連退機組焊接質量影響模型及其影響因素的研究

張文軍 張燕東 林 威 翟乾俊 白振華，2

1.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，秦皇島，066004 2.燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，秦皇島，066004

0 引言

近年來，隨著板帶工業的快速發展，用戶對帶鋼的質量和生產效率提出了更高的要求，因此，在保證帶鋼的生產質量的基礎上，實現帶鋼生產的連續性、高效性成為當前鋼鐵產業中重要的研究方向，其中，帶鋼的焊接質量是連退機組后續工序是否能夠連續、高效生產的關鍵因素[1]。

在利用連退機組焊機設備實現帶鋼的連續高效生產后，國內外學者針對生產中的帶鋼焊接質量以及生產中出現的一系列問題展開了諸多研究。張寶平等[2]針對虛焊與過燒等焊接質量問題，通過分析影響焊接質量的因素，建立了焊接工藝參數設定方法以及數學模型。張武等[3]分析了厚規格高強雙相鋼在生產中焊縫斷帶的原因，通過優化工藝方案得到了性能良好的焊接接頭。朱愛輝等[4]提出在生產設備正常運行的情況下，合理搭配相關的焊接工藝參數可以提高帶鋼的焊接質量。劉亞星等[5]通過分析影響焊接質量的主要因素，在對相關的焊接熱量計算模型進行解析后，開發出連退機組焊接工藝綜合優化控制技術。康建華[6]提出了影響焊接質量和鍍鋅生產連續性、穩定性的重要因素。當前研究主要集中在帶鋼焊接質量以及焊接工藝等方面[7-10]，尚未考慮使用焊接工藝參數來建立一個焊接質量的綜合影響模型。為此，如何在建立一套焊接質量綜合影響模型，分析碾壓輪壓力、搭接量等焊接工藝參數對焊接質量影響的基礎上，優化焊接工藝參數配置、提高焊接質量，就成為當前帶鋼焊接技術與現場生產的研究重點，本文即在此背景下展開。

1 研究方法

1.1 模型建立

連退機組運行過程中，由于前行帶鋼與后行帶鋼焊接處抗拉強度與韌性較差，導致帶鋼沿焊縫長度方向發生斷帶。而焊縫質量的影響因素主要包括焊接熱量與焊縫厚度，因此根據焊機連退機組焊機設備的結構、工藝特點與焊接材料屬性，在建立焊接熱量與焊縫厚度計算模型的基礎上，提出焊接質量綜合影響模型，流程如圖1所示。

圖1 焊接質量綜合影響模型建立流程

焊接熱量計算模型由焊接時的有效熱量、損失熱量以及覆蓋熔核體積的帶鋼熔化所需的熱量三大部分組成。在焊接工藝參數與帶鋼參數已知的情況下，利用相關的焊接熱量模型就可計算出焊接單位寬度的帶鋼所需的有效熱量以及融化單位寬度的帶鋼所需的全部熱量。只有在有效熱量與帶鋼融化所需要的全部熱量的比例控制在適當的范圍內，才可生產出焊接質量達到要求的帶鋼。若是有效熱量的占比變大，則會出現過焊的焊縫缺陷；若是有效熱量的占比變小，則會出現虛焊的焊縫缺陷。

為取得較高的焊接質量，要對搭接量、焊接電流等焊接工藝參數進行優化配置，進而保證焊接質量。利用焊接熱量計算模型得出相應的焊接熱量控制模型[5]，用下式表示：

(1)

Q=λch(bdjl+bbcl)ρΔT

(2)

(3)

(4)

式中，Q1為焊接帶鋼所需的有效熱量；Q為焊接帶鋼產生的總熱量；λ為帶鋼熔核熔融系數；c為帶鋼比熱容，J/(kg·K)；ρ為帶鋼密度，g/cm3；h為熔核高度，mm；ΔT為帶鋼常溫與熔核狀態的溫度差，℃；bdjl為搭接量，mm；bbcl為補償量，mm；γ為有效熱量計算系數；δs、δx分別為前行帶鋼和后行帶鋼的厚度，mm；α為帶鋼厚度對有效熱量的影響指數；Ce1、Ce2分別為前行帶鋼和后行帶鋼的焊接碳當量，%；β為帶鋼焊接碳當量對有效熱量的影響指數；v為焊接速度m/min；Rw1、Rw2分別為前行帶鋼和后行帶鋼的電阻，Ω；Fp為焊輪壓力，kN；m為與接觸形式有關的系數，對于點、線、面接觸，分別取0.5、0.7、1，在此取m=1；Kc為與接觸材料、表面情況、接觸形式等有關的系數，在此Kc取0.2～0.3；I為焊接電流，kA。

焊縫厚度的變化是引起焊縫質量綜合目標函數值波動的主要原因，也是造成焊接質量缺陷的重要因素。焊縫厚度過大會引起焊縫印缺陷，嚴重者可直接判定為不合格帶鋼；焊縫厚度過小則會導致帶鋼斷帶的發生。焊縫厚度計算模型由碾壓輪壓力、焊接有效熱量和搭接量三部分構成，相應的焊縫厚度H的預報模型[5]為

Hmin≤H≤Hmax

(5)

H=aeBp·FpN+beBQ·Q1+ceBL·bdjl

(6)

式中，Hmax、Hmin分別為焊縫處所允許的最大厚度和最小厚度，mm；Bp為碾壓輪壓力影響系數；FpN為碾壓輪壓力，kN；BQ為焊接熱量影響系數；BL為搭接量影響系數；a、b、c為相關系數。

在上述影響因素分析與模型建立的基礎上，為了綜合考慮焊接熱量與焊縫厚度對帶鋼焊接質量的影響，通過對焊接熱量計算模型和焊縫厚度預報模型進行加權平均，建立了相應的焊接質量綜合影響模型，可由下式表示：

(7)

式中，G(X)為焊接質量的綜合目標函數值；ζ為焊接熱量對焊接質量的影響系數，1-ζ為焊接厚度對焊接質量的影響系數。

圖2 焊接質量影響模型計算流程圖

1.2 試驗材料與參數

為進一步分析焊接質量綜合模型影響因素對焊接質量的影響，選取實際生產過程中的CQ、DQ-AL、340BH、420DQ典型鋼種，其材料屬性如表1所示。采用型號為MSW-C150D-25-3R2P的TMEIC窄搭接焊機進行焊接，設備參數如表2所示。在試驗過程中焊機設備采用的焊接工藝參數如表3所示。

表1 典型鋼種材料屬性

表2 試驗設備參數

表3 焊接工藝參數

為驗證焊接質量綜合模型與模擬軟件準確性，根據GB 4156—1984標準，采用GBW-60B杯突試驗機對CQ、340BH、DQ-AL、420DQ焊接試樣進行金屬杯突試驗，試驗參數如表4所示。

表4 杯突試樣尺寸與試驗參數

2 焊接質量綜合模型影響因素的分析

根據實際生產的情況來看，影響帶鋼焊接質量的因素可分為兩類：①設備方面，主要指碾壓輪壓力、焊機的使用年限、焊接電流等；②帶材方面，主要是厚度、材質、搭接量以及帶鋼與焊機的清潔度(包括帶鋼與帶鋼表面的氧化物、污垢)等。通過對1.1節建立的連退機組焊接質量綜合影響模型的分析，主要針對影響帶鋼焊接質量的碾壓輪壓力、焊輪壓力、焊接電流、搭接量和焊接速度進行深入研究。

為定量分析上述因素對焊接質量的影響規律，以國內某連退機組焊機為研究對象，該焊機為全自動窄搭接焊機，窄搭接電阻焊機在焊接效率、焊接質量的控制方面具有優勢，并且可節省空間與人力資源。焊接的基本原理就是在前行卷和后行卷的帶鋼搭接處通過電流產生熱量對帶鋼進行熔融，最終經過碾壓輪碾壓使得前、后帶鋼連接在一起。現對影響焊接質量的因素采用控制變量法進行剖析，選取四組典型規格產品分別研究焊機的碾壓輪壓力、焊輪壓力、焊接電流、搭接量和焊接速度對成品帶鋼焊接質量的影響，其中焊接質量由式(7)計算。

2.1 搭接量對焊接質量的影響

搭接量對帶鋼焊接質量有重要影響，焊接質量與焊縫的平整性有關，而焊縫的平整性會隨著搭接量的變小而變好，但是，前行帶鋼與后行帶鋼卻會因搭接量的減小而不易焊接；搭接量增大會導致搭接區域的電阻變小，而因此造成的低熱量可能會使帶鋼無法連接，不能出產優質的帶鋼。為此研究帶鋼搭接量對焊接質量的影響。焊接工藝參數如表3所示，根據式(7)計算焊接質量，關系曲線見圖3。由圖3可以看出，焊接質量綜合影響模型的目標函數值隨著帶鋼搭接量的增大而減小。

圖3 搭接量對焊接質量的影響

2.2 焊接電流對焊接質量的影響

焊接電流的大小直接影響產熱量，當帶鋼搭接處的焊接電流過小、產熱量太小時，帶鋼會出現焊接不牢固的現象；當焊接電流過大時，帶鋼會由于過熔而出現焊縫過薄和斷帶的缺陷。為此研究焊接電流與焊接質量綜合影響模型之間的關系，結果如圖4所示。由圖4可以看出，焊接質量綜合影響模型的目標函數值隨著焊接電流的增大而增大。

圖4 焊接電流對焊接質量的影響

2.3 焊接速度對焊接質量的影響

焊接速度過大、過小對焊接質量都有重要影響，焊接速度過高，產熱量就會過小，過小的產熱量會使被焊接的帶鋼出現焊不透或者焊縫過厚的缺陷；反之，焊接速度過低，產熱量就會變大，會造成帶鋼出現過焊或者焊縫厚度過薄，從而會導致帶鋼斷帶的發生。為此研究焊接速度對焊接質量的影響，結果如圖5所示。由圖5可以看出，焊接質量綜合影響模型的目標函數隨著焊接速度的增大而減小。

圖5 焊接速度對焊接質量的影響

2.4 焊輪壓力對焊接質量的影響

焊輪壓力是通過焊接電流間接地對焊接質量產生影響，當焊輪壓力過小時，帶鋼與電極間可能會由于接觸不緊密而使前后帶鋼焊接不牢，出現斷帶；當焊機的焊輪壓力增大時，被焊接的帶鋼與電極間的面積增大，使得焊接電阻變小、焊接電流變大，進而導致焊縫厚度的減薄，過薄的焊縫厚度會造成帶鋼焊接質量的降低。為此研究焊輪壓力對焊接質量的影響，結果如圖6所示。由圖6可看出，焊縫質量的目標函數值會隨著焊輪壓力的增大，先增大后減小。

圖6 焊輪壓力對焊接質量的影響

2.5 碾壓輪壓力對焊接質量的影響

在焊輪對帶鋼完成焊接任務后，碾壓輪在保證帶鋼質量的情況下對帶鋼的焊接區域進行壓實減薄，經過碾壓輪的壓實后，可增強帶鋼焊縫處熱影響區的韌性，同時也可提高帶鋼焊縫接頭處的機械性能。為此研究碾壓輪壓力對焊接質量的影響，結果如圖7所示。由圖7可以看出，焊接質量綜合影響模型的目標函數值隨著碾壓輪壓力的增大而減小。

圖7 碾壓輪壓力對焊接質量的影響

表5 不同鋼種焊接質量范圍

3 焊接質量綜合模擬軟件的現場應用

國內某鋼鐵公司為了優化配置搭接量、焊接電流、焊接速度、焊輪壓力、碾壓輪壓力等焊接工藝參數以獲得焊接質量目標函數值，最大限度提高帶鋼的焊接質量，便于技術人員現場操縱焊機和帶鋼焊接工藝參數數據可視化，根據上文所述模型開發了離線“1550連退機組焊縫質量預報軟件”，該軟件針對焊接工藝參數進行了優化配置，使得帶鋼的出廠質量大幅提高，同時便于焊機設備二次開發與系統優化。

為說明該焊接質量預報軟件的準確性，在表3中選取CQ、340BH、DQ-AL、420DQ鋼種的焊接工藝參數最優值，利用該軟件計算出CQ、340BH、DQ-AL、420DQ鋼種的焊接質量分別為0.785、0.825、0.958、1.17，同時通過焊縫杯突試驗進行焊縫質量檢測，觀察焊縫斷裂情況。

由圖8中焊縫杯突試驗結果與表6焊縫質量檢測標準可知，CQ鋼種、340BH鋼經過杯突試驗后，在熱影響區發生了焊縫橫向斷裂，但是其焊縫的強度同樣高于基板，試驗結果與CQ、340BH鋼焊縫質量計算結果相吻合；DQ-AL鋼種、420DQ鋼種焊縫斷裂方向垂直于焊縫方向，因此焊接后的焊縫強度明顯高于基板，試驗結果與DQ-AL鋼、420DQ鋼焊縫質量計算結果相吻合。

(a)CQ鋼 (b)340BH鋼

表6 焊縫質量檢測標準

焊接試驗共對200卷帶鋼進行現場焊接質量檢測和焊接質量預報具體數據，按照現場原有方法檢驗焊縫質量合格卷數為181，由軟件預報的焊縫質量合格卷數為186，經過仔細檢查按照原有檢測標準未合格的焊縫中有5卷鋼是合格的，因此軟件的預報結果更為準確，具有實用價值。

4 結論

(1)針對帶鋼焊接工藝參數無法完成優化配置的問題，在以往模型的基礎上建立了焊接質量綜合影響模型，焊接工藝參數優化取得了重要突破。

(2)深度解析了焊接質量與搭接量、焊接速度、焊輪壓力等工藝參數的關系，有助于實現焊接質量的數據化和可視化。

(3)該模型應用到1550連退機組焊機設備的生產實踐中后，可以預報焊接質量的綜合目標函數值，通過對目標函數值的分析與調整可提高帶鋼焊接質量，其焊接質量的預報精度由86%提高至99.2%，能夠滿足現場的生產需求，可以進一步推廣使用。