基于電阻焊機增加激光焊接功能的技術創新與應用

楊曉雯

（河鋼邯鋼冷軋廠，河北 邯鄲 056000）

0 引言

邯鋼冷軋廠2 號熱鍍鋅線采用美國Taylor 公司的窄搭接雙焊輪電阻焊機來對鋼板頭尾進行焊接以實現連續生產。自2014 年投產以來，焊縫斷帶時有發生，斷帶次數達到20 次/a 以上，多數是發生在加熱爐爐熱張力輥處及氣刀、塔頂轉向輥處，斷帶造成的停機、鋼卷廢品、損壞傳動輥及糾偏類設備對產線的各項生產指標造成了較嚴重的影響[1-2]。

產線設計焊接極限厚度為普碳鋼3.0 mm，鋼種主要為Q195-Q345、SPHC、HSQ。因市場需求拓展，目前產線生產的鋼種增加SGH440、SGH490、S350GD+Z、S550GD+Z 等高強度鋼種，厚度極限規格已拓展到普碳鋼4.85 mm，帶鋼厚度3.0 mm 以上規格占總產量50%以上。針對目前2 號熱鍍鋅線產品結構，有必要對厚規格生產的原電阻焊機增加激光焊接功能。改造后的焊機具備電阻焊和激光焊的雙重焊接功能，對于厚度大于2.5 mm 的帶鋼采用激光焊接，厚度小于2.5 mm 的帶鋼采用電阻焊接，能夠有效解決厚規格斷帶問題，為產線提速提產增效提供設備保障。

1 電阻焊機設備構造

泰勒焊機主體為C 型小車，位于平滑的軌道上，設備構成主要包括：

1）焊輪機構：包括刷輪、碾壓輪、焊機電極輪。

2）對中裝置：包括前、后對中夾持板、前后對中立輥、入口起套輥等。對中裝置主要作用是把前行帶鋼的尾部和后行帶鋼的頭部夾緊，中心位置對齊或邊部對齊，后行帶鋼頭部與前行帶鋼尾部形成搭接，配合完成焊機的剪切和焊接工作。

3）沖孔裝置：結合焊縫檢測裝置對帶鋼位置跟蹤。

4）控制系統：西門子S7-300 系列PLC 為核心的分布式I/O 控制系統。

5）輔助動力系統：包括氣動系統、液壓系統、供電系統、冷卻系統。

窄搭接縫焊原理基于電阻滾壓焊原理，其物理過程是：在兩塊鋼板搭接處形成電阻，通過滾動的電極輪將電流施于帶鋼做功發熱，當熱量不斷積聚致使搭接局部的金屬熔融結合，從而實現焊接。

2 激光焊機的選型及安裝

激光焊接是利用激光的輻射能量來實現有效焊接的工藝，其工作原理是：通過特定的方式來激勵激光活性介質（CO2、He 和N2三種氣體的混合氣體），使其在諧振腔內往復振蕩，從而形成受激轄射光束，當激光光束與工件接觸時，其能量被工件吸收，使溫度達到材料的熔點進行焊接[3]。激光聚焦光斑面積小，能量密度大，焊縫周圍的熱影響區也比普通焊接工藝小得多，由于激光光束能量密度大，焊接過程中，金屬被加熱和冷卻的速度非常快。

激光焊機的組成包括激光發生器、激光光束導向裝置、激光焊接頭。新增激光焊接頭通過固定板安裝在焊機小車C 型框架上，跟隨小車同步移動，選用ND=60 mm 擺動焊接頭及氣刀側吹保護，保護氣選用惰性氣體，考慮到經濟適用性，選用氮氣進行焊縫保護。氮氣保護氣可同時起到保護焊縫被氧化和抑制激光等離子體產生的作用，為限制等離子體的產生，一般控制氮氣流速為20～30 L/min。搭配高功率連續光纖激光器RFL-C6000X，最大輸出功率可達6 kW。

激光焊機對設備精度要求比窄搭接焊機高，其優點：熱輸入量小、深寬比大，因此熱影響區小，工件收縮和變形較小；焊接具有連續性和可重復性；焊道窄且表面質量好，焊縫強度高；對于準確定位的焊縫易于實現自動化；可實現異種材料的焊接；激光束控制比較靈活，柔性大，能夠焊接其他焊接方法難以達到的位置；焊接速度通常比其他焊接工藝快；某些情況下可減少后處理工序（如焊縫的清理）。缺點：焊接淬硬性材料時易形成硬脆接頭；相對其他焊接工藝成本高；對工件的裝配、夾持及激光束的準確調整要求相對較高[4-5]。

3 雙重焊接模式控制系統

激光焊接不依靠窄搭接電阻焊機的系統，由其獨立的PLC 控制系統及執行機構完成焊接。PLC 控制系統選用西門子S7-300，與窄搭接焊機PLC 通過Profibus-DP 接口連接，新焊機控制器帶有和PLC 連接的I/O 接口，設備功率、光斑、焊接數據等通過系統可預設并自動控制，將選擇模式、小車是否處于行走狀態、焊接時小車速度300 mm/min、焊接完成等數字變量通過系統傳給原有焊機PLC 及產線。西門子S7-300 系列PLC 為核心的分布式I/O 控制系統，通過Profibus 總線通信，實現了伺服電動機位置和速度、功率參數設定和反饋的閉環控制。在上位機HMI監控系統中根據不同帶鋼型號設定不同焊接參數，并顯示焊接過程重要參數的監控和報警信息。焊接原理示意圖如圖1 所示。

圖1 焊接原理示意圖

4 雙焊接模式試驗參數及焊接效果

在操作控制箱上，設有激光焊接或窄搭接電阻焊模式選擇開關，原有的焊接電極和設備功能保持不變，實現帶鋼間零搭接。當選擇激光焊接模式時，小車由PARK 向操作側移動，激光出光進行焊接。

生產人員在調試過程中記錄不同厚度帶鋼焊接試驗參數，對比激光焊機與窄搭接焊機的杯凸結果，檢驗焊縫質量，并總結不同規格使用激光焊機時的經驗參數及焊接方式。電阻焊接與激光焊接杯凸結果對比如圖2 所示。

圖2 電阻焊接與激光焊接杯凸結果對比

由圖1 可知，電阻焊接3.4 mm 厚度帶鋼焊縫處橫向開裂，不符合焊接要求。激光焊接效果較好，沒有出現橫向和縱向裂紋，能夠滿足生產中厚規格張力大的焊縫強度要求，減少焊縫開裂的斷帶停車事故。激光焊機的激光焊接模式屬于深熔焊，能夠完全焊透鋼板，對于2 號熱鍍鋅工序使用的原料鋼板板厚極限規格可達4.85 mm，焊接速度快，能夠滿足熱鍍鋅機組連續生產的要求。表1 為測試2.75～4.0 mm 厚規格帶鋼激光焊接的部分試驗參數，激光焊機對厚規格帶鋼焊接能力優于電阻焊機，避免了窄搭接焊機厚規格人工補焊，焊縫質量較為穩定。

表1 激光焊機焊接參數

輸出功率是影響激光焊接質量的關鍵因素，功率大會導致焊透，功率小則會導致焊接不牢靠、焊縫強度小等問題。由表1 可知，不同規格對應不同的輸出功率和熔池寬度、深度，熔池寬、深度與輸出功率選擇成正比關系。3.25 mm 以下帶鋼輸出功率一般不能超過4 000 W，3.25 mm 以上帶鋼輸出功率范圍在4 000～5 000 W 之間選擇，焊縫良好。焊接功率大，則出光便會分散，焊接位置的溶池深、寬度相對較大。將焊接電流熱量調節至最大允許值，溶池深、寬度達到板帶焊接可允許的最大允許范圍時，焊接效果最佳，以填補設備精度不足造成的影響。碾壓力值一般選擇2 500 N，可以在焊接之前將帶頭帶尾緊緊貼合，產生接觸面形變。預碾壓力設定越大，帶鋼直線度越好，焊接質量越好。當選用搭接方式焊接時，選擇搭接量不宜過大，且搭接量越小焊接質量越好。當選用對接方式焊接時，頭尾錯層及重合度值≤0.05 mm，窄搭接焊機設備精度很難達到激光焊接的要求，導致焊接質量較差。綜合分析得出以下結論：當采用微小搭接加大碾壓力的焊接方式時，3.25 mm 以上厚規格帶鋼輸出功率范圍在4 000～5 000 W 之間選擇，合理選擇輸出功率設定值，焊接質量最好。積累經驗焊接數值，對于焊縫質量穩定及產線連續生產具有重要意義。

激光焊機焊縫質量及可靠性優于電阻焊機，減少了人工檢查焊縫時間，降低了降速次數及斷帶事故次數30%。產線有效壓減厚規格生產事故時間50%以上，熱鍍鋅線有效作業率由2020 年的97.15%提升至2023年的99.75%。2020—2022 年產線厚規格降速停車及產線作業率統計情況如表2 所示。

表2 2020—2022 年產線厚規格降速停車及產線有效作業率統計表

5 結語

該項目實現了兩個焊機西門子PLCS7-300 系統、焊機控制器的模式切換，數據傳輸控制穩定可靠，保持了焊機之前原有的完整功能，操作人員按原有的操作習慣進行操作。激光焊接功能改造后，能有效解決厚規格斷帶問題，提高焊機的焊接能力，升級后的焊機為厚板帶連續生產、降低斷帶次數提供可靠設備保障。