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)。