原料缺陷對激光焊機焊縫質量影響研究

孫寧波，孟祥順，常生財

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司冷軋作業部，河北 唐山 063200）

激光焊機作為主流酸連軋機組的關鍵設備之一，相較于傳統的閃光焊機，其具有焊接速度快、焊接能量密度高、焊接熱影響區非常小等特點[1]，同時，對其工藝參數、設備精度、原料缺陷的控制要求也很高。在影響焊縫質量的各個因素中，目前各鋼廠對原料缺陷這一因素的控制及識別手段較少，使得因原料缺陷問題導致的焊縫斷帶故障時有發生[2]。本文以某鋼廠的酸軋機組的激光焊機為研究對象，總結生產運行期間影響焊縫質量的各種原料缺陷，并借助焊機配備的焊縫在線監測QCDS系統，梳理不同原料缺陷下焊縫在線監測系統中的曲線及圖像情況，制定出相應的焊縫質量判斷標準，以提高操作人員運用焊縫在線監測系統識別原料缺陷的能力，這對降低機組的斷帶率具有一定的指導意義[3]。

1 激光焊機設備簡介

目前主流的酸軋機組采用的是德國Miebach公司生產的二氧化碳氣體激光焊機，其設備結構與常規激光焊機基本類似，主要功能為：將鋼卷的頭尾焊接在一起，實現酸軋機組的連續生產[4]，并可根據生產的鋼種、規格配備不同功率的激光器。

氣體激光焊機主要組成部分為：入出口定位單元、夾鉗單元、對中單元、剪切單元、C型小車、焊機底座及軌道、氣體激光器及外光路、焊縫熱處理單元、焊縫在線監測QCDS系統及其他（如水冷單元、月牙剪、氣體供應單元等等）。

2 焊縫在線監測QCDS系統簡介

焊縫在線監測QCDS系統是一套實時監控焊接質量的檢測系統，該系統由4個傳感器構成，分別為間隙傳感器（Gap sensor）、透光度傳感器（Penetration sensor）、焊縫傳感器（Seam sensor）、模擬傳感器（Analog sensor）。該系統可將各傳感器檢測的信號，經過一系列的算法后，形成代表焊縫特征的監測曲線及模擬圖像[5]。不同的曲線或者圖像特征代表著不同的焊縫缺陷，其監控界面如圖1所示。通過QCDS在線監測系統可監測出原料導致的焊縫缺陷，并通過系統梳理，制定相應的焊縫判斷標準，從而實現對原料缺陷的管控。

圖1 QCDS在線監測系統界面

3 原料缺陷對焊縫質量的影響及監控方法

根據激光焊機生產運行經驗，總結出對焊縫質量影響比較嚴重的缺陷主要為：原料浪形嚴重、原料表面清潔度差、原料厚度波動大。對該鋼廠酸軋機組近五年因原料缺陷問題導致的焊縫斷帶事故進行統計得出，由上述三種因素引發的事故所占比例如下頁圖2所示。

圖2 影響焊縫質量的不同原料缺陷所占比例

3.1 原料浪形對焊縫質量的影響及監控方法

在所有原料缺陷中，原料浪形對焊縫質量的影響最為嚴重，不僅體現在斷帶事故發生率高上，由此造成的后果也比較嚴重，曾多次出現因原料浪形嚴重導致的焊縫在軋機前開裂、斷帶等惡性事故。原料浪形嚴重位置常處于焊接區域，易導致拼接時前后帶鋼出現高度差，在焊接時經夾鉗和支撐輪夾持后，會導致焊縫出現高度差和咬邊問題，更為嚴重時還會導致拼縫位置與激光落點位發生偏移，造成焊縫未熔合[6]。

原料浪形作為常見的缺陷，可通過QCDS在線監測系統中的曲線及模擬圖像展示出來，具體可通過觀察右側Seam Originial窗口、焊縫模擬圖像、Seam to Gap曲線來判斷焊縫質量是否合格。首先，通過Seam Originial窗口判斷最為簡單，當原料浪形嚴重時，最常見的缺陷為焊縫出現高度差和咬邊（見圖3-1），此時，在Seam Originial窗口上會顯示焊縫模擬截面錯位的畫面，同時焊縫截面產生變形，檢查實際焊縫質量也不合格；其次，有些浪形嚴重的原料不容易通過Seam Originial窗口有效進行判斷，于是便可通過觀察整條焊縫的模擬圖像來判斷焊縫是否合格，由于板帶經過支撐輪碾壓后，會導致局部位置拼縫偏移，該偏移情況可體現在焊縫模擬圖像上，從而在模擬圖像上可觀察到焊縫彎曲（見圖3-2），因此，通過判斷模擬圖像是否彎曲可識別出原料浪形導致的焊縫缺陷；最后，對于整體浪形嚴重的情況，Seam Originial窗口和焊縫模擬圖像均無法識別時，可通過代表Seam Position（焊縫位置）和Gap Position（拼縫位置）偏差值的Seamto Gap曲線來判斷焊縫質量是否合格，如Seam to Gap曲線整體偏移超過0.3 mm時，可判斷存在焊縫質量不合格的風險，進而利用杯突實驗進行下一步確認。

圖3 QCDS在線監測系統圖像

3.2 原料表面清潔度對焊縫質量的影響及監控方法

原料表面清潔度對焊縫質量的影響也比較大，清潔度較差時會造成焊縫缺陷，嚴重時可導致焊縫斷裂。一般原料表面清潔度主要指板帶頭尾的表面氧化鐵皮、油污、水以及穿帶過程中表面粘的氧化鐵粉等。激光焊機在焊接時，如表面清潔度比較差，表面雜質會在焊接過程中進入熔池，對焊縫成型造成影響[7]，嚴重時會導致焊縫表面出現蜂窩狀的孔洞，大大影響焊縫的質量。

由原料表面清潔度較差造成焊縫表面出現孔洞時，可通過Seam Originial窗口和焊縫模擬圖像進行檢測。通過觀察Seam Originial窗口（見圖4），當焊縫截面出現斷點時，便可判斷焊縫表面出現孔洞，實際焊縫質量也不合格。

圖4 Seam Originial窗口斷點圖像

3.3 原料厚度波動大對焊縫質量的影響及監控方法

原料厚度波動大可以理解為：由于酸軋上道生產工序不正常，使得板帶帶頭或者帶尾在橫向方向上厚度不均勻，從而造成原料缺陷。在實際生產時，如原料二級信息顯示4.0 mm，焊接之前，焊機會自動調用參數庫中4.0 mm規格的焊接參數，如果因為板帶存在厚度波動大的缺陷，實際焊接位置厚度達到4.4 mm，就導致焊縫高度差變大，同時可能導致焊縫熔不透等缺陷。

針對此類原料缺陷，可通過QCDS在線監測系統中Seam Originial窗口和Height_Mismatch曲線進行判斷，一旦出現厚度波動大時，Height_Mismatch曲線會有報警提示，同時Seam Originial窗口中顯示焊縫截面高差較大（見圖5），一側板帶明顯高于另一側板帶。

圖5 Seam Originial窗口高度差圖像

4 結語

原料缺陷對激光焊機焊縫質量的影響比較復雜，同時管控難度大，提高對原料質量的關注度，利用好QCDS在線監測系統，有效識別原料缺陷造成的焊接缺陷，避免出現焊縫斷帶事故，可有效保障機組運行穩定。