預熱與退火功能在激光焊機上的應用

羅 靜 唐 琛

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東 湛江 524000）

1 概述

激光焊機位于酸軋線入口段，是將前后帶鋼頭尾焊接在一起達到連續生產的目的。根據生產工藝帶鋼連續生產需要多次進行拉伸矯直，同時為了保證張力需要經過多組控制輥進行張力控制。焊接后留下的焊縫與前后帶鋼的材質不同，帶鋼總體較軟，而焊縫表現較硬、脆，在經過多次彎曲后容易撕裂。為了提高焊縫的牢固性和提升焊接速度米巴赫激光焊機在原來焊接的基礎上增加了預熱與退火功能。縮短了激光加熱時間同時改善了焊縫前后的晶體結構，使焊縫更具有韌性更加牢靠。

2 焊縫的形成

前后帶鋼通過焊機自動檢測帶頭帶尾后進行對中，然后通過焊機夾鉗向焊接平臺送料，最后定位焊接平臺中心線位置等待焊接，帶頭帶尾中間距離達0.38mm。激光頭隨著焊接小車沿著中心線從操作側向傳動側移動，激光打在帶頭帶尾截面邊部，焦點自動定位在前后帶鋼厚度一半的高度，激光將帶鋼上半層鋼體熔化形成熔池，熔池里的鋼水在重力的作用下向帶鋼下半層帶頭帶尾縫隙流，將下半層前后帶鋼粘合，同時熔池里剩余鋼水迅速凝固形成一條焊縫。

3 焊縫質量隱患

從材料上分析酸軋來料為熱軋板，熱軋板是在加熱到1100～1250℃進行軋制，然后再冷卻到結晶溫度450～600C°以下溫度，從晶粒上看熱軋板的特點是晶粒較粗，分布較散，含碳量較高。因為其晶粒分布較散，間隙較大，所以盡管熱軋板含碳量較大，還是表現出較軟的特性。另外由于冷卻時間較長，奧氏體冷卻至Ar3線溫度停留的時間相對較長，可以充分的析出鐵素體和珠光體，也使熱軋板質地較軟，有良好的延展性。而焊縫經過激光的高溫加熱，粗晶粒開始變細，分布更均勻，間隙也縮小了，在高溫加熱的同時將原來的C灼燒變成CO2蒸發到空氣中，使焊縫的含碳量降低，本來含碳量降低會使帶鋼變得更軟，但是因為焊縫的晶粒更細分布更加均勻，相對熱軋板來說還是要硬很多。

在焊接過程中焊縫前后帶鋼局部受熱，由于熱漲冷縮的原理在帶頭帶尾處會形成一定的內部應力，焊縫形成后由于焊縫的材質和特性與前后帶鋼截然不同，焊縫冷卻之后晶粒變得致密，在與帶鋼本體的結合處會形成內部應力，焊縫自身在快速冷卻的過程中也會形成內部應力。焊縫在快速冷卻過程中奧氏體通過無擴散型相變轉變成大量的亞穩定相馬氏體。其比容大于奧氏體、珠光體等組織，會產生淬火應力。應力的不平衡會使焊縫處發生形變，在經過多次拉伸彎曲后容易造成撕裂。焊縫截面示意圖如圖1。

帶鋼在控制輥拉力的作用下內部會產生拉應力，拉應力起初只是使帶鋼發生形變，當拉應力過大時帶鋼將會被撕裂。拉力應變曲線如圖2。

帶鋼拉應力應變過程：

0 ～a彈性變形階段

a～b彈性滯留階段（不能完全恢復）

b～c微塑性變形階段

c～d屈服階段

d～e塑性硬化階段

e～f縮頸變形階段

f完全斷裂

機組工藝要求延伸率控制在3%左右，根據應力應變曲線，機組控制輥的拉力添加到帶鋼的應力在d～e之間，如果焊縫區域內部應力過大，加上控制輥給帶鋼的拉力形成的應力，極有可能使該處的總應力超過d～e的范圍造成斷帶。

4 焊縫質量改善方案

焊機的預熱與退火功能就是通過加熱的方式來改變焊縫區域的材料結構，緩和該區域的應力分布以達到增加材料延展性和韌性，防止帶鋼通過機組拉伸彎曲設備時焊縫撕裂中斷連續生產。

4.1 改善方案的理論基礎

預熱裝置安裝在激光焊接頭前面，主要負責給等待焊接的帶頭帶尾加熱，將焊縫區域帶鋼加熱到結晶溫度以上熱軋制溫度以下，給該區域帶鋼一個基礎溫度，可以縮短激光的加熱時間，提高焊接速度，同時可以縮短該區域帶鋼與焊縫的溫差，在空氣中一起被冷卻，緩和了帶鋼與焊縫的晶體分布階躍，抑制內部不平衡應力的產生。

退火裝置安裝在激光焊接頭之后，主要負責焊縫及前后帶鋼的加熱退火，將已經初步冷卻的焊縫及前后帶鋼再次加熱到奧氏體溫度以上，內部晶粒細化，當其冷卻后分布的更加均勻，進一步釋放了應力。

4.2 實現預熱退火功能的技術方案

激光焊機的焊接效率非常快，基本能在89s之內完成一次焊接周期，這期間還包括前后帶鋼的對中定位工作，真正焊接小車移動焊接的時間最長49s，要在這么短時間內而且空間這么小的焊接小車上安裝兩套加熱設備采用燃燒的方式是不可能完成的。我們采用一種電感式加熱，也就是中頻加熱。中頻加熱是一種將工頻50HZ交流電轉變為中頻（300HZ以上至1000HZ）的電源裝置，把三相工頻交流電，整流后變成直流電，再把直流電變為可調節的中頻電流，供給由電容和感應線圈里流過的中頻交變電流，在感應線圈中產生高密度的磁力線，并切割感應圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中產生很大的渦流。它可以將金屬材料瞬間加熱到通紅，而加熱線圈的溫度只是小幅上升。

焊縫預熱退火裝置實物如圖3.

焊接小車從右往左移動，焊接激光頭左右（圖示方向）兩邊分別安裝預熱和退火裝置，預熱退火裝置平臺上預留一個凹槽，將感應線圈沿著焊縫方向放置，感應線圈為疊加的硅鋼片，兩邊用云母片將兩邊絕緣，通入中頻電流時根據右手螺旋定則線圈產生磁力線切割焊縫區域，給帶鋼加熱。

由于中頻加熱升溫速度快，所以氧化極少，中頻加熱的氧化燒損僅為0.5%，煤氣加熱的氧化燒損為2%，燃煤達到3%。加熱能耗只是電，在控制上也相對方便，而且該加熱為感應加熱不會產生明火，無燃燒廢氣，不論從環保還是安全考慮都是最佳的。

中頻電源原理圖如圖4。

預熱退火的加熱原理一樣所以原理圖也合在一起，三相工頻電從T1、T2、T3通入，經過整流變成直流電，直流電再通過可控硅逆變成交流，通過控制可控硅的打開關斷頻率來得到中頻電流。中頻電流從A、B兩個端子流出供給感應線圈。加熱最高功率達到50kw，在焊接過程中視帶鋼厚度自動調節輸出功率大小。

結語

焊縫的質量控制無疑是整條機組穩定運行的關鍵。頻繁出現焊接不良不僅影響生產節奏，機組產能無法完全釋放，更使機組操作人員整天提心吊膽，生怕不良焊縫被開出去。預熱退火功能的增加不僅切實改善了焊縫質量，更是操作人員的一顆定心丸。

[1]童軍，章舟，等.鑄鐵感應電爐熔煉及應用實例[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2]曹宏燕.冶金材料分析技術與應用[M].北京：冶金工業出版社.