基于PLC的鎳板對接等離子弧焊過程控制

沈亮， 趙倩， 武強強， 烏蘭， 徐永勝

(1.西北民族大學，蘭州 730030；2.蘭州華僑實驗學校，蘭州 730030)

0 前言

鎳具有耐高溫、抗腐蝕的性能，尤其在高溫下更為顯著，這些性質使得鎳及鎳合金在國防、航空航天、真空儀器儀表、通訊領域等有著較為廣泛的使用[1-3]。由于液態鎳的特性，決定了焊接熔池容易形成氣孔；同時Ni與P，S結合易產生裂紋。為此，在焊接時，一般在氣體保護下或隔絕外界環境的條件下采用高能量密度的焊接方法[4-5]。非熔化極氣體焊都可以用來焊接鎳。其中，等離子弧焊能量集中，焊接過程焊縫成形美觀、質量好，在焊接鎳及鎳合金時效果更好。但是等離子弧焊焊接時，影響焊接質量穩定的外因較多，如：焊接電流、電弧電壓、保護氣體流量、離子氣體流量等[6]。實際焊接過程中焊接參數設定繁瑣、焊接控制動作復雜，焊接質量較難保證，因此，它的應用一直受到限制。

若采用自動控制系統對等離子焊接過程的參數進行調節，則可以大幅度的提高焊接過程的穩定性，提高焊接質量[7]。PLC(可編程控制器)有運算速度快、指令強大、可靠性強的優點；同時，觸摸屏具有操作簡單、界面友好、節省空間等優點，采用觸摸屏可以對系統進行集中控制，從而提高對系統的可操作性；二者的相互結合已經在工業自動化的很多領域得到運用[8]。因此設計了以PLC為處理單元，結合觸摸屏人機界面技術對等離子弧焊控制系統進行優化，在鎳板焊接中取得了很好的效果。

1 等離子弧焊系統的組成

以PLC為處理單元，觸摸屏為操作界面的等離子弧焊系統關系如圖1所示。

圖1 系統結構圖

觸摸屏選用MT6070iH，尺寸為7寸[9]；該觸摸屏支持USB1.1和USB2.0兩種類型，可以連接U盤，打印、輸入、等外部USB設備；提供了RS-485和RS-232兩種通訊接口；同時屏幕支持100 M的計算機局域網通訊，傳送資料速度快捷，可以實現數據的交互。

PLC采用CP1H-X40DT-D型，可進行RS-232C 通信或RS-422A/485 通信，由于RS-485具有可靠性高、抗干擾性強、傳送距離遠等優點，故該系統采用RS-485與PLC通訊，完成觸摸屏與PLC之間的數據交換。焊接時PLC分別對焊接電源，行走機構，氣路系統的電磁氣閥及送絲系統進行控制。

焊接電源采用WS-400型焊機和TIG-200型焊機。WS-400焊機作為主弧電源，其采用IGBT逆變技術，選配有線遙控器后，可實現遠距離遙控操作。維弧電源選用小功率的TIG-200型焊機，該焊機采用MOSFET逆變控制技術，起弧容易，操作簡便。兩臺焊機相互獨立，系統穩定性和抗干擾性得到了提升。

行走小車負責載著待焊接鎳板做勻速運動，該小車由直流電動機旋轉帶動絲杠運動，通過控制電動機的轉速，實現調節焊接速度的效果。

直流電動機的轉速n表示為：

(1)

由公式可知，改變電樞供電電壓Ua可以實現達到旋轉速度的改變，改變電樞電壓的正負達到電動機轉動換向。同時，在PLC上增加模擬量輸入/輸出模塊CPM1A-DA041，通過改變電樞供電電壓，實現對行走小車的控制。

送絲機采用SB-11-P型送絲機，該款送絲機的焊絲直徑范圍為0.8～1.6 mm，送絲速度介于0.15～2 m/min，可以實現等離子弧焊過程中的送絲要求。

2 PLC控制系統及人機界面的設計

等離子焊接時序圖如圖2所示。PLC控制整焊接過程，實現自動焊接；行走機構利用調速裝置控制電動機帶動絲杠，絲杠上放置小車，當絲杠旋轉時，小車帶動工件行走；氣路系統通過電磁閥控制，氣體由氣瓶流經減壓器、電磁閥，由流量計設定氣體流量，最后通入焊槍；在焊接過程中，由冷卻水箱提供焊槍的冷卻水循環，水循環由兩部分組成。第一部分：水冷焊槍。冷卻水流經焊槍、噴嘴形成回路。第二部分：冷卻襯墊。通過給紫銅材質的襯墊通入冷卻水，實現對工件的冷卻效果。在沒有水循環冷卻等離子焊槍的條件下進行焊接，會造成等離子焊槍的燒損，所以在焊接時要保證水循環的暢通。考慮到水循環的重要性，該系統將水循環系統的開關作為整套系統的開關，這樣就確保了在水循環打開時進行焊接操作。

圖2 等離子焊接時序圖

該系統有參數預置、自動焊接兩個模式，試焊選用參數預置模式，通過觸摸屏打開離子氣、保護器開關，用流量計調節氣體流量、輸入小車速度(焊接速度)、送絲速度，完成焊接參數的預設。在設定完參數后，起維弧手動控制小車行走對焊縫進行對中，待焊縫對中，參數確定無誤后，準備工作完成恢復到自動擋；按下自動焊接按鈕后按照PLC設定的操作順序自動操作。首先使焊槍壁與鎢極建立維弧，然后鎢極與工件建立主弧，在焊槍與工件建立主弧之后斷開維弧；在焊接完畢時按下結束按鈕停止工件焊接。另外，獨立于PLC控制系統設定了物理急停按鈕，在出現緊急情況時可切斷電源防止發生意外。PLC控制流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制流程圖

該系統采用Easy Builder 8000工業編程設計軟件對屏幕窗口進行設計。它是用來進行人機界面(HMI)設計的專用軟件，功能強大，可以用來顯示參數，設置參數和實時控制。在開始一個新的工程時可以選擇所需的觸摸屏型號及與PLC通訊的協議。所有通過Easy Builder 8000作圖軟件配置到畫面上的內容，都稱為元件。作圖軟件對象列表中以對象的形式分類列出許多元件，在使用時，只需要調出相應的元件，在其屬性窗口中設置好相關參數，并配置到界面上合適的地方即可。這樣的畫面制作方式，稱之為組態畫面制作方式。在Easy Builder 8000中，與各元件相關的PLC地址、系統內部存儲器等，都是通過變量來定義、使用的。所有在界面中使用的按鍵變量都要通過變量定義的方式進行與PLC地址或系統內部存儲器關聯定義，然后才可以使用。該系統操作界面如圖4所示，通過參數預置按鈕可以提前調節建立維弧，氣體流量開啟，焊接速度(小車速度)、送絲速度等參數。

圖4 等離子弧焊操作界面

3 工藝試驗

3.1 不填絲熔焊試驗

試驗采用不填絲熔焊的方法，對6 mm厚度的N6鎳板進行焊接。焊槍采用TX-3型等離子焊槍，噴嘴采用直徑為3.2 mm的圓柱單孔噴嘴，孔道比為1，鎢極直徑4.8 mm，焊接前用鎢極限位塞規將內縮量控制在2.5 mm，焊接時噴嘴距離鎳板8 mm。不填絲焊接工藝參數見表1，圖5、圖6、圖7分別為不同參數下不填絲焊縫形貌。

表1 不填絲焊接參數

圖5 A組焊縫形貌

圖6 B組焊縫形貌

圖7 C組焊縫形貌

3.2 填絲熔焊試驗

在相同的焊接控制系統下，該試驗還采取了填絲焊接6 mm厚度N6鎳板的試驗。試驗采用直徑為1 mm的ERNi-1焊絲作為填充焊絲，焊接時，通過送絲嘴將焊絲送入電弧下方，送絲嘴與焊槍夾角為60°。 ERNi-1焊絲的成分見表2，焊接參數見表3，圖8、圖9、圖10為分別不同焊接工藝參數下填絲焊縫形貌。

表2 ERNi-1焊絲的化學成分 (質量分數，%)

表3 填絲焊接參數

圖8 D組焊縫形貌

圖9 E組焊縫形貌

圖10 F組焊縫形貌

4 結論

通過多組試驗證明，該套等離子弧焊控制系統穩定可靠。觸摸屏的使用，將繁瑣的參數調節集中化設置，參數設定更加便捷，簡化了焊接操作過程，整套控制系統可以實現6 mm厚度N6鎳板的對接焊接需求，確保了焊接質量。