王 睿，王立偉，張軍偉，高忠林

（1.河北工業(yè)大學 控制科學與工程學院，天津 300130；2.天津七所高科技有限公司，天津 300409）

0 前言

我國經濟建設發(fā)展迅速，對鍍鋅鋼板的需求量很大，各大鋼鐵企業(yè)紛紛加大引進先進技術的投入力度，寶鋼、鞍鋼、包鋼等一批具有國際先進水平的冷軋帶鋼連續(xù)電鍍鋅生產線相繼投產。電鍍鋅生產線是將經冷連軋機組軋制再經過退火后的板卷，進入電鍍鋅機組，其鍍鋅工藝過程如下：上料-開卷-切頭-焊接-活套-預脫脂-電解脫脂-刷洗-浸漬水洗-電解酸洗表面活化-酸洗后水洗-電鍍鋅-鍍后水洗-熱風烘干-電解鈍化（磷化處理）-浸漬回收-水洗+新鮮水洗-烘干（靜電涂油）-活套-品質檢查-剪切-卷取-卸卷-包裝。其中所采用的焊接方法是激光焊接。在此主要介紹應用于冷軋連續(xù)鍍鋅生產線上的激光焊機，研究分析焊機各部分組成及其控制原理。

1 鍍鋅生產線激光焊機總體結構

激光焊接的優(yōu)勢[1-2]：

（1）激光焊接工藝成熟，能提高焊接質量，其焊接接頭強度高，可以達到與母材等強度。

（2）激光焊接設備性能穩(wěn)定、重復性好、可靠性高，焊接接頭斷帶率極低。

（3）由于激光焊接的焊縫平整，直接過軋機而不會劃傷張力輥和軋輥，提高板表面質量；對于張力重卷機組，不需要抬輥，從而可以使冷軋的成材率進一步提高。

連續(xù)鍍鋅生產線上的激光焊機機械結構如圖1所示。

圖1 激光焊機機械結構

首帶鋼停止在激光焊機的出口側，出口對中夾具2和出口對中夾具1夾緊鋼板，進行生產線的方向對中。出口固定夾夾緊完成對中的鋼板，通過剪切頭切首帶鋼的尾部（光路開關轉向剪切頭）。尾帶鋼停止在激光焊機的入口側，入口對中夾具2和出口對中夾具1夾緊鋼板，進行生產線的方向對中，入口活動夾夾緊完成對中的鋼板，剪切頭由出口側移到入口側，通過剪切頭切尾帶鋼的頭部。由伺服電機控制定縫刀的位置，調整鋼帶之間的間隙，為焊接做準備。由氣缸帶動入口活動夾具向前移動，使尾帶鋼?？吭跍蕚浜附拥奈恢?。由激光器發(fā)出激光對帶鋼進行焊接（光路開關轉向焊接頭），在焊接過程中，焊接頭沿著x方向運動，通過伺服電機控制焊接速度。

鍍鋅生產線激光焊機總體結構如圖2所示。

2 CO2激光焊接原理

激光焊接的基本原理是：利用氣體（如CO2）或固體（如Nd：YAG）激光器諧振腔輸出激光束，激光束經過光學系統(tǒng)進行聚焦，產生高能量和高密度的熱源，使金屬熔化來進行焊接。鍍鋅生產線采用CO2平板激光焊機，CO2激光器是振動-轉動分子激光器的代表。它的工作氣體是CO2、N2和He的混合物。原子里的電子保留在基態(tài)。激光躍遷發(fā)生在CO2的不同振動態(tài)的兩個轉動能級之間，CO2激光器效率高、輸出能量大、功率高[3]。

圖2 鍍鋅生產線激光焊機總體結構

2.1 激光器的工作原理[4]

激光躍遷可發(fā)生在 0001→1000（λ=10.6 μm）和00011→1200（λ=9.6 μm）兩個過程中。 但輸出激光主要發(fā)生在0001→1000過程中。泵浦主要通過下面兩個過程：

（1）電子碰撞激發(fā)。

電子碰撞激發(fā)過程表示為

與這類過程相對應的電子碰撞截面非常大。當電子能量為 0.3 eV 時，峰值截面為 5×10-10cm2。 受到電子碰撞后被激發(fā)到高振動激發(fā)態(tài)的CO2分子中很大一部分將通過振動模與振動模之間的能量轉換，從激發(fā)態(tài)沿著能量階梯躍落下來，很容易被長壽命的0001能級收集。

（2）N2分子的共振能量轉移。

電子碰撞激發(fā)N2的振動能級的總截面很大。電子能量為2.5 eV 時，σ=3×10-16cm2。 這些被激發(fā)的很大一部分分子將被υ=1能級與CO2的0001能級僅相差18 cm-1（≈2.5×10-3eV），因此，N2與CO2的基態(tài)分子發(fā)生碰撞時，N2將激發(fā)能量轉移給CO2分子，使之激發(fā)到0001能級；少許不足的能量由減少的分子總能量來補償。這個過程可表示為

（3）CO2激光器的結構。

CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學玻璃或光學石英，經加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，在波長 10.6 μm 處的反射率達 98.8%，且化學性質穩(wěn)定。CO2發(fā)出的光為紅外光。所以反射鏡需要應用透紅外光的材料，因為普通光學玻璃對紅外光不透。要求在全反射鏡的中心開一小孔，再密封上一塊能透過10.6 μm激光的紅外材料以封閉氣體。這就使諧振腔內激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光[5]。其結構如圖3所示。

圖3 CO2激光器結構

CO2激光器板條式光束傳輸系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 CO2激光器板條式光束傳輸系統(tǒng)

3 CO2激光焊機系統(tǒng)分析

3.1 CO2激光焊機的光路分析

由于薄板材的不平整，薄板材在焊接之前需要進行切頭去尾的處理工作，本臺激光焊機由激光對板材進行切頭去尾，這樣焊機包括一個激光頭和一個剪切頭。激光頭負責焊接，剪切頭負責切頭去尾。規(guī)定生產線的方向為x軸，過程梁的方向為y軸，與x，y軸垂直的方向為z軸，剪切頭的豎直方向為z1軸，焊接頭的豎直方向為z2軸。光束由激光器發(fā)出，經過過程梁y軸到達彎曲平面鏡1，彎曲平面鏡1將光路進行轉換，調整光路方向沿著生產線的方向x軸到達光路開關；光路開關控制光束是去往剪切頭還是去往焊接頭，如果去往剪切頭，光束經過彎曲平面鏡2改變方向，使光束沿著剪切頭的豎直方向z1軸，光束通過可調整的透鏡聚焦，用于薄鋼板的頭尾的剪切；如果去往焊接頭，光束經過彎曲平面鏡3改變方向，使光束沿著焊接頭的豎直方向z2軸，光束通過拋物柱面反射鏡聚焦，用于薄鋼板的焊接，其光束的路徑如圖5所示。

圖5 激光光束的路徑

3.2 CO2激光焊機的伺服系統(tǒng)

CO2激光焊機的伺服系統(tǒng)相當復雜，由14個SIEMENS-1FK7伺服電機組成。SIEMENS-1FK7電機相當緊湊，屬于永磁同步電機，電機內部配有減速箱和旋轉編碼器。變頻器采用SIEMENS-611U，該變頻系統(tǒng)可以配合使用多種不同的驅動系統(tǒng)，并且很容易地對它們進行適配，以滿足必要的驅動性能和機器軸數。CO2激光焊機的伺服系統(tǒng)共配備了七個SIEMENS-611U變頻器。各個伺服電機的具體功能如表1所示。

4 結論

采用高功率CO2激光器進行焊接，對焊接速度以及焊縫性能、質量要求高的場合能獲得很好的效果。它具備其他焊接方法無法比擬的優(yōu)越性，能夠顯著提高軋制線焊縫可靠性以及降低斷帶率。隨著我國市場需求的不斷變化和競爭的日趨激烈，越來越多的冷軋生產線將使用先進的激光焊接技術，加快大功率激光焊機的產業(yè)化工作，使我國鋼鐵工業(yè)的裝備水平躍上一個新的臺階。

表1 CO2激光焊機系統(tǒng)的伺服電機功能

[1]孫忠明，蘭永明.1420 mm酸-軋聯合機組激光焊接技術[J].軋鋼，1997，4（2）:70-72.

[2]沈惠塘.焊接技術與高招[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[3]游德勇.高向東.激光焊接技術的研究現狀與發(fā)展[J].焊接技術，2008，37（4）:5-9.

[4]李相銀.激光原理技術及應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

[5]呂百達.激光光學光束描述、傳輸變換與光腔技術物理[M].北京：高等教育出版社，2003.