酸连轧机组闪光焊接的过程控制_技术论文_MCC.pdf

酸连轧机组闪光焊接的过程控制 李永杰 中冶恒通冷轧技术有限公司 河北 唐山 摘要 本文介绍闪光对焊技术在酸连轧机组线上的应用 分析了闪光对焊机在闪光阶段的速度控制及顶锻阶段的位置闭 环控制 关键词 闪光对焊 动夹具 顶锻 The processing control of flash butt welding in CPL TCM Li Yong jie MCC Hengtong Cold Rolling Technology Co Ltd Tangshan Hebei Abstract This article introduces the application of the technology of flash butt in pickling and tandem cold mill It analyzed the falsh butt welder of speed control at flash phase and position loop control at upset phase Key words flash butt movable clamp upset 1 引言引言 近年来冷轧带钢生产技术及设备有了较大的发展 酸连轧机组就是其中之一 该机组改变了传统的 将酸洗和冷轧两个工序分开的方式 而是将它们联合为一个机组 使酸洗 轧制工序连续加工 这样提 高了产品的成材率和产量 降低了投资及生产成本等优点 焊机是该机组的关键设备 它在酸洗前将热 轧卷首尾焊接 实现无头轧制 大大提高了生产效率和经济效益 由于闪光对焊技术焊接速度快 焊接 质量稳定可靠 易于实现自动化 而且操作简单方便 因此在酸连轧机组中得到了广泛的应用 2 闪光对焊机的焊接控制闪光对焊机的焊接控制 闪光对焊是在闭合焊接电源后 将夹在电极中的两带钢逐渐接近使其断面端面达到局部接触 通过 电阻热加热这些接触点 产生闪光并使断面金属熔化 当断面在一定深度范围内达到预定温度时迅速施 加顶锻力完成焊接的 闪光对焊分为三个阶段 初始闪光阶段 持续闪光阶段和顶锻阶段 闪光对焊时动夹具的移动时通过液压系统中的伺服阀驱动顶锻缸来实现的 焊接电流通过 BOSCH TIMER UNIT 控制器控制两组晶闸管导通角来调节电流大小 闪光对焊机主电路如图 1 焊接电压由焊 接专用变压器输出 焊接电压共分六个电压等级 电压等级与电压的关系见表 1 各电压级间的切换调节 由电机驱动分选开关来调整焊接变压器初级抽头 电压等级与电压关系见表 1 2 1 闪光对焊控制 2 1 闪光对焊控制 闪光的主要作用是加热带钢 在闪光阶段电流流过两接触端面的接触点 接触点熔化 形成连接两 端面的液体金属过梁 闪光必须稳定而且强烈 所谓稳定是指在闪光过程中不发生断路和短路现象 断路会减弱焊接处的 自保护作用 接头易被氧化 短路会使所焊接带钢过烧 必须重新焊接 所谓强烈是指在单位时间内有 相当多的过梁爆破 闪光越强烈 焊接处的自我保护越好 这在闪光后期尤为重要 闪光对焊控制主要是通过动夹具的参考速度来控制初始闪光和持续闪光两个阶段 为了保证闪光过 程的连续和稳定 动夹具速度与闪光速度是相适应的 闪光速度控制可以完全控制焊接带钢端部的加热 因为热量的公式为 第页 共页 1 5 E RI2T 式中 E 能量 热量 R 闪光对焊时接触电阻 两带钢端面间液态金属过梁的总电阻 I 电流强度 T 时间 图 1 闪光对焊机主电路 表 1 电压等级与电压对照表 电压等级 1 2 3 4 5 6 焊接电压 7V 8 5V 10V 11 8V 13 3V 14 8V 闪光焊接时能量一部分消耗在焊接带钢熔化区 一部分用于加热带钢端部 但是只有用于后者的热 量对闪光焊接来说是有用的 因为所焊带钢焊接能力与两带钢端部刚接触时的温度成正比 而焊接电流 直接影响两带钢端部的温度 在焊接电压不变时 焊接电流的大小又取决于两带钢端部横截面的接触电 阻 而两带钢端部横截面的接触电阻与焊接速度是成反比 所以带钢端部的加热 熔化所需的热量是通 过焊接闪光速度 动夹具速度也可以理解为动电极移动速度 控制的 闪光速度的公式为 v t V k Us Uo S k Us Up f Iref Ip k 式中 V 速度系数 mm s S 灵敏度系数 m s V k 焊接变压器变比 Uo 来自电网电压 V Up 焊接变压器初级电压 V Us 焊接变压器次级电压 V 第页 共页 2 5 f Iref Ip k 电流调节器根据焊接电流参考值和焊接实际检测电流值而得出输出 mm s 其中Iref为焊接电流参考值 IP为变压器初级电流测量值 k为焊接变压器器变比 从上述公式可以看出闪光速度的参考值是由三部分功能函数合成 分别为 速度分量F1 灵敏度分 量F2 焊接电流分量F3 闪光速度参考值合成如图 2 所示 图 2 闪光速度合成曲线 1 速度分量F1 V k Us Uo 它是闪光速度参考值的基本分量 由于焊接所需功率与焊接电压 即 变压器器次级电压 成正比 因此该速度分量与焊接电压成正比 2 灵敏度分量F2 S k Us Up 由公式可以看出在灵敏度系数不变时 灵敏度分量的大小取决于 焊接变压器次级电压与变压器变比的乘积和焊接变压器初级电压之差 在闪光焊接过程中万一发生短 路 则次级电压压降会远小于初级电压 这样灵敏度分量变为负值控制动夹具反方向运动增大两带钢端 部间的缝隙用以抑制短路 3 电流分量F3 f Iref Ip k 该分量只在持续闪光阶段被激活并合成于闪光速度中 目的是为了在 持续闪光阶段结束时达到焊接电流参考值 焊接电流参考值计算公式如下 式中 L 取入口和出口焊接带钢宽度最小值 mm Icoeff 电流系数 该值是以一米宽带钢为基准得出的电流值 储存于焊接参数数据库中 kA 如果考虑闪光焊接的磁感应电流的影响 则电流参考值的公式就变为 式中 Imag 磁感应电流值 kA 电流分量的调节是通过PI电流调节器来实现的 如图 3 所示 图中Is为焊接变压器二次侧焊接电流 实际值 通过焊接变压器初级电流测量值乘以变压器变比得出 第页 共页 3 5 图 3 电流分量调节功能图 电流分量调节时调节器的比例增益为零 积分增益的大小与所焊接带钢厚度最小值有关 如表 2 所 示 表 2 电流调节器积分增益与所焊接带钢最小厚度关系 出口 入口带钢最小厚度thmin mm 积分增益 integral gain thmin 1 5 0 00003 3 5 thmin 2 5 0 00003 1 5 thmin 3 5 0 00003 3 5 thmin 4 5 0 00002 4 5 thmin 5 5 0 00002 5 5 thmin 6 5 0 00002 在 初 始 闪 光 阶 段 电 流 调 节 功 能 f Iref Ip k 不 参 与 控 制 则 闪 光 速 度 的 公 式 为 v t V k Us Uo S k Us Up 但是在接近焊接两带钢间缝隙设定值时 闪光速度是定值 V 0 持续闪 光 阶 段 电 流 分 量 调 节 功 能 延 时 参 与 控 制 闪 光 速 度 则 闪 光 速 度 的 公 式 为 v t V k Us Uo S k Us Up f Iref Ip k 由此可见电流调节功能只是在持续闪光阶段对闪光焊接速度起 到了调节作用 在闪光阶段自动化系统滤波功能要始终处于激活状态 这样就能保证从初始闪光阶段到持续闪光阶 段转换时速度曲线的连续性 3 1 2 顶锻过程控制顶锻过程控制 在闪光结束时 立即对带钢施加足够的顶锻力 接口间隙迅速减小 即进入顶锻阶段 顶锻的作用 是封闭带钢端面的间隙和液体金属过梁爆破后留下的火口 同时挤出端面的液态金属和氧化杂物 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 形成共振晶粒 获得 牢固接头 3 顶锻的行程量将影响液态金属的排除和塑性变形的大小 为了保证顶锻开始时 对接面的高温液态金属不被氧化 以及为了补充闪光过程中加热不足 在顶 锻开始前不能切段电源 而是在顶锻过程中切断电源 切断电源前的顶锻过程叫带电顶锻 其后的过程 叫无电顶锻 因此 顶锻留量实际上是有电顶锻量与无电顶锻量之和 在顶锻阶段动夹具的位置参考值是用来确定顶锻状态是否完成 顶锻参考值计算公式如下 Xref Xflash upset 式中 Xref 顶锻位置参考值 mm Xflash 闪光结束位置值 mm upset 顶锻行程值 mm 但是在顶锻时为了增加动夹具的动态性能 进入了 超顶锻量系数 则顶锻位置参考值采用下面的 公式 Xref Xflash upset k 式中 k 为 超顶锻量系数 该值与所焊接带钢的最小厚度值有关 在顶锻期间可以通过减小响应时间 增大比例增益和指令增益来增加动夹具的响应速度 当动夹具 第页 共页 4 5 到达顶锻结束设定位置或经过 150ms 的延时后仍没有到达顶锻最终位置则顶锻停止 但由于动夹具本身 的惯性 到达顶锻结束设定的位置值时仍继续向前运动直到位置闭环响应 为了达到位置参考值而开始 驱动动夹具反向运动 但是为了不破坏焊缝的物理状态 在检测到动夹具反向运动时 位置参考值就设 为当时的实际位置值 这样动夹具就会最终停止 顶锻结束后紧接着是一个短暂的保持阶段 此时是没 有电流流过的 由此可知 顶锻阶段的高速顶锻和顶锻的位置定位是通过自动化系统中的位置闭环来实 现的 3 结束语 3 结束语 1 在焊接的闪光阶段采用了闪光速度控制技术 达到了闪光阶段的稳