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(hào)熱鍍鋅線采用美國(guó)Taylor 公司的窄搭接雙焊輪電阻焊機(jī)來(lái)對(duì)鋼板頭尾進(jìn)行焊接以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。自2014 年投產(chǎn)以來(lái)，焊縫斷帶時(shí)有發(fā)生，斷帶次數(shù)達(dá)到20 次/a 以上，多數(shù)是發(fā)生在加熱爐爐熱張力輥處及氣刀、塔頂轉(zhuǎn)向輥處，斷帶造成的停機(jī)、鋼卷廢品、損壞傳動(dòng)輥及糾偏類設(shè)備對(duì)產(chǎn)線的各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)造成了較嚴(yán)重的影響[1-2]。

產(chǎn)線設(shè)計(jì)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(chǎng)需求拓展，目前產(chǎn)線生產(chǎn)的鋼種增加SGH440、SGH490、S350GD+Z、S550GD+Z 等高強(qiáng)度鋼種，厚度極限規(guī)格已拓展到普碳鋼4.85 mm，帶鋼厚度3.0 mm 以上規(guī)格占總產(chǎn)量50%以上。針對(duì)目前2 號(hào)熱鍍鋅線產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有必要對(duì)厚規(guī)格生產(chǎn)的原電阻焊機(jī)增加激光焊接功能。改造后的焊機(jī)具備電阻焊和激光焊的雙重焊接功能，對(duì)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(guī)格斷帶問(wèn)題，為產(chǎn)線提速提產(chǎn)增效提供設(shè)備保障。

1 電阻焊機(jī)設(shè)備構(gòu)造

泰勒焊機(jī)主體為C 型小車，位于平滑的軌道上，設(shè)備構(gòu)成主要包括：

1）焊輪機(jī)構(gòu)：包括刷輪、碾壓輪、焊機(jī)電極輪。

2）對(duì)中裝置：包括前、后對(duì)中夾持板、前后對(duì)中立輥、入口起套輥等。對(duì)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(duì)齊或邊部對(duì)齊，后行帶鋼頭部與前行帶鋼尾部形成搭接，配合完成焊機(jī)的剪切和焊接工作。

3）沖孔裝置：結(jié)合焊縫檢測(cè)裝置對(duì)帶鋼位置跟蹤。

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

5）輔助動(dòng)力系統(tǒng)：包括氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。

窄搭接縫焊原理基于電阻滾壓焊原理，其物理過(guò)程是：在兩塊鋼板搭接處形成電阻，通過(guò)滾動(dòng)的電極輪將電流施于帶鋼做功發(fā)熱，當(dāng)熱量不斷積聚致使搭接局部的金屬熔融結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)焊接。

2 激光焊機(jī)的選型及安裝

激光焊接是利用激光的輻射能量來(lái)實(shí)現(xiàn)有效焊接的工藝，其工作原理是：通過(guò)特定的方式來(lái)激勵(lì)激光活性介質(zhì)（CO2、He 和N2三種氣體的混合氣體），使其在諧振腔內(nèi)往復(fù)振蕩，從而形成受激轄射光束，當(dāng)激光光束與工件接觸時(shí)，其能量被工件吸收，使溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)進(jìn)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(qū)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(guò)程中，金屬被加熱和冷卻的速度非?？?。

激光焊機(jī)的組成包括激光發(fā)生器、激光光束導(dǎo)向裝置、激光焊接頭。新增激光焊接頭通過(guò)固定板安裝在焊機(jī)小車C 型框架上，跟隨小車同步移動(dòng)，選用ND=60 mm 擺動(dòng)焊接頭及氣刀側(cè)吹保護(hù)，保護(hù)氣選用惰性氣體，考慮到經(jīng)濟(jì)適用性，選用氮?dú)膺M(jìn)行焊縫保護(hù)。氮?dú)獗Ｗo(hù)氣可同時(shí)起到保護(hù)焊縫被氧化和抑制激光等離子體產(chǎn)生的作用，為限制等離子體的產(chǎn)生，一般控制氮?dú)饬魉贋?0～30 L/min。搭配高功率連續(xù)光纖激光器RFL-C6000X，最大輸出功率可達(dá)6 kW。

激光焊機(jī)對(duì)設(shè)備精度要求比窄搭接焊機(jī)高，其優(yōu)點(diǎn)：熱輸入量小、深寬比大，因此熱影響區(qū)小，工件收縮和變形較?。缓附泳哂羞B續(xù)性和可重復(fù)性；焊道窄且表面質(zhì)量好，焊縫強(qiáng)度高；對(duì)于準(zhǔn)確定位的焊縫易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；可實(shí)現(xiàn)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(dá)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(diǎn)：焊接淬硬性材料時(shí)易形成硬脆接頭；相對(duì)其他焊接工藝成本高；對(duì)工件的裝配、夾持及激光束的準(zhǔn)確調(diào)整要求相對(duì)較高[4-5]。

3 雙重焊接模式控制系統(tǒng)

激光焊接不依靠窄搭接電阻焊機(jī)的系統(tǒng)，由其獨(dú)立的PLC 控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成焊接。PLC 控制系統(tǒng)選用西門子S7-300，與窄搭接焊機(jī)PLC 通過(guò)Profibus-DP 接口連接，新焊機(jī)控制器帶有和PLC 連接的I/O 接口，設(shè)備功率、光斑、焊接數(shù)據(jù)等通過(guò)系統(tǒng)可預(yù)設(shè)并自動(dòng)控制，將選擇模式、小車是否處于行走狀態(tài)、焊接時(shí)小車速度300 mm/min、焊接完成等數(shù)字變量通過(guò)系統(tǒng)傳給原有焊機(jī)PLC 及產(chǎn)線。西門子S7-300 系列PLC 為核心的分布式I/O 控制系統(tǒng)，通過(guò)Profibus 總線通信，實(shí)現(xiàn)了伺服電動(dòng)機(jī)位置和速度、功率參數(shù)設(shè)定和反饋的閉環(huán)控制。在上位機(jī)HMI監(jiān)控系統(tǒng)中根據(jù)不同帶鋼型號(hào)設(shè)定不同焊接參數(shù)，并顯示焊接過(guò)程重要參數(shù)的監(jiān)控和報(bào)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(yàn)參數(shù)及焊接效果

在操作控制箱上，設(shè)有激光焊接或窄搭接電阻焊模式選擇開(kāi)關(guān)，原有的焊接電極和設(shè)備功能保持不變，實(shí)現(xiàn)帶鋼間零搭接。當(dāng)選擇激光焊接模式時(shí)，小車由PARK 向操作側(cè)移動(dòng)，激光出光進(jìn)行焊接。

生產(chǎn)人員在調(diào)試過(guò)程中記錄不同厚度帶鋼焊接試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)比激光焊機(jī)與窄搭接焊機(jī)的杯凸結(jié)果，檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量，并總結(jié)不同規(guī)格使用激光焊機(jī)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及焊接方式。電阻焊接與激光焊接杯凸結(jié)果對(duì)比如圖2 所示。

圖2 電阻焊接與激光焊接杯凸結(jié)果對(duì)比

由圖1 可知，電阻焊接3.4 mm 厚度帶鋼焊縫處橫向開(kāi)裂，不符合焊接要求。激光焊接效果較好，沒(méi)有出現(xiàn)橫向和縱向裂紋，能夠滿足生產(chǎn)中厚規(guī)格張力大的焊縫強(qiáng)度要求，減少焊縫開(kāi)裂的斷帶停車事故。激光焊機(jī)的激光焊接模式屬于深熔焊，能夠完全焊透鋼板，對(duì)于2 號(hào)熱鍍鋅工序使用的原料鋼板板厚極限規(guī)格可達(dá)4.85 mm，焊接速度快，能夠滿足熱鍍鋅機(jī)組連續(xù)生產(chǎn)的要求。表1 為測(cè)試2.75～4.0 mm 厚規(guī)格帶鋼激光焊接的部分試驗(yàn)參數(shù)，激光焊機(jī)對(duì)厚規(guī)格帶鋼焊接能力優(yōu)于電阻焊機(jī)，避免了窄搭接焊機(jī)厚規(guī)格人工補(bǔ)焊，焊縫質(zhì)量較為穩(wěn)定。

表1 激光焊機(jī)焊接參數(shù)

輸出功率是影響激光焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，功率大會(huì)導(dǎo)致焊透，功率小則會(huì)導(dǎo)致焊接不牢靠、焊縫強(qiáng)度小等問(wèn)題。由表1 可知，不同規(guī)格對(duì)應(yīng)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(guān)系。3.25 mm 以下帶鋼輸出功率一般不能超過(guò)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(huì)分散，焊接位置的溶池深、寬度相對(duì)較大。將焊接電流熱量調(diào)節(jié)至最大允許值，溶池深、寬度達(dá)到板帶焊接可允許的最大允許范圍時(shí)，焊接效果最佳，以填補(bǔ)設(shè)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(chǎn)生接觸面形變。預(yù)碾壓力設(shè)定越大，帶鋼直線度越好，焊接質(zhì)量越好。當(dāng)選用搭接方式焊接時(shí)，選擇搭接量不宜過(guò)大，且搭接量越小焊接質(zhì)量越好。當(dāng)選用對(duì)接方式焊接時(shí)，頭尾錯(cuò)層及重合度值≤0.05 mm，窄搭接焊機(jī)設(shè)備精度很難達(dá)到激光焊接的要求，導(dǎo)致焊接質(zhì)量較差。綜合分析得出以下結(jié)論：當(dāng)采用微小搭接加大碾壓力的焊接方式時(shí)，3.25 mm 以上厚規(guī)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(shè)定值，焊接質(zhì)量最好。積累經(jīng)驗(yàn)焊接數(shù)值，對(duì)于焊縫質(zhì)量穩(wěn)定及產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量及可靠性優(yōu)于電阻焊機(jī)，減少了人工檢查焊縫時(shí)間，降低了降速次數(shù)及斷帶事故次數(shù)30%。產(chǎn)線有效壓減厚規(guī)格生產(chǎn)事故時(shí)間50%以上，熱鍍鋅線有效作業(yè)率由2020 年的97.15%提升至2023年的99.75%。2020—2022 年產(chǎn)線厚規(guī)格降速停車及產(chǎn)線作業(yè)率統(tǒng)計(jì)情況如表2 所示。

表2 2020—2022 年產(chǎn)線厚規(guī)格降速停車及產(chǎn)線有效作業(yè)率統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)焊機(jī)西門子PLCS7-300 系統(tǒng)、焊機(jī)控制器的模式切換，數(shù)據(jù)傳輸控制穩(wěn)定可靠，保持了焊機(jī)之前原有的完整功能，操作人員按原有的操作習(xí)慣進(jìn)行操作。激光焊接功能改造后，能有效解決厚規(guī)格斷帶問(wèn)題，提高焊機(jī)的焊接能力，升級(jí)后的焊機(jī)為厚板帶連續(xù)生產(chǎn)、降低斷帶次數(shù)提供可靠設(shè)備保障。