趙志堅¹  劉順心²  裴勇梅¹  劉永超¹  丁建國¹

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合股份有限公司冷軋作業(yè)部；2.唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系）

摘要：本文簡單介紹了冷軋激光焊機(jī)設(shè)備及激光焊機(jī)焊接時序，詳細(xì)描述了激光焊機(jī)工作過程中的電動伺服控制系統(tǒng)和閥控缸控制系統(tǒng)，圖解了激光焊機(jī)核心閉環(huán)自動位置控制系統(tǒng)的流程，該文對冷軋激光焊機(jī)的設(shè)備使用和維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：激光；焊機(jī)；位置控制；冷軋

20 世紀(jì)60年代初CO₂等激光器誕生后，激光技術(shù)很快就在焊接領(lǐng)域得到了應(yīng)用，隨著高功率激光器的出現(xiàn)，激光深熔焊得到迅速的發(fā)展。高功率激光焊接能量密度高，能焊接高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的材料；激光焊接時通過小孔效應(yīng)，能獲得較大的焊接深度，且焊縫的組織致密、強(qiáng)度高，焊縫的機(jī)械性能相當(dāng)于或優(yōu)于母材；激光焊接熱影響區(qū)和變形區(qū)都很小，無需后續(xù)工序處理；可對高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、物理性質(zhì)差異較大的異種或同種金屬材料進(jìn)行焊接；激光焊接是無接觸加工，沒有工具損耗和工具調(diào)換等問題。^[1]

1  冷軋激光焊機(jī)簡介

將激光用于焊接機(jī)器人是激光焊的一種重要形式，將激光器安裝在焊接機(jī)器人上進(jìn)行焊接，大大提高了焊接機(jī)器人的焊接質(zhì)量和適用范圍，該系統(tǒng)具有焊接速度快、功效高、全自動化特點(diǎn)，在船板、汽車生產(chǎn)線中激光焊接機(jī)器人具有越來越重要的地位。^[2]

傳統(tǒng)的閃光對焊焊機(jī)、滾焊焊機(jī)只能焊接低強(qiáng)度鋼材并且焊接帶鋼的最小厚度只能達(dá)到 1.5mm 左右。由于閃光焊接影響到鋼材質(zhì)量，并且在軋制時，特別是軋制高強(qiáng)度鋼種時，容易產(chǎn)生更多細(xì)小的縫隙，激光焊接技術(shù)很好的解決了這一難題。冷軋激光焊機(jī)負(fù)責(zé)原料帶鋼頭尾的焊接，完成產(chǎn)線無頭軋制生產(chǎn)，大大提高了冷軋生產(chǎn)線的工作效率。冷軋板厚大多0.1～6.5mm，焊縫間距0～1mm，因此焊機(jī)設(shè)備對控制精度要求很高。

冷軋焊機(jī)設(shè)備布置圖如圖1所示。焊機(jī)主要設(shè)備有入口活套輥、帶頭帶尾檢測開關(guān)、焊機(jī)入出口側(cè)導(dǎo)衛(wèi)、切邊剪、入出口夾鉗、沖孔設(shè)備、激光頭、喂絲設(shè)備等。

圖2 焊機(jī)焊接制時序圖

焊機(jī)焊接控制時序如圖2所示，在整個焊接時序中，基本上全是各種設(shè)備的位置控制，梳理整個控制過程，焊機(jī)自動位置控制（APC）匯總?cè)绫?所示。

表1 焊機(jī)自動位置控制（APC）匯總表

2  激光焊機(jī)位置控制系統(tǒng)

激光焊機(jī)自動位置控制系統(tǒng)分電動伺服控制和閥控缸控制系統(tǒng)兩種。

電動伺服控制包括交流伺服驅(qū)動和直流伺服驅(qū)動兩種，交流伺服系統(tǒng)因其相比于直流伺服系統(tǒng)更加優(yōu)越的性價比，已逐步占據(jù)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中運(yùn)動控制的主導(dǎo)地位。電動伺服系統(tǒng)按控制方式分開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制三類，開環(huán)系統(tǒng)伺服電機(jī)由PLC發(fā)出脈沖信號進(jìn)行控制，而無反饋信號，開環(huán)系統(tǒng)的精度一般由伺服驅(qū)動系統(tǒng)本身的精度所決定，無法通過運(yùn)動部件實(shí)時的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行反饋或調(diào)整，因此其精度不高，但具有穩(wěn)定性好、控制簡單、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，如激光焊機(jī)中喂絲控制；半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，他們的區(qū)別是位移測量元件的采樣點(diǎn)若是從執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電機(jī)或絲桿端部引出則為半閉環(huán)控制，如焊機(jī)的C型架移動位置控制，位移采樣點(diǎn)若是由工作臺上的運(yùn)動部件上直接引出的則為全閉環(huán)系統(tǒng)，如焊機(jī)的激光頭x軸高度調(diào)整控制。

圖3 閥控缸自動位置控制 (APC) 框圖

閥控缸位置控制系統(tǒng)，分為簡單位置控制系統(tǒng)和精確位置控制系統(tǒng)。簡單閥控缸位置控制系統(tǒng)采用電磁閥和液壓缸、氣動缸控制，由接近開關(guān)檢測位置，控制精度要求較低，如焊機(jī)中的活套輥起套、入出口側(cè)導(dǎo)衛(wèi)位置調(diào)整、入口夾鉗穿帶、入出口夾鉗夾緊、沖孔、剪切等的控制；精確閥控缸位置控制采用電磁閥、液壓缸、氣動缸、位置檢測線性編碼器組成閉環(huán)自動位置控制系統(tǒng)（APC），如焊機(jī)的入出口剪刃調(diào)整、入口支撐輥高度調(diào)整、入口夾鉗水平橫移對中調(diào)整、焊縫間隙調(diào)整、入口夾鉗高度調(diào)整、激光頭z軸高度調(diào)整、調(diào)整輪高度調(diào)整、后碾壓輪高度調(diào)整，閥控缸控制框圖如圖3所示。

APC開始，當(dāng)目標(biāo)設(shè)備位于減速區(qū)域以外 (|REF - FBK| > K1)時，設(shè)備高速向前或向后移動；當(dāng)設(shè)備到達(dá)減速范圍(|REF - FBK| ≤ K1)時，設(shè)備減速至低速移動；當(dāng)設(shè)備移動到ZE1 范圍 (|REF - FBK| ≤ K2)時，設(shè)備停止；當(dāng)設(shè)備位于ZE2范圍 (|REF - FBK| ≤ K3)，停止定時器超時后APC停止。操作示意圖如圖4所示。APC操作流程圖如圖5所示。                         

圖4  APC操作示意圖

圖5  APC操作流程圖

3  結(jié)語

一般規(guī)定生產(chǎn)線的方向?yàn)閄軸，激光頭過程梁的運(yùn)動方向?yàn)閅軸，與X，Y軸垂直的方向?yàn)閆軸，在焊接時激光焦點(diǎn)必須準(zhǔn)確打在前后帶鋼對接的中心點(diǎn)才能將前后帶鋼完全熔接且保證焊縫質(zhì)量良好，一旦激光焦點(diǎn)在 X 軸方向上偏離中心位置、在Z軸方向上聚焦不準(zhǔn)確、前后帶鋼對接不準(zhǔn)確等，焊縫質(zhì)量便會急劇下降，該問題是酸連軋機(jī)組焊縫斷帶的主要原因之一，由于激光焦點(diǎn)位置在帶鋼對接焊接中的重要性及精確定位要求，激光焊機(jī)的涉及焊縫部分、激光焦點(diǎn)的定位都采用高精度的自動位置控制系統(tǒng)，來保證焊機(jī)的焊接質(zhì)量，所以位置控制是激光焊機(jī)的核心控制系統(tǒng)之一，研究自動位置控制具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]  張鏡斌，馬中偉，孫長濤等．高功率激光焊接的應(yīng)用及發(fā)展．熱加工工藝．2005(3):64-67.

[2]  潘際鑾，鄭軍，屈岳波等．激光焊技術(shù)的發(fā)展．第十三次全國焊接學(xué)術(shù)會議論文．2009(2):18-21.