完成并實(shí)現(xiàn)帶鋼自動(dòng)送帶能全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。HMI畫(huà)面信息實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警和中文顯示，使操作人員能在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)故障及時(shí)處置，降低了危急情況的發(fā)生；

③焊接工藝上，采用等離子焊接，焊縫超厚小，對(duì)隨后的軋制較為有利。提高了后續(xù)的成材率。

GUILD焊機(jī)控制精度高，設(shè)備穩(wěn)定，對(duì)焊接工藝的研究需持續(xù)跟蹤對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊縫的分析及時(shí)閉環(huán)。保證焊機(jī)設(shè)備始終處于良好狀態(tài)，以適應(yīng)新材料的需要

［1］陳大華，楊軍.Miebach搭接焊機(jī)及其控制.北京：冶金自動(dòng)化，2000，（44）：33-34.

［2］李為民.基于光電編碼器的速度反饋與控制技術(shù)［J］.工控技術(shù)，2004，（23）：84-85.

［3］朱立，孫本良.鋼材酸洗技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007，（109）28-29.

Plasma Welding Equipment and Control Research

Dou XiaoYao
（Baosteel Special Steel Co.Ltd.，Shanghai 200000）

This paper introduces the welding principle，process，process parameters and control system of GUILD welder for spell volume unit in special steel cold rolling plant，analyzes the wielding moves and sequence in the pro-cess of welding.

GUILD；plasma welding；control

TP273.5；TG439.5

A

1003-5168（2015）12-0039-3

2015-11-10

竇曉堯（1981-），男，碩士研究生，電氣工程師，研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化優(yōu)化控制，模型技術(shù)。