淺談原料質(zhì)量對(duì)激光焊機(jī)焊接效果的影響

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(xiàn)代鋼鐵行業(yè)中，為提高生產(chǎn)效率，酸軋聯(lián)合機(jī)組絕大多數(shù)為連續(xù)式酸洗和軋制，而實(shí)現(xiàn)連續(xù)軋制的必要條件便是帶鋼必須無(wú)間斷地進(jìn)入酸槽和軋機(jī)機(jī)架中。其中最關(guān)鍵的一臺(tái)設(shè)備——焊機(jī)，便是將每一卷的帶頭帶尾焊接起來(lái)，形成為一條貫穿整條生產(chǎn)線的帶鋼，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)。

設(shè)備簡(jiǎn)介

激光焊機(jī)在冷軋廠的應(yīng)用是很廣泛的，幾乎所有的酸軋線機(jī)組采用的焊接設(shè)備都是激光焊機(jī)。我廠酸軋線目前使用的激光焊機(jī)為二氧化碳激光焊機(jī)，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(gè)鋼種。

激光焊機(jī)組主要組成有：(1)雙切剪，對(duì)帶頭帶尾進(jìn)行精確剪切；(2)出入口夾緊臺(tái)，焊接時(shí)夾持住帶頭帶尾，使其準(zhǔn)確對(duì)齊；(3)激光系統(tǒng)，產(chǎn)生高強(qiáng)激光作用在帶鋼上實(shí)現(xiàn)焊接。另外，還有出入口4點(diǎn)對(duì)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(dǎo)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(dǎo)模式。激光在帶鋼表面便被吸收，然后通過(guò)熔融后的金屬的熱傳導(dǎo)將熱量傳向工件內(nèi)部，進(jìn)而熔化區(qū)不斷擴(kuò)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(yīng)為主的過(guò)程。激光作用在帶鋼表面，迅速被材料吸收并產(chǎn)生劇烈汽化，從而在液態(tài)熔池中形成一個(gè)“小孔”，使光束可以通過(guò)“小孔”內(nèi)的蒸汽直接照射到“小孔”底部，連續(xù)形成汽化過(guò)程。這些蒸汽同時(shí)也被加熱到超汽化溫度，形成熱電離，這種電離以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，形成金屬蒸汽及保護(hù)氣體的等離子體，從而在“小孔”內(nèi)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(nèi)壁與液態(tài)的金屬熔池交換熱量，形成進(jìn)一步的熔池，而熱混合氣體的壓力及波動(dòng)又使得熔池產(chǎn)生流動(dòng)，進(jìn)一步影響熔池的形成。圖1是這種基于“小孔”效應(yīng)的激光深熔焊過(guò)程示意圖[1]。

圖1 基于“小孔”效應(yīng)的激光深熔焊過(guò)程示意圖

焊縫質(zhì)量影響因素

從激光焊機(jī)在酸軋機(jī)組中的工作性質(zhì)來(lái)看，其工作穩(wěn)定性直接影響到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而影響到生產(chǎn)效率。在帶鋼生產(chǎn)過(guò)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(dǎo)致生產(chǎn)線停車。斷帶有時(shí)出現(xiàn)在焊縫以外的帶鋼上，有時(shí)出現(xiàn)在焊縫上。導(dǎo)致焊縫斷帶的原因很多，大多數(shù)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(jī)電設(shè)備對(duì)焊縫質(zhì)量的影響；(2)焊接參數(shù)設(shè)定不合理對(duì)焊縫質(zhì)量的影響；(3)輸出鏡及外光路對(duì)焊縫質(zhì)量的影響；(4)保護(hù)氣體對(duì)焊縫質(zhì)量的影響；(5)原料質(zhì)量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。經(jīng)過(guò)近四年的觀察與經(jīng)驗(yàn)積累，上述5種因素所占比例如下圖2。

圖2 焊縫質(zhì)量影響因素所占比列

由于原料缺陷導(dǎo)致的焊縫質(zhì)量問(wèn)題所占比列達(dá)到15%，因此在做好激光焊機(jī)設(shè)備維護(hù)、工藝參數(shù)優(yōu)化方面的努力之外，嚴(yán)格控制好生產(chǎn)線原料質(zhì)量，可以大大降低焊縫斷帶事故，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

原料質(zhì)量及其對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

原料質(zhì)量主要包括原料板形、原料的厚度偏差、原料的化學(xué)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(xiàn)為橫向邊浪、中浪和縱向波浪。雖然夾緊臺(tái)夾持板可初步消除這些缺陷，但在實(shí)際生產(chǎn)中，仍舊發(fā)現(xiàn)很多焊縫撕裂與板形不良密切相關(guān)。當(dāng)這些缺陷存在時(shí)，帶鋼邊沿定位輪和焊輪碾壓過(guò)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缺陷邊界處原料組織“跑動(dòng)”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(xiàn)凹凸不平的斷面，兩斷面對(duì)接后的縫隙不再處處為零，縫隙較大處的熔池出現(xiàn)漏液，最終表現(xiàn)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(méi)有被剪切掉，焊縫便很有可能在此處撕開(kāi)，出現(xiàn)斷帶。另外，板形缺陷還會(huì)造成帶頭帶尾焊接前的錯(cuò)層，最終出現(xiàn)質(zhì)量很差的焊縫。圖3為帶頭帶尾錯(cuò)層。

圖3 帶頭帶尾錯(cuò)層側(cè)視圖

原料的厚度偏差

原料的厚度偏差可以理解為兩個(gè)方面。一是帶頭和帶尾厚度差超過(guò)30%或者超過(guò)1 mm，這已經(jīng)超出了激光焊機(jī)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(chǎn)不正常造成的橫向方向上厚度不均勻，如帶尾二級(jí)顯示厚度為3 mm，焊接之前焊機(jī)已經(jīng)自動(dòng)生成了一套適合于3 mm厚度帶鋼的焊接參數(shù)，但由于驅(qū)動(dòng)側(cè)邊部厚度達(dá)到了3.3 mm，這就會(huì)使得驅(qū)動(dòng)側(cè)邊部焊接效果不好，如焊不透、焊縫上下表面不飽滿等等。對(duì)于低碳鋼來(lái)說(shuō)，原料的厚度偏差大可能不是什么問(wèn)題，可對(duì)于高強(qiáng)鋼或者特種鋼來(lái)說(shuō)一般是很危險(xiǎn)的，很容易造成斷帶事故。

原料的化學(xué)成分

原料的化學(xué)成分也分為兩種。一是帶鋼實(shí)際化學(xué)成分中某一化學(xué)元素超標(biāo)。下面以我廠生產(chǎn)的一種高強(qiáng)度汽車板鋼種為例，說(shuō)明化學(xué)元素超標(biāo)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(qiáng)度。屈服強(qiáng)度為340～460 N/mm2，抗拉強(qiáng)度為590 N/mm2以上。其化學(xué)成分見(jiàn)下圖4。

圖4 雙相鋼化學(xué)成分參考值

由上圖可知CR340/590DP要求含Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為≤0.80%，可由于煉鋼等工藝的問(wèn)題導(dǎo)致Si元素含量大大超標(biāo)，達(dá)到2.2%，超過(guò)規(guī)定含量的1倍還多，這給激光焊機(jī)的焊接造成了非常大的影響。專家們?cè)芯窟^(guò)Si合金鋼的焊接特性，他們發(fā)現(xiàn)焊縫呈現(xiàn)不致密性的缺陷，而Si元素是以單質(zhì)Si的形式存在于焊縫中的。因此一旦鋼板內(nèi)部Si元素含量過(guò)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(jìn)入軋機(jī)后會(huì)斷開(kāi)。后采用杯凸實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)檢查焊縫，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部呈現(xiàn)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(qiáng)度，從而導(dǎo)致斷帶。專家們對(duì)Si合金鋼的焊接特性研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊縫呈現(xiàn)不致密性的缺陷，而Si元素是以單質(zhì)Si的形式存在于焊縫中的。因此一旦鋼板內(nèi)部Si元素含量過(guò)大，其不致密性更加明顯，甚至呈現(xiàn)蜂窩狀，見(jiàn)圖5。另一個(gè)化學(xué)成分問(wèn)題便是某一化學(xué)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(gè)重要指標(biāo)，最簡(jiǎn)單的是我們可以根據(jù)含碳量的多少來(lái)將鋼種分為低碳鋼、普通碳鋼、高強(qiáng)鋼等等。對(duì)于不同含碳量的鋼種，激光焊機(jī)工藝方面要選擇不同的焊接參數(shù)，但是如果帶鋼內(nèi)部橫向含碳量不均勻，即某一段或者某一點(diǎn)含碳量較高，那么該處焊縫的質(zhì)量就要大打折扣，焊縫很有可能在此處首先斷開(kāi)。

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(jìn)入焊機(jī)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(duì)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(shí)，這些顆粒會(huì)進(jìn)入熔池內(nèi)部，之后形成了焊縫內(nèi)部夾渣，大大降低了焊縫的強(qiáng)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(chǎn)生的氣體不斷地進(jìn)入到熔池中，焊縫冷卻時(shí)無(wú)法及時(shí)排出，導(dǎo)致焊縫表面或者內(nèi)部存在氣泡大大影響了焊縫的質(zhì)量。圖6為焊縫表面氣泡。

圖6 焊縫表面氣泡

結(jié)束語(yǔ)

影響激光焊機(jī)焊接效果的因素既多且復(fù)雜，而原料質(zhì)量在這些因素中所占的比重較大，因此，我們必須提高對(duì)原料質(zhì)量的關(guān)注度，嚴(yán)格控制原料質(zhì)量。這樣可大大提高焊接成功率，從而提高機(jī)時(shí)產(chǎn)量。

[1] 段愛(ài)琴. CO2激光深熔焊不穩(wěn)定穿孔過(guò)程特征與相關(guān)機(jī)理研究. 武漢: 華中科技大學(xué), 2006