鋁釬焊爐系統控制及故障分析

周振華

【摘? 要】介紹了大型氮氣保護鋁釬焊爐控制系統的開發。該控制系統所實現的功能主要是溫度控制和邏輯控制，要求的控制點數多，各個被控對象互相關聯。控制系統核心為可編程序控制器，通過頻繁擊穿功率調節器可控硅，爐門個別加熱區域升溫慢，加熱器連線電纜壓線鼻子處異常燒斷，加熱電源總斷路器不能有效合閘，給出釬焊爐加熱系統維護保養經驗。

【關鍵詞】鋁釬焊爐;控制系統;加熱系統;故障處理;

1 前言

氮氣保護鋁釬焊是指在氮氣保護狀態下，用熔點比基體金屬低的液態釬料填充基體金屬間隙而形成牢固結合的焊接方法，填充基體金屬微小間隙的過程是靠毛細管吸力完成的。我國自20 世紀80 年代至90 年代，氮氣保護鋁釬焊工藝和氮氣保護鋁釬焊設備得到了較大發展，提出了成熟的小型鋁制板翅式換熱器的工藝規程

和對鋁釬焊設備的技術要求。隨著工業自動化水平的不斷提高和計算機技術的高速發展，自動化控制水平也越來越高，但是可編程序控制器（ program logic control，以下簡稱PLC） 作為一種控制裝置，能夠把計算機的完備功能、靈活性、通用性等優點和繼電器系統的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優點集于一身，并且能夠適應工業環境。所以，可編程序控制器在氮氣保護鋁釬焊爐電氣控制系統中作為控制核心來使用，是有其明顯優勢的。

2 鋁釬焊爐的機械結構

鋁釬焊爐的主體是由加熱室、爐體、前后爐門以及各個功能部件組成。加熱室安裝在爐體內，由多個加熱電阻和保溫層構成，加熱電阻通過爐體外部電極和電纜的連接構成28個加熱小區，每個小區分別由一套可控硅調壓電源回路供電; 爐體為雙層水冷夾套式結構，上面焊接有釬焊爐必需的功能部件，并和前后爐門構成氮氣保護室; 前后爐門也為雙層水冷夾套式結構，分別安裝在可沿著與爐體軸線垂直方向平移的爐門車上，爐門還可在爐門車上靠氣缸的驅動作沿著爐體軸線方向的平移，爐門的兩個方向的平移使爐門能夠打開和關閉。釬焊爐的外圍系統包括氮氣保護系統、水冷系統、充氣系統、氣動系統和爐外裝料車。

3 控制系統布局

基于這臺設備的機械系統，構建以PLC 為核心的電氣控制系統。電氣控制系統可以分為兩部分，溫度控制部分和邏輯控制部分，邏輯控制部分由PLC 來完成，上位機上的組態軟件作為主監控界面。電氣系統的開發過程分為硬件系統的開發和軟件系統的開發，硬件設計主要包括加熱回路、泵回路、運行車回路和儀表的選型等。加熱室內有許多加熱小區，在控制系統的加熱回路中，為每個加熱小區供電的是一套可控硅調壓電源，可控硅調壓電源包括功率控制器和變壓器兩部分。輸出電壓的調節范圍比較寬，一般為額定輸入電壓的0 ～ 98%。每個加熱小區有各自獨立的一套可控硅調壓電源。可控硅調壓電源的變壓器原邊接入電網，副邊由爐體電極連接各個加熱小區的電阻。調壓電源的輸出功率的調節方式分為手動調節和自動調節，手動/自動可通過控制柜上的轉換開關來切換。

泵回路主要為系統的5 套機組的所有泵的電機供電，并將供電回路的空開的一個常開觸點接入PLC 的輸入模塊中作為泵的空開自檢點。泵及閥門的動作也分為手動和自動控制，也可通過控制柜上的轉換開關來切換。控制柜上的各個泵和閥門的開關按鈕接入PLC 的輸入模塊中，通過PLC 的程序處理來輸出對各個泵和閥門的運行信號和開關信號。

運行車回路主要為運行電機供電，通過氣缸電磁閥、磁性開關、行程開關和繼電器等搭建的控制回路進行控制。

4 設備故障及處理

4.1 加熱系統故障處理

項目設備試機階段，釬焊爐在冷爐啟動瞬間，動力配電柜內變壓器發出非常響的電流噪聲，且可聽到電容補償柜內接觸器吸合的“砰砰”響聲。釬焊爐運行過程中，總是隨機燒壞1 只加熱功率調節器的可控硅。廠家調試人員檢查加熱系統中的各項元件及動力線路接線后，判斷是工廠電源不穩定所致。公司相關人員監測工廠電源質量，發現釬焊爐啟動過程中，低壓配電系統中電流諧波成分相當大。爐自身配有的50 kvar×8 分組投切電容補償柜，其響應速度有些滯后且投切過程中會產生很大涌流，在爐子持續加熱過程中甚至有過補現象。。因此單憑這組電容補償柜很難消除電源諧波引起的瞬間電壓波動，這也就是功率調節器可控硅頻繁擊穿的原因。采取兩項應對措施：①廠家將調功器內部電源濾波及穩壓功能的1 塊集成電路板01PCA145-01，更新為增強型02PCA145-01電路板;②加裝1 臺300 A 的有源濾波柜UPQC-300F/4-300-400。實施兩項措施后，3 年來未再出現擊穿功率調節器可控硅的現象，而且加熱速率也可提高至50 ℃/min。大功率可控硅調控的多區域電加熱設備，在設計階段必須要考慮可控硅調控導致的電源波動因素，并且采取有效的諧波消除措施，使設備在實際運行中正常工作。

4.2 加熱器連線電纜壓線鼻處異常燒斷

靠近5 區左側加熱器的產品表面異常發白，判斷原因是焊接過程中熱量不足。檢查爐子溫度曲線記錄，未發現5 區加熱曲線明顯異常。5 區額定加熱電流232 A，變壓器次級也就是加熱電纜中的額定電流1100 A。檢查加熱線路發現，5 區左側加熱器并用的兩根90 mm2 軟電纜之一被燒斷，斷裂處位于線鼻尾端。懷疑是釬焊爐出廠時這根電纜與線鼻未壓緊，造成溫度異常并燒斷電纜。修復故障線路并將其他所有加熱器接線檢查一遍，未發現松動現象。一段時間后，5 區右側又有1 根90 mm2 電纜燒斷，導致產品報廢率增加。修復故障電纜，再次檢查所有電纜線鼻子，發現仍有個別壓線存在輕微松動，而且松動處電纜線鼻上的絕然保護套管都有些輕微焦黃，將松動線鼻都復壓一次。造成壓線鼻處松動的原因應該是反復受熱膨脹所至。而且一旦出現線鼻與電纜咬合松動，結合處的溫度就會因為電阻值增大而迅速提升，進而燒斷電纜。為避免此類故障再次發生，將每個加熱器接線柱上均粘上1 只90 ℃示溫蠟片，規定每日點檢是否有示溫蠟片脫落。此后又陸續發現3 起電纜頭溫度偏高的問題，并及時排除了故障隱患點，防止了電纜燒斷故障再次發生。

4.3 爐門個別加熱區域升溫慢

設備F1后門上部加熱區（18 區）在高溫階段升溫速度比其他區域慢，而且這個溫度差隨著時間推移越來越明顯。釬焊爐對溫度均衡度的要求極高，必須查明問題根源并消除溫差。維修人員測量18 區低溫及高溫升溫段功率調節器最大導通角時的電流，并與后爐門下部區域19 區的相關數據進行比較，未見異常。不放釬焊架進行升溫操作，發現18 區沒有問題。更換18 區的CTC 后，其溫升異?，F象消失。換下的熱電偶送專業計量檢測公司檢測，確認熱電偶良好。分析推斷，更換熱電偶改變的只是熱電偶位置，位置才是出現問題的關鍵因素。放入釬焊架并開啟后爐門檢查，發現若是調整熱電偶端頭位置，熱電偶端頭會處在釬焊架的部分陰影區內，導致熱電偶頭不能得到應有的熱輻射。通過摸索，重點要做好以下幾點：

（1）定期檢查熱電偶的位置（位置會影響到熱輻射接收能力）。制作1 只特殊卡規塊，可方便檢查和確定熱電偶與加熱帶的相對位置;

（2）定期檢查加熱器后面的反射板，若反射板完全變黑則需要清潔其表面黑色污垢（理論上黑色物體的熱輻射反射能力為零）;

（3）定期校驗釬焊爐內部加熱區內的溫度均衡度（各區熱電偶經過長期工作，其溫度不一定能代表真正的加熱區溫度，有時雖然通過卡塊未發現熱電偶的位置變化，但是由于熱輻射的其他一些影響因素，也可能導致此熱電偶控制的加熱區溫度與別的區域相差偏大）。在無工件的釬焊架上放置9 只熱電偶，熱電偶擺放在釬焊架各層的中央位置，且垂直段高度一致，然后啟動加熱。記錄300 ℃和600 ℃兩個保溫段保溫20 min 后9 只熱電偶的測量值，分析釬焊爐加熱區內的均衡度，將9 只熱電偶測量值最大差值<6 ℃定義為均衡度很好。此項檢查每季度執行一次。

通過上述措施，因溫升異常導致的焊接報廢率突變事故發生率明顯降低。

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