馬鋼2130酸軋線激光焊機(jī)的應(yīng)用

徐光旭

摘? 要：米巴赫激光焊機(jī)是目前國內(nèi)各個冷軋廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的激光焊接技術(shù)具有其它焊接方法無法比擬的優(yōu)越性，能夠顯著提高產(chǎn)線作業(yè)效率，降低焊縫斷帶率。本文介紹了馬鋼2130酸軋生產(chǎn)線入口HSL21型米巴赫激光焊機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對QCDS焊縫質(zhì)量檢測系統(tǒng)的識別運(yùn)用作了說明，同時根據(jù)多年的現(xiàn)場實(shí)踐總結(jié)出影響焊縫質(zhì)量的因素并提出了解決辦法。本研究可為其他同類型機(jī)組快速診斷居高不下的焊縫斷帶率、重焊率提供參考。

關(guān)鍵詞：米巴赫激光焊機(jī);QCDS;焊縫質(zhì)量;影響因素

1引言

激光焊接技術(shù)作為目前發(fā)展迅速且最先進(jìn)的焊接新技術(shù)之一，被廣泛用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域，在國內(nèi)鋼鐵廠冷軋工序中，前后鋼卷的焊接已經(jīng)普遍采用激光焊接。激光焊與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，其具有焊接速度快、焊接能量密度高、焊接熱影響區(qū)非常小、安全環(huán)保等特點(diǎn)。在國內(nèi)鋼鐵廠冷軋生產(chǎn)線焊機(jī)是必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一，馬鞍山鋼鐵股份有限公司2130酸軋、1720酸軋線采用的都是米巴赫公司生產(chǎn)的激光焊機(jī)。焊機(jī)配有一套QCDS系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的曲線和影像解讀，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測焊縫質(zhì)量的要求，不僅降低了勞動量，而且提高了焊縫檢查速度，有利于機(jī)組產(chǎn)能釋放。焊縫的焊接質(zhì)量是整個焊機(jī)系統(tǒng)最重要的一環(huán)，如果不能把好焊縫質(zhì)量關(guān)，將會出現(xiàn)焊縫開裂、斷帶風(fēng)險，造成生產(chǎn)線長時間停機(jī)，對生產(chǎn)線的穩(wěn)定高效造成嚴(yán)重影響，并且機(jī)組人員處理斷帶過程中存在較大的安全隱患。不過影響激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量的原因非常復(fù)雜，不僅與焊接過程中的工藝參數(shù)及設(shè)備功能精度有關(guān)，還與帶鋼材料、板形有著密切關(guān)系。下面主要介紹馬鋼2130酸軋米巴赫激光焊機(jī)的機(jī)械特點(diǎn)、QCDS系統(tǒng)，通過總結(jié)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出影響焊縫質(zhì)量的主要因素和解決辦法。

2 米巴赫激光焊機(jī)HSL21機(jī)械特點(diǎn)

激光焊機(jī)布置在酸軋線的入口處，通過激光焊的方法自動、迅速地連接帶頭與帶尾，以便實(shí)現(xiàn)帶鋼的無頭軋制。焊接后的焊縫有穩(wěn)定的強(qiáng)度，能夠確保其經(jīng)受較大壓下率軋制。該焊機(jī)自動化程度高，對各種材料具有較高的可焊性能，焊縫區(qū)域平滑連接，不會傷害后工序輥系。

2.1主要結(jié)構(gòu)

整個焊機(jī)區(qū)域可分為三個部分，分別為焊機(jī)入口裝置、出口裝置和激光焊機(jī)本體。

2.2焊接條件

焊接帶鋼寬度范圍：600-2100mm。

厚度范圍：1.5-6.0mm。

焊接材料：所有鎮(zhèn)靜材料，常規(guī)低碳鋼，熱軋CQ、DQ、DDQ、EDDQ、S-EDDQ、HSS（包括TRIP），抗拉強(qiáng)度最大850Mpa，屈服強(qiáng)度最大680Mpa

焊接條件：（1）厚度差：（d2-d1）/d2≤30%（d1、d2分別為前后鋼帶的厚度），同時保證：d2-d1≤1.0mm（2）寬度差：對于焊接無限制，但對于挖邊，單側(cè)寬度差最大150mm。（3）焊縫將進(jìn)行杯凸測試，杯凸測試的結(jié)構(gòu)根據(jù)下列條件決定：與焊縫垂直方向的裂紋是可以接受的，在焊縫上平行于焊縫的裂紋是不能接受的。

2.3主要設(shè)備研究

2.3.1焊機(jī)入口裝置

主要部件：夾鉗對中裝置、活套棍和夾送輥（含提升輥）。

設(shè)備功能：當(dāng)后卷帶鋼頭部進(jìn)入夾送輥后，夾送輥驅(qū)動帶鋼頭部進(jìn)入雙切剪內(nèi)，同時活套棍起套，此時帶鋼在對中滑塊作用下完成生產(chǎn)線中心定位，兩側(cè)液壓缸驅(qū)動夾鉗下降鎖緊帶鋼，入口區(qū)域帶鋼準(zhǔn)備完成。

2.3.2 焊機(jī)出口裝置

主要部件：提升輥、夾送輥、活套棍、夾鉗對中裝置和挖邊剪。

設(shè)備功能：當(dāng)前卷帶鋼尾部進(jìn)入焊機(jī)時，主線所有傳動停止，夾送輥開始輸送鋼帶，鋼帶端部處于雙切剪內(nèi)停止動作，帶鋼在對中滑塊作用下完成生產(chǎn)線中心定位，兩側(cè)液壓缸驅(qū)動夾鉗下降鎖緊帶鋼，出口區(qū)域帶鋼準(zhǔn)備完成。出口裝置挖邊剪由操作側(cè)和驅(qū)動側(cè)的挖邊框架、挖邊剪剪刃和運(yùn)行軌道組成，每側(cè)動作框架和剪刃通過液壓缸驅(qū)動，其在焊接結(jié)束后對焊縫兩側(cè)進(jìn)行挖邊，主要作用是挖除焊縫邊部，一方面是減少邊部應(yīng)力對焊縫的不良影響，另一方面操作人員可以通過挖邊月牙判斷焊縫質(zhì)量。

2.3.3 焊機(jī)本體裝置

主要部件：C形架、夾持臺、雙切剪、前后加熱器、激光發(fā)生器。

設(shè)備功能：當(dāng)前卷帶鋼尾部和后卷帶鋼頭部進(jìn)入焊機(jī)雙切剪區(qū)域時，夾持臺夾緊鋼帶并在焊接過程中固定鋼帶。焊機(jī)剪刃為雙切剪，入口和出口處各兩片剪刃，鋼帶頭部的末端和尾部的末端由一個切割動作同時完成。切割下的廢料落在剪子廢料運(yùn)輸皮帶上運(yùn)送至廢料斗。剪切完成后，鋼帶運(yùn)行到焊接位置進(jìn)行焊接。焊機(jī)預(yù)加熱裝置安裝在C形框架內(nèi)，在C形架運(yùn)動時，其在鋼帶底部沿焊接方向運(yùn)行加熱。激光發(fā)生器位于焊接框架的驅(qū)動側(cè)，產(chǎn)生激光光束，激光光束導(dǎo)向系統(tǒng)在保護(hù)氣體He作用下保護(hù)系統(tǒng)免于受到外界環(huán)境影響，可保證光束不會擴(kuò)散到外界環(huán)境中，確保激光穿透率。在焊接過程中，激光焊輪在鋼帶的上表面運(yùn)行，確保鋼帶焊接位置和聚集。焊接完成后由沖孔機(jī)液壓缸驅(qū)動沖孔，用于生產(chǎn)線運(yùn)行中系統(tǒng)識別焊縫。

3 QCDS焊縫檢測系統(tǒng)

QCDS焊縫檢測系統(tǒng)（Quality Control Date System）采用了視覺方法監(jiān)視米巴赫激光焊機(jī)的焊接工藝過程，通過一定算法轉(zhuǎn)換成各種參數(shù)曲線并體現(xiàn)在操作室的HMI畫面上，并設(shè)立預(yù)警閾值給出判斷意見，同時操作人員可根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)曲線來分析焊縫的實(shí)際質(zhì)量。QCDS系統(tǒng)配置有三個鏡頭，帶有高的副本率，在焊接前后檢測焊接區(qū)域的詳細(xì)信息，結(jié)果在一個分離的標(biāo)準(zhǔn)顯示器上顯示。另外，焊接的六個模擬值、相關(guān)參數(shù)被記錄且同步顯示，能夠儲存至少500條焊接信息。

3.1 焊縫傳感器

根據(jù)三角測量原理，通過高程掃描從頂部表面測量焊縫輪廓。一條激光線投射在接縫上，攝像芯片以一定的角度對其進(jìn)行拍攝，結(jié)果將焊縫實(shí)物模擬圖像展現(xiàn)在QCDS系統(tǒng)中，便于觀察焊接后的焊縫表面質(zhì)量。

3.2 滲透傳感器

檢測出的圖像是判斷焊縫質(zhì)量最關(guān)鍵要素之一，用于測量焊縫焊接時等離子體的亮度，傳感器位于焊頭下部的帶鋼下方。它看起來與操作側(cè)（OS）呈對角線，以避免在焊接小車移動時，焊接火花燒到保護(hù)玻璃損壞傳感器。通過此圖像可以看到尚未焊接的缺口。滲透傳感器提供焊縫底部表面的灰度圖像，它也為信號“滲透”提供一個亮度值。高強(qiáng)度（圖像發(fā)亮）意味著激光功率過大或焊接速度過低，有太多的物質(zhì)會被汽化。低強(qiáng)度（圖像發(fā)暗）意味著激光功率過低或焊接速度過快，或者是激光焦點(diǎn)偏移，焊縫沒有焊透。沒有強(qiáng)度（黑色圖片）意味著激光故障，錯誤的焦點(diǎn)或焊接間隙過大。

3.3 間隙傳感器

在焊接之前測量焊縫間隙，確定焊縫間隙位置。間隙傳感器的識別工作類似于激光線的接縫檢測，由于剪切過的帶鋼端面容易有毛刺，邊緣可能會有欠充滿、高度不匹配等情況，該傳感器反應(yīng)的圖像用于判斷焊縫是否飽滿，同時可以通過前后帶鋼厚度差判斷數(shù)據(jù)與實(shí)物是否相匹配，還可以有效避免異材發(fā)生。

4 影響焊縫質(zhì)量的因素

冷軋帶鋼激光焊接過程中，影響焊縫質(zhì)量的因素很多，主要分為原料、焊接工藝參數(shù)和焊機(jī)設(shè)備精度三類，焊機(jī)設(shè)備精度主要指焊機(jī)小車走行精度、雙切剪剪刃精度以及激光束調(diào)整精度等，此類精度主要取決于C型架軌道直線度、雙切剪剪刃平行度等機(jī)械參數(shù)。焊機(jī)設(shè)備精度符合標(biāo)準(zhǔn)是激光焊接符合生產(chǎn)工藝要求的基本前提，在此基礎(chǔ)上帶鋼激光焊接質(zhì)量主要取決于焊接功率、速度、間隙、預(yù)加熱和后退火、保護(hù)氣體壓力等主要參數(shù)。

4.1 原料對焊縫質(zhì)量的影響

4.1.1板形

激光焊接對原料板形要求非常高，它嚴(yán)重影響著焊縫質(zhì)量。通過夾持臺板的夾緊力可以初步消除板形的影響。通過一對預(yù)平整定位輪對鋼板進(jìn)行定位平整，激光支撐輪在焊接時將焊縫夾緊平整，也可以局部消除板形的影響。盡管如此在實(shí)際生產(chǎn)中，仍會發(fā)現(xiàn)因板形不良造成的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。一般體現(xiàn)在生產(chǎn)薄規(guī)格中（厚度2.5mm以下），在焊接過程中焊縫容易出現(xiàn)結(jié)瘤，嚴(yán)重時會出現(xiàn)焊縫搭接或扭曲現(xiàn)象。

4.1.2 材料

隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的汽車在減重、節(jié)能、小型化、環(huán)保等方面受到普遍關(guān)注，而高強(qiáng)鋼汽車板是目前汽車板發(fā)展的主流，汽車大量使用高強(qiáng)鋼是解決汽車減重、節(jié)能、安全、環(huán)保的重要途徑。而由于高強(qiáng)鋼的塑性差、焊接性能較差，且變形抗力大，變形或彎曲時易產(chǎn)生焊縫開裂。因此，高強(qiáng)鋼材料在焊接時不同于普碳鋼，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)時要高度關(guān)注。

4.2 焊接工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響

4.2.1焊接速度、功率

在實(shí)際生產(chǎn)中，對于指定厚度的鋼板焊接，當(dāng)激光功率減小時，為使焊接面接受的激光能量保持不變，應(yīng)相應(yīng)降低焊接速度，否則容易出現(xiàn)焊縫多肉現(xiàn)象，反之亦然;當(dāng)功率不變，對接鋼板的最小厚度變大時，焊接速度應(yīng)當(dāng)相應(yīng)減小，否則易出現(xiàn)焊不透的現(xiàn)象。

4.2.2焊接保護(hù)氣壓力

激光焊機(jī)在焊接工作過程中，高功率的激光打在帶鋼表面上，極容易使鋼板發(fā)生強(qiáng)氧化，這種超出范圍的氧化現(xiàn)象是焊接中不能接受的，現(xiàn)有的研究表明，激光的照射能致使金屬產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，形成等離子云團(tuán)，其對焊接過程有著不可逆的損害作用。實(shí)際生產(chǎn)中顯示，保護(hù)氣壓力過小，焊縫區(qū)域出現(xiàn)氣孔缺陷，焊縫被氧化程度高，焊縫強(qiáng)度明顯不足;保護(hù)氣壓力過大，焊縫表面焊肉組織不均勻，也會出現(xiàn)斷續(xù)性氣孔，焊縫形貌不佳。保護(hù)氣體壓力直接影響焊縫質(zhì)量，保護(hù)氣體壓力要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際焊縫的質(zhì)量要求進(jìn)行調(diào)整，必須做大量焊接試驗(yàn)。

4.2.3前后預(yù)熱功率

前預(yù)熱和后預(yù)熱（也稱后退火）功能主要為了消除帶鋼的殘余應(yīng)力和改善組織性能。前預(yù)熱功率與后預(yù)熱功率參數(shù)不僅影響焊縫質(zhì)量，而且無法通過QCDS焊縫檢測系統(tǒng)和人工肉眼檢查來辨別，正確設(shè)置參數(shù)選用對于改善帶鋼焊縫內(nèi)部性能，尤其是高強(qiáng)鋼硬脆性的降低起著關(guān)鍵作用。在冷軋線上所有鋼質(zhì)激光焊接都需要進(jìn)行前預(yù)熱處理，而高強(qiáng)鋼質(zhì)的焊接同時需要后預(yù)熱裝置的投入，其原因是鋼板碳當(dāng)量越大，如果沒有后預(yù)熱融熔斷面，造成焊縫韌性不足，極易產(chǎn)生焊縫裂紋，造成脆斷，在軋機(jī)軋制過程中易斷帶，甚至在酸洗段區(qū)域斷帶。

4.3 焊機(jī)設(shè)備精度對焊縫質(zhì)量的影響

4.3.1 雙切剪

雙切剪是激光焊機(jī)的重要部件之一，雙切剪的安裝精度、修復(fù)質(zhì)量將直接影響焊縫質(zhì)量的好壞，同時雙切剪的剪刃間隙是否符合標(biāo)準(zhǔn)、磨損量的多少直接影響激光焊機(jī)的焊接質(zhì)量。通常剪刃在使用8000-10000次時，需要利用產(chǎn)線定修擇機(jī)進(jìn)行更換。更換剪刃時候要嚴(yán)格按照剪刃更換作業(yè)指導(dǎo)書要求，對上線后的剪刃要進(jìn)行間隙和平直度測量，確保符合要求。帶鋼強(qiáng)度等級高，特別是含碳量高，在剪切過程中，五分之一為剪切，其余帶鋼為撕裂，剪切斷面為凹凸不平，焊接后產(chǎn)生焊縫填不滿，可選用兩次剪切，可以有效改善剪切質(zhì)量，但兩次焊接后要檢查一次剪刀刃，并及時清理廢邊絲。

4.3.2 輸出鏡及外光路透鏡

激光輸出鏡對焊縫質(zhì)量非常敏感，隨著輸出鏡使用時間逐漸延長，鏡面受到污染，激光功率將變得不穩(wěn)定，激光發(fā)散角增大，焊縫變粗，帶鋼的下表面容易出現(xiàn)擊不穿現(xiàn)象，造成焊縫下表面焊不透，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。通過QCDS系統(tǒng)圖像可顯示穿透率低，或在監(jiān)視畫面上看到穿透光很弱，甚至無穿透光，此情況當(dāng)生產(chǎn)厚料時更加明顯。外光路反射鏡的污染同樣也會使功率下降，并對鏡子表面造成損傷，影響焊接質(zhì)量。針對上述情況，需要制定出激光輸出鏡更換周期和外光路反射鏡的清洗周期。激光源輸出鏡更換周期為1年。外光路反射鏡至少每半年要清潔一次，以此保證激光功率的穩(wěn)定輸出。

5 結(jié)語

本文介紹了馬鋼2130酸軋生產(chǎn)線使用的米巴赫激光焊機(jī)，通過介紹QCDS系統(tǒng)以及影響焊縫質(zhì)量的幾個關(guān)鍵因素，能夠有效提升焊縫質(zhì)量，減少機(jī)組焊縫斷帶率及重焊率。同時，米巴赫激光焊機(jī)功能精度良好的管控也是保證焊接質(zhì)量的必要條件之一，焊機(jī)是高精度設(shè)備，平時需要定期呵護(hù)，設(shè)備部件更換后要按照作業(yè)指導(dǎo)書要求嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，如果設(shè)備精度不足，那么焊縫質(zhì)量將無法保證。文中提到影響焊縫質(zhì)量的因素是對馬鋼酸軋線近年來的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，通過長期摸索實(shí)踐，在焊縫質(zhì)量把控上提出了幾點(diǎn)方法，確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定高效運(yùn)行。