（材料加工工程专业论文）新型移动式钢轨闪光焊机监控系统软件开发及工艺研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 u n 5 1 5 0 z 型钢轨闪光焊机是由西南交通大学焊接研究所牵头研发的， 拥有自主知识产权的新型移动式闪光焊轨机，具有结构简单，维修方便， 维护费用低的特点，在我国得到广泛应用。通过实际应用发现其监控系统 有下面几点不足：( 1 ) 在焊接过程，低压i 阶段到低压i i 阶段过渡不平缓， 使得焊接质量稳定性难以保证，增加了工艺调节的难度；( 2 ) 可设置的参 数偏少，且各个阶段相互牵连，对工艺调试造成不便；( 3 ) 在焊接过程中， 由于加速阶段到顶端阶段的过渡较快，软件不能精确区分两个阶段的焊接 数据，对数据处理造成难度；( 4 ) 焊接曲线显示不够合理，增加了分析曲 线的难度。 针对u n 5 1 5 0 z 型焊机监控系统的不足，论文进行了如下工作：( 1 ) 利 用v i s u a lb a s i c6 0 开发平台完成了焊机监控软件优化，包括焊接阶段识别、 数据处理、曲线显示，使得软件具有良好的人机交互功能，降低了对操作 人员的要求；( 2 ) 细分了焊接过程的阶段，增加了一个低压i i 过渡阶段，原 低压i i 阶段变为低压阶段；( 3 ) 扩展了焊接过程中的可设置参数，可设置 参数由原来的3 0 个增加到4 5 个，解决了各个阶段某些参数互相牵连的问 题，使得参数可单独修改，焊接参数的调节范围变宽；( 4 ) 焊机实现了保 压推瘤功能，非保压推瘤和保压推瘤两种方式的保压时间可单独设置，能 够完成现场的单元焊接和锁定焊接。 完成系统升级的焊机在上海地铁9 号线按照铁道部钢轨焊接标准( t b 厂r 1 6 3 2 1 2 0 0 5 ) 进行了型式试验，并顺利通过。经现场应用表明，焊接过程稳 定，焊接质量良好。 关键词：闪光焊；移动式：监控系统； 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t u n 5 15 0 zr a i lf l a s hb u t tw e l d i n gm a c h i n ei sd e v e l o p e db yt h ew e l d i n gi n s t i t u t e o fs o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t yw h i c ho w n si t si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y f i g h t s i ti san e wt y p eo fp o r t a b l er a i lf l a s hb u t tw e l d i n gm a c h i n ew h i c hh a sa s i m p l es t r u c t u r ea n d i sv e r yc o n v e n i e n tt om a i n t a i nw i t hal o we x p e n s e f o ra l lt h e a d v a n t a g e so ft h ew e l d i n gm a c h i n e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nc h i n a h o w e v e r , i t a l s oh a ss o m es h o r t a g e si ni t sm o n i t o rs y s t e ma sf o l l o w s ： 1 w e l d i n gp r o c e s si sd i v i d e di n t oaf e ws t a g e ss ot h a tt h et r a n s f o r m a t i o nf r o m o n es t a g et oa n o t h e ri sn o ts t a b l e ，e s p e c i a l l yd u r i n gt h ef i r s tl o w - v o l t a g es t a g e t ot h es e c o n dl o w v o l t a g es t a g e a p p a r e n t l y , t h i ss h o r t a g ec a n tg u a r a n t e et h a t t h ew e l d i n gq u a l i t yi sa l w a y si nas t a b l es i t u a t i o n t om a k et h i n g sw o r s e ，i t a d d e dt h ed i f f i c u l t yo ft h ea d j u s t i n gt e c h n i q u e 2 t h ep a r a m e t e r sw h i c hc a nb es e tb yt h eu s e ra r el i m i t e da n dr e l a t e dm u t u a l l y i ne a c hs t a g e f o re x a m p l e ，t h ef e e ds p e e da n dt h eb a c k w a r ds p e e do fe v e r y s t a g ew i l lm a k et h ed e b u g g i n gt e c h n i q u et o u g h e r 3 d u r i n gt h ep r o c e s so fw e l d i n gt e c h n i q u e ，t h ed e v i c ea l w a y si d e n t i f i e sw r o n g l y i ne v e r ys t a g ew h i c hm a k e st h eu s e rd e a lw i t ht h ed a t am o r ei n c o n v e n i e n t 4 t h ew e l d i n gc h iv e sa r es h o w nu n r e a s o n a b l ew h i c ha d d e dt h ed i f f i c u l t yi n a n a l y z i n gt h ec h iv el i n e t ot h ed e f e c t so ft h em o n i t o rs y s t e mo ft h eu n 5 - 15 0 zm a c h i n ea b o v e ，t h i sp a p e r g i v e ss u c hi m p r o v e m e n t s ： 1 t h ep r o c e s so ft h em o n i t o rs y s t e m ，i n c l u d i n gw e l d i n gs t a g ei d e n t i f i c a t i o n ， d a t ad e a l i n g ，a n dc u r v e ss h o w i n gi s o p t i m i z e db yu s i n g t h ed e v e l o p i n g p l a t f o r mo fv i s u a lb a s i c6 0 c o n s e q u e n t l y , t h em o n i t o rs y s t e mh a sag o o d f u n c t i o ni nh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nw h i c ho f f e r sa ne a s yo p e r a t i o no ft h i s m a c h i n e 2 t h ew e l d i n gs t a g e sa r ei n c r e a s e dt o8s t a g e sw h i c hp r e c i s e l yd i v i d e st h e s t a g e so ft h ew e l d i n gp r o c e s sa n dt h et r a n s i t i o nb e t w e e nl o w v o l t a g es t a g e s b e c o m e ss t a b l ea sw e l l 3 t h en u m b e ro fp a r a m e t e r ss e tb yt h eu s e r si se n l a r g e d ，a d d e df r o m3 0t o4 5 。 a sar e s u l t ，t h ep r o b l e mo fi n t e r - i m p a c t i o nh a sb e e ns o l v e ds ot h a tt h e p a r a m e t e r sc a nb er e n e w e di n d e p e n d e n t l ya n dt h ea d j u s t a b l er a n g eo ft h e p a r a m e t e r si sw i d e r 5 t h em a c h i n er e a l i z e st h ef u n c t i o no ft r i m m i n gw i t ht h ep r e s s u r e k e e p i n g b e s i d e s ，b o t ht w om o d e so ft h e p r e s s u r e k e e p i n g t i m ec a nb es e t i n d e p e n d e n t l yw h i c hm a k e su n i t w e l d i n ga n dl o c k w e l d i n gc o m p l e t e di n k e yw o rd ：f l a s hb u t tw e l d i n g ；p o r t a b l e t y p e ； m o n i t o rs y s t e m 盎鳓觋 雒对勰笈 坞 ，影 怒潞裟茹砌嚣洳汛m 埘嘲 砌肌呲 咖鲥咄叫茹怒 讹妣舛蚕 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密一，在；年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：方套磊 日期：0 9 - ， 指导老师签名：又隶卜2 、， 日期：抄尹，f 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 焊机实现了保压推瘤功能，两种方式的保压时间可单独设置，能 够完成现场的单元焊接和锁定焊接。 2 细分了焊接过程的阶段，使焊接阶段达到8 个，扩展了焊接过程 中的可设置参数，可设置参数由原来的3 0 个增加到4 5 个，焊接 规范的调节范围变宽，工艺调整更加容易。 3 对焊接工艺进行研究，讨论了常见的焊接缺陷的消除方法及如何 快速准确得到适合的焊接工艺参数。 游磊 纱9 、i 肜 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及现状 1 1 1 课题研究的背景及意义 在高速无缝线路建设中，钢轨的焊接是其重要组成部分，既能减少接头 的冲击和磨损，又能减轻铺设的劳动强度【1 一，使得线路更加平顺。钢轨焊接 主要有闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊四种方法【5 1 。闪光焊( f l a s hb u t t w e l d i n g ) 的特点是焊接速度快，焊接质量稳定，但其设备较复杂，焊机一次 性投资大，所需电源功率大。 气压焊是利用气体燃料产生的热能将轨端加热到塑性状态，再加一定的 顶锻压力，实现连接的一种焊接方法，它与闪光焊同属于高温塑性状态下的 焊接。气压焊的一次性投资小，无需大功率电源，焊接质量好，多用于现场； 但对接头端面的处理要求比较严格，焊接接头质量受工作环境及操作人员的 经验和水平影响较大。 铝热焊利用重金属氧化物和铝的混合物为焊剂，点燃后铝将铁钛、钒、 铬、锰、钨等金属从它们的氧化物中还原出来，同时放出大量的热，熔化的 铁水流入砂模中，氧化铝以渣的形态浮于溶化金属上面，实现钢轨的焊接。 铝热焊属于冶金铸焊，焊接质量、接头性能与铝热焊剂、焊接工艺和接头表 面形状有直接关系。铝热焊设备简单、操作方便，但其接头因冷却速度较慢， 形成铸造组织，晶粒比较粗大，抗冲击性较差。 英国、日本等国无缝线路有采用药芯焊丝、明弧自保护半自动焊接方法 进行钢轨焊接及道岔焊接，不需焊剂和保护气体，焊前只需简单预热，焊后 不需热处理，工艺简单【6 】。 钢轨的焊接由工厂焊和现场焊两部分工作构成。在国内外工厂焊一般都 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 采用闪光焊，对于现场焊接，在欧洲特别是法国一般采用铝热焊、移动式闪 光焊接方法，而在国内则采用的焊接方法有小型气压焊、铝热焊、移动式闪 光焊等0 1 。根据2 0 0 7 年我国铁道部关于铁路轨道设计规范等八项铁路 工程建设条文，对钢轨焊接方法修订为钢轨焊接应采用闪光焊。闪光焊接头 的落锤、静弯、疲劳等质量高且较为稳定，是我国高速无缝线路建设的主要 焊接方法。 1 1 2 钢轨闪光焊机的现状和发展 1 1 2 1 闪光焊机发展简介 目前闪光焊机按照电流种类划分主要有次级整流直流闪光焊机和交流 闪光焊机【5 】【1 l 】。目前钢轨闪光焊机中，最具有代表性的交流闪光焊机有： h o l l a n d 公司k 3 5 5 h 、瑞士s c h l a t t e r 公司a m 江5 0 6 0 、乌克兰p o t o nw e l d i n g i n s t i t u t e 的k 系列焊机、中国南车集团上海铁路局戚墅堰机车车辆工艺研究所 与上海科研所联合研制的悬挂式焊机等；典型的直流闪光焊机主要有瑞士 s c h l a t t e r 公司g a a s 8 0 5 8 0 、( 认a s 8 0 7 0 0 固定式钢轨闪光焊机。固定式焊机 体积较大，主要用于厂焊场合，而移动式焊机可用于厂焊、基地焊和现场移 动焊接。 乌克兰p o t o nw e l d i n gi n s t i t u t e 的k 系列焊机，在钢轨闪光焊机发展史上 占有非常重要的地位。它们是钢轨闪光焊机中的典型机型。k 系列焊机主要 分为固定式和悬挂式两种机型。其代表产品如下： 固定式焊机：k1 9 0 焊机、k1 0 0 0 焊机。 悬挂式焊机：1 49 0 0 焊机、k 9 2 0 焊机、k 9 2 1 焊机、k9 2 2 焊机。 悬挂式焊机的更新速度明显快于固定式焊机，一方面巴顿在这个领域有 明显的优势，另一方面市场对移动式焊机需求较大，这是设备和工艺不断更 新、升级换代的驱动力。悬挂式焊机的发展历史，可是追溯n - 次世界大战 的苏联卫国战争时期，全苏科学院院士、巴顿焊接研究所库丘克发明了结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 f 悬挂式焊机。k 系列焊机最初使用连续闪光焊工艺，悬挂式焊机是代 i 产品之一，美国h o l l a n d 公司购买了巴顿的专利。生产k 9 0 0 焊机：奥 使用了巴顿的专利，可以说，悬挂式焊机的鼻祖就是前苏联的巴顿所。 焊机就是以悬挂式为代表，其焊接工艺就是以连续闪光焊工艺、脉动 沩代表，其中脉动焊工艺是k 系列焊机独具特色的、当今世界先进的 艺之一。9 0 年代以来，由于p l c 可编程控制技术和计算机技术在焊 i 系统上的应用，脉动焊轨技术能够实现对钢轨的高效率加热，并能减 ：缺陷，提高接头机械强度。 i 拉特( s c h l a t t e r ) 直流固定式捍轨机拥有多项创造性的特点。该 型机型g a a s s 0 焊轨机能够对新轨或旧轨自动进行对正、起拱量调整、 推凸。焊轨机的机体是非常牢固的框架结构，夹持力和顶锻力作用在 心线上。所有重要部件诸如整流器、电极和顶锻液压缸都非常对称地 钢轨的两边。如图1 - 1 所示： 图1 - 1g a a s s 0 焊机结构图 a a s 8 0 焊机具有自动轨端对正和轨腰夹持系统。在水平和垂直方向都 ! 差的钢轨也可以在一米长度的范围内自动对位，而不需要操作人员的 并且该焊机能非常方便地通过选择开关设定使钢轨的水平中心线对位 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 或者是钢轨工作踏面对位。这种自动对位系统可以保证对位的精度并且节约 时间，如图1 - 2 所示。 _ i 图1 - 2g a a s 8 0 机头夹轨水平对正示意图 该焊机主要的夹持力作用在轨腰上，这样可以防止在轨端出现压痕，导 致焊接后疲劳断裂。其垂直对位设备可以自动把钢轨调整到预先设定的起拱 位置，即使是稍微变形的钢轨也可以通过设备进行自动校直，如图i - 3 所示。 l ! 图1 - 3g a a s s 0 机头夹轨起拱量调整示意图 g a a s 8 0 焊轨机应用非常广泛，在世界各地不同的气候条件下，有超过 i 0 0 台配备推凸装置的g a a s 8 0 焊轨机在各地的焊轨中心正常地工作。该焊 轨机的最大特点是稳定性好，维护保养非常简单。 1 1 2 2 国外移动式闪光焊机发晨 伴随着无缝线路的普及，为满足锁定焊施工对焊机夹紧力和顶锻力的要 求，巴顿研究所在k 9 0 0 焊机的基础上开发了k 9 2 0 型焊机和k 9 2 2 型焊机。 k9 2 0 、k9 2 2 焊机为移动式闪光焊机的典型代表川”1 。 一、k 9 2 0 焊机 正常情况下，焊机在工厂焊接2 5 米长标准钢轨，所需顶锻力为4 5 吨左 n 羔 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 右。在现场焊接长轨时，除了正常的焊接顶锻力之外，还要克服钢轨与地面 的摩擦力、坡道区段钢轨重力的影响以及钢轨前进或后退的惯性力，大约需 6 0 吨左右。k9 2 0 焊机机头如图1 4 所示。k9 2 0 焊机在k9 0 0 焊机的基础上 进行了改进，主要是为了应对现场无缝线路联合接头的焊接，该焊机具有以 下特点： 能焊接长轨条，顶锻力达到1 0 0 0 k n ，夹紧力达到2 5 0 0 k n 。 具有连续和脉动闪光工艺。 电极采用了分体式设计，电极及其插件适用于各种轨型，使用过程中可单 独更换磨损的插件，无需更换整个电极。 夹紧油缸水平动作，保证夹紧力均匀一致，不受电极磨损的影响。 二、k9 2 2 焊机 k9 2 2 型焊机的机械结构和k9 0 0 焊机大致相同，主要的区别是夹紧油缸 改为水平方向，以增加夹紧力；同时加大了送迸油缸的活塞行程，改变了固 定形式。r9 2 2 型焊机机头如图1 5 所示 图l 4k9 2 0 焊机夹紧结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图l 一5k9 2 2 焊机夹紧结构示意图 机头内增设独立的推瘤油缸，具有保压推瘤功能，无需液力拉轨机辅助， 焊接顶锻结束后，焊机将长轨条拉住并保压，在保压工况下焊机的推瘤油缸 驱动推瘤刀完成推瘤动作，保压过程一直持续到焊缝温度冷却至4 0 0 ( 即 焊缝强度达到正常值) 。 具有连续闪光焊工艺和脉动闪光焊工艺。 可以在无缝线路施工现场连接长度不限的长轨条。 可以在全无缝线路上完成锁定焊缝及插入法维修更换钢轨。锁定焊在低于 锁定温度下做锁定焊接，在焊接过程中焊机既要克服钢轨的摩擦力又要拖动 钢轨克服温度应力，当环境温度较低时，该应力加大。 1 1 2 3 国内移动式闪光焊机发展 移动式钢轨闪光焊机，主要应用于高速铁路、轻轨、地铁等现代轨道交 通工程建设等领域的快速焊接设备。国内移动式闪光焊机起步较晚，但随着 经济的发展与技术的进步，我国移动式闪光焊机研制已取得一定的成果。在 我国移动式闪光焊机主要有两种发展模式：全自主研发模式和组装生产模式 【1 2 - 1 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 由襄樊金鹰轨道车辆有限责任公司自主研发和生产的y h g 0 5 型移动式 焊轨车，已在青藏线投入使用。该车是中国铁道部“十一五”大型养路机械重 点科研项目，主要用于无缝线路的焊接，可双向高速自运行；设计有钢轨拉 伸对正系统，能够对钢轨进行移动调整，确保钢轨线下焊接时的精确对位； 安装了k9 2 2 型移动式闪光焊机，可对焊接参数、焊接过程进行全自动化控 制，有效地保证焊接接头的高质量和高稳定性。该车的投入使用，改变了以 往钢轨线下焊接时人工对位的方式，可实现线上焊接、线下焊接，大大地提高 了钢轨焊接的自动化程度和焊接质量，为确保铁路无缝线路施工的优质高效 提供了重要保障。 全自主研发焊机主要以西南交通大学等单位为代表。他们一直致力于完 全自主知识产权的移动式闪光焊机的开发：焊机主要由自主研发的钢轨闪光 焊机、柴油发电机系统、吊架系统、液压支腿系统、吊架集装箱、发电机集 装箱、应急电源系统和应急泵站等部分构成。是我国高速重载无缝线路、城 市轨道交通轨道焊接的一种全国产化高科技焊接装备。它采用现代先进的机、 电、液一体化技术，具有自动焊接、自动推凸、移动作业等多种特殊功能， 适用于轨道线路截面积1 0 0 0 0 m m2 各种轨型钢轨的线上、线下以及厂内焊 接等多种场合。 1 2 闪光对焊 闪光对焊( f l a s hb u t tw e l d i n g ) ，焊件装配成对焊接头，接通电源，并使 其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点( 产生闪光) ，使 端面金属熔化，直至焊件端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加 项锻力完成焊接的方法。闪光对焊又可分为连续闪光对焊和预热闪光对焊。 1 2 1 闪光对焊基本原理 对焊( 对接电阻焊) 是一种常用的焊接接头形式，是点加热的塑性焊 接。对焊又分为电阻对焊和闪光对焊两种。闪光焊作为一种有效的焊接手 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 段广泛应用于机电、建筑、交通、石油钻井和冶金工业等方面 1 4 】。 1 - - - - f u p 讨 f 瞄幽 i l k l d 川、 4 j v 叫7 u p v s 厂一r l 焊件2 一夹钳电极3 阻焊变压器f r 加紧力f u 顶锻力v 卜闪光速度 图1 - 6 闪光对焊原理图 闪光对焊原理和接头形成如图卜6 所示。可简述为，将焊件l 加紧于 夹钳电极2 中，接通阻焊变压器3 ，移动动夹钳并使两工件端面轻微接触， 形成许多接触点。电流通过时，接触点熔化，形成连接两端面的液体金属 过梁。由于过梁中的电流密度极高，使过梁中的液体金属蒸发，过梁爆破。 随着动夹具的缓慢推进，过梁也不断产生与爆破。在蒸气压力和电磁力的 作用下，液态金属微粒不断从对口间喷射出来，形成火花急流闪光。 在此过程中焊件逐渐缩短，端头温度也逐渐升高，过梁的爆破速度也将加 快，动夹钳的推进速度也必须逐渐加快。在闪光过程结束前必须使整个端 面形成一层液态金属膜，并沿工件一定深度上达到塑性变形温度。此时， 动夹具突然加速，对焊件施加足够的顶锻力，对口间隙迅速减小，过梁停 止爆破，随即切断电源，封闭焊件端面的间隙和过梁爆破后留下的火口。 同时挤出端面的液态金属及氧化物夹杂，使洁净的塑性金属紧密接触，并 使接头区产生一定的塑性变形，以促进再结晶的进行，形成共同晶粒，获 得牢固的焊接接头。闪光对焊时，在加热过程中虽然有熔化金属，但实质 上是塑性状态下的固相焊接。 1 2 2 闪光对焊一般工艺 连续闪光对焊焊结循环由闪光、顶锻、保持、休止等程序组成( 图卜7 ) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 其中闪光、顶锻两个连续阶段组成连续闪光对焊接头形成过程，而保持、休 止等程序则是对焊操作中必须的。预热闪光对焊，是在上述焊接循环中增设 有预热程序( 或预热阶段) 。图卜8 是加了预热的闪光对焊焊接循环。 闪光对焊时，为了获得优质的焊接接头，应做到： ( 1 ) 闪光阶段结束时a 对口处金属尽量不被氧化，这就要求闪光应进 行的稳定而又激烈，尤其应控制好从闪光后期至顶锻开始瞬间闪光不能中断 和应有更高频率的过梁爆破。同时，也应控制好闪光过程中工件不应产生短 路，否则将使端面局部过热。b 在对口及其附近区域获得一合适温度分布， 即对口端面加热均匀，沿零件长度获得合适的温度分布。端面上有一层较厚 的液态金属层。 ( 2 ) 顶锻阶段结束时应使对口及其临近区域获得适当的塑性变形，该 变形量将使闪光阶段氧化了的金属尽量排挤到毛刺中去，并促进焊缝再结晶 过程。 ( 3 ) 预热阶段结束时，沿整个焊件端面应得到均匀的预热，并达到所 需的温度值。 f 、p 、s s p f ：l 、u a f i x - in j 顶锻 l 保持 p 一功率f 一压力s 一行程 图1 7 连续闪光对焊 休止 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 f 、p 、s _ _ ， ol ， f | u 、 、 1 t i l j l 卜鼍，么 ? f 厶p f 尹一f 一厂s ，z ， 一 体l， 1 3 课题研究意义 p 一功率f 一压力s 一行程 图1 8 预热闪光对焊 随着我国铁路事业的发展，高速、重载铁路的发展已摆在了越来越重要 的位置，而如何保证钢轨焊接质量是高速铁路发展的一项关键技术。所以高 速无缝线路中焊接接头的质量，对高速铁路行车安全具有积极的意义。但是 影响钢轨闪光对焊接头质量的参数很多，除了设置的工艺参数以外，还有一 些其他不确定的因素也在影响接头的质量，如焊接回路阻抗的变化、焊接设 备的状态、钢轨焊接材质的变化、控制部件的功能出现异常、钢轨导电部分 的打磨状态、电网的电压波动等等。实际生产中不可能也没有必要对所有的 影响参数都进行监控，通常是监控其中一个或某几个参数。因此对于一套完 善的钢轨闪光焊系统而言，需要设计一套功能完善、人机交互友好、运行可 靠稳定的焊接参数监控系统。通过对焊接过程中的一些重要参数焊接电压、 焊接电流、焊接位移和油压信号进行有效的监控和记录，并对所测数据进行 分析，进行焊接质量与焊接过程参数之间的关系研究，将为焊接质量的在线 质量预测以及焊接工艺的调试提供坚实的研究基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 1 4 论文的内容及工作 对于上位机监控软件，论文主要利用v i s u a lb a s i c6 0 开发平台完成焊 机监控软件优化，包括阶段识别、实时显示，以及参数修改，曲线显示， 焊后数据存储处理等功能。同时配合下位机控制程序实现多阶段多参数修 改功能。使得软件具有良好的人机界面，降低对操作人员的要求。 对于下位机( p l c ) 控制程序，本论文的主要工作就是在原有的焊接控 制程序基础上完善焊机控制程序，扩展焊接过程中的可设置参数，解决各个 阶段某些参数互相牵连的问题，使得参数可单独修改；实现保压推瘤功能， 能够完成现场的单元焊接和锁定焊接。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章u n 5 - 15 0 z b 型焊机介绍 u n 5 1 5 0 z b 型焊机是在u n 5 1 5 0 z 型焊机基础上，由西南交通大学焊接 研究所牵头研发的，具有自主知识产权的悬挂式可移动钢轨闪光焊机，主要 应用在钢轨焊接作业车上完成现场钢轨的焊接，也可以应用在厂焊作为固定 式焊机的辅助焊机使用。焊机的主要技术数据如下：额定功率( 暂载率5 0 ) 15 0 k v a ；额定电压3 8 0 v ；额定频率5 0 h z ；初级额定电流3 9 5 a ；焊接额 定电流2 3 6 8 3 a 。 2 1 焊机总体布局 u n 5 1 5 0 z b 型集装箱式移动闪光焊轨机主要由闪光焊机、柴油发电机系 统、吊架系统、液压支腿系统、吊架集装箱、发电机集装箱、应急电源系统 和应急泵站等部分构成。 整个设备由两个集装箱组成：发电机集装箱和吊架集装箱，其中发电机 集装箱为整个设备提供电源，内置有常用功率为4 8 0 k w 的柴油发电机和容量 1 5 0 0 l 的油箱。吊架集装箱是整个设备的执行机构，分为三个室：油泵室、控制 室和吊架室。其中油泵室内分布有冷水机组、液压泵站及u p s 应急电源等： 控制室内置有控制柜和白耦变压器；吊架室内放置有移动式闪光焊机机头和 吊架控制柜。u n 5 1 5 0 z b 集装箱式闪光焊轨总体布局图如图2 1 、图2 2 、图 2 3 、所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 重一 图2 - 1 集装箱式移动钢轨闪光焊轨机总体结构图 图2 - 2吊架集装箱布局图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 焊机机头部分 图2 3 发电机集装箱布局图 焊机机头机械部分是直接对钢轨执行焊接的部件。在相同的电源条件下， 执行控制指令，完成连续闪光焊接或脉动闪光焊接，并在焊接结束后自动切 除接头焊瘤，自动完成焊接全部过程。焊机结构非常紧凑，顶锻杆穿过右侧 夹钳固定在左侧夹钳上，左侧夹钳称为动夹具，内部安装两台十分靠近且对 称于钢轨两侧并联的变压器，右侧夹钳成为静夹具，安装项锻缸、集油块和 操作面板等，次级回路导电系统、冷却回路的大部分都安装在夹钳内部，如 图2 - 4 所示。 图2 4u n 5 1 5 0 z b 型钢轨闪光焊机机头 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 焊机电气控制系统 电气控制系统是整个焊机的控制中心，焊机的全部焊接过程都是由它发 出指令进行控制的。整个控制系统可以划分为四个部分【1 5 1 6 】： ( 1 )供电系统：为焊机各部分提供电源，其中包括为焊机主机提供单 相焊接电源，为其他系统提供3 相交流电源。 ( 2 ) 可编程控制器p l c 系统：扩展a d 、d a 转换模块，通过a d 将采 样信号转换模块转化为数字量，送入p l c 进行比较、运算，再经d a 转换模 块，进行输出控制。 ( 3 ) 晶闸管调压稳压系统：在焊接过程中，通过电网网压负反馈，补 偿网压，保证焊接质量的稳定。 ( 4 ) 数据采集系统：对焊接参数进行采集，以便进行焊接质量评定， 并为技术员修改焊接规范提供方便。 焊机主回路采用双向晶闸管，通过对晶闸管导通角的控制实现对焊接电 压的大小进行程控。单相电网电压经过升压自耦变压器升压后，通过晶闸管 调压稳压电路向焊机提供所需的电压。焊接控制系统采用以p l c 为控制核心 的控制装置，保证焊机的所有部件按一定顺序工作，并自动控制焊接过程的 进行。p l c 根据焊接顺序，输出信号控制晶闸管触发电路，以改变晶闸管的 导通角，实现对焊接电压的调节。数据采集系统采用双c p u 控制方式，如图 2 5 所示，上位机采用工业控制计算机，提供良好的人机界面，完成参数修 改与传送、相关焊接信息的采集与存储、焊接接头的质量评定与报表的打印 等，通过串口与p l c 进行通讯；下位机采用p l c ，对s c r 控制系统、时序 控制系统进行控制，负责焊机动作控制和焊接过程控制。工控机作为上位机， 能直观实现数据显示，并实时显示出曲线；数据由工控机永久储存，实现焊 接过程的可追溯性1 1 7 - 1 8 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 广一一一一一一一一一一一一 2 4 焊机液压控制系统 图2 5 控制系统结构 液压泵站执行电气控制系统对焊机的程序控制，为焊机提供动力，通过 液压比例阀精确执行焊接过程送进和分离速度的控制，确保焊接速度的准确。 在焊接时，系统提供较高油压，以保证足够的夹持力和顶锻力，在手动调整 时，液压系统降低油压，减小泵站的压力，防止液压油油温过高。 液压控制系统分为内闭环和外闭环两部分，如图2 - 6 所示。内闭环控制 由比例伺服阀放大板与比例伺服阀构成，当p l c 给定速度固定时，内闭环自 动调节流量达到稳定值。外闭环控制通过采集焊接电流，输入p l c 进行程序 运算，给出比例伺服阀控制信号，控制动夹具的送进速度，以使得送进与后 退速度与焊接电流匹配。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 调压主回路 顶锻油缸 i 蠹世一i 外闭环伺服控制l = _ ；= = 一 动夹具静夹具f 王= = = 一 ! ； i 内闭环伺服控制 ： 2 5 焊机冷却系统 冷却系统为焊机提供循环冷却水，以冷却焊机在焊接中所产生的热量， 避免焊接变压器、电极等重要部件的损坏。保证连续正常的焊接。冷却水路 分四路：一对并联的变压器二次线圈和静夹具电极形成两路冷却水路，一对 动夹具电极形成两路冷却水路，如图2 7 所示。 图2 7 冷却系统结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章监控系统软件设计 闪光焊焊接接头的质量，可以通过调整焊接工艺参数来实现。然而影 响钢轨闪光焊焊接接头质量的因素很多，除可设置的有关工艺参数以外， 还有很多其它不确定因素，如焊接回路阻抗会随着焊接时间的延长而发生 变化、钢轨的焊前、焊后处理质量等。因此，合理的工艺参数只能保证大 部分钢轨焊接质量，在焊接接头中总会有质量不合格的产品。为此，通过 对焊接过程中的焊接电压、焊接电流、焊接位移和油压信号进行有效的监 控和记录，并对所测数据进行分析，进行焊接质量与焊接过程参数之间的 关系研究，将为焊接质量的在线质量预测提供坚实的研究基础。 3 1 改进前监控软件系统存在的问题简析 原有u n 5 1 5 0 z 型钢轨闪光焊机的软件监控系统存在着诸多的问题， 主要有以下几个方面： 1 在焊接过程中，低压i 阶段到低压i i 阶段过渡不平缓，使得焊接质 量稳定性难以保证，增加了工艺调节的难度。 2 可设置的参数偏少，例如各个阶段的送进速度和后退速度不能独立 设置，对工艺调试造成不便。 3 在焊接过程中，由于加速阶段到项端阶段的过渡较快，软件不能精 确区分两个阶段的焊接数据，对数据处理造成难度。 4 焊接曲线显示不够合理，造成分析曲线的难度。 3 2 软件设计技术要求 监控系统软件采用v i s u a lb a s i c6 0 进行编写，通过驱动研华数据卡对焊 接参数：焊接电压有效值、电流有效值、位移量和油压进行实时采集；通过 与p l c 之间通过串行通讯的方式读取焊接过程中的阶段信号：焊接结束后根 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 据闪光速度、顶锻量、烧化量、顶锻力和平均电流等条件来判断接头的好坏， 并显示闪光速度、顶锻量、烧化量、顶锻力和平均电流等焊接数据；可以通 过日报表、月报表、接头数据等来查阅以前的焊接记录；具有强大的焊接工 艺参数管理功能。此外监控系统系统还要满足以下要求： 1 、在数据管理方面具有一定的智能化，能根据预先设置的时间期限，对 保存的数据进行扫描，对于保存时间已经超过设定期限的数据，在询问以后 进行删除； 2 、通过与p l c 通讯自动判断焊接的开始、结束并在焊接过程中获取各个 阶段信号；在焊接准备期间能够获取使用的钢轨焊接工艺以及钢轨型号和材 料方面的信息； 3 、焊接前给出待焊接头的编号，且编号自动增加，即按a 0 0 0 1 ，a 0 0 0 2 ， a 9 9 9 9 ，顺序自动增加； 4 、每个接头的数据单独存放，且以接头编号作为文件名； 5 、在焊接准备阶段、焊接过程中和焊接完成时计算机屏幕上分别显示不 同的信息：准备阶段显示待焊接头的编号、钢轨的型号、网压等信息；焊接 过程中显示焊接已经进行的时间、当前时刻处于焊接过程的哪个阶段以及焊 接电压、电流的有效值、位移值和油压值；焊接完成后给出接头质量信息。 6 、在焊接准备时，可以根据接头编号查询焊接电压、电流、位移和油压 的曲线图，也可以查询相关数据的报表；图形和报表皆可以打印。 7 、可以对焊接工艺参数编辑、删除、增加，以适应不同钢轨焊接的需要。 8 、能根据生产需要，对焊接工作量进行统计。 3 。3 监控系统方案的设计 u n 5 1 5 0 z b 型焊机控制系统采用双c p u 结构，上位机采用p c 机，实现 焊接参数的设置和焊接数据的管理，在焊接过程中，通过驱动研华数据卡 1 7 1 0 l 实现焊接过程参数的数据采集。下位机采用日本三菱公司的f x 2 n 系 列可编程序控制器( p l c ) ，通过a d d a 转换器实现焊接过程参数的模拟量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 和数字量的转换，从而能够实现焊接过程的控制m 】。 3 3 1 焊接阶段及过程参数的设计 由于焊接过程中的各参数对焊接接头的质量影响非常大，所以如果能够 在焊接之前对焊接各个阶段的参数进行详细的设置，将有利于提高焊接接头 质量。 u n 5 1 5 0 z 型焊机由低压i 阶段过渡到低压阶段时，电压、电流以及 速度的过渡都比较剧烈，容易形成长时间的大电流短路或者断路，短路爆断 后形成凹坑，最终形成缺陷进而影响焊接质量。因此本论文在上述两个阶段 之间增加了一个低压i l 过渡阶段，原低压阶段变为低压阶段，低压i i 阶 段使得过渡更加平缓。故焊接过程细分为以下8 个阶段：高压i 阶段、高压 i i 阶段、低压i 阶段、低压i i 阶段、低压阶段、加速阶段、顶锻阶段、保 压推瘤阶段。图3 - 1 和图3 2 示出了低压i i 过渡阶段增加前后的对比，两幅 图形中可以明显看出，增加了低压i i 阶段后，使得过渡更加平缓，从而能够 更好地保证焊接的质量。 图3 - i 未增加低压阶段的焊接图形 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图3 - 2 增加低压u 阶段后的焊接图形 监控系统升级以前，在焊接时的7 个阶段总共设置了3 0 个可以分别设 置的焊接参量，系统可以调节的焊接参数较少，有些对焊接质量起到关键影 响的参数不能独立设置，这造成焊接时焊接规范的调节范围较窄，焊接接头 质量稳定性受到一定影响。 近几年从国外进口的焊机对此进行了改进，几乎都将焊接过程划分得更 细，每一过程的可设置参数更多，这一改进大大提高了焊接接头质量。以成 都铁路局直属焊轨段2 0 0 6 年进口的k1 0 0 0 型闪光焊机为例，其焊接过程分 为七个阶段共计6 0 个可以分别设置的焊接参数。因此，本系统在软件的参数 设置上借鉴k1 0 0 0 型闪光焊机的成功经验，将焊接过程分为8 个阶段，共计 设置4 5 个可以分别设置的焊接参量。 3 3 2 软件设计方案 整个监控系统软件采用美国微软公司v i s u a lb a s i c6 0 开发软件进行编 写，通过工控机( p c ) 与日本三菱公司的可编程控制器( p l c ) 之间的串行 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 通信实现焊接参数的传递和存储，而且可以在相应的工艺参数设置界面上对 闪光焊接中的各阶段的工艺参数进行设置。 在钢轨进行闪光焊接过程中，焊接电压、焊接电流、项锻缸有杆腔的油 压以及钢轨的位移等焊接参数对钢轨的焊接质量有着至关重要的影响。在焊 接过程中通过驱动研华的数据采集卡1 7 1 0 l 可以对这些焊接参数进行实时采 集，实时的显示并监视焊接过程中各个参数的变化情况，并把焊接电压、焊 接电流、顶锻缸有杆腔的油压以及钢轨的位移这四个主要参数显示在工作界 面上，并对焊接过程中的焊接电压、焊接电流、系统的油压以及钢轨的位移 这四个参数进行记录。在焊接完成之后显示焊接完成界面并对焊接过程中的 焊接电压、焊接电流、系统的油压以及钢轨的位移这四个参数进行记录。焊 接完成后可以利用与数据库相兼容的软件对焊接过程中的各项数据进行分 析。 监控系统结构如图3 3 所示， o 图3 - 3 监控系统结构图 传感器( 变送器) 将焊接过程中的焊接电压、焊接电流、系统的油压以 及钢轨的位移等信号转换为模拟信号一方面传送至p l c 的a d 转换输入端 ( 2 a l ，p l c 利用a d 转换器将模拟信号转换为数字信号，并保存在指定的存储 守守囤 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 单元中，另一方面通过数据采集卡出送至工控机( p c ) 将数据实时显示在工 作界面上，同时将焊接过程中的焊接电压、焊接电流、钢轨的位移以及系统 的油压保存在数据库中，以便于在焊接完成后对焊接过程进行分析 焊接各阶段的过程参数存储在p l c 指定的内存单元中，焊接过程中通过 调用不同的内存单元从而实现不同的焊接过程。p c 通过v i s u a lb a s i c6 0 提供 的通信控件利用串行通信对指定存储单元数据的读写即可实现焊接过程参数 的设置。 3 4 软件设计简介 根据前述功能要求，将数据采集与管理系统分为三个模块进行设计：一 是监控系统模块；二是工艺参数的设置模块；三是数据管理系统模块。监控 系统的软件总结构框图如图3 4 所示。 3 4 1 监控系统模块 图3 _ 4 系统的软件总结构框图 监控系统模块分为2 个功能模块：顺序控制过程和界面监测过程。本章 主要介绍界面监测过程软件的编写及其功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图3 - 5 焊接开始界面 图3 6 焊接准备界面 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 图3 - 7 焊接工作界面 图3 - 8 焊接完成界面 图3 - 5 、图3 - 6 、图3 7 、图3 - 8 就是接头焊接的完整过程。采集的焊接 参数随时闻实时变化的情况以滚动条的