連退機組在線全自動帶鋼焊縫感應退火裝置研究與開發

余 瓊，賈 建，唐萬象

(馬鋼（合肥）板材有限責任公司，安徽合肥，230011)

1 概述

馬鋼（合肥）板材有限責任公司現有兩條連退機組，其中1#連退機組生產帶鋼厚度范圍是0.4～2.5 mm，最大強度是98 MPa。為了保證機組連續順利生產，該機組配置了日本TMECI 公司生產的窄搭接焊接。焊接質量的好壞直接影響著機組的順利運行，如果前后帶鋼焊接質量不好，在機組生產過程中就會發生斷帶事故，因此要確保生產過程中的每條焊縫強度高于母材的強度。在該機組生產的產品中，鋼種為HC340/590DP、MC600DP 厚度在2.0 mm 及以上的規格冷硬板，以及HC420/780DP、22MNB5、HC550/980DP、M1800L 等所有規格的冷硬板，由于焊接性能差，為了提高焊接質量，在焊機完成后需要將焊縫運行到人工加熱位對焊縫進行人工退火處理，以提高焊縫強度，消除焊縫應力，確保生產過程中焊縫不斷裂。

2 全自動帶鋼焊縫退火裝置研究與開發的必要性

2.1 焊縫質量判定方法

(1)焊接曲線法：連退入口窄搭接焊機原焊縫質量檢測系統是通過焊接電流、溫度等模擬檢測曲線進行判斷，無法真實觀察到焊縫的質量情況，有時曲線顯示不準確，焊縫判斷容易出現誤差。焊縫質量判定圖見圖1。

圖1 合格焊接參數圖

(2)杯凸實驗法：在通過軟件曲線以及現場焊縫實物無法判定焊縫質量時，通過月牙剪挖取部分焊縫，至杯突試驗機手動進行杯突試驗，杯凸實驗合格，說明當前焊接參數滿足本次鋼卷焊接要求。焊接合格杯凸圖見圖2，不合格杯凸圖見圖3。

圖2 焊接合格杯凸圖

圖3 焊接不合格杯凸圖

2.2 原有焊縫退火方法存在的問題

原有焊縫退火的方法是對焊接后的焊縫進行人工明火退火處理，退火后再杯凸實驗檢測焊縫是否質量合格，焊縫合格則放行，檢測不合格則需重焊重退火直到合格。

人工明火退火是使用鋼板切割氧槍，通過人工使用乙炔氧氣對焊縫進行烘烤退火，退火溫度大約650 ℃。存在問題如下：

（1）人工操作，無法保證整條焊縫受熱均勻，局部受熱不充分同樣存在焊縫開裂導致斷帶的風險；

（2）人工操作存在安全隱患；

（3）人工操作還存在過退火現象，造成能源浪費。

因此，亟需研究開發一套在線全自動帶鋼焊縫退火裝置，解決人工焊縫退火存在的問題。

3 實施方案

經分析研究，確定了采用電磁感應方式對焊縫進行加熱退火，設備定名為在線全自動帶鋼焊縫感應退火裝置。該裝置中的加熱線圈、加熱器中心線位置調整機構安裝在安裝框架上，屬于在線部分，結構如圖4所示。

圖4 在線部分的結構圖

3.1 設備組成及用途

（1）感應加熱電源及傳輸電纜

焊縫感應退火加熱電源是一款以DSP 實時控制處理器作為核心的數字化控制感應加熱電源，額定輸出功率100 kW，逆變輸出電壓500V，高頻標稱頻率100 kHz，功率10%～100%范圍內任意調節。功率閉環控制選用先進的PID 控制系統，電壓電流雙閉環控制，電源輸入電壓在±10%范圍內變化時，控制輸出波動不超過±1%。。

（2）鋼板焊縫退火感應加熱上下線圈

感應加熱線圈設置在鋼板的上方，為單匝上回路式，不包覆鋼板，有安裝簡單、不用穿引鋼板的優點。感應加熱線圈在磁軛驅磁的作用下對焊縫進行加熱退火。通過負載柜三維調整機構實現對鋼板焊縫掃描加熱退火。

（3）安裝框架及移動機構

用于保證感應加熱器中心線與機組帶鋼運行中心線一致。變頻電機驅動的滑動梁架攜帶感應器等在加熱器框架軌道上縱向移動，移動行程由主線給出的實際焊縫位置和可移動感應器的實際位置計算而得，使感應器準確移動到焊縫上，氣缸帶動感應器上下移動，控制感應器與焊縫之間距離

（4）水冷系統

用于冷卻線圈電源裝置和現場感應加熱線圈，確保系統穩定工作。設備內循環冷卻水壓0.15～0.3 MPa，回水溫度低于40 ℃。外循環水采用廠內工業冷卻水。

3.2 感應器位置控制及傳動系統

（1）PLC控制系統

采用西門子S7300-PLC（或與主線PLC 公用CPU，基本設計時確定），通過IP/TCP 與主線PLC 通訊，讀取位置及氣缸開閉等信號。感應加熱裝置的操作控制HMI 集成到主線HMI 中。操作方式分為手動-半自動-自動。

（2）移動機構變頻傳動

傳動系統采用西門子G120矢量傳動變頻器+絕對位置編碼器實現位置控制，變頻器采用DP 方式與S7300PLC進行通訊，絕對值編碼器接入PLC高速計數器IO模塊進行位置的檢測計算。配置如圖5。

圖5 控制系統配置圖

（3）本系統與生產線PLC通訊接口，見表1。

表1 系統生產線通訊接口

3.3 控制策略

（1）具有時間模式、溫度模式兩種感應加熱模式。可就地或遠程選擇。

（2）系統可維護的加熱退火參數表（按照帶鋼的規格、材料組合，提供不同的加熱曲線）。

（3）自動控制高頻電源加熱啟停和調功。可主線HMI 遠程操控，也可手動本地操控。具有手動、半自動模式和全自動模式三種控制方式。

自動控制流程圖如圖6所示。

4 調試和使用

（1）修改主線PLC 控制程序，通過DP 網向退火裝置PLC 發送焊縫位置，同時發送當前焊縫前后鋼板的鋼種和規格信息，為退火裝置控制系統提供不同溫度加熱曲線的選擇依據；

圖6 退火自動控制流程圖

（2）由于首次開發使用，調試期間出現過以下問題：①退火裝置隔熱耐材選擇不合理，造成支架受熱變形；②退火功率不足，焊縫應力沒有釋放，杯凸實驗不合格，需要二次退火；③焊縫過退火造成焊縫變形易損傷產線輥面，需要切除焊縫重新焊接和重新退火。通過研究和實驗不同鋼種和規格帶鋼的退火曲線，總結得出了一套比較完善的退火功率、加熱時間等參數匹配表，見表2。

表2 退火配方表

（3）原來設計的感應區域寬度為50 mm，但經現場使用發現，該寬度加熱退火后的焊縫性能不穩定，經分析和實驗，把寬度增加到100 mm 后，解決了該問題。

（4）主線焊縫定位不準，造成退火裝置無法定位到焊縫，通過調整主線帶鋼運行和定位控制軟件，最終使得焊縫停止在退火裝置中心線±100 mm以內，利用退火裝置±200 mm 范圍內制定對焊縫的控制功能，保證了現在100%的準確焊縫定位，無需人工干預。

（5）使用實例。

2019 年10 月15 日，實驗焊縫前后帶鋼均為M1800WL+AS（1.4 mm），焊接后采用不退火的方式進行杯凸實驗檢查焊縫質量，發現不退火時焊縫質量極差，不能滿足生產要求（見圖7未退火焊縫杯凸實驗圖）。之后以同樣參數（見圖8 焊機焊接參數圖）焊接并退火后再次進行杯凸實驗（見圖9退火后的杯凸實驗圖），此次焊縫質量良好，曲線平滑，溫度狀態良好（1000～1073 ℃），判定為此鋼種必須退火，退火后焊接合格。

圖7 未退火焊縫杯凸實驗圖

圖8 焊機焊接參數圖

圖9 退火后的杯凸實驗圖

5 結束語

通過在線全自動帶鋼焊縫感應退火裝置的研究與開發，解決了人工手動火焰退火時焊縫退火質量不穩定的問題，消除了人工操作存在安全隱患，避免了人工操作過退火造成能源浪費，實現了帶鋼焊縫退火的全自動化，提高了連退機組運行的穩定性和生產的高效性。