双电源Plasma-MIG焊接系统的设计与实现

王学远 杨学勤 成群林 姜恒

摘要：根据Plasma-MIG复合电弧焊接的工作原理，以PLC为控制核心建立了双电源Plasma-MIG焊接系统，针对铝合金焊接过程中的小规范起弧问题提出了模式转化的起弧方法，以回路中等离子电流检测值Ip作为稳定性判据，在MFC平台下编写人机界面将控制系统集成，试验结果显示该控制系统能够按照Plasma-MIG焊接时序实现对两台电源的协调控制，实现铝合金的高质量焊接。

关键词：Plasma-MIG复合电弧焊接;焊接系统;起弧过程

中图分类号：TG434.1 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）10-0085-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.17

0 前言

Plasma-MIG是一种高效化的复合热源焊接技术，其基本原理是利用拘束的等离子电弧对传统的MIG焊接过程进行保护。焊接过程中焊丝底端、熔滴以及MIG电弧都包围在炽热的等离子弧内部，熔滴过渡受力、熔化极电流走向等都发生了很大变化，由此产生了这种工艺方法的一系列特点：焊丝熔化速度快、无飞溅、焊接过程稳定，尤其对于铝合金焊接还具有气孔少、晶粒小、接头质量高等优点[1-3]，型号生产中对产品的质量要求高，采用该方法可以同时兼顾质量和效率的要求。Plasma-MIG焊接系统采用双电源供电，MIG电源和等离子电源对输出特性有着特殊的要求，双电源控制系统的控制参数较多，包括MIG保护气、等离子弧保护气、冷却水、送丝机及机器人协助运动在内的过程控制[4-5]。本文根据确定的焊接时序，采用PLC对焊接过程中各单元的动作顺序进行控制，在焊接过程中采集等离子电流输出值Ip作为焊接过程稳定性判据，实现稳定的双弧复合焊接过程。

1  系统搭建与控制流程

根据等离子电弧的静特性，设计的Plasma-MIG焊接系统原理框图如图1所示。采用Fornius TT4000电源为等离子弧供电，其他的硬件包括Fornius TPS5000 MIG电源和VR4000送丝机、Motoma-HP20D焊接机器人、Fornius Chilly08制冷水箱，以及水冷和气路系统，Omron PLC作为控制系统核心。

按照焊接时序进行主控制系统的设计，对焊接机器人进行示教后生成焊枪运动程序，焊接开始指令下达后，检查循环水箱和两路保护气的开关量，延时0.5 s，从人机界面上读取设定的工艺参数并输入焊机，同时机器人到达示教第一点，延时0.5 s去除机械臂抖动，然后送丝机动作，焊丝与工件接触后短路爆断引燃MIG电弧，在等离子电压的作用下击穿环形电极和MIG电弧的空气，受水冷喷嘴拘束产生等离子弧，当检测到回路中同时存在IM和Ip后表示引弧成功，机器人开始行走，在焊接过程中进行循环检测，当IM和Ip其中之一为零时表示双弧复合失败，机器人停止行走，焊接结束。控制流程如图2所示。

2 起弧过程及双弧稳定性判据

Plasma-MIG焊接铝合金时采用强制水冷的环形铜电极作为阳极，电极的下端面为平面，采用短路起弧的方式先建立起MIG电弧后，电弧空间被加热，阳极平面上P点处存在两条等离子电弧的起弧路径，如图3所示。

加热气体中的电离过程满足Paschen定律[6]：

Us=

式中 Us为气体击穿电压;d为两极间距，此处是两种路径的长度;p为气体压力;A，B为试验常数;γ为二次电子发射系数。

当温度变化时以气体密度代替压力，Paschen定律可表述为经验公式[7]：

Us=24.55δd+6.66

氩气还没有类似的经验公式，但根据Paschen的形状可以得出其击穿电压具有函数关系：

Us=f（δd）=F（pd/T）

在研究范围内，击穿电压Us与pd/T正相关，pd/T越小，Us越小，气体越容易击穿，模拟结果显示，在整个电弧空间中，最佳起弧路径是沿电极平面起弧点指向MIG电弧的顶端处，即图3中的路径1[8]。

焊接铝合金薄板时需采用较小的MIG电压，当送丝速度较大时，电弧不能沿着焊丝爬升到足够高度，等离子焊机的空载电压小于临界pd/T，不能引燃等离子电弧。在试验中发现，等离子弧引燃后电弧空间的温度升高，使得临界pd/T变小，在降低MIG电压后等离子电弧仍能稳定燃烧，因此，针对薄板铝合金的焊接过程，采用模式转化方式起弧，在焊接开始之前根据起弧参数和焊接参数建立不同的作业模式，机器人接到起弧命令后和焊机进行通讯，首先调用低送丝速度和较高电压的起弧模式，利于MIG电弧爬升至等离子阳极附近，引燃等离子电弧，当检测到回路中出现等离子电流后表明等离子电弧已经点燃，之后切入正常焊接模式，起弧过程信号变化如图4所示。

两种电弧之间的耦合作用使得Plasma-MIG在焊接铝合金时具有独特的优势。在电磁作用和热作用下电弧空间处于非平衡状态，为了确定焊接过程中复合电弧的稳定燃烧状态，添加电流反馈环节，将等离子回路中电流值Ip为稳定性判据，Ip不为0时表明等离子电源工作正常，等离子电弧存在，雙弧复合成功;当Ip为0时表明等离子电弧已经熄灭，焊接过程存在故障，PLC将停止信号输入到机器人，执行熄弧和焊接停止指令。

3 人机界面设计

人机界面的设置可以简化Plasma-MIG焊接中的检气、参数给定等操作。MFC 是微软公司提供的一种面向对象的可视化编程平台，实现了对大多数Windows API 的封装，是目前最受欢迎的开发工具之一[9]。结合Plasma-MIG焊接过程的工艺特点，设计了如图5所示的界面，可在触摸屏上进行焊接参数选取、检气已经急停等操作，通过点按按钮可以进入相应操作模块，输入工艺参数后通过D/A输出到焊机中，当系统发生故障后也可以在焊机面板上进行参数的更改，提高焊接效率。

4 试验

在双电源Plasma-MIG焊接系统上进行堆焊试验，选取LF6铝合金试板，尺寸为100 mm×200 mm×10 mm，焊前进行机械清理去除表面氧化膜，选用φ1.6 mm的2325焊丝，焊接工艺参数如表1所示。采用Plasma-MIG和MIG两种方法得到的焊缝宏观形貌如图6所示，可以看出Plasma-MIG得到的焊缝鱼鳞纹细密，成形良好，焊接过程中熔滴过渡形式为射滴过渡，无飞溅产生。

5 结论

根据Plasma-MIG复合电弧焊接的工作原理，设计了双电源Plasma-MIG控制系統，利用PLC对焊接电源、焊接机器人进行协调控制，提出了适用于铝合金的模式转化起弧方式，并将回路中等离子电流大小作为电弧稳定性判据。试验结果表明该系统能够满足铝合金的高质量焊接需求。

参考文献：

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