焊機群控系統在支架結構件生產中的應用

徐忠磊，張現虎，段寶磊

（兗礦集團機電設備制造廠，山東鄒城 273500）

0 引言

液壓支架作為綜采工作面重要的支護設備，其生產制造質量直接關系井下生產生命及財產安全。支架結構件底座、頂梁、掩護梁的焊接質量是支架整機質量控制中的關鍵環節。在液壓支架生產制造中，對于手工操作占支配地位的氣體保護焊接，焊工操作技能的水平和謹慎認真的態度對焊接質量至關重要。焊接電流和電壓的大小及焊接速度、焊接順序在影響結構件焊接質量因素中最易受人為因素干擾。如果對焊接全過程施以有效控制，可使焊接質量顯著提高，減少因焊接質量方面的缺陷而造成人力、物力、時間的損失，從而使焊接工序成本大大降低。建立一個最適合企業情況的質量控制體系尤為重要，在日常質量意識及責任心培訓及管理的前提下，焊機群控系統可用于建立對質量控制體系并提高結構件焊接質量。

1 影響焊接質量的因素

相同焊條或焊絲直徑的條件下，在焊接平焊縫時，由于運條和控制熔池中的熔化金屬都比較容易，因此可以選擇較大的電流焊接，但在對箱體其他位置焊接時，為了避免熔化金屬從熔池中流出，要使熔池盡可能小些，電流相應要比平焊時小一些。多層焊時第一層焊縫的焊接電流選擇十分重要，過大則易燒穿，過小則易未焊透；還要考慮焊接速度，質檢員一般要求檢驗并做好施工記錄。多層多道焊時一般在能夠熔透的原則下采取較小的電流，以后各層選取比第一層較大一些的電流以提高焊接速度，從而提高焊接效率。

電弧電壓主要由電弧長度決定，電弧長則電弧電壓高，電弧短則電弧電壓低。電弧的電壓在支架生產過程中不宜過長，電弧過長易出現燃燒不穩定，熔深小，氣體保護作用差。

焊縫焊接速度以及焊接順序對于熱影響區的寬度也有直接影響。在相同的電流下，焊接速度過慢會使高溫停留時間過長，熱影響區增寬，焊接接頭的晶粒變粗，力學性能降低，同時增加焊接變形［1］；焊接速度過快，則易于造成未焊透和融合不良等缺陷。對于頂梁、掩護梁等大型結構件，宜采用先焊立焊縫后焊橫焊縫及縱焊縫、對稱焊接的焊接順序，減少焊接變形。

在特定環境下，焊接質量對環境的依賴性也是很大的。焊接施工必然受到外界自然條件，如溫度、濕度、風速及雨雪天氣的影響［2］，在其它因素一定的情況下，有可能單純因環境因素造成焊接質量問題。

結構件蓋板坡口焊縫，坡口角度35°～50°，焊接時焊槍擺動角度不正確或焊絲位置不當極易造成焊縫成型不良，對操作者焊接操作姿勢有嚴格的要求。

對于大批量結構件生產，焊接速度直接影響支架結構件的生產效率。焊接質量主要是指由焊縫和熱影響區所組成的焊接接頭能否滿足一定服役條件所提出的性能要求，這在很大程度上取決于焊縫和熱影響區可能產生的各種焊接缺陷，其性質、大小、數量和危害程度將直接影響焊接質量的優劣［3］。焊接電流電壓和焊接速度對焊縫質量熱影響區的大小、焊接效率、焊接變形都有直接的影響；但是這三者之間的關系是相互聯系的，不能單以一個參數的大小來衡量。例如，結構件焊接過程中，焊接電流增高，如果焊接速度也相應增大，則焊接接頭單位長度所受的熱量就不一定增大。因此，這3 個參數的大小應綜合考慮，每道焊縫應以最佳的線能量及各參數的最佳配比。

2 群控系統結構

通過焊接工藝分析，為了獲取在焊接過程中影響焊接質量的各種因素的信息，我們需要通過CAN 總線實現上位機與焊機之間的通訊。通過上位機軟件可實現對在線焊機各系統參數的集中監控。通過上位機軟件可設定焊接電流、焊接電壓、焊接速度等焊接參數，可實時監控焊機的工作狀態并可以記錄結構件焊接操作者的實時操作信息，并以時間線為各變量基準，結合使用監控系統保證了焊接質量的可追溯性。系統基礎由可實現管理的焊機為數字化焊機組成，系統結構如圖1。本系統采用CAN總線通訊方式，上位機采用工控機通過護套雙絞線與焊機連接。焊接監控系統可以實時傳輸目標結構件結構形式，焊縫形式以及焊接人員操作方法等，便于對現場操作狀況進行掌控。

圖1 焊機群控系統

3 群控系統實施應用

系統工作時（如圖2）能夠記錄焊接過程中的電壓、電流、送絲速度、焊接時間等參數，減輕管理人員工作量，方便對焊接參數進行實時管理，當某個參數出現數據超限，系統會自動聲光報警并將數據傳入工控機服務器，管理人員和技術人員會對數據進行分析匯總并采取措施，可以有效控制結構件焊接質量問題的發生。焊接歷史數據記錄可以顯示焊機在任意一段時間的焊接電流電壓的給定值和實際值；系統還可以統計出每臺焊機的有效工作時間、焊接時間等使用情況，生產工作量一目了然，對企業進行生產管理大有幫助。

高強度液壓支架結構中大量使用高強度鋼板，鋼板焊接過程中需要嚴格控制焊縫溫度，冬季焊接亦有嚴格的預熱工藝要求。焊機群控系統中溫度、風速、濕度傳感器記錄了焊接時的各個環境因素，為制定焊接工藝提供了精確的數據支持，對于工藝技術人員及時準確地制定當下焊接工藝有極大的意義。

圖2 群控系統流程圖

對于以箱式結構為主的液壓支架結構件的焊接過程，焊接操作者的焊接姿勢，工件的放置方式以及焊接時的操作手法都有嚴格的要求。數字傳輸視頻系統主要采用高清攝像頭，攝像頭布置于工作臺高2.3 m 方位。焊接監控系統可以實時記錄焊接操作者焊接的姿勢、焊接順序以及目標焊縫的形式，保證了生產過程的可追溯性，對規范焊工操作、查找焊縫缺陷，分析缺陷產生的原因起到關鍵作用。最后結合具體項目，要經常組織焊工學習，不斷提高焊工的理論水平和實際操作技能，建立焊工檔案，實行獎懲制度，鼓勵和促進焊工提高操作水平［4］。

歷史記錄用于調取各工件歷史檢驗報告，每次焊后檢驗必須出具正式的檢驗報告，不僅要對結構件的每一條焊縫，而且要對參加焊接的每位焊工進行跟蹤記錄，前者在于監視已形成的實物質量，后者在于控制日后將制造的產品質量。結構件焊接質量不僅取決于操作者的技術水平，而且取決于工作責任心和受各種因素影響的情緒［5］。

焊接過程的實時監控可以實現通過視頻系統直接查看當前網絡內所有焊機的工作情況（如圖3 所示），使管理人員不在現場也能了解到每一臺焊機是否在工作、是否有故障、工作電流電壓等信息，從而及時發現并解決生產過程中焊機的各種運行狀況，減少管理人員的額外工作量。將大部分工作重點集中到提高支架結構件質量的其他環節。

圖3 實時監控信息

焊機群控系統的實施對于統一焊接規范、追蹤質量問題有極大的意義，將焊縫焊接過程各種不同情況下影響焊接質量的參數綜合形成直觀的數字圖表、檔案，應用于日常焊接管理、培訓、會議、總結對結構件質量控制以及質量的提高將有顯著的效果，對探索新工藝提供了更好的管理依據和數據支持。

4 結語

基于工業現場總線的焊機群控系統不僅可以實時監控焊接參數、焊接操作方法、現場焊縫形式，還可以有效節省人力資源，將質量控制成果反映在生產過程中，通過對焊接過程全方位的監督能夠顯著提高焊接質量，明顯地減少人為因素對生產質量的影響，并減少返修工序從而達到提高產效率降低生產成本的目的。通過將焊接數據制定成表并進行有效管理，對于生產數據調取、質量問題追溯都有極大的參考依據。

焊機群控系統在船舶、汽車制造等自動化程度較高的領域得到廣泛利用，煤機制造中應用可以實現焊接作業質量控制的半自動化，輔助以有效科學的管理，可以起到事半功倍的效果，不足之處在于煤機制造領域大量應用的氣體保護焊接對焊接操作的人工技能要求高，群控系統僅起到施工質量監督的作用，未來輔助以質量檢驗網絡化，焊接作業網絡化、自動化，相信該系統必將對煤機企業質量的提高起到不可估量的作用。

焊機群控系統的實際使用證明，焊接質量明顯提高，焊接缺陷明顯降低，職工質量意識增強。該群控系統為焊接的工藝優化提供了數據支持，為進一步實現企業焊接質量控制自動化、數字化以及科學管理奠定了基礎，具有廣闊的市場前景。

［1］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2009：174.

［2］張樹勇.焊接質量控制淺論［J］.一重技術，2005（6）：25-27.

［3］林蕓，宋景，李英.鋼制壓力容器制造中的焊接質量控制［J］.貴陽建筑大學學報，2004（3）：113-115.

［4］周岐.化工工程中壓力管道的焊接質量控制［J］.安裝，2006（4）：43-45.

［5］張超群，陳維賢.淺談鋼結構制造過程的焊接質量控制［J］.中外建筑，2000（2）：56-57.