鍋爐膜式壁脈沖MAG弧長協同控制技術

孫 萍，李 朋

(1.山東體育學院，山東 濟南 250101；2山東奧太電氣有限公司，山東 濟南 250101)

0 前言

膜式水冷壁（以下簡稱膜式壁）管屏是鍋爐主要受壓部件，制造工作量大，周期長，生產工藝復雜，是鍋爐制造的薄弱環節之一。目前國內外主要采用埋弧焊和脈沖MAG焊兩種焊接方法焊制鍋爐膜式壁管屏。其中埋弧焊工藝焊速較高，但對焊劑處理和保存要求較高，只能采用單面焊接，焊后產品變形大。脈沖MAG焊能實現雙面同時焊接，工件受熱均勻，管屏變形小、焊縫成型飽滿、生產效率高，且熔深呈弧形，金屬流動性好，易獲得致密焊縫。同時脈沖電弧解決了普通MAG焊不易實現仰角焊和外觀尺寸不符合要求等技術難題。

脈沖MAG焊的熔滴過渡形式有三種[1]：多脈一滴、一脈一滴和一脈多滴，其中一脈一滴是最理想的過渡形式。本研究在設計合理的脈沖電流波形的基礎上，通過協同控制的方式實現弧長的快速、穩定，對膜式壁焊接過程中的不穩定因素具有較強的抗干擾能力。

1 脈沖電流波形設計

在脈沖焊接時，對熔滴過渡影響最大的是焊接電流波形。實驗證明，脈沖電流波形的形狀、大小決定著單個熔滴的過渡行為特性。在普通脈沖波形的基礎上增加了一個介于峰值電流和基值電流之間的過渡區，通過合理選擇過渡電流和過渡時間可提高熔滴過渡的可控性，使得熔滴過渡大多發生在峰值電流的下降沿至過渡區內，有助于實現穩定的一脈一滴。

1.1 普通脈沖電流波形

普通脈沖電流波形如圖1所示。焊接過程中，若因外部因素使某個周期內熔滴的過渡時刻發生偏移[2]，幾個脈沖積累起來就會發生一脈多滴或多脈一滴現象，導致熔滴過渡的不均勻性和熔滴大小的不一致性，導致弧壓不一致，從而影響焊接質量。

圖1 普通脈沖電流波形

1.2 具有過渡區的脈沖波形

為了控制一脈一滴的過渡熔滴的大小和均勻一致，較好的方法是控制波形的形狀。脈沖電流波形以下的面積確定了應用于單個熔滴的能量大小,為此提出具有過渡區的脈沖電流波形[3]，如圖2所示。

具有過渡區的脈沖電流波形增加了一個介于峰值電流和基值電流之間的過渡區。其控制思想是：熔滴在峰值后期已經形成，并沒有發生過渡，減小了熔滴對熔池產生的較大沖擊；通過合理選擇過渡電流和過渡時間，利用熔滴向下的動量和電磁力產生足夠大的力使熔滴脫離焊絲，保證了熔滴過渡的規則性和可預測性，為進一步實現弧長控制打下基礎。

2 當前周期弧長閉環控制

焊接過程中，由于焊絲送進速度的不穩定、手的抖動以及工件因熱而產生的變形，會引起弧長的不穩定,所以單靠焊絲伸出長度的自身調節作用并不能保持電弧穩定。弧長控制系統框圖如圖3所示。

圖3 協同控制脈沖MAG焊控制框圖

為了保證弧長穩定，選取電弧電壓作為表征電弧長度的反饋物理量[3]。根據實時弧壓反饋進行PI運算，運算結果調節基值時間Tb，當運算結果與實際基值時間相等時當前脈沖周期結束，從而保證弧長穩定。當前周期弧長變化示意如圖4所示。

圖4 當前周期弧長變化示意

3 弧長協同控制技術

弧長協同控制技術是指針對由于焊接過程中干伸長變化引起的電壓降進行補償的技術。

輸出電壓

式中 I為輸出電流；Rω為輸出電纜和接觸電阻；ρr為焊絲單位長度電阻；ls為干伸長；U0為電勢常數；Ra為電弧電阻；Ea為描述弧長和電弧壓降的常數。

當干伸長減小，輸出電流減小；當干伸長增加時，輸出電流增加。所以焊接輸出電流的變化反映了干伸長的變化趨勢。為了補償干伸長的壓降，根據上一周期電壓PI調節輸出的值來動態地改變，對當前峰值電流進行動態調整，補償干伸長上的電壓，從而保證電弧上的壓降不變，弧長就可以保持不變。脈沖電流波形調整示意如圖5所示。

4 控制系統建立

單片機（MCU）和數字信號處理器（DSP）構成雙機控制系統。控制電路各個部件之間采用485數字通訊的方式連接。顯示板采用單片機（主機）控制，實現焊接狀態控制功能和電流、電壓給定等參數設定；DSP主控板進行運算功能，實現數字弧長控制算法和靈活的波形控制，從而精細控制熔滴過渡。控制框圖如圖6所示。

圖5 脈沖電流波形調整示意

圖6 控制系統框圖

5 焊接專家系統的建立

為了獲得一脈一滴過渡形式，焊接參數之間的配合尤為重要。每一種焊絲對應一套專家數據，包括電流與電壓的對應關系、脈沖電流波形的各個參數、弧長控制算法等。

在焊接某種材料時，設置脈沖參數對焊工來說較為困難。本研究設計的焊接專家系統[5]模仿焊接專家的知識和推理方法，指導焊接操作者快速掌握脈沖MAG焊接過程的軟件系統。具體過程如下：焊接操作者在焊機顯示面板上選擇焊絲牌號、焊絲直徑、保護氣體、母材厚度、送絲速度等輸入條件，焊接專家系統根據所選用的焊接條件推理確定頻率、脈沖電流控制波形的參數和控制算法。焊機顯示面板和遙控器面板如圖7所示。

圖7 焊機顯示面板和數字遙控器面板

焊接規范調節流程：（1）在控制面板上選擇好焊絲材料、焊絲直徑；（2）將遙控器電壓旋鈕調節到標準位置；（3）調節電流旋鈕就可進行焊接。

6 20頭膜式壁自動焊應用實例

6.1 焊接設備及主要參數

某軍區鍋爐廠目前擁有的脈沖MAG膜式壁自動焊機的主要技術參數如表1所示。管子及扁鋼材質為低碳鋼及低合金鋼。

焊機選用山東奧太Pulse MIG-500逆變焊機，ESS-500S光柵轉速反饋送絲機，TBI-511直柄水冷焊槍。焊槍排布結構是：上6+下6+上4+下4。

6.2 焊接工藝參數

焊接工藝參數范圍如表2所示，碳鋼焊接時采用SM-70焊絲，直徑φ1.2 mm，保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣。

焊接效果如圖8所示。

表1 膜式壁自動焊機技術參數

表2 焊接工藝參數

7 結論

具有過渡區的脈沖波形提高了熔滴過渡的可控性，當前周期弧長控制和弧長協同控制技術保證整個焊接過程中電弧長度的穩定。

圖8 焊接效果

基于以上技術的脈沖MAG焊機已經在20頭的膜式壁自動焊中成功應用，各項焊接指標全部達到工藝要求。

[1]林三寶.電弧焊基礎[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]蒙永民.GMAW-P焊熔滴過渡模糊控制的研究[D].廣州：華南理工大學，2001.

[3]李 朋.逆變焊機波形控制技術[J].電焊機，2009，39（2）：38-42.

[4]王偉明.逆變式GMA單脈沖和雙脈沖焊機數字控制系統研究[D].北京：北京工業大學，2004.

[5]彭金寧，陳丙森.焊接專家系統在我國的發展[J].焊接，1993（11）：10-15.