熱鍍鋅線激光焊機對于高強厚規格焊接的研究

欒英偉，王 偉，鞠在豐

（承德鋼鐵集團有限公司，河北 承德 067000）

承鋼冷軋事業部熱鍍鋅產線是國內第一條高強厚規格厚鋅層的熱基鍍鋅產線，開創了國內熱基鍍鋅產線的先河。鍍鋅線選用國產武漢凱奇激光焊機，同樣是屬于國產第一臺厚規格高強重型激光焊機，根據高強厚規格的產品焊接要求，我事業部通過對焊機精度和設備功能優化，提高了高強厚規格焊接的穩定性，保證了熱鍍鋅線的穩定運行。

1 焊接工藝過程描述

1.1 焊接工藝面描述

整個工藝過程可分為如下五個過程依次進行：

（1）帶尾準備過程：從機組剪切帶尾完畢開始→機組牽引帶尾接近焊機入口對中裝置→焊機出口挑套→機組繼續牽引帶尾至入口1#對中區域停止→焊機出口夾送輥壓下、牽引帶尾定位到剪切區域停止→焊機輔助壓緊帶尾→出口夾送輥打開→焊機四點對中帶尾→焊機出口夾鉗壓緊帶尾→帶尾準備完畢。

（2）帶頭準備過程：機組夾送帶頭穿過入口夾送輥停止→焊機入口夾送輥壓下、入口挑套→焊機夾送帶頭定位到剪切區域停止→焊機輔助壓緊帶頭→入口夾送輥打開→焊機四點對中帶頭→焊機入口夾鉗壓緊帶頭→帶頭準備完畢。

（3）焊前準備過程（機內沖孔）：同時剪切頭尾→沖信號孔→對接拼縫、焊接頭支撐輪、碾壓輪壓下。

（4）焊接過程：小車移向傳動側→依次對鋼板預熱、預碾壓、激光焊接、退火加熱、碾壓→焊接頭、碾壓輪升起→入出口夾鉗打開→小車停止。

（5）剪月牙過程：焊機入出口夾送輥牽引焊縫定位到月牙剪→雙側剪頭小車移向鋼板停止→2側沖剪月牙→完畢。

2 現場問題、解決措施及功能優化

鍍鋅線自2019年6月18日投產，激光焊機發生問題較多，尤其是對于高強厚規格焊接成功率低，已嚴重影響到了鍍鋅線生產的穩定性，所以我方技術人員對于現場所發生的各種問題分類討論，制定相關設備優化方案，逐一解決，下面將關鍵設備優化介紹如下：

（1）激光頭增加專用冷水機，保證激光功率穩定。激光焊機原設計的激光頭冷卻水和激光器冷水機使用同一個冷水機，但供水管路長，長期使用過程中水質容易受污染，且激光頭冷卻水管細（直徑為8mm），冷卻塊小，如果流量不足或者出現堵塞的情況，激光功率會衰減，嚴重堵塞時會直接損壞；我方決定為激光頭增加了專用的冷水機，并增加了流量報警和堵塞報警，確保激光功率穩定，延長激光頭的使用壽命。

（2）焊機后退火裝置優化。焊機在焊接高強厚規格帶鋼時，必須對焊縫記性退火處理，增加焊縫的強度，保證焊縫質量。在焊接厚帶鋼過程中，由于鋼板厚且硬，退火裝置上的隔熱云母片受熱變形后存在和帶鋼刮蹭的情況，刮蹭會導致云母片脫落損壞。鑒于此種情況，我方技術人員研究將后退火裝置云母片保護銅板重新加工制作，增加卡槽，將云母片鑲嵌在卡槽里；另重新制作裝置底座，在保證退火效果的前提下，將后退火裝置整體降低5mm，避免剮蹭情況的發生。

（3）揮設備潛力，保證充足焊接時間。在焊接高強厚規格帶鋼時，總是出現焊接質量不好，導致多次重焊，產線停車，我方技術人員基于此情況，提高了焊機甩尾和穿帶速度，降低入出口起套的套量，減少入口建張的時間，同時優化焊接參數，減少焊接時間，成為了重點的研究問題。經研究焊機入出口夾送輥液壓馬達發現，液壓馬達的能力僅適用了45%左右，穿帶和甩尾提速可以實現，隨即調節液壓馬達的速度，提升至55m/min，使甩尾的速度提升了近一倍，大大降低了甩尾時間（大約降低了15s）。同時優化入口段的程序，將1#張力輥和焊機入口夾送輥多轉0.4s時間，減小出口套量，大大降低了焊接完成后入口段建張的時間（大約降低了10s左右）。為焊接失敗后再次重焊創造條件，最大限度減低了焊機焊接一次不成功造成的風險，保證了工藝段的穩定運行。

3 制定標準和數據庫優化

（1）制定合理的周期計劃。對雙剪切機構進行剪刃間隙測量，同時將數據記錄匯總，在大數據面前形成趨勢狀態，進而分析剪切次數及來料規格對剪刃間隙的影響。（見圖1）

圖1 剪刃趨勢

通過測量結果發現，剪刃間隙的直線度對剪切的影響在不同板寬和不同板厚的情況下有著很大不同的結果。

（2）測試夾鉗動作，通過在夾鉗臺內測進行夾鉗臺焊接位與剪切位的聯動測試，觀察設備動作曲線，觀察百分表數值變化，調整伺服閥參數，使得曲線趨于理想狀態。（見圖2）[4]。

圖2 夾鉗動作測試

（3）合理優化焊接參數數據庫，焊接參數是由程序號、鋼種1、鋼種2、厚度范圍下限、厚度范圍上限、焊接速度、離焦量、操作側間隙、傳動側間隙、填絲速度、激光功率、激光頭壓力、預加熱功率、后退火功率等相關參數組成，數據庫參數即為焊接配方，根據不同的鋼種，選擇的程序號是不同的，不過數據庫參數 是有規律可循的，如何掌握這三千組數據庫參數的規律，以及優化好這三千組數據參數的實用性，是本次研究的重點和難點。通過大量的焊接曲線分析研究發現，對應不同的間隙精度，使用的焊接參數是不同的。焊接參數數據庫首先要有合理的參數選擇。就本次研究，首先發現參數數據庫是不正常的，首先恢復參數數據庫的合理性。按照一個合理的區間來調整同一鋼種的焊接數據庫，滿足焊接需求。鋼種庫中共有15種焊接鋼種，分別對應1～15不同硬度的鋼種，每個鋼種又在厚度上進行上下極限的分類。

數據庫組成是由于厚度的分組不同，注意厚度分組間隔，如表1所示。

表1 焊接厚度范圍

注意觀察程序號1、23、24對應的厚度差為0.3mm，而程序號25對應的厚度范圍為0.4mm，其余數據厚度差范圍均為0.2mm，這就組成了25組程序號，共15個鋼種，經排列組合即組成了三千個程序號的數據庫。

使用2.0mm～3.0mm厚度范圍內的帶鋼進行焊接數據庫標定是相對理想的。通常用2.0mm厚度或2.5mm厚度帶鋼進行焊接，標定該鋼種數據庫。標定后的拼縫實際值測量值必須用塞尺測量，測量結果對比焊接時的拼縫間隙，與夾鉗的補償間隙做到心中有數。注意QCDS系統拼縫傳感器的拼縫間隙僅供參考，因為該測量間隙為焊接前間隙，受版型鋼種，光線亮度等影響，不是真正意義的拼縫間隙。塞尺測量值要與歷史曲線中標定數據庫后的QCDS曲線進行比較得出最佳間隙值[2,3]。

理論標定完成后還要通過實際焊接對不同厚度的具體參數實際進行校準。實際校準后的焊接參數數據庫保存在焊機PLC程序中，同時會定期在焊接工程師站電腦中備份?？梢酝ㄟ^焊機工程師站的軟件進行數據庫維護上傳與下裝。

（4）優化拼縫補償參數數據庫，焊機拼縫補償參數數據庫是焊機因為剪刀的磨損，在不同板寬影響下，對拼縫間隙進行的補償。與米巴赫焊機原理相同，剪刃間隙不能自動調節，因此要進行手動根據剪刃磨損情況進行補償，補償參數數據庫可實現針對不同厚度（將焊接材料按厚度分組分為十組）的帶鋼進行平移補償與間隙補償及重焊間隙補償。合理的補償參數數據庫是焊接的前提和保障。熟練操作的焊工可以根據現場實際劍刃磨損情況根據QCDS曲線提前預判進行補償參數調整。下圖為工程師站查看的補償參數，與焊機觸摸屏補償參數頁相同。根據日記，可以查看補償參數的修改時間和修改實際實現生產過程的全記錄[1]。

在優化完成后，崗位人員只需根據不同厚度不同板寬剪切間隙的磨損進行間隙補償參數的調整。上圖6可以看到平移補償參數在10組厚度分組下均為固定值，說明焊機機械狀態良好。激光頭工作線與拼縫工作線重合。這里注意，重焊補償參數要根據自動模式下重焊后的間隙進行調整，如果調整重焊補償參數時相對比較耗時。進行該參數調整時不要調整補償參數，僅調整重焊補償參數。

4 結語

經過對焊機的研究分析和各種功能優化，2020年10月至2021年3月重焊率紀錄低至千分之0.8（行業標準保證值2%,德國米巴赫，日本TMEIC，國產寶焊等焊機），其中2020年11月和2021年1月、2月鍍鋅一次焊接成功率100%，尤其是在高強度厚規格焊接（強度590MPa，厚度6mm）已經可以實現穩定焊接。鍍鋅焊機的穩定性是全線連續穩定的前提與保障，可靠的焊機運行為工藝段能夠更好的處理化學反應完成鍍鋅過程創造了最佳的運行保障，保證了鍍鋅線的長期穩定運行，提高了質量的穩定性，特別是對于高強度厚規格這類高附加值產品的穩定生產提供了強有力的保證。