轧辊等离子弧粉末堆焊设备研究

阳海波，潘厚宏，张大向，杨 建

(西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031)

轧辊等离子弧粉末堆焊设备研究

阳海波，潘厚宏，张大向，杨 建

(西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031)

轧辊的等离子弧粉末堆焊修复方式具有质量高、修复周期短等优点，应实际生产的需求，研制了一台等离子弧粉末堆焊设备。详细阐述了该设备的控制过程和原理、硬件组成及其控制程序流程设计。该设备以PLC为控制核心，辅以触摸屏进行堆焊参数的设置和修改，并实时显示堆焊过程中的参数状态；为了让焊炬具有快速摆动和精确定位的功能，以保证堆焊质量，在设备的焊炬摆动系统中用伺服系统替换常用的步进驱动系统。实践证明，使用该设备进行轧辊的等离子弧粉末堆焊，能够获得较好的堆焊效果。

轧辊；等离子弧；堆焊；伺服系统

0 前言

轧辊是轧机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材，它主要受轧制时的动静载荷、磨损和温度变化的影响。我国轧制材料供应不足、价格较高，一旦轧辊表面磨损失效，整个轧辊将报废，会造成很大的浪费[1]。目前，轧辊因磨损需要修复时多采用车削或磨削方式来修正辊型。这种方式对提高轧辊寿命的意义不大，只是一种“补救措施”。采用轧辊表面修复与强化的热处理技术已成为延长轧辊寿命的主要发展方向和途径，该技术不仅可以修复轧辊，还可以提高轧辊的耐磨性，延长轧辊的使用寿命，改善钢材的表面质量，具有明显的经济效益[1-2]。轧辊表面有多种修复强化技术，等离子弧粉末堆焊便是应用较为广泛和成功的方法之一。

等离子弧粉末堆焊是利用等离子弧作热源，以合金粉末为填充材料，将填充金属熔敷在基体表面的堆焊工艺。其目的是使材料或零部件表面获得耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等具有特殊使用性能的堆焊熔敷层。它具有稀释率低、成形好、工艺稳定和自动化程度高等特点[3-5]。采用等离子弧粉末堆焊技术对轧辊进行修复，已成为我国轧钢企业降低成本、提高效益的重要举措之一。

轧辊堆焊设备的性能对堆焊质量具有决定性的影响。应生产实际需要，研制了一台基于PLC和触摸屏的轧辊等离子弧粉末堆焊设备。下面对该设备的组成、控制原理、控制系统硬件和软件进行了阐述和分析。

1 设备组成

该设备由控制系统、堆焊电源和机械系统三部分组成。控制系统主要用于控制焊炬与轧辊的相对位置和实现等离子弧堆焊时序；堆焊电源为堆焊提供热源，使用了一台200 A电源和一台400 A电源，分别用于非转移弧和转移弧；机械系统由操作架和车床两部分组成，操作架如图1左上部分所示，用于控制系统调整焊炬位置，车床用于轧辊的装卡和固定，在堆焊过程中带动轧辊作匀速圆周运动，其结构如图1右下部分所示。

图1 机构示意

2 堆焊过程和原理

2.1 操作方式

设备有手动和自动两种操作方式。手动方式用于自动堆焊前调整焊枪和轧辊的相对位置，自动方式用于自动堆焊过程。自动堆焊又有两种方式：圆周焊和螺旋焊。采用圆周焊时，每焊完一圈，焊炬沿轧辊轴向进行一次换道，换道距离为(B-d)mm(B为焊炬的摆动宽度，d为搭接宽度)；采用螺旋焊时，焊炬沿轧辊轴向作连续的移动，轧辊转完一圈时，焊炬的移动距离也为(B-d)mm。

2.2 堆焊过程和原理

设备的自动堆焊过程由焊炬摆动、轧辊转动和焊炬移动(换道)三部分运动协同完成。

焊炬的摆动是由PLC向伺服系统发出的带有方向信号的脉冲驱动伺服电机，再通过滚珠丝杆副带着焊炬做周期性摆动。伺服电机的角位移和转速分别由脉冲的数量和频率决定，其转向由方向信号进行控制。转动过程中，伺服电机自带的编码器会将反馈信号与目标值进行比较，调整转子的角位移。伺服系统的精度取决于编码器的分辨率。

轧辊的转动通过车床电机的驱动来完成。当堆焊速度确定后，从触摸屏输入轧辊的外径，控制程序会计算出对应的电机转速，该转速信号为数字量，经D／A模块转换成模拟量后进行控制。车床电机转动时，转轴上的旋转编码器会向PLC输出电脉冲信号。

焊炬沿轧辊轴向的移动则是由横梁电机驱动滚珠丝杠副来完成。采用圆周焊时，PLC的高速计数器接收来自车床电机旋转编码器的脉冲信号，达到设定值时，PLC向横梁电机输出脉冲，使焊炬沿轧辊轴向进行一次换道；采用螺旋焊时，PLC的高速计数器不接收来自旋转编码器的脉冲信号，横梁电机转动所需的脉冲信号直接由PLC的控制程序根据摆宽和焊速计算后输出。

3 控制系统硬件设计

3.1 控制系统硬件构成

本设备控制系统的主要硬件单元是PLC、触摸屏、变频器、伺服放大器等。控制系统的构成如图2所示，PLC通过变频器、伺服放大器和步进驱动器分别控制车床电机、摆动电机和横梁电机；通过继电器或接触器控制立柱电机、机头升降电机、拖板电机、送粉电机、气阀和堆焊电源等；触摸屏用于设置和修改焊接参数，并实时显示堆焊时的相关参数状态。

作为控制系统的核心，PLC选用三菱公司的FX3U-48MT／ES可编程控制器。FX3U系列PLC可以看作是FX2N系列的改进版，主要表现为可从通用输出(Y000～Y002)输出最大100 kHz的开集电极方式的脉冲串，来同时控制3轴的伺服电机或步进电机。处理速度更快，扩展寄存器点数多，内置程序容量更大，而且通信功能也有了较大的提高。

变频器采用LG公司的SV004iG5-2变频器。它属于小型经济型变频器，性价比高；采用V／F空间矢量PWM技术；内置RS-485，PID控制；有3个多功能输入和1个多功能输出；内置制动单元，具有手动／自动转矩补偿功能。

为了使焊炬具有快速摆动和精确定位的特点，进而提高堆焊质量，摆动机构用伺服电机代替常用的步进电机，采用三菱公司的MR-J2S系列伺服系统。其特点是对应伺服电机的编码器采用了分辨率为131 072脉冲／转的绝对位置编码器，因而具有很高的控制精度。此外，只要在伺服放大器上另加电池，就能构成绝对位置系统，在原点经过设置后，当电源投入使用时或发生报警后，不需要再次原点复归也能继续工作。

图2 控制系统构成

3.2 PLC的I／O分配

在确定设备工作时的控制流程和工艺要求后，分析控制系统所需要的输入和输出信号，然后对PLC的I／O进行合理分配。由于配以触摸屏对设备进行控制，所以凡是在触摸屏上已经设置有虚拟控制图符的输入均可以不在I／O分配表中列出。本设备PLC的I／O分配情况如表1所示。

3.3 信号提取电路的设计

在各种输入信号电路中，有些直接通过接线就能完成，比如限位开关信号电路，相对比较简单；有些则需要根据情况自行设计，如非转移弧和转移弧建立信号的提取电路等，下面以提取转移弧建立信号的硬件电路设计为例进行阐述。如图3所示，该电路通过霍尔电流传感器检测转移弧电流，输出一个电流信号，通过采样电路将其转换成电压信号后输入到电压跟随器的同相端，该电压信号与电流信号成正比关系，电压比较器的同相端电压也与该电流信号成正比关系。随着电流信号的增大，电压比较器的同相端电压也不断增大，当电压比较器的同相端电压小于其反相端电压时，比较器输出低电平，此时三极管截止；当同相端电压大于反相端电压时，比较器输出高电平，三极管导通，使继电器闭合，从而获取所需的转移弧建立信号(X27)。

表1 PLC输入输出分配表

图3 转移弧建立信号提取电路

3.4 硬件电气接线

各器件单元安装好后要进行电气接线，其中PLC与变频器、步进驱动器等的接线较少，接法较简单，根据I／O分配表并参照相关使用说明书进行接线即可。而PLC与伺服放大器的接线相对复杂，易弄混，本设备的伺服系统采用绝对位置控制模式，现给出其相关端子的接线，如图4所示。

4 控制程序编制

设备的控制程序采用模块化的方式进行设计，分为四个部分：初始化程序模块、手动控制程序模块、自动控制程序模块和公共程序模块。初始化模块实现控制系统的上电复位、置初始状态等；手动模块用于焊前调整轧辊和焊枪的相对位置；自动模块用于控制轧辊的堆焊过程；公共模块用于实现公共数据的PID运算、D／A转换等。现以自动控制模块程序的编写为例对控制系统的程序编写进行阐述。先根据工艺流程绘制自动控制程序的流程图，如图5所示，在是否选择圆周焊时，如果选择了N，则自动堆焊所选用的方式为螺旋焊；然后根据程序流程图，结合I／O分配表和其他工艺要求用梯形图的形式进行程序编写，图6为自动控制程序的部分梯形图。

图4 PLC与伺服放大器接线

5 结论

采用等离子弧粉末堆焊方式对轧辊进行表面修复，具有效益好、质量高和修复周期短等优点。所研制的等离子弧粉末堆焊设备具有圆周焊和螺旋焊两种堆焊方式，增加了实际操作的可选择性。该设备已在实际生产中得到应用，堆焊效果良好。

图5 自动焊程序流程

图6 自动控制程序部分梯形图

[1]孙桂芳，刘常升，陈岁元，等.轧辊的失效及其修复技术[J].材料导报，2007，21(6)：100-103.

[2]宋 阳，朱世根，渠 彬，等.轧辊表面修复与强化的技术途径[J].机械设计与制造，2005(8)：113-115.

[4]李亚江，张永喜，王 娟.焊接修复技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[5]王鑫洪，邹增大，曲仕尧.表面熔融凝固强化技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

Research on the equipment of the plasma arc powder surfacing for roller

YANG Hai-bo，PAN Hou-hong，ZHANG Da-xiang，YANG Jian
(School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The repair method of plasma arc powder surfacing for roller has the advantages of high quality，short repair cycle and so on.The equipment for plasma arc powder surfacing is developed responded to the actual production requirement.This paper expatiates on the control process and principle，the composition of hardware and the design of the control program flow.PLC is the core of this device，supplemented by the touch screen to set and modify the welding parameters and display the state of welding process parameters.In order to make the welding torch have the capabilities of oscillating quickly and positioning accurately to ensure the welding quality，a servo system is used instead of the stepper drive system commonly used in the oscillating system.Practice has proved that good welding effect can be achieved with this equipment during the factual production.

roller；plasma arc；surfacing；servo system

TG455

A

1001-2303(2011)09-0068-04

2010-07-15

阳海波(1982—)，男，广西临桂人，硕士，主要从事焊接过程控制及自动化方面的研究工作。