大功率連續閃光焊接過程的PLC控制

黃 偉

（江蘇農林職業技術學院，句容 212400）

0 引言

閃光焊接是對焊的主要形式，對焊廣泛應用于鐵路軌道的焊接、建筑材料的連接、船舶錨鏈等型材與棒材的焊接，其中船舶錨鏈的焊接截面積最大、焊接質量要求最高。船舶錨鏈是船舶在大海中遇到風浪時穩定船舶的重要裝置，是船舶的生命線。海洋石油鉆井平臺對鏈條的要求極高。實現錨鏈大面積閃光焊接，必須依靠專門的閃光焊接設備，典型的以瑞典ESAB公司的自動過程焊接設備為代表，焊接的截面積可達到20000mm2，還有就是原蘇聯160KVA為代表的非自動過程焊接設備，焊接的截面積比較小，一般只能達到600 mm2，而且質量不穩定。

1 閃光焊接過程

閃光焊接過程主要由閃光（加熱）和隨后的頂鍛（壓力下交互結晶）、保持、休止等階段組成，與電阻對焊相似，閃光、頂鍛兩個連續階段組成連續閃光對焊接頭形成過程，而保持、休止等程序是對焊過程中必須的，閃光焊是利用焊件內部電阻和接觸電阻所產生的電阻熱對焊件進行加熱來實現焊接的。焊接開始時，在接通電源后，兩焊接件逐步移近，在焊接件間形成很多具有很大電阻的小接觸點，并很快熔化形成一系列液體金屬過梁，形成了電路環路；由于溫度升高，金屬過梁將爆破，形成的電路環路斷開，如此可以測量出焊接件接觸與斷開的電流，如此頻繁重復。實現頻繁重復運動的元件是液壓系統的電液伺服閥。

1.1 閃光階段

閃光對焊包括連續閃光對焊和預熱閃光對焊兩種方式，對截面積的焊接材料，為保證焊接質量，必須采用預熱閃光對焊。

閃光焊接的實質就是通過電源并使兩焊接件端面輕微接觸，對口間將形成許多具有很大電阻的小觸點，在很大電流密度的加熱下，瞬間融化而形成連續對口兩端面的液體過梁。文獻資料認為，液體過梁存在的時間約1毫秒～5毫秒、爆破頻率達到500Hz。閃光的形成也就是液體過梁不斷形成和爆破過程，并在此過程中析出大量的熱。如圖1所示是焊接閃光情形。

閃光的作用主要有：

1）加熱焊接，熱源主要來自液體過梁的電阻熱以及過梁爆破時部分金屬液滴噴射在對口端面上帶來的熱量；

2）燒掉焊接件端面的臟物和不平整面，因此降低了對焊前端面的準備要求；

3）液體過梁爆破時產生的金屬蒸氣及CO2、CO等氣體，減少了空氣對間隙的侵入，形成自保護。同時，金屬蒸氣及拋射的金屬液滴被強烈氧化而減小了氣體介質中氧的分壓，從而降低了對口間隙中氣體介質的氧化能力；

4）閃光后期在端面上形成的液滴金屬層，為頂鍛時排除氧化物和過熱金屬提供了有利條件。

為了獲得優質的焊接接頭，閃光階段結束時，必須滿足以下條件：

1）對口處金屬盡量不要被氧化，同時還要控制好閃光過程中不能產生短路，否則，將可能使端面局部過熱。因此，二次空載電壓和閃光速度對該點影響最大；

2）在對口及其附近區域獲得合適的溫度分布，沿對口端面加熱均勻；沿零件長度獲得合適的溫度分布；端面上有一層較厚的液態金屬層。

1.2 頂鍛階段

頂鍛是閃光焊接后期，對焊接件施加頂鍛力，使燒化端面緊密接觸，實現焊口的優質結合。頂鍛開始時，動夾具突然加速使對口間隙迅速宿小，過梁端面增大而不再爆破，閃光驟然停止。對口及鄰近區域開始承受越來越大的擠壓力。

頂鍛階段由有電頂鍛和無電頂鍛兩個部分，有電頂鍛是使端面金屬不過早冷卻，使對口加熱區域保持一定深度，在大直徑材料的閃光對焊中尤其重要。頂鍛的作用主要是對口和鄰近區域獲得適當的塑性變形，促進焊縫再結晶過程。頂鍛的作用主要有：

1）封閉對口間隙，擠平因過梁爆破留下的火口；

2）徹底排除端面上等液體金屬層，是焊縫中不殘留鑄造組織；

3）排除過熱金屬及氧化夾雜，造成潔凈金屬緊密貼合；

4）是對口和鄰近區域獲得適當的塑性變形，促進焊縫再結晶過程。

1.3 預熱階段

是在焊機上通過預熱而將焊接件端面溫度提高到一個合適值（例如對于30Mn溫度800℃～900℃）后，再進行閃光和頂鍛過程。預熱方式分為電阻預熱和閃光預熱，對于大規格的棒材采用閃光預熱，也就是在接通電源后，多次反復將焊接件端面輕微接觸、分開，每次輕微接觸過程中，都要激發短暫的閃光。預熱的作用主要有：

1）減少功率，可在較小容量的焊接設備上對大截面材料焊接；

2）加熱區域較寬，使頂鍛時易于產生塑性變形，并能降低焊后的冷卻速度；

3）縮短閃光加熱時間、減少閃光量，可節約金屬材料；

由于預熱作用明顯，為實現預熱閃光，過程控制復雜。圖2是典型的預熱閃光對焊過程示意圖。

焊接中，焊接件由兩個電極固定，其中一個電極是固定電極，另一個電極是活動電極，示意圖中S表示活動電極反復將焊接件端面輕微接觸、分開的運動過程。次運動過程要求具有控制的快速性、滯后小。

在液壓系統中，通過頂鍛油缸驅動活動電極的反復運動，實現頂鍛油缸運動控制必須滿足快速性、穩定性和準確性，采用電液伺服閥才能滿足控制要求。

2 閃光焊接控制系統

閃光焊接設備的核心是電液控制系統，電液伺服閥是實現閃光焊接的關鍵部件。電液伺服閥既起電氣信號與液壓信號的轉化作用，又起信號的放大作用，是系統中的核心元件。焊接伺服系統的電液伺服閥實際上是流量伺服閥，電液伺服閥的給定電流與流量之間存在函數關系，通過給定電液伺服閥不同的控制電流，實現流量控制，伺服閥按照焊接工藝過程，精確控制頂鍛缸的液壓流量，頂鍛缸驅動頂鍛裝置和活動電極，實現焊接件端口按照工藝位置與速度運動。電液伺服閥的傳遞函數可以用振蕩環節近似表達為：

式中：kv—電液伺服閥的流量增益；wv—電液伺服閥的固有頻率；ξv—電液伺服閥的阻尼比；Tv—電液伺服閥的時間常數。

為使伺服系統有較好的動態性能，應要求它的閉環幅頻特性在盡可能寬的頻帶內實現幅值≈1，也就是

則，閉環的傳遞函數為

活動電極的運動由頂鍛油缸帶動活動電極完成，頂鍛油缸的運動由電液伺服閥的流量控制，而電液伺服閥的工作狀態是由電流信號所決定。因此，提供給電液伺服閥的電流，是實現控制的核心。

3 焊接預熱閃光運動過程

根據以上分析，焊接過程包括預熱閃光階段、連續閃光過程和頂鍛階段。圖2中所示的預熱閃光階段，是閃光焊接控制的重要階段，也是過程控制最復雜階段。預熱閃光階段就是在接通電源后，多次反復將焊接件端面輕微接觸、分開，每次輕微接觸過程中，都要激發短暫的閃光。如果將此過程中的一個循環進行分析，其實包含了四個過程，如圖4所示。就是由電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極進行循環運動，此運動實現了反復將焊接件端面輕微接觸、分開的功能。

“1”階段：電極前進。電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極前進，也就是將焊接件端面輕微接觸。隨著前進運動，端面接觸將逐步加大，端面的電流也越大，當實際采樣的電流大于工藝設定的電流值時，將停止向前運動。

“2”階段：電極靜止。端面接觸后達到工藝設定的電流值時，電極停止運動，焊口短路加熱。達到設定的時間，將焊接件端面輕微分開。但在此階段,如果實時測量電流＞環背電流×K,則電極又開始前進。K是連環材料在焊接前實際測量的環背電流值與連續閃光是的電流值的比，根據材料的直徑與產品要求而定。

“3”階段：電極后退。電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極后退，此時由于電流大，溫度高，形成了融化狀態，由于大電流形成了強磁場，此時過梁爆破形成的閃光金屬液滴向外高速飛出。隨著電極后退，焊接端口距離變大，焊接端口的電流逐步減小，當當實際采樣的電流小于工藝設定的電流值時，將停止后退運動。

“4”階段：保持。此階段是電極保持靜止，使焊接端口溫度均衡，達到工藝設定的時間，電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極再次前進，將焊接件端面輕微接觸。如此往復循環。

在往復循環預熱一段時間后，系統根據設定的工藝參數，判斷滿足連續閃光條件了，則進入到連續閃光階段。此階段是電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極，按照工藝設定的速度平穩前進，當前進運動完成了閃光長度時，進入有電頂鍛和無電頂鍛階段。在頂鍛階段，應當使電液伺服閥有盡可能大的電流，驅動頂鍛油缸帶動活動電極迅速前進，壓緊焊接端口并保持。

滿足連續閃光的判斷條件是：

實時測量電流＞環背電流×K,同時單次冷卻時間內發生爆破；

實時測量單次冷卻時間＜設定單次冷卻時間。

以上是實現連續閃光焊接控制的關鍵條件。閃光焊接控制參數主要有：

1）輸入參數

（1）焊接電流。通過安裝在大功率焊接變壓器初級上的電流互感器，測量焊接過程的實時電流狀態。實時電流與設定的預熱閃光階段電流比較，確定預熱閃光階段的前進與后退控制；

（2）動電極運動位置。測量在預熱閃光階段的動電極實際運動距離；

（3）焊接件短路時間。實際測量預熱閃光階段的焊接件短路時間，據此判斷是否滿足進入連續閃光的條件；

（4）焊接過程電極壓力。測量電極壓力，作為監控；

（5）連續閃光速度。作為監控，連續閃光的長度、連續閃光時間之間的關系。

2）設定參數

根據閃光焊接過程控制的分析，自動閃光焊接設備控制復雜、精度要求高，電液伺服閥構成的液壓系統靈敏性高。主要的過程控制參數有：

（1）焊接件端口預置電流；

（2）預熱閃光階段電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極前進速度；

（3）電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極前進中的端口電流；

（4）預熱閃光階段前進后電極靜止的時間；

（5）預熱閃光階段電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極后退速度；

（6）電液伺服閥驅動頂鍛油缸帶動活動電極后退中的端口電流；

（7）預熱閃光階段后退后電極靜止的時間；

（8）連續閃光長度；

（9）連續閃光速度；（連續閃光時間監控）

（10）有電頂鍛時間；

（11）無電頂鍛時間；

（12）頂鍛速度；

（13）總頂鍛長度。

3）輸出參數

電流輸出形式，輸出給電液伺服閥的伺服控制電子系統，電流的大小控制伺服閥的運動，驅動焊接動電極根據焊接工藝要求執行運動過程。

（1）控制系統過程

（2）控制系統構成

整個控制系統，包括焊接開始啟動開關、焊接件的夾緊固定與放松、夾緊到位行程開關、大功率焊接變壓器電源主開關的通/斷（大電流晶閘管）、焊接過程速度快，精度高，焊接動電極的運動由電液伺服閥控制，動電極的運動位置通過測量傳感元件測量，反饋給輸入，位置測量傳感元件是選用國外進口的150mm—250mm高精度直線電阻器。

焊接動電極電液速度伺服系統由電液伺服閥、液壓馬達、積分放大器、位移傳感器等組成，為了提高焊接精度，克服電液伺服閥的滯后響應，向電液伺服閥的線圈中送入頻率是100Hz的等幅振蕩信號，保持電液伺服閥處于一種動態平衡中，提高電液伺服閥的相應速度。

據上分析，采用三菱Q系列可編程序控制器構成控制系統。具體的構成是：

Q00CPU 1塊

QX40（16點輸入、DC24V/4mA） 2塊

QY10（16點 輸 出、 繼 電 器 型、DC24V/AC240V、2A） 1塊

Q68AD（8通道模擬量輸入、電流/電壓） 1塊

Q62DA（2通道模擬量輸入、電流/電壓） 1塊

Q61P—A2（電源，AC200V輸入專用） 1塊

Q35B（可擴展的主基板，電源+CPU+5個模塊） 1個

4 結束語

在調試時，判斷焊接過程中，預熱閃光階段進入到連續閃光階段的條件是關鍵，如果一直處于預熱閃光階段，無法自動進入到連續閃光狀態，而閃光長度已經運動完成，就必須對焊接狀態進行干預進入到連續閃光狀態，但可能影響焊接質量，對這樣的狀態必須要保持記錄。

經過運行調試，該系統能夠滿足大截面材料閃光焊接控制要求，性能穩定。

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