預(yù)熱與退火功能在激光焊機(jī)上的應(yīng)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(jī)位于酸軋線入口段，是將前后帶鋼頭尾焊接在一起達(dá)到連續(xù)生產(chǎn)的目的。根據(jù)生產(chǎn)工藝帶鋼連續(xù)生產(chǎn)需要多次進(jìn)行拉伸矯直，同時(shí)為了保證張力需要經(jīng)過多組控制輥進(jìn)行張力控制。焊接后留下的焊縫與前后帶鋼的材質(zhì)不同，帶鋼總體較軟，而焊縫表現(xiàn)較硬、脆，在經(jīng)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(jī)在原來焊接的基礎(chǔ)上增加了預(yù)熱與退火功能?？s短了激光加熱時(shí)間同時(shí)改善了焊縫前后的晶體結(jié)構(gòu)，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(jī)自動(dòng)檢測帶頭帶尾后進(jìn)行對中，然后通過焊機(jī)夾鉗向焊接平臺(tái)送料，最后定位焊接平臺(tái)中心線位置等待焊接，帶頭帶尾中間距離達(dá)0.38mm。激光頭隨著焊接小車沿著中心線從操作側(cè)向傳動(dòng)側(cè)移動(dòng)，激光打在帶頭帶尾截面邊部，焦點(diǎn)自動(dòng)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(shí)熔池里剩余鋼水迅速凝固形成一條焊縫。

3 焊縫質(zhì)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(jìn)行軋制，然后再冷卻到結(jié)晶溫度450～600C°以下溫度，從晶粒上看熱軋板的特點(diǎn)是晶粒較粗，分布較散，含碳量較高。因?yàn)槠渚Я７植驾^散，間隙較大，所以盡管熱軋板含碳量較大，還是表現(xiàn)出較軟的特性。另外由于冷卻時(shí)間較長，奧氏體冷卻至Ar3線溫度停留的時(shí)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(zhì)地較軟，有良好的延展性。而焊縫經(jīng)過激光的高溫加熱，粗晶粒開始變細(xì)，分布更均勻，間隙也縮小了，在高溫加熱的同時(shí)將原來的C灼燒變成CO2蒸發(fā)到空氣中，使焊縫的含碳量降低，本來含碳量降低會(huì)使帶鋼變得更軟，但是因?yàn)楹缚p的晶粒更細(xì)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(huì)形成一定的內(nèi)部應(yīng)力，焊縫形成后由于焊縫的材質(zhì)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(jié)合處會(huì)形成內(nèi)部應(yīng)力，焊縫自身在快速冷卻的過程中也會(huì)形成內(nèi)部應(yīng)力。焊縫在快速冷卻過程中奧氏體通過無擴(kuò)散型相變轉(zhuǎn)變成大量的亞穩(wěn)定相馬氏體。其比容大于奧氏體、珠光體等組織，會(huì)產(chǎn)生淬火應(yīng)力。應(yīng)力的不平衡會(huì)使焊縫處發(fā)生形變，在經(jīng)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(nèi)部會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力起初只是使帶鋼發(fā)生形變，當(dāng)拉應(yīng)力過大時(shí)帶鋼將會(huì)被撕裂。拉力應(yīng)變曲線如圖2。

帶鋼拉應(yīng)力應(yīng)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(fù)）

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

4 焊縫質(zhì)量改善方案

焊機(jī)的預(yù)熱與退火功能就是通過加熱的方式來改變焊縫區(qū)域的材料結(jié)構(gòu)，緩和該區(qū)域的應(yīng)力分布以達(dá)到增加材料延展性和韌性，防止帶鋼通過機(jī)組拉伸彎曲設(shè)備時(shí)焊縫撕裂中斷連續(xù)生產(chǎn)。

4.1 改善方案的理論基礎(chǔ)

預(yù)熱裝置安裝在激光焊接頭前面，主要負(fù)責(zé)給等待焊接的帶頭帶尾加熱，將焊縫區(qū)域帶鋼加熱到結(jié)晶溫度以上熱軋制溫度以下，給該區(qū)域帶鋼一個(gè)基礎(chǔ)溫度，可以縮短激光的加熱時(shí)間，提高焊接速度，同時(shí)可以縮短該區(qū)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(nèi)部不平衡應(yīng)力的產(chǎn)生。

退火裝置安裝在激光焊接頭之后，主要負(fù)責(zé)焊縫及前后帶鋼的加熱退火，將已經(jīng)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(nèi)部晶粒細(xì)化，當(dāng)其冷卻后分布的更加均勻，進(jìn)一步釋放了應(yīng)力。

4.2 實(shí)現(xiàn)預(yù)熱退火功能的技術(shù)方案

激光焊機(jī)的焊接效率非常快，基本能在89s之內(nèi)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(dòng)焊接的時(shí)間最長49s，要在這么短時(shí)間內(nèi)而且空間這么小的焊接小車上安裝兩套加熱設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l（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?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電流，供給由電容和感應(yīng)線圈里流過的中頻交變電流，在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，并切割感應(yīng)圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中產(chǎn)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(yù)熱退火裝置實(shí)物如圖3.

焊接小車從右往左移動(dòng)，焊接激光頭左右（圖示方向）兩邊分別安裝預(yù)熱和退火裝置，預(yù)熱退火裝置平臺(tái)上預(yù)留一個(gè)凹槽，將感應(yīng)線圈沿著焊縫方向放置，感應(yīng)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(shí)根據(jù)右手螺旋定則線圈產(chǎn)生磁力線切割焊縫區(qū)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(dá)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(yīng)加熱不會(huì)產(chǎn)生明火，無燃燒廢氣，不論從環(huán)保還是安全考慮都是最佳的。

中頻電源原理圖如圖4。

預(yù)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(jīng)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(guān)斷頻率來得到中頻電流。中頻電流從A、B兩個(gè)端子流出供給感應(yīng)線圈。加熱最高功率達(dá)到50kw，在焊接過程中視帶鋼厚度自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率大小。

結(jié)語

焊縫的質(zhì)量控制無疑是整條機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。頻繁出現(xiàn)焊接不良不僅影響生產(chǎn)節(jié)奏，機(jī)組產(chǎn)能無法完全釋放，更使機(jī)組操作人員整天提心吊膽，生怕不良焊縫被開出去。預(yù)熱退火功能的增加不僅切實(shí)改善了焊縫質(zhì)量，更是操作人員的一顆定心丸。

[1]童軍，章舟，等.鑄鐵感應(yīng)電爐熔煉及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]曹宏燕.冶金材料分析技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社.