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　0 引言

　　闪光焊接技术保证了焊缝与母材的组织及程度接近，可以获得几乎与母材等性能的优质焊头，是目前国际冶金行业比较先进的加工工艺。目前，我国闪光焊接技术水平与国外相比有较大差距，国内在应用闪光焊接技术焊接大型构件时，设备主要依靠进口。2007年唐山钢铁集团与河北工业大学共同承担河北省科技攻关项目，完成进口闪光焊机控制系统的分析和研究，为闪光焊机的国家化奠定基础。唐钢2004从Ft本三菱公司引进用于酸洗生产线上的薄板闪光焊接系统，生产运行良好。三菱NMW.C1375F型闪光焊机的工作过程是用机器内部的旋转剪将首带钢的尾部和尾带钢的头部切除，然后根据自动设定的焊接条件将它们焊接在一起。焊接完成后，由安装在机器内部的刮削刀快速清理焊缝[1]。该系统采用以PLC为核心的控制系统和先进的CC-bbbb现场总线技术实现了焊接的智能控制，从而提高了生产效率[2]。

　　1 生产工艺和流程

　　闪光焊机的结构极其复杂，由电极位置设定、人出口主夹和中心夹、顶锻缸、顶锻塞、移动机架、旋转剪、刮削刀等液压回路组成。其中电极位置设定液压回路完成初始位置、剪切位置、焊接位置、刮削位置和维修位置的设定;入出口主夹和中心夹液压回路完成在焊接过程中对带钢的夹持;顶锻缸、顶锻塞和移动机架液压回路完成闪光焊接的闪光和顶锻;旋转剪液压回路完成头带钢和尾带钢的剪切;刮削刀液压回路完成焊后部分刮削处理，各部分的液压回路均由PLC控制。

　　NMW.C1375F型闪光焊机的焊接过程共40个步骤，焊接流程如图1所示。

　　

2 硬件配置

　　焊机控制系统采用三菱公司MELSEC—QnA系列Q3A PLC作为控制器。QnA系列PLC属于三菱公司大中型PLC产品，采用模块化结构设计，此系列产品的组成和规模灵活可变，通信能力强大，性能水平居地位，适合在各种复杂机械、自动生产线的控制场合应用。本系统由8个输入模块负责数据的采集，6个输出模块负责执行机构的输出，其中1个输出模块将数据输入到模式卡FCG中，5个模数转换模块负责模拟信号与数字信号的相互转换，另外附有7个占空单元模块。

　　焊机通信系统采用CC.bbbb现场总线技术，通过CC—bbbb总线电缆连接远程I/O模块。CC—bbbb是三菱电机以“多厂家设备环境、高性能、省配线”理念开发、公布的开放式现场总线，具有性能zhuoyue、用途广泛、节省成本、应用方便等突出的优点。本系统带有4个特殊功能模块负责数据的通信，CPU通过主站通信模块AJ6IBT11和CC—bbbb总线连接现场的27个从站，从而进行远程控制。自动操作台(PWA)上人机操作界面采用三菱A985GOT—TBA触摸屏，PLC通过AJ71QC24N串行通信模块与触摸屏进行通信，AJ71QC24N带有RS.232C和RS-422接口各一通道，在触摸屏上可以直接进行参数设定和远程操作监视。网络系统方面，PLC通过以太网通信模块AJ71QE71N—B5T与上位机进行通信。AJ71QE71N—B5T的功能是在IOBASE5或10BASE—T网络中作为1个节点，将AJ71并入网络中，允许焊机控制器与二级计算机或其它节点之间进行数据传输。

　　焊机控制系统的硬件框图如图2所示。PWM为焊机手动操作面板，在现场即可完成焊机的模式设定和重焊等操作。PWN为切月牙/冲孔操作面板，对焊接成功的带钢进行切月牙/冲孔标记。晶闸管面板控制晶闸管的关断和导通时间。

　　

　　3 软件实现

　　闪光焊机控制系统采用三菱的GX Developer—Ver.8软件进行系统编程。闪光焊机控制系统的软件设计主要完成带钢的闪光顶锻和焊后处理等操作。闪光焊机的程序分为三部分：主程序，中断功能程序和手动功能程序(GOT操作程序)。主程序包括：焊接参数的设定程序，电极位置设定程序，人出口主夹和中心夹、顶锻缸、顶锻塞、移动机架、旋转剪、刮削刀等液压回路程序。中断功能程序为闪光顶锻中断子程序，主要负责闪光和顶锻过程。手动功能程序完成触摸屏上的焊接参数设置与焊接过程显示功能[3]。

　　3.1 闪光顶锻

　　本阶段主要包括移动台、顶锻缸和顶锻塞液压控制回路。NMW—C1375F型闪光焊机在焊接的不同阶段采用不同的控制方法，本焊机通过闪光模式信号与反馈信号的比较来控制顶锻缸位置从而达到控制闪光焊机闪光过程目的。

　　闪光模式信号为控制移动台伺服阀的标准信号，它随着焊接材料的不同而改变。可以在控制面板的模式卡(FCG)里设置互为备用的两种焊接模式，两种焊接模式的初始值相同。闪光时间和顶锻位置在从PLC给定，随着外部设定输入的变化闪光模式信号也相应改变。为了保持闪光过程稳定而激烈地进行，动夹具的送进速度必须等于闪光烧化速度，即必须采用工件变速送进的方法。闪光烧化速度 可由公式计算：式中，在焊接条件一定的情况下，K1 ，K2 ，K3 视为常数;，为闪光电流有效值;dTo/dx为工件端面附近的温度梯度;Tf为闪光焊接时从对口喷射出的金属颗粒的平均温度;T 为工件端面金属的平均温度。由公式可知，在闪光过程中必须使工件送进速度逐渐增大，以适应 的变化。也就是说动夹具要以变速方式送进，从而不断调整顶锻缸的位置。闪光时间与顶锻位置的关系如图3所示[4]。

　　

　　闪光阶段的作用主要是加热工件，在闪光过程中，工件逐渐缩短，端头温度不断升高。随着端头温度的升高，过梁爆破的速度将加快，因此板材的送进速度也必须逐渐加快。为了得到高质量的焊头，在这个阶段动夹具的送进速度必须等于闪光烧化速度。因此焊机控制的关键是送进速度的控制，送进速度的快慢直接影响顶锻缸位置和电流的大小、焊接闪光烧化速度以及烧化稳定性。本阶段送进速度的控制过程如图4所示。

　　

　　顶锻是在闪光结束后，对焊接处迅速地实施足够大的顶锻压力，使液态金属及可能产生的氧化物迅速地从焊口间隙中挤出来，以保证接头处产生足够的塑性形变而形成共同晶粒，获得牢固的焊头。薄板厚度不同，其对应的顶锻力也不同，本阶段中顶锻液压回路和顶锻力的输出采用的控制方式为开环控制。

　　3.2 焊后处理

　　闪光焊接完成后，刮削装置就会自动清除焊缝区由于顶锻而形成的所有毛刺，使带钢表面恢复正常。本阶段功能主要由刮削刀液压控制回路完成。刮削刀工作时，由驱动侧运行到驱动侧暂态位置，开始刮削，并运行到工作侧。返回时由工作侧通过驱动侧暂态位置运行到驱动侧。刮削刀在驱动侧和工作侧问的运行由两个三位四通阀分别控制。刮削速度由比例阀控制。移动过程从低速升到高速，当刮削刀即将停止时变为低速。刮削刀控制功能如图5所示，主要功能包括外部数据输入(包括水平位置模拟输入和编码器输入)、刮削刀位置设定、刮削刀运行控制和刮削刀自动位置控制四部分。其中刮削刀位置设定部分参数多，参数设置和修改相对复杂，这里做重点介绍。

　　

　刮削刀位置设定在主程序中完成，也可在触摸屏上修改。刮削刀位置设定流程见图6。

　　

　　刮削刀位置包括上刀位置Tt 和下刀位置Tb 。由于刮削刀与出口夹具相连，当出口夹具打开或关闭时，刮削刀跟随运动。带钢被夹紧时，上刀零位置以首带钢上表面为基准，下刀零位置以首带钢的下表面为基准。Tt 和Tb 与上刀刚度补偿值Kt、下刀刚度补偿值Kb 、刮削深度极限值r、刮削刀行程 以及带钢厚度差D有关。其中带钢厚度差D为首带钢和尾带钢厚度差的一半，首带钢和尾带钢厚度通过外部检测装置实时获取，其他参数在主程序中设定。设定刮削刀位置时，根据D值和刮削刀实时检测值的比较来自动调整刮削刀的行程。

　　4 故障处理

　　闪光焊机所处的酸洗生产线规模大，工艺流程紧密，一旦发生故障将造成系统停机，技术人员进行故障排查将花费很长时间，因此生产线设有故障报警管理系统。故障报警功能在S7—400 PLC上利用VB6.0语言和Step7语言实现。生产运行的状况通过I/O模块采集到S7—400 PLC中，当闪光焊机出现故障时，Step7程序对以前的设备状况和当前的设备状态进行综合分析，找出设备故障点，并产生故障代码通过以太网传给HMI客户工作站的设备实时故障报警管理程序，通过查询故障数据库提取代码对应的故障说明，在HMI的底部发出警报，在图形界面上自动弹出窗口显示，供技术人员依次进行相应的处理[5]。

　　5 总结

　　NMW—C1375F型闪光焊机自2004年11月投产以来，各项指标达到正常，完全实现了焊接的自动控制。通过对焊机的一系列分析和研究，进行了备件国产化准备，为下一步研制具有自主知识产权的薄板闪光焊机奠定了基础。