步进式电弧螺柱焊中螺柱送进深度的自动控制

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1、万方数据第42卷第9期2006年9月机械工程学报v01．42N唧CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGSep．2006步进式电弧螺柱焊中螺柱送进深度的自动控制水张建勋1池强1，3付继飞2张友权2f1．西安交通大学材料科学与工程学院西安710049；2．中冶集团建筑研究总院北京100088；3．中国石油天然气集团公司管材研究所西安710065)摘要：在分析螺柱送进过程的基础上，对步进式电弧螺柱焊过程中螺柱送进深度的控制问题进行了研究。以焊接过程中螺柱与工件之间的相对位移为控制量，采用位移传感器检测螺柱送进过程中焊枪弹簧压缩位移，以此获知螺柱与工件之间的接

2、触状态，实现对螺柱送进深度的控制。试验结果表明，步进式电弧螺柱可以实现螺柱送进深度的自动控制，无需在焊前预先设置螺柱送进深度；采用不同螺柱提升高度进行焊接时，控制系统可以做出相应的调整，保证合适的螺柱送进深度。将此方法用于螺柱穿透焊，能够有效减小间隙对焊接过程的影响，保证焊接过程的顺利实现。关键词：电弧螺柱焊位移送进深度自动控制中图分类号：TG453O前言焊枪行为参数是影响电弧螺柱焊质量的因素，包括螺柱提升速度、提升高度、送进速度和送进深度等【1]。其中，螺柱送进深度关系焊接接头的成形，螺柱送进深度的设置主要是为了补偿焊接过程中螺柱的烧损量，保证螺柱插入焊接熔池的长度12J。如送进深度过

3、小，则会出现螺柱送进不足，接头结合不紧密，从而使焊接质量降低pj。基于电磁式焊枪的传统电弧螺柱焊中，螺柱送进深度的设置是在焊接前，通过调节焊枪机械机构得以实现的，具体表现为焊接开始前螺柱伸出保护套圈的长度【4]。步进式电弧螺柱焊是基于步进式电弧螺柱焊枪的焊接方法【5】。焊枪机械结构部分以步进电动机为动力机构，螺旋传动装置为运动机构主体，实现电弧螺柱焊过程所需的螺柱运动过程；控制系统以Mcs。51单片机为主控元件，实现对焊枪及焊接过程的控制。螺柱送进深度由控制步进电动机转动的脉冲数决定，而脉冲的发生与停止由焊接程序控制。在对步进式电弧螺柱焊的前期研究中，根据具体的焊接条件，设置一定的螺柱送

4、进深度，完成焊接过程。在焊接电流、焊接时间、螺柱提升高度等参数变化时，螺柱送进深度需要重新试验设定，从而增加了焊接试验工作量。另外在焊接过程中，螺柱的烧损及熔池深度并非一个严格不变的数值，具有不可预知的特点，理想的送进深度应该是保证螺柱与}教育部骨干教师基金资助项目。20051020收到初稿，20060320收到修改稿工件的接触状态基本一致。针对以上情况，对步进式电弧螺柱焊中的螺柱送进过程进行研究，以焊接过程中螺柱与工件之间的相对位移为控制量，实现了螺柱送进深度的自动控制。在其他焊接规范参数或焊接过程发生变化时，螺柱的送进深度可以产生相应的改变。1控制方法与控制系统的设计1．1步进式电弧

5、螺柱焊过程步进式电弧螺柱焊枪的结构如图1所示，其焊接过程如图2所示，可以分为5个步骤。图l步进式电弧螺柱焊枪示意图移传感器2篓辽垦显恳』(a)(b)(c)(d)(e)图2步进式电弧螺柱焊过程(1)焊枪夹持待焊螺柱置于工件上，保证螺柱万方数据2006年9月张建勋等：步进式电弧螺柱焊中螺柱送进深度的自动控制165与工件接触良好。(2)接通焊接回路，同时步进电动机正转提升螺柱，在焊接电流的作用下，螺柱与工件间引起电弧。(3)螺柱在提升高度保持一定时间，使电弧能在螺柱端面处充分燃烧，保证电弧扩展到整个螺柱端面。(4)燃弧时间到，步进电动机反转送下螺柱进入工件上的焊接熔池，同时焊接电流自动关断。燃

6、弧时间由控制系统预先设定。(5)焊接过程结束，焊枪与螺柱分离。电弧螺柱焊具有一般熔化焊和压力焊接共有的特点。在引弧及燃弧过程中，与普通熔化焊相似，螺柱与工件在电弧作用下熔化并形成一定大小的焊接熔池；而在成形过程中，即螺柱向工件上熔池送进时，螺柱与工件接触并产生一定的挤压力，这与压力焊的接头成形类似，是一个运动与力同时作用的阶段。1．2螺柱送进深度控制方法步进式电弧螺柱焊枪采用电子控制的方式，具有较强的可控性。在螺柱送进过程中，只要能测知螺柱所处的位置或状态(即螺柱与熔池之间的关系)，就可以有效地控制螺柱的运动情况，也就是说，螺柱送进深度可以根据实际焊接过程状况适时调整。因此，实现步进式电

7、弧螺柱焊过程螺柱送进深度自动控制的关键问题是选择控制量和检测控制量，这归结为控制方法的问题。如前所述，螺柱送进深度的设置主要是为了补偿焊接过程中螺柱的烧损量，保证螺柱插入焊接熔池的深度；然而，在焊接过程中很难实时采集螺柱的烧损量和熔池的深度。螺柱与工件之间的挤压力反映了接头结合的紧密程度，由此可以判断螺柱是否已经达到送进深度要求；相对来说，挤压力要比螺柱烧损量更容易检测，因此可以作为螺柱送进深度的控制量。图1中所示的焊枪弹簧保护机构