馬鋼2130酸軋線激光焊機的應用

徐光旭

摘? 要：米巴赫激光焊機是目前國內各個冷軋廠的關鍵設備之一，它的激光焊接技術具有其它焊接方法無法比擬的優越性，能夠顯著提高產線作業效率，降低焊縫斷帶率。本文介紹了馬鋼2130酸軋生產線入口HSL21型米巴赫激光焊機的機械結構特點，對QCDS焊縫質量檢測系統的識別運用作了說明，同時根據多年的現場實踐總結出影響焊縫質量的因素并提出了解決辦法。本研究可為其他同類型機組快速診斷居高不下的焊縫斷帶率、重焊率提供參考。

關鍵詞：米巴赫激光焊機;QCDS;焊縫質量;影響因素

1引言

激光焊接技術作為目前發展迅速且最先進的焊接新技術之一，被廣泛用于航空航天、汽車制造等領域，在國內鋼鐵廠冷軋工序中，前后鋼卷的焊接已經普遍采用激光焊接。激光焊與傳統的焊接工藝相比，其具有焊接速度快、焊接能量密度高、焊接熱影響區非常小、安全環保等特點。在國內鋼鐵廠冷軋生產線焊機是必不可少的關鍵設備之一，馬鞍山鋼鐵股份有限公司2130酸軋、1720酸軋線采用的都是米巴赫公司生產的激光焊機。焊機配有一套QCDS系統，通過該系統的曲線和影像解讀，可以達到實現遠程檢測焊縫質量的要求，不僅降低了勞動量，而且提高了焊縫檢查速度，有利于機組產能釋放。焊縫的焊接質量是整個焊機系統最重要的一環，如果不能把好焊縫質量關，將會出現焊縫開裂、斷帶風險，造成生產線長時間停機，對生產線的穩定高效造成嚴重影響，并且機組人員處理斷帶過程中存在較大的安全隱患。不過影響激光焊機焊縫質量的原因非常復雜，不僅與焊接過程中的工藝參數及設備功能精度有關，還與帶鋼材料、板形有著密切關系。下面主要介紹馬鋼2130酸軋米巴赫激光焊機的機械特點、QCDS系統，通過總結現場實踐經驗，提出影響焊縫質量的主要因素和解決辦法。

2 米巴赫激光焊機HSL21機械特點

激光焊機布置在酸軋線的入口處，通過激光焊的方法自動、迅速地連接帶頭與帶尾，以便實現帶鋼的無頭軋制。焊接后的焊縫有穩定的強度，能夠確保其經受較大壓下率軋制。該焊機自動化程度高，對各種材料具有較高的可焊性能，焊縫區域平滑連接，不會傷害后工序輥系。

2.1主要結構

整個焊機區域可分為三個部分，分別為焊機入口裝置、出口裝置和激光焊機本體。

2.2焊接條件

焊接帶鋼寬度范圍：600-2100mm。

厚度范圍：1.5-6.0mm。

焊接材料：所有鎮靜材料，常規低碳鋼，熱軋CQ、DQ、DDQ、EDDQ、S-EDDQ、HSS（包括TRIP），抗拉強度最大850Mpa，屈服強度最大680Mpa

焊接條件：（1）厚度差：（d2-d1）/d2≤30%（d1、d2分別為前后鋼帶的厚度），同時保證：d2-d1≤1.0mm（2）寬度差：對于焊接無限制，但對于挖邊，單側寬度差最大150mm。（3）焊縫將進行杯凸測試，杯凸測試的結構根據下列條件決定：與焊縫垂直方向的裂紋是可以接受的，在焊縫上平行于焊縫的裂紋是不能接受的。

2.3主要設備研究

2.3.1焊機入口裝置

主要部件：夾鉗對中裝置、活套棍和夾送輥（含提升輥）。

設備功能：當后卷帶鋼頭部進入夾送輥后，夾送輥驅動帶鋼頭部進入雙切剪內，同時活套棍起套，此時帶鋼在對中滑塊作用下完成生產線中心定位，兩側液壓缸驅動夾鉗下降鎖緊帶鋼，入口區域帶鋼準備完成。

2.3.2 焊機出口裝置

主要部件：提升輥、夾送輥、活套棍、夾鉗對中裝置和挖邊剪。

設備功能：當前卷帶鋼尾部進入焊機時，主線所有傳動停止，夾送輥開始輸送鋼帶，鋼帶端部處于雙切剪內停止動作，帶鋼在對中滑塊作用下完成生產線中心定位，兩側液壓缸驅動夾鉗下降鎖緊帶鋼，出口區域帶鋼準備完成。出口裝置挖邊剪由操作側和驅動側的挖邊框架、挖邊剪剪刃和運行軌道組成，每側動作框架和剪刃通過液壓缸驅動，其在焊接結束后對焊縫兩側進行挖邊，主要作用是挖除焊縫邊部，一方面是減少邊部應力對焊縫的不良影響，另一方面操作人員可以通過挖邊月牙判斷焊縫質量。

2.3.3 焊機本體裝置

主要部件：C形架、夾持臺、雙切剪、前后加熱器、激光發生器。

設備功能：當前卷帶鋼尾部和后卷帶鋼頭部進入焊機雙切剪區域時，夾持臺夾緊鋼帶并在焊接過程中固定鋼帶。焊機剪刃為雙切剪，入口和出口處各兩片剪刃，鋼帶頭部的末端和尾部的末端由一個切割動作同時完成。切割下的廢料落在剪子廢料運輸皮帶上運送至廢料斗。剪切完成后，鋼帶運行到焊接位置進行焊接。焊機預加熱裝置安裝在C形框架內，在C形架運動時，其在鋼帶底部沿焊接方向運行加熱。激光發生器位于焊接框架的驅動側，產生激光光束，激光光束導向系統在保護氣體He作用下保護系統免于受到外界環境影響，可保證光束不會擴散到外界環境中，確保激光穿透率。在焊接過程中，激光焊輪在鋼帶的上表面運行，確保鋼帶焊接位置和聚集。焊接完成后由沖孔機液壓缸驅動沖孔，用于生產線運行中系統識別焊縫。

3 QCDS焊縫檢測系統

QCDS焊縫檢測系統（Quality Control Date System）采用了視覺方法監視米巴赫激光焊機的焊接工藝過程，通過一定算法轉換成各種參數曲線并體現在操作室的HMI畫面上，并設立預警閾值給出判斷意見，同時操作人員可根據各項指標曲線來分析焊縫的實際質量。QCDS系統配置有三個鏡頭，帶有高的副本率，在焊接前后檢測焊接區域的詳細信息，結果在一個分離的標準顯示器上顯示。另外，焊接的六個模擬值、相關參數被記錄且同步顯示，能夠儲存至少500條焊接信息。

3.1 焊縫傳感器

根據三角測量原理，通過高程掃描從頂部表面測量焊縫輪廓。一條激光線投射在接縫上，攝像芯片以一定的角度對其進行拍攝，結果將焊縫實物模擬圖像展現在QCDS系統中，便于觀察焊接后的焊縫表面質量。

3.2 滲透傳感器

檢測出的圖像是判斷焊縫質量最關鍵要素之一，用于測量焊縫焊接時等離子體的亮度，傳感器位于焊頭下部的帶鋼下方。它看起來與操作側（OS）呈對角線，以避免在焊接小車移動時，焊接火花燒到保護玻璃損壞傳感器。通過此圖像可以看到尚未焊接的缺口。滲透傳感器提供焊縫底部表面的灰度圖像，它也為信號“滲透”提供一個亮度值。高強度（圖像發亮）意味著激光功率過大或焊接速度過低，有太多的物質會被汽化。低強度（圖像發暗）意味著激光功率過低或焊接速度過快，或者是激光焦點偏移，焊縫沒有焊透。沒有強度（黑色圖片）意味著激光故障，錯誤的焦點或焊接間隙過大。

3.3 間隙傳感器

在焊接之前測量焊縫間隙，確定焊縫間隙位置。間隙傳感器的識別工作類似于激光線的接縫檢測，由于剪切過的帶鋼端面容易有毛刺，邊緣可能會有欠充滿、高度不匹配等情況，該傳感器反應的圖像用于判斷焊縫是否飽滿，同時可以通過前后帶鋼厚度差判斷數據與實物是否相匹配，還可以有效避免異材發生。

4 影響焊縫質量的因素

冷軋帶鋼激光焊接過程中，影響焊縫質量的因素很多，主要分為原料、焊接工藝參數和焊機設備精度三類，焊機設備精度主要指焊機小車走行精度、雙切剪剪刃精度以及激光束調整精度等，此類精度主要取決于C型架軌道直線度、雙切剪剪刃平行度等機械參數。焊機設備精度符合標準是激光焊接符合生產工藝要求的基本前提，在此基礎上帶鋼激光焊接質量主要取決于焊接功率、速度、間隙、預加熱和后退火、保護氣體壓力等主要參數。

4.1 原料對焊縫質量的影響

4.1.1板形

激光焊接對原料板形要求非常高，它嚴重影響著焊縫質量。通過夾持臺板的夾緊力可以初步消除板形的影響。通過一對預平整定位輪對鋼板進行定位平整，激光支撐輪在焊接時將焊縫夾緊平整，也可以局部消除板形的影響。盡管如此在實際生產中，仍會發現因板形不良造成的焊接質量不穩定。一般體現在生產薄規格中（厚度2.5mm以下），在焊接過程中焊縫容易出現結瘤，嚴重時會出現焊縫搭接或扭曲現象。

4.1.2 材料

隨著我國汽車工業的快速發展，越來越多的汽車在減重、節能、小型化、環保等方面受到普遍關注，而高強鋼汽車板是目前汽車板發展的主流，汽車大量使用高強鋼是解決汽車減重、節能、安全、環保的重要途徑。而由于高強鋼的塑性差、焊接性能較差，且變形抗力大，變形或彎曲時易產生焊縫開裂。因此，高強鋼材料在焊接時不同于普碳鋼，焊接質量不穩定，生產時要高度關注。

4.2 焊接工藝參數對焊縫質量的影響

4.2.1焊接速度、功率

在實際生產中，對于指定厚度的鋼板焊接，當激光功率減小時，為使焊接面接受的激光能量保持不變，應相應降低焊接速度，否則容易出現焊縫多肉現象，反之亦然;當功率不變，對接鋼板的最小厚度變大時，焊接速度應當相應減小，否則易出現焊不透的現象。

4.2.2焊接保護氣壓力

激光焊機在焊接工作過程中，高功率的激光打在帶鋼表面上，極容易使鋼板發生強氧化，這種超出范圍的氧化現象是焊接中不能接受的，現有的研究表明，激光的照射能致使金屬產生汽化現象，形成等離子云團，其對焊接過程有著不可逆的損害作用。實際生產中顯示，保護氣壓力過小，焊縫區域出現氣孔缺陷，焊縫被氧化程度高，焊縫強度明顯不足;保護氣壓力過大，焊縫表面焊肉組織不均勻，也會出現斷續性氣孔，焊縫形貌不佳。保護氣體壓力直接影響焊縫質量，保護氣體壓力要根據現場實際焊縫的質量要求進行調整，必須做大量焊接試驗。

4.2.3前后預熱功率

前預熱和后預熱（也稱后退火）功能主要為了消除帶鋼的殘余應力和改善組織性能。前預熱功率與后預熱功率參數不僅影響焊縫質量，而且無法通過QCDS焊縫檢測系統和人工肉眼檢查來辨別，正確設置參數選用對于改善帶鋼焊縫內部性能，尤其是高強鋼硬脆性的降低起著關鍵作用。在冷軋線上所有鋼質激光焊接都需要進行前預熱處理，而高強鋼質的焊接同時需要后預熱裝置的投入，其原因是鋼板碳當量越大，如果沒有后預熱融熔斷面，造成焊縫韌性不足，極易產生焊縫裂紋，造成脆斷，在軋機軋制過程中易斷帶，甚至在酸洗段區域斷帶。

4.3 焊機設備精度對焊縫質量的影響

4.3.1 雙切剪

雙切剪是激光焊機的重要部件之一，雙切剪的安裝精度、修復質量將直接影響焊縫質量的好壞，同時雙切剪的剪刃間隙是否符合標準、磨損量的多少直接影響激光焊機的焊接質量。通常剪刃在使用8000-10000次時，需要利用產線定修擇機進行更換。更換剪刃時候要嚴格按照剪刃更換作業指導書要求，對上線后的剪刃要進行間隙和平直度測量，確保符合要求。帶鋼強度等級高，特別是含碳量高，在剪切過程中，五分之一為剪切，其余帶鋼為撕裂，剪切斷面為凹凸不平，焊接后產生焊縫填不滿，可選用兩次剪切，可以有效改善剪切質量，但兩次焊接后要檢查一次剪刀刃，并及時清理廢邊絲。

4.3.2 輸出鏡及外光路透鏡

激光輸出鏡對焊縫質量非常敏感，隨著輸出鏡使用時間逐漸延長，鏡面受到污染，激光功率將變得不穩定，激光發散角增大，焊縫變粗，帶鋼的下表面容易出現擊不穿現象，造成焊縫下表面焊不透，焊接質量不穩定。通過QCDS系統圖像可顯示穿透率低，或在監視畫面上看到穿透光很弱，甚至無穿透光，此情況當生產厚料時更加明顯。外光路反射鏡的污染同樣也會使功率下降，并對鏡子表面造成損傷，影響焊接質量。針對上述情況，需要制定出激光輸出鏡更換周期和外光路反射鏡的清洗周期。激光源輸出鏡更換周期為1年。外光路反射鏡至少每半年要清潔一次，以此保證激光功率的穩定輸出。

5 結語

本文介紹了馬鋼2130酸軋生產線使用的米巴赫激光焊機，通過介紹QCDS系統以及影響焊縫質量的幾個關鍵因素，能夠有效提升焊縫質量，減少機組焊縫斷帶率及重焊率。同時，米巴赫激光焊機功能精度良好的管控也是保證焊接質量的必要條件之一，焊機是高精度設備，平時需要定期呵護，設備部件更換后要按照作業指導書要求嚴格執行標準，如果設備精度不足，那么焊縫質量將無法保證。文中提到影響焊縫質量的因素是對馬鋼酸軋線近年來的生產經驗總結，通過長期摸索實踐，在焊縫質量把控上提出了幾點方法，確保生產線的穩定高效運行。