（材料加工工程专业论文）基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊.pdf

摘要 鬯对窄间隙熔化极气体保护焊g m a w n g 的两大技术难点坡 口侧壁熔透的问题及焊缝跟踪的问题，作者设计了基于单片机控制的步 进电机驱动的焊丝弯曲机构和焊缝跟踪装置，创新性地提出了焊丝弯曲 、 和焊缝跟踪机构的设计思想，阐述了它们的工作原理鞋焊丝弯曲机构 中，通过单片机可在一定范围内设置和调节焊丝摆动幅度、摆动速度以 、 及两端停留时间，折弯出符合设计要求的波状焊丝，实现了电弧摆动参 数的可调节，提高了电弧摆动的可靠性和灵活性。在焊缝跟踪系统中， 作者利用角位移电位器作传感器将导电嘴的位置偏差信号转化为检测 电压信号，通过单片机控制步进电机，反向调整焊炬的位置，达到焊炬 对中的目的。实际焊接试验表明：作者研制的两种机构完成了设计要求， 给出了解决g m a w n g 焊接两大技术难点的结构新颖的技术方案，对窄 、 间隙焊接在我国的推广应用具有较高的应用价值。 关键词：窄间隙焊接；单片机；角位移传感器；摆动机构；焊缝跟踪 a b s t r a c t t h e r ea r et w o t e c h n o l o g yp r o b l e m si nn a r r o wg a pg a s s h i e l d e d m e t a la r cw e l d i n g ( g m a w - n g ) o n ei s f u l lp e n e t r a t i o no ft h et w o s i d e so f j o i n ta n da n o t h e ri s w e l dt r a c k t h ea u t h o rd e s i g n e daw i r e b e n d i n g d e v i c ed r i v e nb ys t e pm o t o ra n daw e l d t r a c k i n gs y s t e mb o t h b a s e do na na d v a n c e dm i c r o c o m p u t e rc o n t r 0 1 t h e i r p r i n c i p l ew e r e d i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ew i r e b e n d i n g d e v i c e d e s i g n e db y a u t h o ri sa i n n o v a t i o ni nt h es t r u c t u r e t h eo s c i l l a t i n ga m p l i t u d e ，o s c i l l a t i n gs p e e d o fw i r eb e n d i n gd e v i c ea n dt h e s t a y e dt i m eo fa r ci nt w os i d e so f g r o o v ec a nb ea d j u s t e db yam i c r o c o m p u t e r i ti s e a s y t o p r o d u c e w a v i n gw i r ea n dt os a t i s f yd i f f e r e n tw e l d i n gc o n d i t i o n s i tc a nr e a l i z e t h ea d j u s t a b i l i t yo fa r co s c i l l a t i o np a r a m e t e r a n d i m p r o v e t h er e l i a b i l i t y a n d a d a p t a b i l i t y o fg m a w - n gt h ew e l d t r a c k i n gs y s t e mm a y t r a n s f o r mas m a l l e rl i n e d i s p l a c e m e n tt ov o l t a g es i g n a lt h r o u g ht w o a n g l ed i s p l a c e m e n ts e n s o r sa n dt h e nm o v ew e l d i n gt o r c hp o s i t i o nt o m i d d l eo fw e l ds e a m t h r o u g hs t e pm o t o rc o n t r o l l e db ym i c r o c o m p u t e r i nt h er e v e r s ed i r e c t i o n t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h ew i r e b e n d i n g d e v i c ea n dw e l d t r a c k i n gs y s t e m h a v em e td e m a n d so f w e l d i n g i ti sa ni n n o v a t i v ew a y t os o l v et h et w od i f f i c u l t p r o b l e m sf o r g m a w - n g i ti sv a l u a b l ei n p r o m o t i n ga p p l i c a t i o no fn g wi no h r c o u n t k e yw o r d s ：g m a w - n g , b e n d i n gd e v i c e ，w e l d t r a c k i n g ， m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l ，a n g l ed i s p l a c e m e n ts e n s o r 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 1 1 窄间隙焊接的发展 第一章前言 窄间隙焊接( n a r r o wg a pw e l d i n g ) 方法是一种对接接头焊前不开坡口或只开 小角度坡口，留有窄而深的间隙，采用气体保护焊或埋弧焊的多层焊完成整条环缝 的高效率焊接法。 1 9 6 3 年1 2 月，在“铁时代”发表了由美国巴特尔( b a t t e l l e ) 研究所开发的 窄间隙焊接方法。此后，各国都很关注这种先进的焊接方法，并开展了大量的试验 研究工作。1 9 6 6 年日本发表了采用中3 2 m m 焊丝和较大电流的窄间隙熔化极气体保 护焊焊接锅炉及其管接头的应用实例。约从1 9 7 5 年起，窄间隙焊接在日本及欧美等 工业发达国家逐步得到推广和应用。目前，在日本及欧美工业发达国家的锅炉压力 容器、重型机械、建筑桥梁、海洋结构、船舶及大型高压管道等领域，窄间隙焊接 技术的应用已相当普遍。窄间隙焊接的应用情况在某种意义上反映了一个国家的工 业发展水平。在我国，哈尔滨焊接研究所林尚杨院士主持开发研制的双丝窄间隙埋 弧焊设备也成功地运用于生产中。但是，总的说来，窄间隙焊接在我国的应用仍相 当少，与工业发达国家存在较大差距。“2 1 1 1 1 窄l 司隙焊接的特点 我们现在所说的窄间隙焊接具有下列特征：( 1 ) 窄间隙焊接是传统弧焊工艺中的 一种特殊技术。( 2 ) 在大多数情况下开i 形坡口，坡口角度的大小视焊接中的变形量 而定。( 3 ) 多层焊接。( 4 ) 自下而上的各层焊道数目相同，通常为i 或2 道。( 5 ) 采 用小或中等线能量进行焊接。( 6 ) 可进行全位置焊接，而电渣焊和埋弧焊只能在平焊 位置施焊。 窄间隙焊接的优点如下： ( 1 ) 提高效率，降低成本。由于矩形窄坡口的形状简单、截面小，接头制备及 焊接工序的劳力消耗少，填充材料及能量的消耗少。 第1 页 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 ( 2 ) 提高焊缝质量。由于线能量低以及在深坡口内连续堆焊而使焊道多次经受 再回火，从而形成一个十分狭窄的热影响区和细晶粒的焊缝金属，使焊接接头的力学 性能尤其断裂韧性、疲劳强度得到提高。窄间隙焊接不仅在焊接低合金碳钢，而且在 焊接低合金高强钢、高合金钢及铝钛合金时，都是一种非常好的焊接方法。 ( 3 ) 熔敷金属少，接头中氢含量有所下降，接头的应力水平和变形量也有所下 降，对工件的预热，中间热处理和后热处理等工艺要求适当降低。 ( 4 ) 由于熔池体积小、线能量低，可进行全位置自动焊，而这对现场焊接很重 要。 ( 5 ) 窄间隙焊接的应用，使一些大型铸件之类的厚壁部件可用焊接结构替代。 当然，窄间隙焊接也存在一些缺点： ( 1 ) 其设备由于比较复杂而可靠性不高，这就阻碍了窄间隙焊接方法的推广和 应用。 ( 2 ) 对电弧的任何不稳定现象都很敏感，而这对焊缝质量是不利的。 ( 3 ) 焊缝返修较困难。 ( 4 ) 对装配精度要求较高，装配时间长。窄间隙焊接的特殊性，不仅仅是坡口 形式、焊接设备不同于传统的弧焊，它还包括坡口加工、坡口装配、工件预热、防止 焊接变形以及焊缝跟踪等一系列技术。 ( 5 ) 对操作人员的技能要求较高。 1 2 窄间隙焊接工艺 按工艺特点，窄间隙焊接分成： 1 1 2 1 窄间隙熔化极气体保护焊 窄间隙熔化极气体保护焊( g a s s h i e l d i n gm e t a la r cw e l d i n g - - n a r r o wg a p ) 与常规g m a w 的主要区别在于焊丝和保护气体送进坡口所应用的技术不同。在g m a w 中，焊丝和保护气体送到v 形或双v 形坡口底部并不需要特殊的装置，但对于g m a w _ n g 却是个主要难题。焊丝和保护气体要送入窄而深的矩形坡口，要求焊丝与侧壁之间不 能发生接触产生电弧，坡口内部无空气吸入，还要保证两侧壁有足够的焊透性。在不 能对电弧进行观察的情况下，必须须将焊丝精确定位。 第2 页 l ，aiillllllil 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 1 12 2 窄1 司隙自动埋弧焊 坡口角度一般为o 1 。，坡口宽度为2 0 3 0m ，选用中3 衄焊丝。由于其焊丝比 窄间隙气体保护焊粗，电弧相对较大，对跟踪控制系统的精度要求比窄间隙气体保护 焊低，因此窄间隙自动埋弧焊相对不易产生未焊透及夹渣等缺陷。 窄间隙埋弧焊的最关键因素是在在坡口内应具有良好的脱渣性。 1 1 2 3 窄间隙钨极气体保护焊 g t a w - n g ( g a s s h i e l d i n gt u n g s t e na r cw e l d i n g - - n a r r o wg a p ) 优点是线能量 小、电弧稳定性好、没有飞溅、没有夹渣、焊接缺陷少、焊缝强度和断韧性高，其缺 点是需要有高精度的电源输出特性，钨电极至工件的距离控制严格，以及熔敷速度较 低。日本三菱重工和中国华恒焊接的热丝t i g 焊都比较成功。“” 为了提高熔敷速度，采用特殊的单独电源加热填充焊丝，采用机械方法或磁场 方法使电弧摆动以控制侧壁熔透，在不同焊接位置焊接时采用脉冲电弧电流改善焊缝 成形。 窄间隙钨极气体保护焊的另一个技术难点在于如何保证填充金属送入焊接熔 池。 g t a w n g 常用于焊接高强度低合金钢、超高强度钢、不锈钢以及钛和钛合金。 另外还有气电垂直焊、自保护焊以及采用焊条的手工焊接方法等，但应用最多的 是熔化极气体保护焊( 约占近6 0 ) 和埋弧焊( 约占近2 0 ) 。 1 1 - 3 窄间隙焊接的应用 1 1 3 1 压力容器、锅炉 随着电站锅炉和化工压力容器的大型化和高参数化，锅炉简体和压力容器壳体 i 的厚壁不断增加，例如6 0 0 m w 锅炉简体采用美国钢种s a - 9 9 ( c r - m n 钢) 壁厚达到 2 0 4 m m ；4 0 0 t 和5 6 0 t 热壁加氢反应器壳体采用2 1 4 c r - l m o 钢，壁厚分别达到2 0 0 m m 和2 1 0 m m ；3 0 0 m w 和6 0 0 m w 核电站压力壳的壁厚达到2 5 0 3 0 0 m m 。“” i近十年来作为一种优质、高效和低消耗的窄间隙埋弧自动新技术在厚板焊接方 面日趋成熟，在国内一些大型锅炉及压力容器制造厂得到了广泛的应用。 1 3 2 电站设备 第3 页 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 无论水力、火力、或核电厂的大型设备制造建设中广泛采用窄间隙焊接。从汽 轮机、水轮机、水闸闸门、核反应堆、高温高压管道，到各类电站辅机的厚板对接焊 缝。板厚可达1 5 0 3 0 0 r c r a ，材质大多采用耐热的铬钼合金钢。 1 1 。3 3 建筑、桥梁 大跨度桥梁、高架立交、超高层建筑钢结构等都是采用大截面梁或h 型钢梁、柱 制成，需要大量的中、厚板焊接。早在1 9 7 1 年日本第次高层楼钢架的现场作业中 使用了窄间隙焊接。 1 1 3 4 海洋结构、船舶 近几年，以石油，天然气生产所用大型采油平台的剧增为背景的海洋结构物大 量需求，在质量要求高的同时，超过1 0 0 舳的厚板用量越来越多。因此，高质量、高 效率的窄间隙焊接，将成为这一领域中很有前途的施工方法。 在造船用钢的焊接方面，在立焊、横焊方面正在推广窄间隙焊接。 1 1 3 5 高压厚壁管道 随着高压管道的大型化，大量采用大直径、大厚度高强度钢管。这些钢管在车 间制造及现场安装中，焊接施工占很大比例。 另外，在现场制造中，为了提高效率，球瓣支承钢管的对接焊也采用窄间隙气 体保护焊，钢管厚度在5 0 4 0 0 咖。 1 1 3 6 重型机械 起重输送、冶金矿山、工程机械、重型机床等重型机械制造中都有大量梁、柱、 盘、桶形结构是用厚钢板拼焊而成，所用的板材越来越厚，因此要求高效率的、节能 的焊接施工。基于此，埋弧焊、气电焊得以应用。可是这些焊接方法焊接线能量大， 焊接接头特别是热影响区显著脆化，对冲击韧性要求高的产品必须进行焊后热处理， 而这又带来了产品变形等弊端。在这一点上，窄间隙焊接不仅经济，而且具有获得优 良接头韧性的特长。 1 2 窄间隙焊接在国内的应用前景及技术难点 1 2 1 应用前景 第4 页 基于单片机控制的窄间隙熔化撮气体保护焊 窄间隙焊接方法在臼本及欧美发达国家已广泛应用于各个领域的中、厚板焊接， 使用最多的领域是锅炉、压力容器，以吸重型机械和建筑，再次是厚壁管道、海洋构 造、船舶和桥梁。而在所用的焊接方法中，电弧摆动式的熔化极气体保护焊最多，在 锅炉压力容器行业就占7 0 之多。 在我国，尽管窄间隙焊接方面的研究已有不少成果，但在工业生产中的应用却 不多，与发达国家的差距较大。 但是，窄间隙焊接的应用是与一个国家的工业发展水平相适应的。按照焊接行 业的“八五”、“九五”规划的要求，在大型骨干企业中，窄间隙气体保护焊、窄间 隙埋弧自动焊和c 0 z 焊的普及率要大于5 0 。近年来，我国各类大型建设项目不断涌 现，从金山化工到田湾核电，从渤海油田到跨海大桥，从金茂大厦到西气东送，从十 ：万吨油轮到航空母舰跚，新一轮的大型建设项目正在兴起，为窄间隙焊接提供了广阔 i的应用舞台。同时，在中、厚板材的焊接中，窄间隙焊接所具有的节约时间、节省焊 接材料、提高接头韧性等优势是其它焊接方法难以比拟的，因此，窄间隙焊接作为 种高效率的焊接方法，必将在各个领域得到广泛应用。 1 2 2 技术难点 1 22 j 电弧摆动 由于窄间隙焊接线能量低而且熔池小，容易产生侧壁未焊透，一般可通过弯曲 焊丝或摆动机头的方法使电弧摆动，促进两侧壁的熔合，但由于空间小，可监视性差， 开发可靠的电弧摆动技术就成为关键。 1 2 2 2 焊缝跟踪 相对于普通焊接方法，窄间隙焊接的焊缝跟踪问题更显重要，因为如果不能保 证导电嘴的严格对中，两侧壁的焊透也就无法保证，同时由于窄间隙焊接坡口的特殊 ! 性，普通的焊缝跟踪难以适用于窄间隙焊接。因此，开发出适用于窄间隙焊接的焊缝 跟踪系统也就成为能否保证焊接质量的关键。 同时，电弧摆动的问题和焊缝跟踪的问题又是互相制约的，可靠的电弧摆动可 以降低焊缝对中的要求，而可靠的焊缝跟踪又是两侧都能均匀焊透的保证。 1 2 2 3 控制系统 第5 页 r，； 一 基于单片机控制的窄问隙熔化极气体保护焊 窄间隙焊接是非常复杂的过程，有多个被控制对象，需调节的参数很多，从焊 接电源与电弧到保护气体，从送丝机构到行走机构，从电弧摆动到焊缝跟踪，无不需 要相应的控制系统。开发适用的控制系统不仅有利于降低成本，而且对提高系统的稳 定性、灵活性以及改善系统的动力学性能均起着十分重要的作用。 另外，窄间隙焊接有待改进的问题尚有：提高导电嘴的寿命，减少飞溅及改善 脱渣性等 1 ，23 解决措施 基于窄间隙焊接有广阔的应用前景，本课题将窄间隙两大技术难点作为研究以 方向，提出解决电弧摆动及焊缝跟踪系统的设计方案，并在控制系统上加以创新。以 下，论文将就这三点展开阐述和讨论。 1 2 31 电弧摆动 窄间隙焊接的电弧摆动一般有两大类：焊枪摆动或旋转和焊丝摆动。在g m a w n g 中，电弧摆动的方法大致有以下几种：【1 1 ( 1 ) 向坡口宽度方向连续送入波浪形弯曲焊丝，使电弧摆动。 ( 2 ) 利用两根绕在起的麻花焊丝使电弧旋转。 ( 3 ) 利用弯曲成形齿轮弯曲焊丝，使电弧摆动。 ( 4 ) 将焊丝弯成一定曲率并旋转，使电弧摆动。 ( 5 ) 让焊丝成螺旋状弯曲，使电弧旋转。 ( 6 ) 让焊丝通过导电嘴偏心孔，使导电嘴高速旋转，电弧也按同一方向旋转。 尽管如此，在空间狭小的窄间隙中，实现电弧摆动的难度仍相当大，主要体现 在可靠性低，适应性差。这就需要我们开发一种新的方法，它能够适用于不同的间隙， 不同的焊丝，在坡口两侧的电弧停留时间等参数可以调节，以提高其可靠性和适应性。 1 2 32 焊缝跟踪的方法 在窄间隙焊接领域，主要有以下几种焊缝跟踪系统： ( 1 ) 感知焊缝跟踪系统。借助于特殊的机械探针，感知坡口侧壁位置的信息。 ( 2 ) 电弧焊缝跟踪系统。借助于电弧在两侧壁间摆动时电弧自身的变化信息， 进行焊缝位置的反馈跟踪。 第6 页 。 一 一 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 ( 3 ) 光电数字跟踪系统。其特点是定时检测偏移量，并可进行微机控制。 另外还有计算机成像跟踪系统，视觉焊缝跟踪系统等，应用不多。人工神经网 络也有所应用。 1 2 33 控制系统 在工业生产中，控制系统的选择和设计对提高生产效率和操作可靠性、灵活性 起着至关重要的作用。 ( 1 ) 基于继电器逻辑控制的电机拖动。 ( 2 ) 单片机控制。它是工业控制和智能化系统中应用最多的模式。这种模式的 最大特点是设计者可根据自己的实际需要开发、设计一个单片机系统，因而更加方便、 更加灵活，而且成本低。其基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口，如用于模拟、 数字转换的a d 、d a 转换接口，用于人机对话的键盘处理接口，l e d 和l c d 显示接 口，用于输出控制的马达、步进电机接口等等。然后再开发一些应用软件( 大都采用 汇编语言) ，即可组成完整的单片机系统。”1 ( 3 ) 可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) ，简称p l c 。p l c 是 早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的产物。它吸收了微电子技术和 微型计算机技术的最新成果，发展十分迅速。如今的p l c 几乎无一例外地采用微型 处理器作为主控制器，而采用大规模集成电路作为存储器及i 0 接口，因而使其可靠 性、功能、价格、体积都达到了比较成熟和完美的境界。目前，从单机自动化到工厂 自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络无不有它的踪影。嘲 ( 4 ) s t d 总线工业控制机。s t d 总线工业控制机是8 0 年代发展起来的一种广泛 应用于工业过程控制的计算机系统。这种控制机采用s t d ( s t a n d a r d ) 总线，可根据 用户控制对象要求选择不同功能模块，如：c p u 、存储器板、a d 、d a 板、i o 板组 成系统机构，是目前工业控制中应用最多的总线控制系统。脚 ( 5 ) 工业p c 机。工业p c 机一方面在结构上又采用了s t d 总线工业控制机的优 点，实现模块化，同时继承了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开发更加方便。 正因为工业p c 机的这些优点，使得工业p c 机发展十分迅速，大有取代s t d 总线工业 控制机之势。 第7 页 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 1 1 ，3 方案选择 根据上述分析，我们得出了解决窄间隙熔化极气体保护焊的两大技术难点的思 i 路。 ( 1 ) 电弧摆动的摆动幅度、摆动周期以及电弧在两侧壁的停留时间均需可调节。 ；因为这一点，对于确保两侧壁的熔透至关重要；同时，灵活的参数调节能大大拓宽窄 l间隙焊接的适用范围，降低坡口加工、坡口装配的难度，使窄间隙焊接更加易于操作， i这对窄间隙焊接在我国的推广应用是大有裨益的。将焊丝弯曲成波浪形，可实现电弧 的摆动，而通过调节折曲焊丝的机电参数，即可达到调节电弧摆动的目的。 控制要求要做到：实现折曲焊丝的参数预先设置，灵活调节。要达到这一目的， l使单片机控制则是最理想的选择。单片机控制成本低，响应速度快，接口灵活，程序 设计方便，能充分胜任较高的单机控制要求。 i基于单片机控制的焊丝折曲机构及其控制系统便是论文研究的重点。 ( 2 ) 对窄间隙熔化极气体保护焊而言，与电弧摆动同等重要的是焊缝对中问题。 ； 因为可靠的焊缝自动对中系统同样是两侧壁充分熔透的保证。 i就焊缝跟踪问题，我们提出了以下设计方案：利用杠杆放大原理，将导电嘴在 窄间隙中的位置偏差信号通过角位移传感器，转换为电压信号，送入单片机运算和比 较，输出脉冲信号，控制步进电机对导电嘴的位置进行校正。当导电嘴的位置偏差小 于某一设定值时，步进电机停止转动，系统认为导电嘴处于对中位置。 。 基于单片机控制的焊缝自动跟踪系统则是该论文研究的另一个内容。 ( 3 ) 在完成了上述焊丝折曲和焊缝跟踪系统的硬件、电路设计制作和软件编程 后，进行各自单机调试，然后进行联机调试和焊接工艺试验，对两套系统的实用性进 证。 第8 页 ? l j 基于单片机控制的窄闻陈熔化极气体保护焊 2 1 电弧摆动的方法 第二章。摆动机构的设计 窄间隙焊接的最大难题是如何防止坡口侧壁未熔合缺陷，即需要想办法使狭窄 的坡口深处的两侧面都能充分熔透。n g 姒w 焊通常利用电弧摆动来达到焊透钢板两 侧壁的目的。为使电弧摆动，见之于文献的方法有“1 ： 2 1 1 利用两根缠在一起的焊丝( 麻花焊丝) 作填充金属使电弧旋转 如图2 1 ：采用这样的焊丝进行电弧焊时，焊丝端部不需要做机械摆动，它利用 焊丝螺旋成形的特点，燃烧时，电弧自动旋转；焊接过程中，只要将焊丝对准坡口中 心送进，就可以防止坡口侧面产生未焊透，得到无缺陷的接头，没有必要附加特殊的 摆动机构。与其他窄间隙焊接相比较，影响产生缺陷的因素少，是一种简便的焊接方 法。 图2 - i ：双绞丝窄问隙电弧焊 f i g 2 - i ：t w i s tw i r eg m a w - n g 2 1 2 利用齿轮轧辊折弯焊丝，使电弧摆动 墨! 兰苎塑查堕塑型堡些塑皇竺堡茎塑 删2 2 ：轧轮折丝窄间隙电弧焊 f i g 2 2 ：g e a rw h e e lb e n d i n gw i r eg m a w - n g ，这种方法有如下特征：1 ) 电弧指向坡口两侧，摆动次数可高达2 5 0 9 0 0 次m i n ， l因而能确保两侧壁充分焊透。2 ) 由于折曲焊丝高速摆动，熔池底部的宽度要大出好 2 几倍，这种熔池形状对消除未焊透是有利的。3 ) 折的焊丝已产生塑性变形，通过焊 炬导电嘴后仍能保持原状，这样即使焊枪的高度发生变化，电弧的摆动幅度仍保持不 i 变。4 ) 从结构上看，只是将过去的送丝辊轮换成成形齿轮，不需要附加特殊的装置， 简单易行。 l 2 _ 1 3 将焊丝弯成一定曲率并旋转，使电弧摆动( l o o p n a p 方法) 如图2 - 3 ：这种方法的最大特征是使细焊丝( 中1 0 、1 2t m ) 在送丝过程中“弯 曲”，在进入焊枪之前按弯曲的曲率送入环形机构，再通过导电嘴使焊丝的指向固定， 它依靠环形机构往复运动( 焊枪不动) 来摆动电弧。 首先，利用被弯曲的焊丝的曲率确保坡口两侧或底部角落处被电弧熔化，而这 些地方是很容易产生未熔合或夹渣等缺陷的。其次，环形机构既能保证被弯曲焊丝的 指向，又能使焊丝摆动，当焊枪处于窄坡口的中心处的情况下，使电弧端在坡口宽度 方向摆动。通过弯曲焊丝与环形机构的摆动，不但能防止坡口两侧产生未熔合，而且 能使焊道呈凹形，有利于防止多层焊时出现缺陷。 “l o o p n a p ”方法具有如下特征：1 ) 因为是i 型坡口( 间隙9 1 5 啪) ，可以达 第10 页 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 到高效率、低成本。2 ) 焊接线能量小，且熔深均匀，故能得到均匀的细晶粒组织和 高韧性的优质焊接接头。3 ) 坡口导向机构采用非接触式的，可通过目视进行调整， 操作比较容易。 图2 3 ：弯曲焊丝窄间隙电弧焊 f i g 2 - 3 ：b e n d i n gw i r eg m a w - n g 2 1 4 让焊丝呈螺旋状弯曲，使电弧旋转 采用i 形坡口的多层单焊道焊接时，焊丝摆动法要比焊丝直线移动法容易使坡 口两侧焊透。另外，由于焊道成凹形，有利于防止未熔合。但是，在窄的间隙中使焊 枪摆动时，焊枪容易与坡口两佻接触，造成施工上困难。鉴于这种情况，日立造船公 司发明了在焊枪不摆动条件下，使电弧旋转的方法。 摆动机构如图2 - 4 示，采用三个辊轮将焊丝弯曲到一定曲率，焊丝在摆动机构 内被压弯后，通过送丝辊轮及导电嘴进入电弧区。由三个辊轮构成的焊丝弯曲机构， 在以焊丝导向管和导电嘴连接线为中心轴的水平面内旋转，焊丝通过弯曲机构后即弯 曲成螺旋状，曲率的大小，可以通过改变辊轮的压紧螺丝进行调节。另外，焊丝螺旋 的间距可以利用改变摆动机构的转速加以调整。通过这种摆动机构弯曲的焊丝，在导 电嘴处使其倾斜，故焊丝的倾斜方向也在旋转。这样一来，焊接电弧将沿着螺旋轨迹 进行摆动。 第11 页 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 圭 2 4 ：螺旋焊丝窄间隙电弧焊 f i g 2 - - 4 ：h e l i xw i r eg m a w - n g ： ； 2 1 5 让焊丝通过偏心导电嘴，使其高速旋转 。如图2 - 5 ：焊丝从导电嘴的中心孔送入，依靠导电嘴的偏心出口使焊丝偏心向电 。弧送进。导电嘴由轴承支持住，并借助一电动机使其按同一方向高速旋转。因此焊丝 端部的电弧，以导电嘴孔的偏心量为半径在熔池上方旋转。 图2 5 ：旋转导电嘴窄间隙电弧焊 f i g 2 - 5 ：h i g h - s p e e dr o t a t e dc o n t a c tt u b eo m a w - n g ； 在电弧高速旋转过程中，电弧的物理效果向四周分散，使焊道形成机理和熔滴 过渡现象收到如下效果：1 ) 焊道形状变得扁平，四周熔深增加。2 ) 熔敷速度增加。 t l - _ f 第12 页 l 基于单片机控制的窄问隙熔化极气体保护焊 2 1 6 在坡口宽度方向连续送入滤 如图2 - 6 所示出的电弧： 性地往复性运动连续地使焊垒 弧熔化，电弧也就左右横向扫 匿氢 芒 感 鲶 w i r e - 碉 图2 6 ：焊丝往复窄间隙电孤焊 f i g ：2 - 6 ：r e c i p r o c a t e dw i r eg m a w - n g 2 2 方案确定 t ；以上电弧焊方法中，电弧摆动幅度和电弧摆动频率地调整均受到某种限制。这 l 动，通过调节步进电机的转速可调整辊轮摆动的频率，可通过步进电机正反转的角位 l 移量调整摆幅。因此。步进电机的选择是整套机构的关键因素。 l 页 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 因2 7 摆动焊丝g 卧n g 工作原理图 f i g 2 - 7 ：p r i c i p l ec h a r to f w a v i n g w i r eg m a w - n g 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 步所转过的角度) 可以由每步9 。低到每步0 3 6 。另一方面，无论是变磁阻式步进电 机还是永磁式步进电机，它们都能精确地返回到原来的位置。如个2 4 步( 每步为 1 5 。) 的步迸电机，当其向正方向步进4 8 步时，刚好转两转。如果再反方向转4 8 步， 电机将精确地回到原始的位置。 正因为步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接收数字量的特点，所以 使其在定位场合中得到了广泛的应用。特别是在工业过程控制的位置控制系统中，由 于步进电机精度高以及不用位移传感器即可达到精确地定位，应用越来越广泛。 由步进电机的特点可见，本机构中，只要预先对摆幅、摆速进行设定，步进电 机就能忠实地，无偏差地运行，且在不失步的情况下，其摆幅和摆速不会受负荷变化 的影响。而且由于步进电机运转的精确性和可预测性，在控制系统中，可采用开环控 制，使控制系统大大简化。 由于摆动机构( 如图2 - 8 所示) 受安装空间位置限制，选择了中1 8l i 】i ，4 姗螺 距，丝杠长度约为1 5 0 衄的丝杠螺母副。丝杠两端设限位开关，以防螺母顶死。步进 电机力矩及转速应满足摆动时的负荷要求。设步进电机输出力矩为x ，丝杠驱动力为 f ，2 x x = f x o 0 0 4 ，f = 1 5 7 0 x ，若x 选择0 3 n m ，f 可达4 7 1 n 。驱动力能满足 焊丝往复摆动的需要。其次，考虑步进电机的转速能否满足摆动频率的需要。仍设螺 距为4 , a ，步进电机步距角为1 8 口，每秒可转1 2 5 0 步，则每秒可转1 2 5 转，每转行 走4 删，则每秒可行走2 5 咖，设摆动幅度为2 5 咖，摆动频率可达3 0 次m i n ，也能 够满足设定摆动频率的要求。 洹一 第l5 页 基于单片机控制的窄间隙熔化扳气体保护焊 求：( 1 ) 能预先设定运行参数，以使摆幅可调，摆速可调，两端停留时间可调。( 2 ) 可实现手动控制。( 3 ) 丝杠两端设置限位开关以保护机构及电机。 2 22 摆动机构的控制方寨 典型的步进电机控制系统原理如图2 9 所示： 脉冲 图2 9 ：典型的步进电机控制系统原理 f i g 2 9 ：p r i n c i p l eo f s t e pm o t o r c o n t r o ls y s t e m 步进电机控制系统主要是由步进电机控制器、功率放大器及步进电机组成。传 统步进电机控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。 它的作用就是能把输入的脉冲转换成环形脉冲，以便控制步进电机，并能进行正反向 控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转 动。采用这种控制方式，由于步进控制器线路复杂，成本高，因而限制了它的应用。 如果采用计算机控制系统，用软件代替上述步进控制器，则1 6 j 题将大大简化。不仅简 化了线路，降低了成本，而且可靠性也大为提高。特别是采用单片机控制，更可以根 据系统的需要，灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。基于此，我们决定 采用先进的单片机控制。 图2 1 0 ：摆动机构工作流程图 f i g 2 - l o ：f l o w c h a r to f b e n d i n ge o n l t o ls y s t e m 至此，摆动机构的设计方案基本确定，其工作流程如图2 - - 1 0 。 第16 页 蔓主苎苎垫鳖型塑兰塑堕堕垡堡墨堡堡塑一一一一一一一 2 3 系统设计 23 1 机械系统设计 根据方案，机械系统初步设计，如图2 一l l 所示，我们对传统气体保护焊的送丝 机构进行改进，将焊丝摆动机构布置在送丝辊轮及导电嘴之间，并在摆动机构前端增 加一送丝导向管以利于焊丝的成形。 送丝辊轮将焊丝经送丝导向管送至摆动机构上的摆动辊轮，摆板作往复摆动， 焊丝被折曲成波浪形，送入导电嘴，随着导电嘴下端的焊丝被熔化，电弧自动地发 生摆动。但是，结构可能产生问题。假设送丝辊轮将焊丝匀速送出，由于摆动辊轮的 往复摆动，焊丝通过导电嘴的阻力随着摆板位置的变化而变化，摆板在导电嘴和导向 管中心轴线上时，阻力小：而摆板在左右极限位置时，阻力大，因而焊丝的燃烧速度 将随之发生周期性的变化，这对焊接是非常不利的，因此，我们决定将送丝辊轮移到 图2 一n ：摆动机构在送丝辊轮和导电嘴之间 f i g 2 1 1 ：f l a p p i n gd e v i c e b e t w e e nf e e dr o l l e ra n dc o n t a c tt u b e 第l7 页 ，；、 。一，。-l 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 图2 12 ：送丝辊轮在摆动机构和导电嘴之问 f i g2 1 2 ：f e e dr o l l e rb e t w e e nf l a p p i n gd e v i c ea n d c o n t a c tt u b e 摆动机构和导电嘴之间，如图2 1 2 ，送丝辊轮变成了拉丝辊轮，这样。焊丝就能以 稳定的线速度送入导电嘴，稳定地燃烧。并且，在摆动辊轮与拉丝辊轮之间加设对 导向辊轮，缩小了焊丝的弯曲半径，提高了焊丝的摆动频率。 2 3 、2 控制系统设计 2 3 21 技术要求： a 摆幅：0 0 1 m m 9 9 9 9 m m b 频率：1 次m i n 3 0 次m i n c 速度：0 o ln r t r a 秒2 5 咖秒 d 两端停留时间：0 1 s 9 9 s e 可实现点动操作，显示正、反转 第18 页 一 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 g 运行时显示周期数。运行时再按运行键l 画暂停。暂停后，按e ! i 辣，继 续运行，周期累加：按匝碑清除，按匝圈重新开始；还可通过回键， 改变设定参数。 h 两端限位，限位作用时，运行停止并报警。 2 ，3 2 2 硬件设置 a 单片机8 9 c 5 2 。 b 步进电机驱动集成电路l 2 9 7 、l 2 9 8 。 c 显示l e d 。 d 电源。 e 设置按钮5 个，分别为功能键圈、移位键( 点动反转键) f 1 键、+ l 键( 点动正转键) 团键、清除键回键、运行键( 暂停键) 圃键。通 过连续按丝q 望j 键，循环选择需要调节的参数，可调参数有五个：摆动幅度 l 、摆动速度u 、两端停留时间t 、点动操作p 。等待运行r 。 f 限位开关两个。 共阳l j m 步进电机 图2 1 3 - 控制电路系统框图 f i g 2 1 3 ：s y s t e nd i a g r a mo f c o n t r o lc i r c u i t 第19 页 鬻 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 2 3 2 3 控制系统电路原理框图 - 图2 1 3 为控制电路系统框图。系统以单片机8 9 c 5 2 为核心，组成一个开环控 制系统，系统包括八段驱动共阳l e d 显示器，步进电机驱动集成电路l 2 9 7 、l 2 9 8 ， 设置参数的按钮5 个，报警电笛及前后限位开关，以及供单片机使用的+ 5 v 电源和 供l 2 9 8 使用的+ 2 4 v 电源。 2 3 2 4 步进电机 a 步进电机选择 基于上述对步迸电机的驱动控制以及焊丝摆动要求，在本文中采用的是四相八 拍步进电机。步进电机选用5 7 b y g ，2 6 5 v ，2 6 5 a ，电机半步运行，4 0 0 步r ，因 螺距4 m m ，相当于0 0 1 m m 步。电机静态力矩为0 7 n i l l ，最高运行频率2 5 0 0 h z 时， 输出转距( 运行转距) 为0 3 n m b 典型的单片机控制步进电机系统见图2 一1 4 ： f i g 2 - 1 4 ：t y p i c a ls y s t e mo f s t e p - m o t o rc o n t r o l l e db ym i c r o c o m p u t e r ； 该系统与前述驱动系统的主要区别在于用单片机代替了步进驱动器。单片机的 0 i $ 一一苎王兰苎垫丝型塑! 塑堕堕垡堡墨竺堡芝生 i i 进电机便开始步进。但由于步进电机的“步进”是需要一定的时问的，所以在送一高 ：脉冲后，需延长一段时间，以使步进电机达到制定的位置。由此可见，用单片机控制 l 步进电机实际上由单片机产生一系列脉冲波。用软件实现脉冲波的方法是先输出一高 l 电平，然后再利用软件延时一段时间，而后输出低电平，再延时。延时时间的长短由 l 步进电机的工作频率决定。 l 卜2 5 鞘机8 9 0 5 2 l8 9 c 5 2 是4 0 脚的芯片，图2 1 5 是它们的引脚图和逻辑图。除了4 个端口p o 、 ip 1 、p 2 、p 3 共3 2 根引脚，电源( v c c ) 、地( g n d ) 、外接晶体引脚x t a l l 和x t a l 2 之 ；外，还有4 根控制线。”1 ( 1 ) r s t v p d ：r s t 是复位端。由于内部有一个下拉电阻，只要在该脚与v c c 脚 之间加一个1 0 pf 左右的电容，就能做到上电复位。若在单片机工作时复位，加在此 脚的高电平应持续两个机器周期。第二功能是v p d ，即备用电源输入端。当v c c 处于 掉电情况下，v p d 将为r a m 提供备用电源，以保证存储在r a y 中的信息不丢失。 ( 2 ) e a v p p ：e a 为程序存储器选择端。e a = 1 ，选择片内程序存储器，当p c 值超过o f f f h 时，自动转向执行外部程序；若e a = o 时，选择外部程序存储器。第 二功能为v p p 。若对内部e p r o m 编程，此引脚为2 1 v 编程电源输入端。 塑塑壁塑塑坠塑型堡塑 图2 1 5 ：8 9 c 5 2 单片机的引脚图 f i g 2 _ 1 5 ：p i nc o n f i g u r a t i o nc h a r to f 8 9 c 2 0 5 2 s i n g l e c h i p 图2 16 ：8 9 c 5 2 与共阳l e d 的接口电路 f i g 2 1 6 ：i n t e r f a c ec i u c u i tb e t w e e n8 9 c 5 2a n dl e d 第22 页 p 0 口 p 1 口 p 2 口 o l 2 3 4 5 6 7 h一n 7：， 羔裂篡黧默尝黧鬻篡篡 h nm”眠l引 2 3 4 5 6 7 8 9 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 o 加，2 3 4 5 6 7叫o2 3 4 5 6 7上s h h 陀n h 陀h h阻阻吼腿吼飚吼陀舭黼惯 一 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 2 3 2 6l e d 显示电路 如图2 - 1 5 ：8 9 c 5 2 与共阳l e d 的接口电路。本系统采用共阳极八段显示数码管， 印阳极全部接高电平，在a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、各段上，加“0 ”的段就发光，加 “1 ”的段就不发光，将不同组合的“0 ”和“1 ”电平加到各段上，就形成不同的发 光字符。 2 3 27 步进电机集成驱动电路l 2 9 7 、l 2 9 8 1 l 2 9 7 、l 2 9 8 为步进电机集成驱动电路。接受单片机p 。口输出的脉冲信号，驱动 步进电机的转动。 23 27 1 集成电路l 2 9 7 l 2 9 7 单片步进电动机控制器集成电路适用于双极性两相步进电动机或单极性四 相步进电动机的控制。用l 2 9 7 输出信号可控制l 2 9 8 双h 桥驱动集成电路，用来驱动 电e , h 94 6 v 、每相电流为2 5 a 以下的步进电机。l 2 9 7 采用固定斩波频率的p v m 恒流 斩波方式工作。 h o m e 5 t v7 4 6 v -lill v v s 2宝2i2i2主x m r 8 5 1 c c o w n n 。 k 2 l n h l t s t e p ：ij d q _输 b t 是 。f 球冲 p 出 h a l f f u l l ：，l 棼赫臣 逻 l 2 蚺 r e s e t 辑 c c o n t r o l ii l i l i le n a b l e 是 s y n c 。一 南 南广 p 1 _ 一 u迩道 5 v tq “ 、“ 罕罕罕j s 2 2 k 0 i f 卅【 3 3 n 卜 l j 、 叫喾 1 y “ 一一 图一 ：原理框图和应用电路 - 采用模拟数字电路兼容的1 2 l 工艺，2 0 脚塑料封装，常以+ 5 v 供电， 第页 l 一 基于单片机控制的窄间隙熔化极气体保护焊 全都信号线是t t l c m o s 兼容。 如图2 - 1 7 所示，l 2 9 7 的核心是脉冲分配器。 l 2 9 7 产生三种相序信号，对应