高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量的改善

徐朝軍，汪紅兵

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

前言

冷軋2130 mm 連退線入口焊機(jī)將前后兩條帶鋼頭尾焊接，保證生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。帶鋼的焊接質(zhì)量是影響生產(chǎn)線是否在焊縫處斷帶的重要因素。該生產(chǎn)線焊機(jī)在焊接熱成形鋼和厚度1.6 mm 以上的雙相鋼時，帶鋼的焊接質(zhì)量受焊機(jī)本體設(shè)備和帶鋼性能的影響較大，焊接工藝參數(shù)難以準(zhǔn)確選擇，無法保證焊接質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。帶鋼焊縫在生產(chǎn)線反復(fù)折彎和拉伸作用下，極容易發(fā)生焊縫開焊、斷裂后造成的斷帶事故。通常爐外斷帶處理時間需8～12 h，爐內(nèi)斷帶處理時間約在28～32 h，不僅影響正常生產(chǎn)，而且造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，使得公司無法承接此類產(chǎn)品的生產(chǎn)訂單。

國內(nèi)冶金行業(yè)帶鋼連續(xù)處理生產(chǎn)線中，采用搭接電阻焊機(jī)的均存在有類似的問題。為此，有些企業(yè)將現(xiàn)有生產(chǎn)線的搭接焊機(jī)改造為激光焊機(jī)。但激光焊機(jī)投資大、改造工期長，一般需要大約1個半月絕對停產(chǎn)時間，對生產(chǎn)影響很大。因此在現(xiàn)有焊機(jī)設(shè)備狀況的前提下，提升厚規(guī)格雙相鋼和熱成型鋼的焊接質(zhì)量，顯得非常重要。

1 焊縫質(zhì)量分析

經(jīng)過冷軋過后的熱成形鋼、雙相鋼，晶粒沿軋制方向逐漸生長，最后呈纖維狀的條紋，同時其內(nèi)部位錯密度增大，位錯之間相互纏結(jié)，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致其強(qiáng)度增加，存在較多的殘留應(yīng)力。由于加工硬化的作用，熱成形鋼、雙相鋼強(qiáng)度很高，強(qiáng)度級別可達(dá)到1000～1200 MPa。

在2130 連退線進(jìn)行熱成形鋼和雙相鋼的焊接試驗，取樣品種有22MnB5、DP600、DP780、DP980等，選取優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)焊接后，再對焊縫做杯突、力學(xué)性能和顯微組織分析。

杯突測試如圖1 所示，從圖1 中可以看出焊接接頭韌性均較差，具體情況如下：

（1）焊接接頭區(qū)域較脆，厚度方向未顯示變形，破裂后呈錐形。

（2）裂紋起始于杯突最高處，首先平行于焊縫方向擴(kuò)展，后在裂紋起始源處又垂直于焊縫擴(kuò)展至母材，最后形成”十”形裂紋形態(tài)。

（3）焊接接頭較難實現(xiàn)熔合，焊接接頭呈現(xiàn)搭接面處剝離，且接頭表面質(zhì)量較差，2.45 mmDP780焊縫杯突后在搭接面處呈剝離狀撕裂。

圖1 杯突測試

焊接接頭進(jìn)行拉伸性能與彎曲性能測試（彎心直徑10 mm，彎角120°），測試結(jié)果如圖2所示。拉伸測試斷裂在焊縫，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度較母材均有一定程度下降；且彎曲測試后截面出現(xiàn)宏觀裂紋。

圖2 力學(xué)性能測試

在掃描電鏡下對焊接接頭橫截面觀察發(fā)現(xiàn)焊接接頭上邊部有兩條裂紋缺陷，一條為上搭接面邊部未熔合裂縫，一條為帶鋼裂紋；焊接接頭下邊部有一條未熔合裂縫。未熔合長度較寬，約1.3 mm，張開角較大。如圖3所示。

圖3 顯微分析

由此得出結(jié)論，高強(qiáng)鋼焊縫中存在較為脆硬針狀馬氏體及較大的焊接應(yīng)力，且存在嚴(yán)重的未熔合缺陷，最終導(dǎo)致焊縫質(zhì)量無法滿足連續(xù)生產(chǎn)需求。因此從工藝的角度來考慮，有效地減小未熔合尺寸和降低焊縫脆硬度以及內(nèi)應(yīng)力是提高接頭韌性的關(guān)鍵。

2 電磁感應(yīng)裝置設(shè)計

經(jīng)理論分析和試驗，對高強(qiáng)鋼焊縫進(jìn)行熱處理，可細(xì)化組織晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，有效地減小焊縫未熔合尺寸、降低焊縫脆硬度，提高接頭韌性，改善焊縫質(zhì)量。

借鑒于激光焊機(jī)，采用電磁感應(yīng)熱處理技術(shù)。由于在搭接焊機(jī)的本體上無法安裝電磁感應(yīng)設(shè)備，因此我廠自主設(shè)計了一套直線型電磁感應(yīng)器，安裝在焊機(jī)本體外出口側(cè)，在焊接帶鋼后，完成焊縫的退火熱處理。

2.1 電磁感應(yīng)理論計算

頻率計算：

式中，ρ——材料的電阻率；

μ——材料的相對磁導(dǎo)率；

f——頻率；

d——深度。

容量計算：

式中，c——工件材料的比熱；

ΔT——溫升；

W——工件的小時重量。

由公式（1）和（2）可估算出感應(yīng)加熱器的頻率和容量。

2.2 技術(shù)參數(shù)確定

技術(shù)參數(shù)確認(rèn)需要考慮的因素多，如入口活套的套量、焊機(jī)焊接的時序、高強(qiáng)鋼生產(chǎn)工藝要求的參數(shù)等。經(jīng)反復(fù)計算，最終確定裝置的基本參數(shù)、功能：

額定功率：150 kW；

標(biāo)稱頻率：100 kHz；

感應(yīng)加熱寬度：20 mm；

滑動梁架進(jìn)退最大速度：20 mm/s；

滑動梁架進(jìn)退最大距離：150 mm；

感應(yīng)器最大升降高度：300 mm；

自動定位感應(yīng)器中心線與焊縫偏差精度：±1 mm；

加熱時間控制精度：0.1 s；

最高加熱溫度：900 ℃；

最小加熱溫度控制梯度：50 ℃/s ；

最大加熱溫度控制梯度：100 ℃/s ；

加熱溫度控制精度：±10 ℃。

2.3 裝置的結(jié)構(gòu)和功能

整套電磁感應(yīng)加熱裝置包括：固態(tài)高頻電源（含整流單元和逆變單元）、感應(yīng)加熱器、冷卻系統(tǒng)及電氣控制單元，裝置結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 裝置基本原理圖

各部分主要結(jié)構(gòu)和功能如下。

2.3.1 固態(tài)高頻電源

高頻電源額定功率150 kW、工作頻率100 kHz，包括整流單元和逆變器。其中整流單元采用三相橋式晶閘管全控整流電路，產(chǎn)生可控的直流電流和直流電源；逆變器采用復(fù)合并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，開關(guān)元件為電力場效應(yīng)晶體管MOSFET 模塊，逆變器與整流單元和電磁感應(yīng)裝置連接，用于將整流單元輸出轉(zhuǎn)換成高頻交流電，輸入到電磁感應(yīng)裝置中的直線型感應(yīng)線圈。高頻交流電源功率可以根據(jù)參數(shù)的設(shè)定要求，在10%～100%額定功率內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

復(fù)合并聯(lián)諧振橋式逆變電路見圖5所示。圖中2-L1、2-L2、2-L3、2-L4 為電感；2-C11、2-C12、2-C1、2-C2、2-C3、2-C4為電容；L為感應(yīng)線圈。

圖5 復(fù)合并聯(lián)諧振橋式逆變電路

2.3.2 感應(yīng)加熱裝置

感應(yīng)加熱裝置包括加熱器本體、滑動梁架、伺服電機(jī)、直線型感應(yīng)器、上下加持裝置、紅外發(fā)射器、紅外測溫儀等，主要用于產(chǎn)生高頻感應(yīng)磁場，使帶鋼焊縫區(qū)域形成渦流電流，因電阻熱效應(yīng)完成焊縫的加熱功能。

直線型感應(yīng)器安裝在滑動梁架上，伺服傳動控制系統(tǒng)通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動滑動梁架在軌道上移動，可調(diào)整感應(yīng)器的位置?；瑒恿杭苌显O(shè)置紅外發(fā)射器，發(fā)出水平紅外線，便于確認(rèn)感應(yīng)器與帶鋼焊縫的位置誤差。

電磁感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)正視圖和左視圖如圖6所示。

2.3.3 電氣控制

電氣控制主要有PLC 控制系統(tǒng)和HMI 人機(jī)界面組成。通過信號采集、處理、反饋對加熱電源輸出的能量（即千瓦秒）、電壓、電流、頻率、功率、加熱時間等可能影響溫度的各項參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控及屏幕顯示，以保證加熱參數(shù)的一致性。紅外測溫儀采集板帶溫度，用于檢測帶鋼表面溫度，根據(jù)鋼帶表面溫度和需要達(dá)到的溫度，控制電源功率輸出。

圖6 電磁感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)圖

攝像機(jī)安裝在加熱裝置的滑動梁架上，其設(shè)置優(yōu)選為數(shù)值向下設(shè)置，這樣在滑動梁架移動至焊縫區(qū)域時，識別出的焊縫在橫梁的正下方，而橫梁的下方的帶鋼也就是加熱區(qū)域。攝像機(jī)可隨著加熱裝置移動而移動，用于拍攝帶鋼表面，通過視頻線與工控機(jī)連接，并將視頻信號傳給工控機(jī)。

圖像分析及處理系統(tǒng)用于分析和處理攝像機(jī)傳輸?shù)囊曨l圖像信號，其采用工控機(jī)實現(xiàn)。根據(jù)帶鋼焊縫區(qū)域與非焊縫區(qū)域的色差，識別出帶鋼焊縫的位置，并通過圖像定位算法計算出帶鋼焊縫與加熱設(shè)備之間的相對距離，將之反饋給PLC 控制器，PLC 控制器發(fā)出控制信號至伺服傳動控制系統(tǒng)，從而控制滑動梁架的運(yùn)動。圖像分析及處理系統(tǒng)為工控機(jī)運(yùn)行圖像處理算法實現(xiàn)，圖像處理算法采用現(xiàn)有識別算法。

伺服傳動控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)和伺服控制器構(gòu)成，實現(xiàn)高精度的位置閉環(huán)控制。從而實現(xiàn)對將滑動梁架移動至加熱裝置與焊縫對齊的位置。

2.3.4 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)采用水冷卻模式，用于對可能發(fā)熱的設(shè)備進(jìn)行冷卻，如感應(yīng)線圈和高頻電源中的功率元器件。包括水泵、水箱、板式換熱器、溫控器、過濾器等。PLC 控制器與溫控器連接，水箱通過管道連接板式換熱器的外循環(huán)輸入、輸出口形成外循環(huán)，板式換熱器的內(nèi)循環(huán)輸入、輸出口經(jīng)管道形成內(nèi)循環(huán)，對感應(yīng)線圈和或高頻交流電源進(jìn)行冷卻，具有溫度顯示、報警功能。

2.3.5 操作功能

系統(tǒng)具備可維護(hù)、并按照帶鋼規(guī)格和材料的不同組合形成的加熱退火參數(shù)表，其控制模式分時間控制、溫度控制和能量控制三種方式，可以根據(jù)帶鋼焊縫材料的加熱退火工藝要求來選擇。操作模式有“自動模式”和“手動模式”兩種方式。

時間控制方式是在參數(shù)表中設(shè)定不同的加熱時間段及其對應(yīng)的加熱功率，最多有10個時間和功率梯度組合，通過控制固態(tài)高頻電源的輸出功率和時間，可模擬帶鋼焊縫退火工藝中的“預(yù)熱段”、“加熱段”和“保溫段”等不同的工藝過程段，實現(xiàn)帶鋼焊縫的加熱退火。

溫度控制方式是根據(jù)鋼種和規(guī)格設(shè)定帶鋼焊縫退火加熱所需要的溫度，直接通過溫度的閉環(huán)控制來實現(xiàn)。

能量控制方式是根據(jù)鋼種和規(guī)格設(shè)定帶鋼焊縫退火加熱所需要的能量，由此來控制固態(tài)高頻電源的累計輸出電壓和電流，實現(xiàn)能量的控制要求。

3 實際應(yīng)用

3.1 電磁感應(yīng)裝置的使用

本裝置結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，占地空間小，設(shè)置于入口焊機(jī)與月牙剪之間，區(qū)域設(shè)備布置如圖7所示。

圖7 焊機(jī)區(qū)域設(shè)備布置圖

實際生產(chǎn)過程中，搭接焊機(jī)將兩條不同的帶鋼頭尾焊接后，焊縫被自動運(yùn)送到加熱裝置區(qū)域停止下來。在位置誤差允許的范圍內(nèi)，電磁感應(yīng)裝置通過位置控制系統(tǒng)將感應(yīng)器準(zhǔn)確地移動到帶鋼焊縫處，操作人員也可手動控制，移動感應(yīng)器位置，保證感應(yīng)器與焊縫吻合。

焊縫及感應(yīng)裝置定位完成后，裝置上的下氣缸升起，上氣缸降下，上下支架夾持住帶鋼焊縫或接近焊縫，自動啟動感應(yīng)線圈電源，直線型感應(yīng)線圈通入交變電流，進(jìn)而產(chǎn)生了交變磁場，帶鋼處于交變磁場中，因此產(chǎn)生渦流，由于帶鋼的焦耳熱效應(yīng)，從而對焊縫進(jìn)行熱處理。加熱完畢后，上、下氣缸打開，準(zhǔn)備下一次的加熱。

生產(chǎn)中帶鋼焊縫加熱效果如圖8所示。

圖8 加熱效果

3.2 焊縫質(zhì)量結(jié)果分析

對感應(yīng)加熱后的焊縫進(jìn)行性能測試，其中杯突測試結(jié)果如圖9 中（1）所示，可以看出，焊縫杯突性能良好，滿足焊縫杯突性能合格標(biāo)準(zhǔn)。

截取焊后熱處理接頭拉伸試樣與橫向冷彎試樣，拉伸試樣B=30 mm，冷彎試樣彎心直徑為4a，彎曲角度為120°，進(jìn)行正彎和反彎。冷彎結(jié)果如圖9中（2）所示，可以看出焊縫表面平整，無裂紋產(chǎn)生，焊縫冷彎性能良好。拉伸性能如圖9中（3）所示，斷裂均發(fā)生在母材，焊縫結(jié)合良好，無撕開現(xiàn)象，焊縫拉伸性能合格。

圖9 性能測試

焊縫顯微分析，圖10 和圖11 為顯微鏡下采用高頻電磁感應(yīng)加熱處理和無熱處理方式下的焊縫組織對比情況，可以看出，搭接焊縫經(jīng)過電磁感應(yīng)熱處理后，熔合界面結(jié)合較未熱處理接頭結(jié)合更加緊密（見圖10），并且焊縫區(qū)晶粒明顯細(xì)化，組織更均勻（見圖11），該現(xiàn)象有益于焊接接頭結(jié)合強(qiáng)度的提升。

3.3 生產(chǎn)應(yīng)用狀況

本電磁感應(yīng)熱處理裝置具有加熱時間短、溫度均勻、操作簡單等特點(diǎn)。自2017 年投入使用以來，在2130 連退線實際生產(chǎn)中，利用本裝置，基本覆蓋了已生產(chǎn)的不同品種和規(guī)格雙相鋼和熱成型鋼，且大多數(shù)規(guī)格無須采取過渡焊，帶鋼經(jīng)熱處理后不僅滿足工藝技術(shù)條件的要求，還有利于生產(chǎn)線組產(chǎn)，焊縫斷帶率為0。

圖10 熔合線

圖11 焊縫區(qū)

4 結(jié)束語

采用電磁感應(yīng)加熱可高效地實現(xiàn)對高強(qiáng)鋼鋼焊縫的熱處理，有益于焊接接頭結(jié)合強(qiáng)度的提升，改善高強(qiáng)鋼焊縫的焊接質(zhì)量，防止生產(chǎn)線帶鋼焊縫斷帶的風(fēng)險事故，滿足生產(chǎn)線高強(qiáng)鋼與熱成型鋼批量組產(chǎn)的需要，提高了企業(yè)的市場競爭力。