0 引言

目前，水下焊接技术已经成为海洋工程、油气管道、核电工程、船舶工程以及桥梁工程等诸多水下结构维修的必备技术手段。水下湿法焊接因其具备装置简单、焊接成本低等优点，目前在不超过30m水深的环境下应用最为广泛。但是焊接操作者在水下环境中进行湿法焊接时，由于无法看清电弧和焊缝位置，既要进行焊接方向的行走运动，又要进行焊条的送进动作，这对操作者技能提出了巨大挑战，且目前所用的水下焊条尽管添加了大量造气剂和稳弧剂，但引弧过程仍然比较困难，难以满足要求。

鉴于此，本文设计了一种能够自动送进焊条的水下湿法焊条半自动焊接试验装置，并基于PLC对该装置的电气控制系统进行了设计，实现了水下湿法焊条电弧焊过程的自动送条和辅助回抽引弧过程。

1 水下湿法半自动焊条电弧焊试验装置系统

该试验装置系统（图1）主要由焊接电源、微型油缸、液压站（含泵机和电磁换向阀）、焊条送进机构（含联轴器和夹头）、水槽、工作台、控制箱、油管、焊接电缆、信号线等组成。

图1 试验装置系统组成

该系统工作过程是利用液压站为微型油缸供油，利用微型油缸活塞杆的移动带动焊条做直线运动，从而实现焊接过程中焊条的自动送进和回抽。焊接电源、焊接工作台、焊接工件、焊接电弧、水下焊条、焊条夹头以及焊接电缆则组成了焊接回路。为了防止焊接过程中微型油缸带电，联轴器采用绝缘橡胶材料制成。

2 液压系统工作原理

液压系统的工作原理如图2所示。油箱的减摩液压油经过滤器后在泵机作用下，经电磁换向阀通过A、B口供给微型油缸的两个进油口，分别对应图1的上进油口和下进油口，以此实现焊条的送进与回抽功能。其中，A口与油缸之间串联高精度的调速阀，以实现焊条送进过程中送进速度的调节。焊条回抽时，调速阀调节不起作用，一方面方便更换焊条的快速回抽，另一方面在辅助回抽引弧时达到快速回抽引弧的目的。

图2 液压系统工作原理

3 电气控制系统设计

整个电气控制系统的设计原理如图3所示。

3.1 泵机启动停止控制

泵机的主电路图和控制电路如图4所示。

图3 电气控制系统原理框图

图4 泵机的启动停止控制电路

泵机的启动、停止控制电路比较简单。通过梯形图程序，当按下启动按钮SB2后，PLC输出继电器Y0导通后实现Y0的自锁，这样交流接触器KM线圈得电，主电路中KM主触点闭合，泵机启动。按下停止按钮SB1后，通过梯形图程序，输入继电器X0断开，输出继电器Y0也断开，主电路中交流接触器KM主触点断开，实现停转。继续按下SB2后，动作重复。注意主电路中泵机U、V、W三相不能接反。

3.2 焊条送进、回抽控制

焊条的送进、回抽控制电路如图5所示，结合图2的液压系统工作原理进行分析。

与泵机的启动、停止控制电路类似，在焊条送进、回抽控制电路中，利用电磁换向阀的左右两个线圈KM1和KM2分别控制焊条的送进和回抽。当开关SB4闭合后，KM1线圈得电，同时常闭触点KM1断开，KM2线圈失电。形成互锁后，保证图2中的微型油缸活塞杆往右移动，即图1中的活塞杆下移，焊条送进。反之分析一样，开关SB5闭合，则焊条回抽。通过梯形图程序，在送进程序和回抽程序中均串入输入继电器X2的常开触点，则可实现SB3的焊接暂停过程。

在系统中实现焊条辅助回抽引弧功能稍微复杂。利用霍尔电流传感器的输出电压信号接入三菱FX3U系列PLC的AI模块FX3U-4AD后，由PLC处理该信号，并和阈值相比较。如果焊条送进时与焊接工件相接触形成短路，则FX3U-4AD接收到的电压信号大于阈值，此时通过程序让Y2断开，Y3置闭合1s，辅助焊条回抽实现引弧过程，然后继续恢复Y2的闭合，断开Y3，继续进行焊接过程。如果FX3U-4AD接收到的电压信号小于阈值，则说明焊条尚未碰到焊接工件，继续送进焊条。以上程序可用图6的软件流程进行说明。

图5 焊条送进、回抽控制电路

图6 软件流程图

4 结语

本文设计了水下湿法半自动焊条电弧焊试验装置系统，设计了泵机启动停止控制和焊条送进、回抽电气控制系统的硬件电路和软件流程、程序，该系统经过仿真和实际运行，证明了其能达到预期效果。