數(shù)字焊機(jī)在埋弧焊接控制中的串并聯(lián)應(yīng)用

劉福海， 劉宏博， 楊戰(zhàn)利， 付 熬

（1. 哈爾濱焊接研究院有限公司， 哈爾濱150028； 2. 渤海石油裝備福建鋼管有限公司， 福州350512）

隨著石油天然氣需求量的不斷增加， 管線鋼管向著大直徑、 厚壁和高強(qiáng)度方向發(fā)展已成趨勢[1]，因此對油氣管道的焊接速度和焊接質(zhì)量的要求也越來越高。 近幾年， 模擬電路控制正在被數(shù)字控制技術(shù)取代， 數(shù)字焊機(jī)已成為埋弧焊管生產(chǎn)線中最主要的設(shè)備之一[2-3]。 采用數(shù)字控制技術(shù)是埋弧自動焊機(jī)發(fā)展的趨勢， 因此拓寬數(shù)字焊機(jī)功能、 降低設(shè)備升級成本、 提高焊接生產(chǎn)效率意義重大[4-5]。 目前國內(nèi)鋼管行業(yè)大多仍然采用傳統(tǒng)模擬焊機(jī)， 串并聯(lián)操作困難， 無法進(jìn)行智能化聯(lián)網(wǎng)， 不能滿足智能高速焊接的需求。 焊接工藝高效化、 焊接電源控制數(shù)字化、 焊接質(zhì)量控制智能化、 焊接生產(chǎn)過程自動化已經(jīng)是國內(nèi)外焊接加工技術(shù)研究和應(yīng)用的重要發(fā)展趨勢[6]。 因此， 在工業(yè)智能化背景下， 智能與效率成為急需解決的重要問題。

1 數(shù)字焊機(jī)與傳統(tǒng)焊機(jī)波形控制的比較

數(shù)字焊機(jī)的特點(diǎn)： ①通過改變焊接的參數(shù)配置， 從而改變焊接的工作模式及最佳的焊接控制方式。 在不改變焊接電流、 電壓的前提下， 可以通過改變正負(fù)半波的平衡控制焊接熔深及熔敷。 ②林肯AC/DC 1000 sd 數(shù)字焊接電源提供了良好的實(shí)時控制與諸多操作， 如焊接、 停止、 重設(shè)參數(shù)、 運(yùn)行、 焊接試驗(yàn)?zāi)Ｊ?、改變焊縫形狀等。 除了具有傳統(tǒng)埋弧焊接電源特性外， 還具有更高的熔敷率、 更好的熔深控制、 更快的焊接電弧反饋和控制速度[7]。 ③具備多種功能的通信控制功能口， 如DEVICENET接口、 ENTERNET 接口、 ARCLINK 接口、 焊機(jī)電源與焊機(jī)電源間的串并聯(lián)接口， 容易在各種條件環(huán)境中工作， 方便控制。 ④焊機(jī)間并聯(lián)連接， 增加電弧的輸出能量， 可將多個焊機(jī)輸出以并聯(lián)方式連接。 為均勻分配負(fù)載并協(xié)調(diào)AC切換， 采用主/從控制方案。

數(shù)字焊機(jī)將交流埋弧焊與直流埋弧焊相結(jié)合， 其波形控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)絲、 引弧、 起弧、焊接、 回?zé)?斷弧重啟等參數(shù)的設(shè)置， 生成穩(wěn)定的電弧， 實(shí)現(xiàn)焊接過程中焊機(jī)參數(shù)的平滑過渡。數(shù)字焊機(jī)焊接過程順序如圖1 所示。

圖1 數(shù)字焊機(jī)焊接過程順序示意圖

在傳統(tǒng)的埋弧焊技術(shù)中， 雖然早在10 年前已經(jīng)采用方波交流電源焊接特種鉻鉬低合金鋼或用于雙絲串列電弧埋弧焊， 但當(dāng)時并沒有完全利用交流埋弧焊的優(yōu)勢。 與普通的埋弧焊技術(shù)相比，交流方波埋弧焊的可調(diào)參數(shù)較多[8]。 林肯數(shù)字焊機(jī)的參數(shù)均可調(diào)節(jié)， 通過單獨(dú)或組合調(diào)節(jié)頻率、 偏置、 相位等參數(shù)， 以達(dá)到更好的焊接效果。 數(shù)字焊接電源方波波形控制過程如圖2 所示。 數(shù)字焊接電源可方便地調(diào)整電流波形， 從而改善熔敷效率和焊縫成形， 同時提高焊接質(zhì)量[9]。

圖2 數(shù)字焊接電源方波波形控制圖

2 林肯數(shù)字焊機(jī)的串并聯(lián)應(yīng)用

近年來， 國內(nèi)螺旋埋弧焊管向大直徑、 大壁厚方向發(fā)展， 不斷追求高焊速、 高質(zhì)量， 相應(yīng)的焊接參數(shù)也隨之增大， 焊絲也從最早的單絲焊擴(kuò)展到多焊絲焊接。 目前， 國外在一些厚板結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)中， 已經(jīng)達(dá)到具有3～6 臺送絲電機(jī)，可以同時進(jìn)行3～10 根焊絲的多絲埋弧焊水平[10]。多絲焊接必然要配備多臺焊機(jī)， 焊機(jī)聯(lián)接方法不同焊接成形效果也不同。 試驗(yàn)過程中， 同樣的焊縫采用不同的電源接法， 焊縫成形斷面形貌差別較大， 這主要是因?yàn)殡娫吹慕臃ú煌娀￠g干擾程度不同而造成的。 交流電源接線時應(yīng)注意各交流絲相位的關(guān)系， 以保證電弧間的干擾最小。 多電源串列多絲埋弧焊實(shí)際上是由多個單絲埋弧焊裝置組合而成， 可避免電弧間的電磁干擾和電弧偏吹。 串列雙絲埋弧焊中每一根焊絲均有一個獨(dú)立電源供電[11-12]。 因此， 大壁厚鋼管的焊接通常采用多絲焊接的焊槍配置， 以滿足高效焊接的要求。

數(shù)字焊機(jī)具有簡單高效的聯(lián)網(wǎng)能力， 可對故障進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷， 實(shí)時監(jiān)控采集焊接參數(shù)， 并具備簡單可操作串并聯(lián)焊機(jī)接口能力。 通過焊接電纜正極連接正極， 負(fù)極連接負(fù)極。 與傳統(tǒng)焊機(jī)相比， 數(shù)字焊機(jī)無需考慮輸入相序問題， 并且通過焊機(jī)的控制電路均勻分配兩臺焊機(jī)的功率。 數(shù)字焊機(jī)串聯(lián)多弧焊接電源配置簡單， 通過特有的全特征接口， 利用標(biāo)準(zhǔn)的電纜連接便可實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的串聯(lián)。 數(shù)字焊機(jī)模式與控制方式切換無需重新聯(lián)接工件和電極線， 即可生成直流正、 直流負(fù)或交流輸出波形， 在各種極性之間切換不需更改DIP開關(guān)。 數(shù)字焊機(jī)工作模式由焊機(jī)內(nèi)部控制， 基于焊接模式的選擇來實(shí)現(xiàn)， 控制模式轉(zhuǎn)換方便。 數(shù)字焊機(jī)間串并聯(lián)連接可將位于設(shè)備后面板上的同步連接器用于多弧應(yīng)用。 焊機(jī)并聯(lián)如圖3 所示，通過通訊電纜把2 臺數(shù)字焊機(jī)并聯(lián)一起， 實(shí)現(xiàn)并聯(lián)焊接。 焊機(jī)串聯(lián)如圖4 所示， 通過串聯(lián)連線把多臺數(shù)字焊機(jī)串在一起， 實(shí)現(xiàn)多弧焊接。

圖3 焊機(jī)并聯(lián)示意圖

圖4 焊機(jī)串聯(lián)示意圖

本研究以四絲串并聯(lián)控制焊機(jī)的應(yīng)用為例，在四絲埋弧焊過程中， 通常會采用直流－交流混合電源配置， 前置焊絲采用直流反接， 以保證具有足夠的熔深； 后置焊絲接交流電， 以調(diào)節(jié)熔寬[13]。 數(shù)字焊機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示， 圖5 中以WINCC 為上位機(jī)人機(jī)監(jiān)控操作界面， 用于顯示設(shè)定的焊機(jī)參數(shù)和反饋參數(shù)等，PLC 可編程控制器是控制焊機(jī)的核心， 高速的數(shù)據(jù)通訊能力可以控制多臺焊機(jī)， 同時標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP 現(xiàn)場總線接口， 方便連接其他現(xiàn)場總線設(shè)備， 以保證數(shù)字焊機(jī)控制可靠。 圖5 中焊機(jī)1 和焊機(jī)2 并聯(lián)， 以加大領(lǐng)弧電流， 解決單臺焊機(jī)不能滿足電流的問題。 焊機(jī)1、 焊機(jī)3、焊機(jī)4 和焊機(jī)5 為串聯(lián)控制， 焊機(jī)與焊機(jī)之間形成聯(lián)系， 以實(shí)現(xiàn)四絲穩(wěn)定焊接的目的。 通過焊接配置軟件PowerWave 修改數(shù)字焊機(jī)的IP 地址， 配置焊接網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模式， 再通過Submerged Arc Cell Configuration 軟件配置數(shù)字焊機(jī)串并聯(lián)之間的關(guān)系， 并檢查焊機(jī)與控制器送絲機(jī)之間的連接， 計(jì)算焊接電纜電感值。 此時焊機(jī)可以與PLC 通訊以統(tǒng)一調(diào)配參數(shù)指令。

圖5 數(shù)字焊機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字焊機(jī)控制流程如圖6 所示。 數(shù)字系統(tǒng)本身具有的優(yōu)勢以及數(shù)字化焊機(jī)的特點(diǎn)[14]， 使得在焊接過程中可及時獲取動態(tài)數(shù)據(jù)， 準(zhǔn)確調(diào)整各焊機(jī)的參數(shù)， 從而保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。傳統(tǒng)的控制方式中只能通過I/O 接線進(jìn)行控制， 外接的電流互感器和電壓表用于采集電流和電壓， 焊機(jī)與焊機(jī)之間沒有數(shù)據(jù)聯(lián)系， 更換模式繁瑣。 數(shù)字焊機(jī)通過總線控制， 可以采集多種數(shù)據(jù)， 且焊機(jī)與焊機(jī)之間通過串并聯(lián)組隊(duì)有了數(shù)據(jù)聯(lián)系， 可以檢測二次回路的電感等數(shù)據(jù)， 焊接參數(shù)的控制更加精準(zhǔn)， 焊接質(zhì)量更加穩(wěn)定。

圖6 數(shù)字焊機(jī)控制流程圖

3 數(shù)字焊機(jī)串并聯(lián)應(yīng)用效果

焊機(jī)串并聯(lián)后發(fā)揮了數(shù)字焊機(jī)的特性， 加大了電流， 平衡了焊機(jī)的負(fù)載率， 優(yōu)化了焊機(jī)組之間的控制模式。 如采用2 臺焊機(jī)并聯(lián)領(lǐng)弧， 其他弧分別由1 臺焊機(jī)依次串聯(lián)起來的數(shù)字焊機(jī)串并聯(lián)應(yīng)用方式， 在福建的某鋼管廠和滄州某鋼管廠的應(yīng)用均得到了認(rèn)可。 該數(shù)字焊機(jī)的串并聯(lián)應(yīng)用，在生產(chǎn)過程中發(fā)揮了串并聯(lián)數(shù)字焊機(jī)的性能特點(diǎn)，焊接電流穩(wěn)定。 焊接電流趨勢如圖7 所示， 由圖7可見， 焊接過程中電流波動很小， 且長時間大電流不間斷焊接驗(yàn)證了焊機(jī)的穩(wěn)定性， 實(shí)現(xiàn)了高效焊接。 該應(yīng)用的上位機(jī)監(jiān)控操作界面、 焊機(jī)串并聯(lián)實(shí)物及焊縫成形效果如圖8 所示。 通過圖8 （a） 中上位機(jī)監(jiān)控操作界面可以觀察焊接狀態(tài)及實(shí)時參數(shù)的變化情況， 且后臺可采集多種參數(shù)供給MES 系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程診斷智能化的要求， 這也是我國焊管行業(yè)電源升級換代的趨勢和發(fā)展方向。

圖7 焊接電流趨勢

圖8 上位機(jī)監(jiān)控操作界面、焊機(jī)串并聯(lián)實(shí)物及焊縫成形效果

4 結(jié)束語

數(shù)字焊機(jī)串并聯(lián)的應(yīng)用提高了焊接穩(wěn)定性，簡化了聯(lián)網(wǎng)通訊配置焊機(jī)的過程， 解決了焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及采集信息的問題。 數(shù)字焊機(jī)串并聯(lián)應(yīng)用逐漸擴(kuò)大， 焊管企業(yè)集中控制焊機(jī)， 根據(jù)工況情況隨時調(diào)整配置焊機(jī)， 滿足了工廠智能化的要求， 提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。