供稿|齊程軍, 劉玉麟, 謝 磊, 王鵬昊/ QI Cheng-jun, LIU Yu-lin, XIE Lei, WANG Peng-hao

引 言

現代鋼鐵行業(yè)中，為提高生產效率，酸軋聯合機組絕大多數為連續(xù)式酸洗和軋制，而實現連續(xù)軋制的必要條件便是帶鋼必須無間斷地進入酸槽和軋機機架中。其中最關鍵的一臺設備——焊機，便是將每一卷的帶頭帶尾焊接起來，形成為一條貫穿整條生產線的帶鋼，實現連續(xù)式生產。

設備簡介

激光焊機在冷軋廠的應用是很廣泛的，幾乎所有的酸軋線機組采用的焊接設備都是激光焊機。我廠酸軋線目前使用的激光焊機為二氧化碳激光焊機，可焊接厚度范圍為1.8～6.0 mm，寬度范圍900～2080 mm的低碳鋼、高碳鋼、IF鋼和TRIP鋼等多個鋼種。

激光焊機組主要組成有：(1)雙切剪，對帶頭帶尾進行精確剪切；(2)出入口夾緊臺，焊接時夾持住帶頭帶尾，使其準確對齊；(3)激光系統(tǒng)，產生高強激光作用在帶鋼上實現焊接。另外，還有出入口4點對中裝置、出入口夾送輥、出入口活套、月牙剪、冷卻水系統(tǒng)、激光氣體系統(tǒng)、QCDS等等。

激光焊接原理

激光焊接一般存在兩種模式：激光熱傳導焊接和激光深熔焊接。這兩種焊接模式主要區(qū)別在于激光帶鋼表面的功率密度大小，其根本區(qū)別如下。

熱傳導模式。激光在帶鋼表面便被吸收，然后通過熔融后的金屬的熱傳導將熱量傳向工件內部，進而熔化區(qū)不斷擴大形成焊縫。該模式中，金屬材料主要是被熔化，不發(fā)生明顯汽化，所得焊縫熔深較小，焊縫寬度較大。

激光深熔焊接是以材料汽化效應為主的過程。激光作用在帶鋼表面，迅速被材料吸收并產生劇烈汽化，從而在液態(tài)熔池中形成一個“小孔”，使光束可以通過“小孔”內的蒸汽直接照射到“小孔”底部，連續(xù)形成汽化過程。這些蒸汽同時也被加熱到超汽化溫度，形成熱電離，這種電離以指數級增長，形成金屬蒸汽及保護氣體的等離子體，從而在“小孔”內形成了金屬蒸汽和等離子體的混合熱氣體。這些熱混合氣體在“小孔”內壁與液態(tài)的金屬熔池交換熱量，形成進一步的熔池，而熱混合氣體的壓力及波動又使得熔池產生流動，進一步影響熔池的形成。圖1是這種基于“小孔”效應的激光深熔焊過程示意圖[1]。

圖1 基于“小孔”效應的激光深熔焊過程示意圖

焊縫質量影響因素

從激光焊機在酸軋機組中的工作性質來看，其工作穩(wěn)定性直接影響到機組的穩(wěn)定運行，進而影響到生產效率。在帶鋼生產過程中，我們要求的是帶鋼的全連續(xù)式酸洗和軋制。由于各種原因，不可避免地要發(fā)生斷帶事故，導致生產線停車。斷帶有時出現在焊縫以外的帶鋼上，有時出現在焊縫上。導致焊縫斷帶的原因很多，大多數為焊接效果不好。而影響焊接效果的主要因素有：(1)雙切剪等機電設備對焊縫質量的影響；(2)焊接參數設定不合理對焊縫質量的影響；(3)輸出鏡及外光路對焊縫質量的影響；(4)保護氣體對焊縫質量的影響；(5)原料質量對焊縫質量的影響。經過近四年的觀察與經驗積累，上述5種因素所占比例如下圖2。

圖2 焊縫質量影響因素所占比列

由于原料缺陷導致的焊縫質量問題所占比列達到15%，因此在做好激光焊機設備維護、工藝參數優(yōu)化方面的努力之外，嚴格控制好生產線原料質量，可以大大降低焊縫斷帶事故，進而提高生產效率。

原料質量及其對焊縫質量的影響

原料質量主要包括原料板形、原料的厚度偏差、原料的化學成分、原料的表面清潔度等。

原料板形

原料板形缺陷主要表現為橫向邊浪、中浪和縱向波浪。雖然夾緊臺夾持板可初步消除這些缺陷，但在實際生產中，仍舊發(fā)現很多焊縫撕裂與板形不良密切相關。當這些缺陷存在時，帶鋼邊沿定位輪和焊輪碾壓過時，會導致缺陷邊界處原料組織“跑動”量與其他部分稍有差別，使得雙切剪剪切后的出口斷面和入口斷面不再平行，呈現凹凸不平的斷面，兩斷面對接后的縫隙不再處處為零，縫隙較大處的熔池出現漏液，最終表現為該處的焊縫上表面不飽滿。一旦某一處的不飽滿程度較大或者不飽滿處位于帶鋼邊部又沒有被剪切掉，焊縫便很有可能在此處撕開，出現斷帶。另外，板形缺陷還會造成帶頭帶尾焊接前的錯層，最終出現質量很差的焊縫。圖3為帶頭帶尾錯層。

圖3 帶頭帶尾錯層側視圖

原料的厚度偏差

原料的厚度偏差可以理解為兩個方面。一是帶頭和帶尾厚度差超過30%或者超過1 mm，這已經超出了激光焊機的工作能力；二是帶頭或者帶尾本身由于酸軋上道工序生產不正常造成的橫向方向上厚度不均勻，如帶尾二級顯示厚度為3 mm，焊接之前焊機已經自動生成了一套適合于3 mm厚度帶鋼的焊接參數，但由于驅動側邊部厚度達到了3.3 mm，這就會使得驅動側邊部焊接效果不好，如焊不透、焊縫上下表面不飽滿等等。對于低碳鋼來說，原料的厚度偏差大可能不是什么問題，可對于高強鋼或者特種鋼來說一般是很危險的，很容易造成斷帶事故。

原料的化學成分

原料的化學成分也分為兩種。一是帶鋼實際化學成分中某一化學元素超標。下面以我廠生產的一種高強度汽車板鋼種為例，說明化學元素超標的危害。雙相鋼CR340/590DP，其鋼的顯微組織為鐵素體和馬氏體，馬氏體以島狀彌散分布在鐵素體基體上，具有較好的成形性能和較高強度。屈服強度為340～460 N/mm2，抗拉強度為590 N/mm2以上。其化學成分見下圖4。

圖4 雙相鋼化學成分參考值

由上圖可知CR340/590DP要求含Si元素的質量分數為≤0.80%，可由于煉鋼等工藝的問題導致Si元素含量大大超標，達到2.2%，超過規(guī)定含量的1倍還多，這給激光焊機的焊接造成了非常大的影響。專家們曾研究過Si合金鋼的焊接特性，他們發(fā)現焊縫呈現不致密性的缺陷，而Si元素是以單質Si的形式存在于焊縫中的。因此一旦鋼板內部Si元素含量過大，其不致密性更加明顯[4]。焊接后，QCDS系統(tǒng)顯示焊縫合格，人工目視檢查焊縫也合格，可幾乎每條被釋放后的焊縫進入軋機后會斷開。后采用杯凸實驗的方法來檢查焊縫，發(fā)現焊縫內部呈現蜂窩狀，存在很多的球形空間，這些球形空間大大削弱了焊縫的強度，從而導致斷帶。專家們對Si合金鋼的焊接特性研究結果發(fā)現焊縫呈現不致密性的缺陷，而Si元素是以單質Si的形式存在于焊縫中的。因此一旦鋼板內部Si元素含量過大，其不致密性更加明顯，甚至呈現蜂窩狀，見圖5。另一個化學成分問題便是某一化學元素在帶鋼橫向或者縱向上分布不均勻。含碳量是區(qū)分鋼種的一個重要指標，最簡單的是我們可以根據含碳量的多少來將鋼種分為低碳鋼、普通碳鋼、高強鋼等等。對于不同含碳量的鋼種，激光焊機工藝方面要選擇不同的焊接參數，但是如果帶鋼內部橫向含碳量不均勻，即某一段或者某一點含碳量較高，那么該處焊縫的質量就要大打折扣，焊縫很有可能在此處首先斷開。

圖5 蜂窩狀焊縫

原料的表面清潔度

原料的表面清潔度指的是進入焊機的帶鋼頭尾的表面氧化層、氧化鐵粉、灰塵、油污、水及其他雜物的含量。表面清潔度對激光焊接的影響是很大的。如帶鋼表面含有灰塵或氧化鐵粉，焊接時，這些顆粒會進入熔池內部，之后形成了焊縫內部夾渣，大大降低了焊縫的強度。如帶鋼表面有油污，油膜在激光熱量的作用下迅速氣化，產生的氣體不斷地進入到熔池中，焊縫冷卻時無法及時排出，導致焊縫表面或者內部存在氣泡大大影響了焊縫的質量。圖6為焊縫表面氣泡。

圖6 焊縫表面氣泡

結束語

影響激光焊機焊接效果的因素既多且復雜，而原料質量在這些因素中所占的比重較大，因此，我們必須提高對原料質量的關注度，嚴格控制原料質量。這樣可大大提高焊接成功率，從而提高機時產量。

[1] 段愛琴. CO2激光深熔焊不穩(wěn)定穿孔過程特征與相關機理研究. 武漢: 華中科技大學, 2006