MIG/MAG堆焊非水平工件區域的自動調高研究

郭海青，牛志剛

(1.太原理工大學，山西　太原　030024； 2.山西機電職業技術學院，山西　長治　046011)

0　引言

堆焊是用電焊或氣焊法把金屬熔化并堆在工具或機器零件上的焊接法，通常用來修復零件磨損和崩裂部分，它作為材料表面改性的一種經濟而快速的工藝方法，越來越廣泛地應用于各個工業部門零件的制造修復中。常見的堆焊方法包括焊條電弧堆焊、鎢極氬弧焊堆焊、熔化極氣體保護焊堆焊、埋弧焊堆焊、電渣堆焊等。本文主要通過控制熔化極數控堆焊機焊槍頭，根據工件的凹凸特性實現焊槍頭的自適應升降，進而實現數控熔化極氣體保護堆焊在非平面區的焊接。

1　調高的意義

用熔化極氣體保護焊在非平面區域堆焊時，需要在焊接過程中實時檢測焊接區域與焊槍運行平面的狀態并予以評價。當工件平面和焊槍運行平面平行時，此狀態評價為水平；工件平面和焊槍平面不平行，沿運行進給方向看，呈爬坡狀態評價為凸，呈下坡狀態評價為凹。當焊接區域狀態呈現為凹凸狀態時，焊槍頭就需要升高或降低以保持焊槍和工件的高度差一致，防止碰撞焊槍頭并保證良好的焊接質量。

2　焊接區域狀態檢測傳感器

為處理以上問題，我們就需要針對焊接區域的凸凹狀態及控制精度要求設計專用的焊接區域狀態檢測傳感器(如圖1所示)，傳感器由相距40 mm且具有一定高度差(高度差可調整以實現狀態檢測控制精度)的兩個機械式行程開關組成，在運行中收集接近開關的開合狀況，斷開信號狀態記為0，閉合信號狀態記為1。

3　焊接區域狀態提取及信息化處理

在焊接時，如果兩個接近開關皆斷開，狀態為0，則該焊接區域就認為是凹狀態；兩個接近開關皆斷開，狀態為1，該焊接區域就認為是凸狀態；如果,接近開關SQ2的狀態為0，接近開關SQ1的狀態為1，該焊接區域被認為是水平狀態。焊接區域狀態信息真值表如表1所示。

1-接線柱；2-動合觸頭；3-高度調節外導套；4-萬向球碗；5-復位彈簧定位板；6-傳感器外殼；7-復位彈簧；8-調節鎖緊裝置；9-萬向球

狀態凹平滑凸示值(SQ1/SQ2)001011

4　自動調高的實現

4.1　硬件設計

我們用傳感器、主控PLC和焊槍頭升降驅動系統構成整個硬件控制回路，如圖2所示。本文所選擇的PLC是DVP32EH3，供電為AC220 V，S/S為公共端，本設計中使用的是共陰極輸入；焊槍頭升降系統由DCH-205M步進驅動器和兩相130BYG系列混合式步進電機組成，步進驅動器為AC85 V交流供電，步進驅動器的接線方式為共陽極脈沖+方向控制。

4.2　自動調高程序設計(僅顯示調高部分)

焊接區域狀態傳感器動合觸頭SQ1對應PLC的軟元件X0，動合觸頭SQ2對應軟元件X1，步進驅動器脈沖輸入端對應軟元件Y1，方向輸入端對應軟元件Y2。PLC梯形圖如圖3所示。

圖2　硬件控制回路

控制過程如下：在00狀態時，PLC中的X0、X1皆處于斷開狀態，YI、Y2接通及步進驅動器脈沖端及方向端全得電，電機開始反向旋轉可以驅動焊槍下降；在10狀態時，PLC中的X0處于閉合，而X1處于斷開狀態，Y1、Y2皆不得電，步進電機停止轉動，焊槍停止下降，執行平面軌跡實施堆焊；在11狀態，Y1得電，電機開始正向旋轉驅動焊槍上升。在整個控制過程中，根據焊接區域狀態信息的實時變化，電機處于自適應運行控制中，進而實現焊槍的自適應調高。

圖3　PLC梯形圖

5　結束語

本文討論了數控熔化極氣體保護焊在實施非水平面類工件堆焊過程中的自適應調高的實現。選擇機械式行程開關并進行有效的組合設計而成的區域狀態傳感器，結構緊湊，體積小，價格低廉，能夠盡可能地安裝在焊接部，真實地反映焊接區的凹凸狀態，配以PLC自動控制，能夠實現實時感知并根據感知狀態自動調整焊槍高度，保證焊接過程高可靠性自動運行，極大地提高了堆焊效率，降低了工人的勞動強度。