賈傳寶 杜永鵬 武傳松 袁新

(1．山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250061；2．山東省科學(xué)院 海洋儀器儀表研究所， 山東 青島 266001)

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的焊接結(jié)構(gòu)日益大型化，對(duì)大厚度金屬材料的焊接工藝提出了更高的要求.厚板窄間隙焊接工藝由于具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如獲得的焊縫截面積小、節(jié)約焊材、效率高、接頭殘余應(yīng)力小、變形小、熱輸入量小、熔池冷卻速度快、焊縫組織細(xì)小、韌性高等[1]，在國(guó)內(nèi)外大型結(jié)構(gòu)的焊接加工中得到了廣泛應(yīng)用.窄間隙惰性氣體保護(hù)(TIG)電弧焊被認(rèn)為是焊接質(zhì)量最可靠的焊接工藝之一，在惰性氣體氬氣的保護(hù)作用下能夠獲得高質(zhì)量的焊接接頭，可廣泛用于焊接易氧化的有色金屬及其合金，特別是鈦及鈦合金材料的重要結(jié)構(gòu)件.

厚板窄間隙焊接工藝一般采用I型坡口，具有加工簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于其他坡口形式能夠?qū)崿F(xiàn)更窄間隙的焊接，金屬填充量更少，但采用該類(lèi)坡口的情況下容易出現(xiàn)側(cè)壁未熔合等缺陷，導(dǎo)致接頭質(zhì)量下降.國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)厚板窄間隙焊接技術(shù)進(jìn)行了深入研究，采用機(jī)械、電信號(hào)和磁場(chǎng)等手段對(duì)焊接電弧區(qū)域施加控制能夠有效地控制焊接電弧周期性偏轉(zhuǎn)，以消除側(cè)壁未熔合等缺陷，如采用旋轉(zhuǎn)陶瓷片約束TIG電弧[2]、旋轉(zhuǎn)電極法[3- 5]、T.I.M.E.焊接工藝[6]、脈沖電流控制法[7]、施加縱向磁場(chǎng)[8]、橫向磁場(chǎng)[9]和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[10]等.

采用窄間隙TIG焊接工藝對(duì)大厚度的鈦合金、不銹鋼板及厚壁管道等進(jìn)行加工是目前的研究熱點(diǎn).Wan等[11]開(kāi)發(fā)了新穎的窄間隙TIG焊接工藝的氣體保護(hù)裝置，對(duì)78 mm厚的Ti- 6Al- 4V鈦合金進(jìn)行了施焊.Serizawa等[12]對(duì)外徑600 mm、壁厚200 mm的管道進(jìn)行了窄間隙TIG焊接試驗(yàn)和數(shù)值模擬.呂世雄等[13]對(duì)40 mm厚的鈦合金窄間隙焊接技術(shù)進(jìn)行了研究，間隙范圍12～16 mm，采用手動(dòng)控制鎢極高度來(lái)控制電弧長(zhǎng)度.Tan等[14]針對(duì)核電站厚壁鋼管采用窄間隙多層多道焊(89道)時(shí)存在的殘余應(yīng)力進(jìn)行了建模，能夠有效預(yù)測(cè)熱處理前后的應(yīng)力分布情況.

橫向磁場(chǎng)控制焊接電弧被證明能夠有效地消除側(cè)壁未熔合，同時(shí)還可以細(xì)化晶粒，提高焊縫力學(xué)性能[15- 16].烏克蘭巴頓焊接研究所采用可控正弦變化磁場(chǎng)對(duì)焊接電弧進(jìn)行控制，在電弧區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為8～9 mT時(shí)能夠得到可靠的焊接接頭[17]，具備較大的推廣應(yīng)用價(jià)值，而大厚度窄間隙TIG焊接過(guò)程的自動(dòng)化控制是獲得優(yōu)良焊縫接頭的關(guān)鍵.文中針對(duì)10 mm窄間隙的厚板TIG焊接工藝，及大厚度工件對(duì)可靠的高質(zhì)量焊縫的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種適用于工業(yè)化焊接生產(chǎn)的厚板窄間隙TIG焊接自動(dòng)控制系統(tǒng),以提高焊接過(guò)程適應(yīng)性、靈活性和可靠性.

1 窄間隙磁控電弧TIG焊接工藝特征

1.1 窄間隙磁控電弧TIG焊接原理

圖1為窄間隙磁控電弧TIG焊接方法的原理示意圖.在焊接電流保持不變的情況下，在電弧區(qū)域施加的橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向發(fā)生周期性變化，焊接電弧作為焊接電流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力Fa的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn).隨著磁場(chǎng)方向的變化，焊接電弧受到向左的洛倫茲力(如圖1中A部分所示)，焊接電弧的陽(yáng)極由原來(lái)的鎢極正下方偏轉(zhuǎn)至工件左側(cè)壁和鎢極左下方的熔池，電弧能量將更多地用于熔化工件的左側(cè)壁，從而有效解決側(cè)壁容易出現(xiàn)未熔合缺陷的問(wèn)題；當(dāng)磁場(chǎng)方向變化導(dǎo)致電弧受到的洛倫茲力方向?yàn)橄蛴視r(shí)(如圖1中C部分所示)，工件的右側(cè)壁相應(yīng)地受到了電弧的充分加熱和熔化；而磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)換過(guò)程中焊接電弧受到的洛倫茲力為零時(shí)(如圖1中B部分所示)，焊接電弧呈現(xiàn)較自然的TIG自由電弧形態(tài)，焊接電弧的陽(yáng)極斑點(diǎn)主要分布在鎢極的正下方，隨著填充金屬的熔化維持焊縫金屬的適當(dāng)形狀和均勻厚度.

圖1 窄間隙磁控電弧TIG焊接方法原理

1.2 焊接過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的磁控電弧焊接過(guò)程，建立一套有效的控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)鎢極位置、焊接電參數(shù)、磁場(chǎng)以及多部件順序協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)等的精確控制.要求控制系統(tǒng)具備以下功能：能夠通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)遠(yuǎn)程設(shè)定焊接工藝參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)；實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化，包括自動(dòng)送氣、行走、送絲和焊接等功能；實(shí)現(xiàn)鎢極在窄間隙內(nèi)的自動(dòng)對(duì)中，并保持穩(wěn)定的TIG電弧電壓；對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行視頻監(jiān)控，操作者可以觀察電弧形態(tài)，并可實(shí)時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)鎢極在焊縫中的位置；有效控制送絲過(guò)程；對(duì)焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效、穩(wěn)定的保護(hù)，控制保護(hù)氣拖罩始終與工件保持一定距離；焊接電源應(yīng)具備相應(yīng)機(jī)器人控制接口，輸出焊接電流最大可達(dá)500A，以滿(mǎn)足參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定和焊接工藝大電流、低電壓的要求.

如圖2所示，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì).根據(jù)各部分功能，可分為PLC主控制器、焊接系統(tǒng)、傳感及運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)界面及磁場(chǎng)控制器5部分.其中，系統(tǒng)選用歐姆龍公司CJ1M系列PLC作為系統(tǒng)主控器件，并輔以ID211、OC201、AD08V、DA08等信號(hào)輸入輸出擴(kuò)展模塊；焊接系統(tǒng)包括弧焊電源、送絲機(jī)、鎢極空間位置控制以及電荷耦合攝像機(jī)(CCD)視覺(jué)傳感器；傳感及運(yùn)動(dòng)控制部分主要功能包括保護(hù)氣的開(kāi)關(guān)及流量控制、工件運(yùn)動(dòng)控制、焊接機(jī)頭及拖罩運(yùn)動(dòng)控制3部分；人機(jī)界面選用NS12型觸摸屏，操作者通過(guò)設(shè)計(jì)的人機(jī)操作界面(HMI)對(duì)設(shè)備及焊接過(guò)程進(jìn)行有效控制；磁場(chǎng)控制器的主要作用是控制焊接區(qū)域的磁場(chǎng)周期性交替變換，促使電弧周期性向側(cè)壁偏轉(zhuǎn).由于窄間隙TIG焊接工藝的特點(diǎn)，上述系統(tǒng)中的鎢極空間位置控制、傳感及運(yùn)動(dòng)控制、焊接電源數(shù)字化控制以及視覺(jué)監(jiān)控是自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因此將對(duì)以上部分展開(kāi)詳細(xì)闡述.

圖2 窄間隙磁控電弧TIG焊接自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of the automatic control system of the narrow-gap magnetic controlled TIG arc welding

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

2.1 鎢極空間位置自動(dòng)控制

由于窄間隙磁控電弧TIG焊接過(guò)程的特點(diǎn)，鎢極的空間位置(包括水平及垂直兩個(gè)方向)對(duì)于焊接過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行具有重要意義.一方面，由于窄間隙焊接工藝的特點(diǎn)，鎢極距離兩側(cè)壁的距離較小，在焊接過(guò)程中容易碰到側(cè)壁導(dǎo)致鎢極和側(cè)壁之間直接起弧.同時(shí)，若鎢極距離兩側(cè)壁的距離不一致，則也會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)壁獲得不同的熔深，甚至導(dǎo)致側(cè)壁未熔透等缺陷.為了解決該問(wèn)題，提出對(duì)鎢極水平位置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使其始終位于焊縫中間位置.

另外一方面，在磁控電弧焊接過(guò)程中，相對(duì)恒定的電壓和電流能夠保證近似恒定的功率輸出，即保證不論是電弧向左側(cè)偏轉(zhuǎn)、向右側(cè)偏轉(zhuǎn)或者是不偏轉(zhuǎn)，對(duì)工件的加熱功率基本保持不變，有效保證焊縫成形的對(duì)稱(chēng)性和均一性.而鎢極端部到熔池的距離決定了焊接電弧的實(shí)際長(zhǎng)度，也就決定了實(shí)際的電弧電壓值.因此，提出通過(guò)控制電弧電壓對(duì)鎢極的垂直位置進(jìn)行控制，保證其距離下方熔池的高度保持恒定.

如圖1和圖3所示，由于TIG焊接過(guò)程一般采用恒定電流進(jìn)行焊接，電弧電壓則隨焊接電弧的弧長(zhǎng)變化且由焊接電源相應(yīng)調(diào)整.因此，設(shè)置兩套獨(dú)立的電弧長(zhǎng)度控制系統(tǒng)，分別用于控制鎢極處于工件間隙的正中間位置和控制相對(duì)恒定的鎢極高度以保證電弧電壓的穩(wěn)定.分析認(rèn)為，若鎢極偏離焊縫中線(xiàn)，則必然導(dǎo)致電弧左右偏轉(zhuǎn)的電壓出現(xiàn)不一致的情況，即距離側(cè)壁較近的一側(cè)電壓值會(huì)出現(xiàn)較明顯的下降，因此通過(guò)控制弧壓來(lái)保持鎢極位于間隙中間位置是可行的.需要說(shuō)明的是，由于本研究用的磁場(chǎng)為強(qiáng)磁場(chǎng)，在鎢極端部附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)8 mT以上，一般不會(huì)受到周?chē)醮艌?chǎng)的干擾；而且線(xiàn)圈與焊槍同時(shí)固定在焊接機(jī)頭上，相對(duì)位置固定，保證磁場(chǎng)始終對(duì)稱(chēng)，因此電弧區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定.

如圖1和圖3所示，采集不同時(shí)刻的電弧電壓，即焊接電弧最大角度偏向左側(cè)時(shí)的電弧電壓為UL，焊接電弧最大角度偏向右側(cè)壁面時(shí)的電弧電壓為UR，焊接電弧不受洛倫茲力時(shí)的電弧電壓為UF.一方面，預(yù)先設(shè)定電弧電壓目標(biāo)值UPreset為12 V，焊接電流為400 A，在焊接過(guò)程中檢測(cè)UF并由主PLC判斷其與12 V差值的正負(fù)和絕對(duì)值，制定相應(yīng)控制規(guī)則確定電機(jī)M4的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和轉(zhuǎn)速進(jìn)行鎢極高度的實(shí)時(shí)調(diào)整，若UF>UPreset，則需要降低鎢極高度以減小焊接電弧長(zhǎng)度，進(jìn)而減小實(shí)際電弧電壓使其更接近UPreset；反之，則提高鎢極高度，控制策略如圖3(a)所示.另外一方面，焊接電弧在交變磁場(chǎng)的作用下周期性地在工件左側(cè)壁和右側(cè)壁進(jìn)行燃燒，先后、交替采集電弧偏轉(zhuǎn)最大角度時(shí)的電壓值UL和UR，控制策略如圖3(b)所示，即通過(guò)主PLC判斷二者是否相等以及二者之間的差值，若UL

圖3 鎢極空間位置控制策略

Fig.3 Spatial position control strategy of the tungsten electrode

2.2 傳感運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4為厚板窄間隙磁控電弧焊接動(dòng)作流程的示意圖.在T1時(shí)刻，啟動(dòng)焊接過(guò)程，保護(hù)氣開(kāi)啟；T2時(shí)刻，啟動(dòng)焊機(jī)；T3時(shí)刻，引弧成功開(kāi)始送絲；T4時(shí)刻，熔池建立后工件移動(dòng)開(kāi)始焊接；T5時(shí)刻，停止焊接，關(guān)斷焊接電源；T6時(shí)刻，切斷保護(hù)氣.

由于TIG焊對(duì)于焊縫區(qū)域的保護(hù)要求較為嚴(yán)格，大厚度及窄間隙都會(huì)對(duì)保護(hù)氣體的可達(dá)性造成較嚴(yán)重的影響，因此本系統(tǒng)對(duì)保護(hù)氣體的控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn).采用一款保護(hù)氣拖罩，放置于焊槍后方，沿兩側(cè)壁向下吹送氣體，在避免鎢極與側(cè)壁直接起弧的同時(shí)對(duì)未完全冷卻焊縫進(jìn)行保護(hù).根據(jù)焊接工藝要求，將保護(hù)氣分為3路(焊槍、拖罩中部、拖罩兩側(cè))，每一路設(shè)置為不同的保護(hù)氣流量值.因此，選用IFM公司的SD 5100產(chǎn)品作為氣體流量傳感器(氬氣檢測(cè)精度為0.02 m3/h).該產(chǎn)品可以設(shè)置保護(hù)氣流量的閥值，并通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)報(bào)警.利用該產(chǎn)品，可以確保在保護(hù)氣流量符合工藝設(shè)計(jì)要求的前提下，啟動(dòng)焊接過(guò)程；在保護(hù)氣氣閥開(kāi)啟一定時(shí)間后，即T2時(shí)刻，啟動(dòng)焊接電源，在完成焊接過(guò)程后繼續(xù)提供保護(hù)氣一段時(shí)間，以便保護(hù)未完全冷卻的焊縫.

圖4 窄間隙TIG焊接動(dòng)作流程示意圖

Fig.4 Schematic diagram of the welding procedures of the narrow-gap TIG welding

在實(shí)際焊接過(guò)程中，該保護(hù)拖罩置于工件上方，其與工件之間的距離對(duì)于實(shí)際保護(hù)效果非常關(guān)鍵.一方面，要避免拖罩與待焊工件之間產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦甚至碰撞，對(duì)焊接過(guò)程造成干擾；另一方面，要保證拖罩與工件表面盡量緊密接觸，減少氣體從二者之間的間隙逸出.考慮到工件在焊接過(guò)程中容易由于熱應(yīng)力產(chǎn)生變形，難以采取手動(dòng)固定該距離的方式實(shí)現(xiàn).因此，對(duì)該間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)化精確控制，以提高該工藝的自動(dòng)化程度.

選用Baumer公司的18U9501 型接近位移傳感器(測(cè)量范圍為2～5 mm，檢測(cè)精度為±100 μm)對(duì)拖罩底部與工件表面的距離進(jìn)行精確測(cè)量并傳輸?shù)街骺豍LC中.一旦該距離超過(guò)設(shè)定值(文中設(shè)定為3.5 mm)，PLC將控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(M1，如圖2所示)調(diào)節(jié)拖罩與工件的相對(duì)位置，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求.由于拖罩的重量較輕，速度范圍為0.18～18.00 mm/s，對(duì)電動(dòng)機(jī)(M1)的功率要求不高.因此，本研究選用了60 W的倫茨交流電機(jī).

對(duì)焊接起弧、熄弧以及送絲過(guò)程進(jìn)行有效控制，保證二者之間的密切配合，獲得穩(wěn)定的焊接過(guò)程.為提高厚板窄間隙TIG焊接熔敷效率，增大單層焊道厚度，選用較大焊接規(guī)范(400 A)和直徑4 mm的焊絲，送絲速度為65 m/h，配置180 W交流電機(jī)M2以實(shí)現(xiàn)對(duì)送絲過(guò)程的控制.如圖2和圖4所示，當(dāng)PLC檢測(cè)到成功起弧信號(hào)后，啟動(dòng)M2電機(jī)，使之按照預(yù)置的速度送絲；當(dāng)焊接過(guò)程結(jié)束時(shí)，迅速停止M2電機(jī)并適當(dāng)回抽焊絲，以避免焊絲插入熔池.焊接速度是焊接工藝規(guī)范中一個(gè)較為關(guān)鍵的參數(shù).在本工藝中，由于焊槍位置固定，故工件的移動(dòng)速度即為焊接速度，其范圍為0～20 mm/s，通過(guò)控制電機(jī)M3實(shí)現(xiàn)，如圖2所示.電機(jī)M3的啟停與焊接過(guò)程有關(guān)：引弧成功后，延時(shí)一段時(shí)間以等待在電弧的作用下建立熔池；到T3時(shí)刻，允許工件移動(dòng)；一旦完成焊接，立即停止電機(jī)M3的移動(dòng).

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方面，控制系統(tǒng)選用了安川公司的V1000系列變頻器.其優(yōu)點(diǎn)主要包括：可以適應(yīng)各類(lèi)電機(jī)、通用性強(qiáng)；體積小巧，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)；采用勵(lì)磁制動(dòng)方式縮短了減速時(shí)間，制動(dòng)效果好；參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)便，監(jiān)控功能豐富、可靠性高等.控制系統(tǒng)通過(guò)DA模塊DA08V輸出0～10 V電壓信號(hào)至變頻器以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；通過(guò)OC201模塊輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)至變頻器，用于啟動(dòng)電機(jī)并設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)向.

2.3 焊接電源數(shù)字化控制

為開(kāi)發(fā)數(shù)字化焊接電源及控制接口，根據(jù)磁控電弧窄間隙TIG焊接工藝的特點(diǎn)，確定該自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)焊接電源的技術(shù)要求主要包括：焊接電流450 A時(shí)暫載率達(dá)到100%；焊接啟動(dòng)與停止具備遠(yuǎn)程控制功能；引弧成功后有相應(yīng)信號(hào)輸出；可以通過(guò)控制器輸出0～10V電壓信號(hào)預(yù)置焊接電流；可以輸出0～10 V模擬信號(hào)用于反饋實(shí)時(shí)電弧電壓與焊接電流.選用了某公司生產(chǎn)的ZX7-630STG型焊機(jī)進(jìn)行改造和實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，該型焊機(jī)在工作電流為500 A時(shí)暫載率可達(dá)100%，完全滿(mǎn)足要求.圖5所示為對(duì)焊接電源進(jìn)行改造的原理圖，主要包括電源起?？刂聘脑?、電弧引弧、電參數(shù)設(shè)置以及信號(hào)采集等功能.在引弧成功后，焊接電源主板的某個(gè)引腳其電平將由+15 V變?yōu)?15 V，該信號(hào)可指示引弧是否成功；外置的電流、電壓變送器可以把實(shí)時(shí)的焊接電流、電壓轉(zhuǎn)為0～10 V信號(hào)至PLC的AD模塊，實(shí)現(xiàn)控制需求；利用PLC的DA輸出功能在電源遙控狀態(tài)下設(shè)定電位信號(hào)用于預(yù)置焊接電流.

圖5 焊接電源控制系統(tǒng)示意圖

3 焊接電弧視覺(jué)檢測(cè)及厚板窄間隙焊接工藝試驗(yàn)

3.1 焊接電弧視覺(jué)檢測(cè)

在厚板窄間隙磁控電弧TIG焊接過(guò)程中，由于焊縫較長(zhǎng)，截面間距狹窄(10 mm)，鎢極在長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易與左右側(cè)壁碰撞，因此需要設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，增加人工監(jiān)控作為鎢極自動(dòng)調(diào)整功能的補(bǔ)充，有效避免碰撞的發(fā)生；同時(shí)可作為操作人員對(duì)焊接電弧燃燒、熔池動(dòng)態(tài)行為等過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中具有重要應(yīng)用價(jià)值.

為克服焊接過(guò)程中強(qiáng)弧光、高溫度以及嚴(yán)重電磁干擾等不利因素的制約，搭建了視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，選用了XC-ST30型工業(yè)攝像機(jī).其優(yōu)勢(shì)包括：可在惡劣環(huán)境中使用，耐高溫、強(qiáng)光、潮濕與震動(dòng)；內(nèi)置數(shù)字信號(hào)視頻處理器(DSP)，其可以自動(dòng)適應(yīng)高亮環(huán)境，且具有自動(dòng)調(diào)節(jié)、寬動(dòng)態(tài)范圍、背光補(bǔ)償電路、輪廓校正單元和對(duì)比度穩(wěn)定系統(tǒng)，可以拍攝閃爍多變的物體，經(jīng)處理后的畫(huà)面穩(wěn)定流暢；具備三重亮度自動(dòng)控制功能，可以直接拍攝弧高亮度焊光；可在較寬溫度范圍的環(huán)境中使用(-55～+150 ℃)，符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求.采用該攝像機(jī)所拍攝到的圖像如圖6所示.

利用前面提到的人機(jī)界面所采用的NS12型觸摸屏，能夠?qū)崟r(shí)顯示采集到的焊接區(qū)域圖像.該屏幕有效顯示區(qū)域?yàn)?2.1英寸，支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、梯形圖監(jiān)控等功能，且具有開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)以及與主控PLC兼容性好等優(yōu)點(diǎn).如圖6所示，操作人員可借助于視頻監(jiān)控，采用伺服電機(jī)M4人工實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鎢極在焊縫中的水平位置.

圖6 窄間隙磁控電弧TIG電弧圖像

Fig.6 Captured arc image in the narrow-gap magnetic controlled TIG arc welding

3.2 厚板鈦合金焊接工藝試驗(yàn)

針對(duì)厚板鈦合金進(jìn)行窄間隙TIG焊接工藝試驗(yàn)(110 mm厚)，對(duì)研發(fā)的控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，主要焊接工藝參數(shù)設(shè)定為電流400 A，弧壓12 V，焊接速度8 m/h，磁場(chǎng)強(qiáng)度8 mT，間隙為10 mm.如圖7所示，焊接采用多層單道焊，焊后表面成形良好，焊后魚(yú)鱗紋均勻且非常細(xì)密、焊接側(cè)面整體呈現(xiàn)凹狀.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)的控制系統(tǒng)能夠?qū)φg隙磁控電弧TIG焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效和可靠的控制.

圖7 厚板鈦合金窄間隙焊縫Fig.7 Weld appearance of the thick titanium plates

4 結(jié)論

(1)厚板窄間隙磁控電弧TIG焊接工藝通過(guò)交變磁場(chǎng)能夠控制電弧周期性向側(cè)壁偏轉(zhuǎn)以消除側(cè)壁未熔合等缺陷.本研究基于PLC建立了一套適用于工業(yè)化應(yīng)用的自動(dòng)控制系統(tǒng).

(2)鎢極空間位置可以通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電弧電壓信號(hào)進(jìn)行控制.基于主PLC實(shí)現(xiàn)了鎢極在焊縫間隙中的自動(dòng)對(duì)中以及電弧電壓的穩(wěn)定控制.選用ZX7-630STG型焊接電源進(jìn)行改造以實(shí)現(xiàn)焊接電源關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)字化控制，能夠滿(mǎn)足該工藝的使用要求.

(3)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)各部件執(zhí)行順序、速度以及控制精度等提出了較高要求，對(duì)電機(jī)、變頻器和傳感器等關(guān)鍵部件進(jìn)行選型并設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制流程.設(shè)計(jì)三路保護(hù)氣裝置，并對(duì)保護(hù)氣拖罩底部與工件表面的距離進(jìn)行精確檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)窄間隙焊縫區(qū)域的有效保護(hù).

(4)研發(fā)了一套焊接過(guò)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，操作者可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鎢極的空間位置，避免碰撞；能夠清晰觀測(cè)到焊接電弧及熔池形態(tài)；方便工作人員調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，改善焊接過(guò)程穩(wěn)定性.針對(duì)厚板鈦合金的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，研發(fā)的自動(dòng)控制系統(tǒng)工作可靠.

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