張少林，王飛偉，靳喜泉

（西部超導材料科技股份有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

隨著國家綜合實力的不斷提升和工業(yè)自動化需求的日益增加，各類鈦合金產(chǎn)品的需求量日益增加，鈦合金產(chǎn)品在航空航天、軍工產(chǎn)品、高端醫(yī)療耗材等領(lǐng)域的使用越來越普遍。鈦合金不同于一般金屬材料，對各道生產(chǎn)工藝都有特殊的要求，如果采用常規(guī)工藝進行鈦合金加工，極易產(chǎn)生表面裂紋、組織缺陷等一系列問題，影響產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備主要應用于鐵、鋁、銅等常規(guī)金屬材料，對于鈦合金的適應性較差。

閃光對焊機[2]是一種廣泛用于棒材縱向連接的焊接設(shè)備。其工作原理是利用對焊機兩端的棒料接觸，通過低電壓的強電流，待鈦合金棒料被加熱到一定溫度軟化后，進行軸向加壓頂鍛，形成對焊接頭。在長期使用中發(fā)現(xiàn)，閃光對焊機對鈦合金棒材焊接效果較差，焊接后物料端頭裂紋多，焊接成功率低。為提高焊接成功率，保證焊接質(zhì)量，需要對閃光對焊機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，使其適應鈦合金棒材焊接要求。

1 系統(tǒng)組成及功能介紹

閃光對焊機控制系統(tǒng)分為熱量控制和動作控制兩部分[3]，熱量控制為控制系統(tǒng)核心，動作控制圍繞熱量控制展開。熱量控制階段如圖1 所示，具體分為3 個階段：第一階段為閃光建立階段P1，該階段主要通過對焊件施加短時間高壓電流實現(xiàn)對焊件的快速加熱，形成液體金屬“過梁”，由于液體過梁中的電流密度極高，使過梁中的液體金屬蒸發(fā)、過梁爆破。隨著電極夾鉗的緩慢推進，過梁也不斷產(chǎn)生與爆破，在蒸氣壓力和電磁力的作用下，液態(tài)金屬微粒不斷從接口間噴射出來，形成火花急流，即閃光，從而建立焊件加熱回路；第二階段為穩(wěn)定加熱階段P2，該階段主要通過對焊件持續(xù)施加長時間低壓電流實現(xiàn)對焊件加熱，在隨著閃光過程持續(xù)進行，工件逐漸縮短，端頭溫度也逐漸升高，隨著端頭溫度的升高，過梁爆破的速度將加快，電極夾鉗的推進速度也逐漸加大，在閃光過程結(jié)束前，工件整個端面已經(jīng)形成一層液體金屬層，并在一定深度上使金屬達到塑性變形溫度，該區(qū)域內(nèi)焊件的溫度已經(jīng)達到規(guī)定的焊接溫度；第三階段為沖壓焊接階段P3，該階段主要通過對焊件施加短時間高壓電流，使焊件在高壓頂鍛的情況下相互擠壓，焊接接口間隙迅速減小并使過梁停止爆破，完全擠出端面的液態(tài)金屬及氧化夾雜物，使?jié)崈舻乃苄越饘倬o密接觸，并使接頭區(qū)產(chǎn)生一定的塑性變形，形成交互結(jié)晶接頭，實現(xiàn)焊接功能。每個階段的持續(xù)時間分別為T1、T2 和T3。對于不同的焊件材料，閃光對焊的每個階段所需的熱量不同，由于閃光對焊機放電加熱元件和每個階段放電電流大小是固定的，調(diào)節(jié)每個熱量階段放熱總量的方式為調(diào)整每個階段的持續(xù)時間T。因此，熱量控制系統(tǒng)圍繞每個階段的持續(xù)時間展開。

圖1 閃光對焊機熱量控制階段

閃光對焊機的機械部分主要由焊接護板、棒料夾持氣缸、電極夾鉗、送料油缸等部件構(gòu)成。閃光對焊機動作控制流程如圖2 所示[4]。動作控制的核心是根據(jù)每個放熱階段的持續(xù)時間要求，控制每個機械部件的動作速度和動作位置，并在規(guī)定位置發(fā)出控制信號，實現(xiàn)加熱模式轉(zhuǎn)換，滿足熱量控制的要求，確保對焊成功率和焊接質(zhì)量。

圖2 閃光對焊機動作控制流程

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

閃光對焊機控制系統(tǒng)主要由可控硅控制電路板、PLC 控制核心、晶閘管控制模塊等元件構(gòu)成。為實現(xiàn)對可控硅放電元件的精確控制，選用PAC16P 單相移相調(diào)壓板作為可控硅的觸發(fā)電路，該調(diào)壓板能接收PLC 輸出的4～20 mA 模擬電流信號，根據(jù)模擬信號大小調(diào)節(jié)可控硅的導通角，從而控制焊件加熱電流的大小。該調(diào)壓板的輸出脈沖具有極高的對稱性和穩(wěn)定性，輸出信號不易隨溫度發(fā)生變化，使用過程中無需對脈沖對稱度和限位進行調(diào)整。此外，該調(diào)壓板具有完善的電路保護系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障，保護系統(tǒng)能短時間發(fā)揮作用，有效防止誤操作對電氣元件造成的傷害，避免發(fā)生生產(chǎn)安全事故。

在PLC 的選用方面，經(jīng)過對功能、價格、使用難度、通信功能等方面的考慮，選用西門子S7-200 Smart PLC 作為控制核心，該型號的的PLC 具有24 個輸入點，16 個輸出點，且價格適中，性價比高，能夠滿足控制系統(tǒng)的需要。

為實現(xiàn)對晶閘管放電的準確控制，在PLC 基礎(chǔ)功能上增加擴展模擬量輸出模塊AM6 作為晶閘管控制信號通信模塊[5]，該模塊可以實現(xiàn)在PLC 主機控制下4～20 mA 的模擬量輸出。

經(jīng)過設(shè)計，控制系統(tǒng)有4 個輸入點，8 個輸出點，控制系統(tǒng)的I/O 地址分配見表1。為了確保操作安全，本系統(tǒng)在確保各部件完成規(guī)定動作的前提下，增設(shè)了半閉環(huán)檢測系統(tǒng)[6]，通過限位開關(guān)檢測焊接護板的位置，確保在焊接護板關(guān)閉的情況下才可以執(zhí)行加熱對焊操作，保證了生產(chǎn)安全。控制系統(tǒng)硬件配置如圖3 所示。

表1 閃光對焊機控制系統(tǒng)的I/O 地址分配

圖3 控制系統(tǒng)電控系統(tǒng)

3 人機交互界面設(shè)計

閃光對焊機人機交互界面依托西門子博圖工控組態(tài)軟件V16 進行設(shè)計，配合觸摸屏實現(xiàn)人機交互。西門子博圖工控組態(tài)軟件V16 具有靈活的可視化操作界面，可以實現(xiàn)多媒體演示功能，支持國內(nèi)外多種品牌的數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備。并且，該組態(tài)軟件可以實現(xiàn)與PLC 的高速通信，實現(xiàn)實時監(jiān)控。人機交互界面主要由參數(shù)設(shè)置區(qū)、動作調(diào)試按鈕、加熱電流監(jiān)控、焊接區(qū)溫度檢測、超溫報警等部分構(gòu)成。操作人員可以在參數(shù)設(shè)置區(qū)設(shè)置各項工藝參數(shù)，調(diào)整對焊機熱量控制和動作控制參數(shù)，滿足不同規(guī)格鈦合金棒材焊接要求。人機交互界面的設(shè)計結(jié)果如圖4 所示。

圖4 人機交互界面

4 系統(tǒng)調(diào)試與運行

將編譯后控制程序下載到PLC 中并運行，然后打開人機交互界面，就可以獲取閃光對焊機當前狀態(tài)，實現(xiàn)工藝參數(shù)動態(tài)調(diào)整和生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)實時監(jiān)控。通過PLC 自帶網(wǎng)絡(luò)通信模塊，可以實現(xiàn)工藝過程遠程監(jiān)控，整套系統(tǒng)運行可靠、穩(wěn)定，自動化程度高，操作簡便。閃光對焊機控制系統(tǒng)安裝運行后，鈦合金棒材焊接成功率大幅提高，焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率明顯提升，經(jīng)濟效益明顯。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計基于PLC 和觸摸屏的閃光對焊機控制系統(tǒng)，基本解決傳統(tǒng)閃光對焊機不適應鈦合金棒材焊接的問題，大幅提高鈦合金棒材對焊成功率，明顯改善鈦合金棒材焊縫質(zhì)量，為后續(xù)加工奠定良好的基礎(chǔ)。并且，通過此次自動化改造，設(shè)備安全性得到大幅提升，從源頭上杜絕誤觸、誤操作帶來的生產(chǎn)安全隱患，在保證生產(chǎn)安全的前提下，減少設(shè)備故障帶來的損失，對減少故障損失具有重要意義。此外，也為相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供了可行的技術(shù)思路，能有效減少開發(fā)成本和開發(fā)時間。