基于DeviceNet總線的雙鎢極堆焊系統(tǒng)設(shè)計及工藝性驗證

袁亮文　劉萬存　高永光　肖鵬

摘要：依據(jù)某核電與石化產(chǎn)品堆焊的主要特點與工藝流程，設(shè)計了基于DeviceNet總線的高性能PLC控制核心，并配備DeviceNet總線焊接電源、雙鎢極焊槍、觸摸屏、伺服定位系統(tǒng)、弧壓處理系統(tǒng)、自動焊接三維滑架等單元構(gòu)成的雙鎢極堆焊成套設(shè)備。經(jīng)過焊接工藝試驗，驗證了整套系統(tǒng)的可靠性、自動化程度、抗干擾能力、擴展性。焊縫成型良好，堆焊效率較單鎢極提高1倍，UT探傷、焊縫化學(xué)成分、鐵素體含量、彎曲性能、晶間腐蝕、硬度等檢測項均合格。

關(guān)鍵詞：PLC控制;雙鎢極;數(shù)字化;DeviceNet總線控制系統(tǒng);焊縫成形

中圖分類號：TG439.2文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0041-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.06

0 前言

雙鎢極氬弧焊是一種高效、新興、高質(zhì)量的惰性氣體焊接方法，兩個電弧相互靠近到一定距離后在電弧力的作用下相互吸引、耦合成一個電弧，此雙鎢極耦合電弧可以提高焊絲的熔敷效率，間接提高焊接速度，焊縫成形更加美觀。當前，許多焊接設(shè)備集成商普遍采用離散的I/O硬接線方式實現(xiàn)設(shè)備（如機器人）與焊接電源之間的通信。在惡劣的焊接環(huán)境下，導(dǎo)致系統(tǒng)性能大大下降，降低焊接質(zhì)量。此外，由于系統(tǒng)復(fù)雜性增強后，需要調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)較多，傳統(tǒng)的離散I/O方式不能滿足信息及時交換的需要，且現(xiàn)場布線相當麻煩，后期維護成本相對較高，對硬件的依賴性增強[1-2]。本文基于DeviceNet總線，設(shè)計了整套雙鎢極堆焊系統(tǒng)，并采用合理的焊接工藝方法，驗證了整套系統(tǒng)的可靠性。

1 雙鎢極堆焊系統(tǒng)組成

該設(shè)備主要由機械、電氣、雙鎢極堆焊系統(tǒng)等部分組成。機械部分主要包括操作機上下及左右運動軸、焊槍運動軸、雙鎢極焊槍;電氣控制主要包括弧壓跟蹤系統(tǒng)、高速TIGSpeed送絲系統(tǒng)、雙鎢極數(shù)字化電源控制系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、相位差控制系統(tǒng)等組成。雙鎢極堆焊系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示[3-4]。

2 雙鎢極堆焊系統(tǒng)

2.1 機械運動機構(gòu)

機械運動機構(gòu)主要包括雙鎢極堆焊焊槍、三維線性模組、弧壓AVC系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、擺動焊接運動軸等，雙鎢極焊槍采用特殊的全冷卻式結(jié)構(gòu)。橫向與縱向的弧壓AVC運動軸均采用直線滾動導(dǎo)軌+伺服驅(qū)動，輸出力矩恒定，加減速性能優(yōu)越、運動平穩(wěn)。

2.2 控制器與功能模塊

雙鎢極自動堆焊設(shè)備采用高性能通用性控制器，外圍擴展接口豐富，提高了設(shè)備后續(xù)的升級需求。在整個焊接過程中控制兩個數(shù)字化焊接電源的電弧相位差、起弧、停弧、異常報警、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)監(jiān)控、斷點記憶等[5]。

友好的人機界面是人與設(shè)備進行交互的重要途徑，該人機界面主要負責CPU與觸摸屏進行實時快速數(shù)據(jù)交換，實時顯示主從電源焊接參數(shù)、當前弧壓值、送絲速度、焊接速度、振動頻率以及擺動速度、故障代碼顯示等參數(shù)。

伺服控制系統(tǒng)主要有原點復(fù)位控制、定位控制、手動控制等定位系統(tǒng)中必要的基本功能。

I/O信號的處理包括冷卻水是否正常、從電源的引弧成功信號、軸限位、手動與自動操作、無線遙控傳輸?shù)刃畔ⅰ?/p>

2.3 數(shù)字化焊接電源

該雙鎢極堆焊系統(tǒng)中的數(shù)字化焊接電源采用直流正接，即保證堆焊的效率，同時減少鎢電極的燒損，進而提升鎢極氬弧焊電弧的穩(wěn)定性。數(shù)字化焊接電源具備豐富的自動化接口、總線控制單元、焊接電源PC接口等，為數(shù)字化控制奠定基礎(chǔ)。

該電源配備自動化接口與工業(yè)總線DeviceNet接口，除常規(guī)功能外，額外增加了具備能實時指示焊接電流峰值狀態(tài)的標志位，用于弧壓跟蹤峰基值檢測;利用此數(shù)字量峰基值信號可精細化控制弧壓值與0～360°相位差調(diào)節(jié)。與上位機的通信采用DeviceNet總線傳輸，抗干擾能力大大增強[6]。

2.4 弧壓采集

依據(jù)焊接過程中電弧長度與電弧電壓成良好線性關(guān)系，利用弧壓電信號精準控制電弧高低，保證焊接過程中的穩(wěn)定性。本設(shè)備為避免弧壓在線路上的損耗與干擾問題，直接采用數(shù)字化焊接電源高速實時信號的過程值。此BUSINTX11高速實時接口借助總線DeviceNet可獲得焊接電壓、焊接電流、線速度和電機電流等焊接過程參數(shù)。該弧壓采集方法大大節(jié)省了硬件設(shè)計，此功能全部由軟件實現(xiàn)。

弧壓采集控制可以很好的解決雙鎢極氬弧焊因工件表面高低不平、鎢極燒損以及焊接變形等導(dǎo)致焊接過程的不穩(wěn)定問題。基于伺服控制技術(shù)和電弧電壓的電信號為依據(jù)，設(shè)計了關(guān)于鎢極氬弧焊的弧長控制程序。實驗表明，該弧長控制系統(tǒng)可顯著提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，具有更好的應(yīng)用前景。

2.5 無線遙控盒

通過無線控制技術(shù)與ModBus通訊協(xié)議的完美結(jié)合，完全擺脫線束纏繞問題，無線遙控盒接收器連接至上位機QJ71MB91通信模塊，設(shè)置完成通信參數(shù)。控制盒內(nèi)部采用全隔離設(shè)計和調(diào)頻傳輸技術(shù)，抗干擾能力提升。手控盒顯示面板可以實時顯示主/從焊機電流與電壓、送絲速度、焊接速度、程序號、故障代碼、系統(tǒng)參數(shù)等，操作方便，如圖2所示。

3 雙鎢極堆焊系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制程序流程設(shè)計

雙鎢極堆焊系統(tǒng)軟件設(shè)計程序包括PLC程序和人機界面組態(tài)程序設(shè)計以及無線通訊。編程設(shè)計軟件采用GX與GT界面組態(tài)軟件進行編程。

雙鎢極自動焊接控制系統(tǒng)的整個焊接過程軟件流程如圖3所示。初始化程序主要完成對設(shè)備故障進行故障復(fù)位、參數(shù)恢復(fù)、系統(tǒng)配置等;參數(shù)的寫入與保存：讀取焊接參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，通過配方數(shù)據(jù)寫入程序中;狀態(tài)監(jiān)控主要實現(xiàn)對焊接過程中機械運動、焊機故障等及時顯示在人機界面，并進行燈珠報警操作。

焊接模式主要由手動控制模式、模擬控制模式與自動控制模式構(gòu)成。在模式焊接前需要對主從焊接電源進行選擇，確定是單鎢極啟弧，還是雙鎢極啟弧。在手動控制模式下主要實現(xiàn)設(shè)備整體三維滑架的移動與焊槍的升降。在自動控制模式下，按動啟動按鈕，雙鎢極堆焊設(shè)備就按照程序控制開始焊接，焊接過程中時刻檢測報警與故障信息，實時處理故障[7-8]。

3.2 HMI程序設(shè)計

雙鎢極堆焊控制系統(tǒng)的人機界面采用以太網(wǎng)總線與PLC實時通信。通過觸摸屏設(shè)定參數(shù)，將其發(fā)送至控制核心PLC數(shù)據(jù)寄存器。雙鎢極堆焊控制系統(tǒng)人機界面有開機主畫面、焊接工藝參數(shù)設(shè)定與顯示、參數(shù)監(jiān)控顯示等，如圖4所示。

在雙鎢極堆焊控制系統(tǒng)中，觸摸屏可完成焊接設(shè)備運行狀態(tài)的顯示、工藝參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、配方數(shù)據(jù)傳輸、焊接過程參數(shù)實時調(diào)節(jié)等，各個功能相互協(xié)調(diào)，共同實現(xiàn)整套系統(tǒng)的控制要求。

3.3 PLC程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化梯形圖設(shè)計。主要包括焊接過程控制、焊槍運動軌跡控制、機械運動伺服控制、雙電源協(xié)調(diào)控制等程序段。雙鎢極堆焊系統(tǒng)采用無線+全數(shù)字化控制，主控制臺主要完成系統(tǒng)參數(shù)與焊接參數(shù)的設(shè)定;無線遙控器主要完成上述相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與反饋，而且能夠?qū)崟r顯示焊接電流、電弧電壓、焊接位置、送絲速度、焊接速度、擺動速度與幅度、振動頻率以及故障顯示與清除。

4 焊接工藝試驗

4.1 工藝內(nèi)容

采用該項目設(shè)計的雙鎢極堆焊控制系統(tǒng)與合理的焊接工藝方法，驗證整套系統(tǒng)的可靠性，未產(chǎn)生焊道間未熔合等問題，堆焊效率較單鎢極效率提高1倍。

4.2 工藝試驗方法

焊接母材為16MND5，尺寸300 mm×200 mm×50 mm。第一層堆焊焊絲采用ER309L，第二層焊絲采用ER308L，焊絲直徑均為1.2 mm。保護氣體為99.999%高純氬氣。雙鎢極不銹鋼堆焊焊接參數(shù)如表1所示，采用三組不同參數(shù)進行雙鎢極不銹鋼堆焊，另外采用一組參數(shù)進行單鎢極不銹鋼堆焊用于參考。第一層與第二層焊接參數(shù)相同，堆焊第一層時，試板預(yù)熱溫度為120 ℃～200 ℃，焊道間溫度控制為140 ℃～160 ℃。第一層堆焊完成后，采用角磨機將表面打磨平整后堆焊第二層。堆焊第二層時無預(yù)熱，但控制焊道間溫度為140 ℃～160 ℃。

焊接過程如圖5所示，堆焊過程中焊槍傾斜角度20°，焊絲填充為冷填絲，采用側(cè)面送絲。

4.3 工藝試驗結(jié)果

經(jīng)過試驗，最終獲得了較好的焊縫成形。第一層ER309L堆焊表面如圖6所示，可以看到焊道連續(xù)光滑，表面平整，無任何可見缺陷，焊縫厚度為3～4 mm。第二層ER308L堆焊表面如圖7所示，可以看到焊道同樣連續(xù)光滑，整個表面平整，無任何可見缺陷，成形良好[9-10]。

4.4 堆焊層性能測試結(jié)果

（1）UT探傷。

UT 探傷前進行了雙鎢極不銹鋼堆焊層表面打磨平整，探傷過程執(zhí)行NB/T 47013-2015.3標準，探傷范圍為雙鎢極不銹鋼堆焊層以及層下4 mm。探傷結(jié)果為“合格，無缺陷記錄”，滿足產(chǎn)品使用需求。

（2）硬度測試。

采用維氏硬度儀對堆焊層焊態(tài)進行試驗，硬度點測試位置位于熔合線下方5 mm至熔合線上方6 mm范圍內(nèi)，每隔0.5 mm打點一次。試驗力為98 N，保持時間為12 s，硬度曲線如圖8所示，可以看到，所有焊縫均是熔敷金屬硬度最低，由于熱影響區(qū)滲碳體析出較多，硬度最高，母材硬度居中。單鎢極與雙鎢極Ⅰ、雙鎢極Ⅱ硬度分布和大小均比較接近。但雙鎢極Ⅲ與其他焊縫相比，熔敷金屬硬度有所降低，而熱影響區(qū)硬度明顯增大。其原因是雙鎢極Ⅲ熱輸入過大，熔敷金屬奧氏體組織粗大，而熱影響區(qū)碳化物析出較多。

（3）焊縫化學(xué)成分與鐵素體含量。

焊縫化學(xué)成分分析設(shè)備采用HS-136直讀光譜儀和HS-132氧氮氫分析儀，執(zhí)行標準為GB/T223，化學(xué)檢測位置位于堆焊層內(nèi)距離母材熔合線0.5～2 mm，檢測結(jié)果如表2所示。進行單鎢極與雙鎢極焊縫對比后，雙鎢極焊縫Ni與Cr含量大于單鎢極，說明單鎢極焊縫稀釋率高于雙鎢極。

根據(jù)測試結(jié)果采用德朗圖法計算Cr 當量與Ni 當量，計算公式如式（1）、式（2）所示。根據(jù)Cr、Ni 當量，查閱德朗圖獲得鐵素體含量，如表3所示，可以看到這三種焊接方法（單鎢極、雙鎢極Ⅰ、雙鎢極Ⅱ）的鐵素體含量相差不大，其測量值分別為9.5%、7.7%、8.1%，計算值分別為12.72%、14.43%、13.38%。但對于雙鎢極Ⅲ，鐵素體含量明顯下降，計算與測量值分別為4.5%和7.9%，其原因可能是熱輸入量增大，在焊縫中析出了σ相。

（4）晶間腐蝕。

采用GB/T 4334-2008 E法，分別試驗了堆焊層焊態(tài)、熱處理態(tài)以及敏化態(tài)晶間腐蝕能力，其中熱處理參數(shù)為：升、降溫速度≤55 ℃/h，615 ℃±15 ℃×29（0+1）h，250～300 ℃出爐。敏化參數(shù)為700±10 ℃×0.5 h。經(jīng)10倍放大觀察，試樣無晶間腐蝕裂紋，判斷雙鎢極堆焊層抗晶間腐蝕能力合格。

（5）彎曲性能。

彎曲試樣尺寸為10 mm×30 mm×160 mm，包括堆焊層面彎與側(cè)彎試樣，試驗了堆焊層焊態(tài)。根據(jù)GB/T2653-2008執(zhí)行試驗，彎曲角度為4a，180°，試驗結(jié)果無裂紋，判斷雙鎢極堆焊層彎曲性能合格。

雙鎢極堆焊過程按照核電不銹鋼堆焊工藝評定要求執(zhí)行，堆焊層UT探傷、硬度、鐵素體含量、焊縫化學(xué)成分、晶間腐蝕、彎曲性能等檢測項合格。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了一套包括弧壓檢測處理系統(tǒng)、雙電源協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、高速TIGSpeed送絲系統(tǒng)等構(gòu)成的雙鎢極堆焊系統(tǒng)。該系統(tǒng)抗干擾能力強、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、升級擴展性強。

（2）采用該項目設(shè)計的雙鎢極堆焊控制系統(tǒng)與合理的焊接工藝方法，驗證了整套系統(tǒng)的可靠性，焊縫成形和性能良好，堆焊效率較單鎢極效率提高一倍，所有性能均符合產(chǎn)品使用要求。

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