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        酸軋機(jī)組中激光焊機(jī)焊縫檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

        2023-10-15 05:39:38供稿王碩
        金屬世界 2023年5期
        關(guān)鍵詞:焊縫檢測質(zhì)量

        供稿|王碩

        內(nèi)容導(dǎo)讀 研究了焊縫檢測系統(tǒng)(QCDS)在冷軋廠酸軋機(jī)組米巴赫激光焊機(jī)上的應(yīng)用,通過QCDS 的技術(shù)檢測手段,加上數(shù)據(jù)分析,現(xiàn)場操作人員可以從焊縫形貌,焊縫真實數(shù)據(jù)等參數(shù)整體上判斷焊縫的質(zhì)量,通過QCDS 數(shù)據(jù)的檢測可以動態(tài)的監(jiān)控焊接參數(shù)的合理性,從而優(yōu)化參數(shù)減少斷帶率。

        生產(chǎn)線主要概況

        我公司冷軋廠引進(jìn)的德國Miebache 激光焊機(jī)在酸洗冷軋聯(lián)合機(jī)組(PLTCM)中作用十分重要,是保證連續(xù)軋制的前提。激光焊機(jī)焊接質(zhì)量的穩(wěn)定決定了機(jī)組運行的穩(wěn)定。通過將焊縫檢測系統(tǒng)(QCDS)應(yīng)用在激光焊機(jī)上,對冷軋2030 mm 機(jī)組生產(chǎn)時焊縫處斷帶進(jìn)行分析,總結(jié)影響焊縫質(zhì)量的主要因素以及改進(jìn)和應(yīng)對措施。

        米巴赫激光焊機(jī)HSL19,允許生產(chǎn)的帶鋼厚度為1.8~6.0 mm,帶鋼寬度為900~1880 mm,可焊接的鋼種(抗拉強(qiáng)度不高于1000 MPa)有:鎮(zhèn)靜鋼、普通低碳鋼、熱軋普鋼(CQ)、沖壓級鋼(DQ)、深沖級鋼(DDQ)、超深沖級鋼(EDDQ)、超超深沖級鋼(SEDDQ)、普碳高強(qiáng)鋼(CQ-HSS)、沖壓高強(qiáng)鋼(DQ-HSS)、DDQ-HSS(深沖高強(qiáng)鋼)、烘烤硬化鋼(BH)、雙向鋼(DP)、相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP)。

        焊縫檢測系統(tǒng)(QCDS)介紹

        QCDS 系統(tǒng)主要包括間隙傳感器、焊縫傳感器、熔透傳感器、EPAC 控制器。

        間隙傳感器

        間隙傳感器包括:正面間隙測量和背光控制兩個單元,用于測量間隙位置和間隙大小。如圖1 所示,圖1(a)可以清晰的看見焊縫及鋼板表面的實況,實時監(jiān)控焊縫焊接時的實際情況;圖1(b)是將焊縫的實際間隙外貌圖進(jìn)行處理,更直觀的反映出焊縫間隙的情況,根據(jù)焊縫的間隙可以判斷出焊接條件是否具備。

        圖1 間隙傳感器焊縫采集及成像:(a)焊縫實際間隙外貌;(b)采集后成像

        焊縫傳感器

        焊縫傳感器采用三角測量原理,實現(xiàn)對焊縫外形的三維特征尺寸的檢測,用于表征焊縫成形質(zhì)量。焊縫傳感器主要檢測指標(biāo)包括:焊縫位置、焊縫寬度、高度差、焊縫余高和咬邊量。如圖2 所示,通過焊縫外形的三維特征尺寸的檢測可以形成焊縫實時外貌圖像,如圖2(a),直觀的監(jiān)控焊縫表面情況;圖2(b)和圖2(c)反應(yīng)焊縫焊接面與鋼板表面的高度差,可以判斷焊縫焊接的是否飽滿、均勻,從而更好的判斷焊接質(zhì)量。

        圖2 焊縫傳感器焊縫檢測圖像:(a)外形圖像;(b)原始圖像;(c)特征處理后圖像

        熔透傳感器

        熔透傳感器安裝于下導(dǎo)向輪正下方,用于在線檢測激光匙孔的熔透情況。通過熔透傳感器,可以直觀觀察到焊縫背面的小孔情況。熔透傳感器的主要檢測指標(biāo)包括:熔透率和匙孔尺寸(寬度及深度)。

        QCDS 系統(tǒng)電氣組成

        如圖3,QCDS-PC and HMI 單元安裝于入口操作室,QCDS Remote PC and HMI 單元安裝于焊機(jī)機(jī)旁操作臺,間隙傳感器、焊縫傳感器和熔透傳感器安裝于焊機(jī)小車上相應(yīng)位置,EPAC Controller and QCDS Control Unite 單元安裝于焊機(jī)機(jī)旁電氣柜內(nèi)與焊機(jī)PLC 的數(shù)據(jù)交互,采用總線接口PROFIBUS/DP。

        圖3 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

        焊縫檢測系統(tǒng)(QCDS)應(yīng)用

        QCDS 系統(tǒng)應(yīng)用過程中難點主要有:為使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確,參數(shù)曲線的閥值需要根據(jù)不同鋼種、不同規(guī)格的材料進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整;焊縫質(zhì)量需要通過焊縫外形形貌、焊縫余高曲線參數(shù)、焊縫高度差參數(shù)曲線、焊縫咬邊量參數(shù)曲線、焊縫熔透率等多項參數(shù)綜合判定。

        不同鋼種的焊機(jī)參數(shù)閾值

        對不同的鋼種、規(guī)格進(jìn)行焊接時,檢測數(shù)據(jù)的閾值范圍必然存在差異,針對不同的鋼種、規(guī)格維護(hù)不同的閾值范圍(表1)是尤其重要的,對焊縫質(zhì)量的判定起到直接作用。

        表1 部分鋼種閾值表

        快速判定焊縫質(zhì)量

        影響焊縫質(zhì)量的因素主要有:原料質(zhì)量,主要包括原料的板形、厚度偏差、化學(xué)成分、表面清潔度等[1];激光焊機(jī)設(shè)備狀態(tài),設(shè)備維護(hù)不到位導(dǎo)致激光功率不足或剪切精度不夠;工藝參數(shù)設(shè)定,參數(shù)設(shè)定不合理導(dǎo)致焊接效果不好。針對這3 方面的原因,可以通過QCDS 系統(tǒng)的檢測元件檢測出焊縫余高、焊縫高度差、激光融透率、間隙寬度、焊縫咬邊等參數(shù),在眾多的參數(shù)數(shù)據(jù)中選擇重點關(guān)注的參數(shù),并且通過一定的方法快速判定焊縫質(zhì)量差是哪方面原因?qū)е碌摹?/p>

        1)原料質(zhì)量

        當(dāng)原料板型邊浪較為嚴(yán)重時,會導(dǎo)致帶鋼兩側(cè)焊接質(zhì)量差,焊縫外形形貌、焊縫余高曲線參數(shù)、焊縫高度差參數(shù)曲線會顯示異常,超出曲線設(shè)定的閾值。

        2)設(shè)備維護(hù)不到位

        從圖4 中可知出現(xiàn)了比較多的熔透率不合格的區(qū)域,影響融透率檢測結(jié)果的因素主要包含:QCDS 熔透率采集光源前鏡片是否污染;激光反射鏡和聚焦鏡是否按時維護(hù)清洗,夾緊臺對接精度是否滿足要求。

        圖4 QCDS 系統(tǒng)監(jiān)控圖像

        3)工藝參數(shù)設(shè)定不合理

        當(dāng)焊縫咬邊量參數(shù)曲線出現(xiàn)較大區(qū)域不合時,一般是由焊縫間隙參數(shù)設(shè)定不合理造成;熔透率曲線出現(xiàn)較大區(qū)域不合時除第2 條設(shè)備原因外,也有可能是激光功率和激光焦點參數(shù)設(shè)定不合理造成。

        針對性的修改焊機(jī)參數(shù)

        通過QCDS 系統(tǒng)可以有針對性的從眾多影響因素中快速找到真正影響焊接質(zhì)量的要素,針對具體影響焊接質(zhì)量的因素對癥下藥,在一定合理范圍內(nèi)修改焊接參數(shù),如操作側(cè)檢測間隙寬度小,可以修改操作側(cè)間隙進(jìn)行重新焊接。

        1)激光焊機(jī)邊浪焊接對策

        簡況:對于2.5 mm 厚度以下的來料嚴(yán)重浪型,QCDS 曲線反饋出焊接過程中浪型的一側(cè)帶鋼無法對齊,導(dǎo)致焊縫質(zhì)量不合。

        對策:(1)首先對于2.5 mm 厚度以下來料嚴(yán)重浪型的鋼卷,在入口應(yīng)該增加剪切量,同時增大直頭機(jī)的插入量;(2)焊接時對于浪型嚴(yán)重的一側(cè)要增加0.01~0.02 mm 的夾緊臺對接間隙;(3)將焊輪壓力提高10%,通過焊輪的下壓減緩浪型的影響從而使得焊接質(zhì)量達(dá)到要求。

        2)激光焊機(jī)高強(qiáng)鋼焊接對策

        簡況:由于高強(qiáng)鋼碳當(dāng)量為0.4%~0.6%,鋼材易于淬硬,焊接性能不好,焊接前需要預(yù)熱,并適當(dāng)使用后加熱,由于DP 鋼含有馬氏體,低屈強(qiáng)比,高伸長率,在激光的小區(qū)域高能量下,比較容易斷裂,后加熱可以擴(kuò)大熱影響區(qū),增加材料的冷卻時間。在這種情況下QCDS 反應(yīng)出焊接高強(qiáng)鋼時會出現(xiàn)熔透率不足的現(xiàn)象。

        對策:(1)焊接QP980 時根據(jù)焊接厚度不同選擇在速度為5.4~6 m/min,焊接QP980 以下級別可以選擇速度5.4~7.2 m/min。(2)焊接QP980 激光焊機(jī)功率選擇12 kW,焊接QP980 以下級別的高強(qiáng)鋼可以選擇11.4~12.0 kW;(3)對接間隙和焊輪壓力根據(jù)來料板型進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整原則是焊接的鋼板到焊接位置時,0.02 mm 的塞尺無法進(jìn)入間隙;(4)3.0 mm QP980:預(yù)熱功率10 kW,退火功率8.75 kW;3.5 mm QP980:預(yù)熱功率10 kW,退火功率10 kW;4.0 mm QP980:預(yù)熱功率10 kW,退火功率11.25 kW;4.5 mm QP980:預(yù)熱功率10 kW,退火功率13.75 kW。(5)如果焊接時發(fā)現(xiàn)兩側(cè)焊接效果不好,中間焊接效果好,是兩側(cè)加熱不足導(dǎo)致的熱影響區(qū)較小導(dǎo)致,可以通過調(diào)整預(yù)熱和退火的開關(guān)時間解決。

        QCDS 系統(tǒng)中曲線異常與設(shè)備運行狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系

        QCDS 穩(wěn)定運行后各個鋼種的參數(shù)值基本波動不大,如果出現(xiàn)批量波動較大時,則焊接設(shè)備狀態(tài)存在問題,需要維護(hù)設(shè)備。

        1)融透率一般20%左右,如果批量融透率低于1%要考慮維護(hù)激光功率輸出后的輸出鏡、反光鏡、聚焦鏡等設(shè)備問題。鏡面污染程度和激光功率有直接關(guān)系,如下式描述。

        式中,?f為鏡面污染程度,A為透鏡吸收率,P為激光功率,f為透鏡焦距,K為透鏡導(dǎo)熱系數(shù),R為透鏡處光束半徑,dn/dT表示透鏡折射率隨溫度變化系數(shù)。透鏡表面受污染程度越嚴(yán)重,對激光的吸收率就越大,透鏡本身越容易發(fā)熱膨脹,從而影響透鏡焦距[2]。

        2)出現(xiàn)批量焊縫間隙異常時,首先考慮夾緊臺間隙調(diào)整問題,其次考慮剪刃磨損導(dǎo)致精度不夠。通過打點測試的方法檢測出偏移量,利用夾緊臺橫向補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。如果在驅(qū)動側(cè)和操作側(cè)只有一側(cè)偏移或者兩側(cè)偏移的方向相反,則證明需要調(diào)節(jié)焊接間隙,通過調(diào)整夾緊臺的橫向移動的補(bǔ)償量。如果驅(qū)動側(cè)和操作側(cè)兩側(cè)都偏移同一個方向,則證明需要調(diào)節(jié)聚光鏡,通過百分表檢測,旋鈕旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)聚光鏡的力臂。

        焊縫檢測系統(tǒng)(QCDS)應(yīng)用效果

        將QCDS 系統(tǒng)應(yīng)用在激光焊機(jī)上,發(fā)揮了良好的焊接優(yōu)勢,降低了斷帶率,焊縫的整體斷帶率由之前的0.5%降至小于0.2%;重焊率由10%減少至2%,通過QCDS 系統(tǒng)的合理運用,酸軋產(chǎn)線機(jī)時產(chǎn)量也有所提升,達(dá)到設(shè)計產(chǎn)能。

        結(jié)束語

        運用QCDS 技術(shù)手段,科學(xué)的應(yīng)用到焊縫質(zhì)量的判定中,從而保證焊接質(zhì)量:

        (1)QCDS 參數(shù)曲線可以判定焊縫質(zhì)量及焊縫缺陷的原因,原料板形缺陷、焊縫間隙大小不合適、激光融透率不夠、剪切質(zhì)量不好等。

        (2)QCDS 參數(shù)曲線直觀的判定焊縫質(zhì)量結(jié)果,曲線判定閥值維護(hù)在合理范圍內(nèi),超出閥值的曲線,系統(tǒng)自動判定,并且鎖定超出閥值的區(qū)域。

        (3)QCDS 系統(tǒng)中曲線異??梢员O(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)。

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