鍍鋅生產線中的CO2激光焊機

王 睿，王立偉，張軍偉，高忠林

（1.河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130；2.天津七所高科技有限公司，天津 300409）

0 前言

我國經濟建設發展迅速，對鍍鋅鋼板的需求量很大，各大鋼鐵企業紛紛加大引進先進技術的投入力度，寶鋼、鞍鋼、包鋼等一批具有國際先進水平的冷軋帶鋼連續電鍍鋅生產線相繼投產。電鍍鋅生產線是將經冷連軋機組軋制再經過退火后的板卷，進入電鍍鋅機組，其鍍鋅工藝過程如下：上料-開卷-切頭-焊接-活套-預脫脂-電解脫脂-刷洗-浸漬水洗-電解酸洗表面活化-酸洗后水洗-電鍍鋅-鍍后水洗-熱風烘干-電解鈍化（磷化處理）-浸漬回收-水洗+新鮮水洗-烘干（靜電涂油）-活套-品質檢查-剪切-卷取-卸卷-包裝。其中所采用的焊接方法是激光焊接。在此主要介紹應用于冷軋連續鍍鋅生產線上的激光焊機，研究分析焊機各部分組成及其控制原理。

1 鍍鋅生產線激光焊機總體結構

激光焊接的優勢[1-2]：

（1）激光焊接工藝成熟，能提高焊接質量，其焊接接頭強度高，可以達到與母材等強度。

（2）激光焊接設備性能穩定、重復性好、可靠性高，焊接接頭斷帶率極低。

（3）由于激光焊接的焊縫平整，直接過軋機而不會劃傷張力輥和軋輥，提高板表面質量；對于張力重卷機組，不需要抬輥，從而可以使冷軋的成材率進一步提高。

連續鍍鋅生產線上的激光焊機機械結構如圖1所示。

圖1 激光焊機機械結構

首帶鋼停止在激光焊機的出口側，出口對中夾具2和出口對中夾具1夾緊鋼板，進行生產線的方向對中。出口固定夾夾緊完成對中的鋼板，通過剪切頭切首帶鋼的尾部（光路開關轉向剪切頭）。尾帶鋼停止在激光焊機的入口側，入口對中夾具2和出口對中夾具1夾緊鋼板，進行生產線的方向對中，入口活動夾夾緊完成對中的鋼板，剪切頭由出口側移到入口側，通過剪切頭切尾帶鋼的頭部。由伺服電機控制定縫刀的位置，調整鋼帶之間的間隙，為焊接做準備。由氣缸帶動入口活動夾具向前移動，使尾帶鋼停靠在準備焊接的位置。由激光器發出激光對帶鋼進行焊接（光路開關轉向焊接頭），在焊接過程中，焊接頭沿著x方向運動，通過伺服電機控制焊接速度。

鍍鋅生產線激光焊機總體結構如圖2所示。

2 CO2激光焊接原理

激光焊接的基本原理是：利用氣體（如CO2）或固體（如Nd：YAG）激光器諧振腔輸出激光束，激光束經過光學系統進行聚焦，產生高能量和高密度的熱源，使金屬熔化來進行焊接。鍍鋅生產線采用CO2平板激光焊機，CO2激光器是振動-轉動分子激光器的代表。它的工作氣體是CO2、N2和He的混合物。原子里的電子保留在基態。激光躍遷發生在CO2的不同振動態的兩個轉動能級之間，CO2激光器效率高、輸出能量大、功率高[3]。

圖2 鍍鋅生產線激光焊機總體結構

2.1 激光器的工作原理[4]

激光躍遷可發生在 0001→1000（λ=10.6 μm）和00011→1200（λ=9.6 μm）兩個過程中。 但輸出激光主要發生在0001→1000過程中。泵浦主要通過下面兩個過程：

（1）電子碰撞激發。

電子碰撞激發過程表示為

與這類過程相對應的電子碰撞截面非常大。當電子能量為 0.3 eV 時，峰值截面為 5×10-10cm2。 受到電子碰撞后被激發到高振動激發態的CO2分子中很大一部分將通過振動模與振動模之間的能量轉換，從激發態沿著能量階梯躍落下來，很容易被長壽命的0001能級收集。

（2）N2分子的共振能量轉移。

電子碰撞激發N2的振動能級的總截面很大。電子能量為2.5 eV 時，σ=3×10-16cm2。 這些被激發的很大一部分分子將被υ=1能級與CO2的0001能級僅相差18 cm-1（≈2.5×10-3eV），因此，N2與CO2的基態分子發生碰撞時，N2將激發能量轉移給CO2分子，使之激發到0001能級；少許不足的能量由減少的分子總能量來補償。這個過程可表示為

（3）CO2激光器的結構。

CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學玻璃或光學石英，經加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，在波長 10.6 μm 處的反射率達 98.8%，且化學性質穩定。CO2發出的光為紅外光。所以反射鏡需要應用透紅外光的材料，因為普通光學玻璃對紅外光不透。要求在全反射鏡的中心開一小孔，再密封上一塊能透過10.6 μm激光的紅外材料以封閉氣體。這就使諧振腔內激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光[5]。其結構如圖3所示。

圖3 CO2激光器結構

CO2激光器板條式光束傳輸系統如圖4所示。

圖4 CO2激光器板條式光束傳輸系統

3 CO2激光焊機系統分析

3.1 CO2激光焊機的光路分析

由于薄板材的不平整，薄板材在焊接之前需要進行切頭去尾的處理工作，本臺激光焊機由激光對板材進行切頭去尾，這樣焊機包括一個激光頭和一個剪切頭。激光頭負責焊接，剪切頭負責切頭去尾。規定生產線的方向為x軸，過程梁的方向為y軸，與x，y軸垂直的方向為z軸，剪切頭的豎直方向為z1軸，焊接頭的豎直方向為z2軸。光束由激光器發出，經過過程梁y軸到達彎曲平面鏡1，彎曲平面鏡1將光路進行轉換，調整光路方向沿著生產線的方向x軸到達光路開關；光路開關控制光束是去往剪切頭還是去往焊接頭，如果去往剪切頭，光束經過彎曲平面鏡2改變方向，使光束沿著剪切頭的豎直方向z1軸，光束通過可調整的透鏡聚焦，用于薄鋼板的頭尾的剪切；如果去往焊接頭，光束經過彎曲平面鏡3改變方向，使光束沿著焊接頭的豎直方向z2軸，光束通過拋物柱面反射鏡聚焦，用于薄鋼板的焊接，其光束的路徑如圖5所示。

圖5 激光光束的路徑

3.2 CO2激光焊機的伺服系統

CO2激光焊機的伺服系統相當復雜，由14個SIEMENS-1FK7伺服電機組成。SIEMENS-1FK7電機相當緊湊，屬于永磁同步電機，電機內部配有減速箱和旋轉編碼器。變頻器采用SIEMENS-611U，該變頻系統可以配合使用多種不同的驅動系統，并且很容易地對它們進行適配，以滿足必要的驅動性能和機器軸數。CO2激光焊機的伺服系統共配備了七個SIEMENS-611U變頻器。各個伺服電機的具體功能如表1所示。

4 結論

采用高功率CO2激光器進行焊接，對焊接速度以及焊縫性能、質量要求高的場合能獲得很好的效果。它具備其他焊接方法無法比擬的優越性，能夠顯著提高軋制線焊縫可靠性以及降低斷帶率。隨著我國市場需求的不斷變化和競爭的日趨激烈，越來越多的冷軋生產線將使用先進的激光焊接技術，加快大功率激光焊機的產業化工作，使我國鋼鐵工業的裝備水平躍上一個新的臺階。

表1 CO2激光焊機系統的伺服電機功能

[1]孫忠明，蘭永明.1420 mm酸-軋聯合機組激光焊接技術[J].軋鋼，1997，4（2）:70-72.

[2]沈惠塘.焊接技術與高招[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]游德勇.高向東.激光焊接技術的研究現狀與發展[J].焊接技術，2008，37（4）:5-9.

[4]李相銀.激光原理技術及應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004.

[5]呂百達.激光光學光束描述、傳輸變換與光腔技術物理[M].北京：高等教育出版社，2003.