激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量離線評(píng)價(jià)方法分析

中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223

激光焊機(jī)是冷軋連續(xù)生產(chǎn)線的核心設(shè)備，激光焊機(jī)的焊接質(zhì)量必須滿足生產(chǎn)工藝要求[1]。焊后帶鋼在線運(yùn)行時(shí)，需要經(jīng)過(guò)多次S形反復(fù)彎曲變形，并承受一定的運(yùn)行張力，需要焊縫具有足夠的強(qiáng)度和韌性。在連續(xù)軋制生產(chǎn)線中，帶鋼過(guò)軋機(jī)被壓延，焊縫韌性需滿足軋機(jī)軋制要求。發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量不合格必須立即重新焊接，否則焊縫在運(yùn)行過(guò)程中易斷帶。由于發(fā)生斷帶事故后將直接導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，使作業(yè)率下降，因此必須找到有效評(píng)價(jià)帶鋼焊縫質(zhì)量的方法，以保證冷軋機(jī)組的連續(xù)運(yùn)行。

評(píng)價(jià)帶鋼焊縫質(zhì)量應(yīng)根據(jù)冷軋機(jī)組工藝所需焊縫性能要求進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，主要的測(cè)試方法包括拉伸、彎曲及杯突測(cè)試等。文章根據(jù)冷軋機(jī)組生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，分析常用的3種焊縫力學(xué)性能測(cè)試方法及其適用性。

1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 2651—2008），一般在萬(wàn)能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取樣[2-3]。將試樣夾緊，然后進(jìn)行拉伸，直到試樣斷裂，如圖1所示。焊縫拉伸試驗(yàn)需要專用試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)操作者的能力要求較高，由于機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中不具備試驗(yàn)條件，因此一般在修改焊接參數(shù)后或開(kāi)發(fā)新鋼種焊接工藝時(shí)，焊縫拉伸試驗(yàn)在焊接工藝試驗(yàn)階段進(jìn)行。

圖1 帶焊縫不銹鋼拉伸試樣

焊縫拉伸試驗(yàn)可以測(cè)定焊縫的彈性、塑性、強(qiáng)度等性能指標(biāo)，是評(píng)定焊縫承受機(jī)組張力大小的重要檢測(cè)手段，適用于大張力連續(xù)機(jī)組，如不銹鋼連軋機(jī)組。該機(jī)組軋機(jī)段張力大且?guī)т摫粔貉樱缚p需具有足夠的抗拉強(qiáng)度才能不被拉斷。生產(chǎn)實(shí)踐中是用焊縫強(qiáng)度相對(duì)于母材的抗拉強(qiáng)度比作為考核標(biāo)準(zhǔn)，一般強(qiáng)度百分比≥85%的焊縫可軋。某不銹鋼連軋機(jī)組焊縫抗拉強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，分別取母材試樣和帶焊縫試樣作拉伸測(cè)試，記錄拉斷時(shí)最大力、抗拉強(qiáng)度、延伸率，將帶焊縫試樣抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度對(duì)比即得到焊縫相對(duì)母材的強(qiáng)度百分比。

表1 某廠不銹鋼焊縫抗拉強(qiáng)度測(cè)試值

2 彎曲試驗(yàn)

焊縫的斷裂韌性指標(biāo)可以較好地反映焊縫抗斷裂能力、塑性變形能力和內(nèi)部缺陷情況，但是估算斷裂韌性值的測(cè)量較為困難，試件加工復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和費(fèi)用的要求高，不便于在工程實(shí)踐中應(yīng)用[4]。

焊縫彎曲次數(shù)與焊縫的估算斷裂韌性值有對(duì)應(yīng)關(guān)系，生產(chǎn)中常使用彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)估帶鋼焊縫抗斷裂能力。常用的彎曲試驗(yàn)是以月牙剪廢料作為試樣，如圖2所示。月牙剪廢料焊縫比帶鋼中部的焊縫質(zhì)量差，能最大限度地保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

圖2 不銹鋼月牙彎曲試樣

將帶有焊縫試樣的月牙夾持并調(diào)整好位置，使焊縫處受到90°彎曲，根據(jù)反復(fù)的次數(shù)來(lái)判斷焊縫的抗彎曲能力[5]。彎曲試驗(yàn)可在線操作，適用于中高牌號(hào)硅鋼、馬氏體不銹鋼生產(chǎn)線。中高牌號(hào)硅鋼是含硅量在2%～5%的超低碳鋼，其中的Si元素對(duì)α-Fe具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，使硅鋼的焊縫硬度、強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降。馬氏體不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，存在脆性、低溫韌性惡化的問(wèn)題，延展性伴隨硬化的產(chǎn)生而下降，焊接熱影響區(qū)的組織通常又硬又脆。鑒于高牌號(hào)硅鋼、馬氏體不銹鋼焊縫強(qiáng)度高、韌性低的特點(diǎn)，反復(fù)彎折易斷帶，一般反復(fù)彎曲1次不斷裂即判定焊縫合格。

3 杯突試驗(yàn)

杯突試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ISO 20482:2013(E)，主要用來(lái)測(cè)定金屬板材的強(qiáng)度和變形性能，若沖壓出現(xiàn)裂紋，其壓入深度即為金屬板材的強(qiáng)度[6]。杯突試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的焊縫力學(xué)檢測(cè)方法，適用于各種連續(xù)生產(chǎn)線激光焊機(jī)。

生產(chǎn)實(shí)踐中為便于操作，常采用簡(jiǎn)易杯突試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。杯突試驗(yàn)取樣寬度應(yīng)為150～200mm，焊縫位于試樣中心，如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，將試樣固定在杯突試驗(yàn)機(jī)的固定環(huán)與沖模之間，沖頭對(duì)準(zhǔn)焊縫中心，沖頭逐漸上升直至試樣被沖裂。如順著焊縫出現(xiàn)裂縫，表明焊縫不合格；如順著母材出現(xiàn)裂縫，表明焊縫是合格的。

圖3 杯突試驗(yàn)試樣

4 結(jié)論

文章分析了冷軋連續(xù)生產(chǎn)線激光焊機(jī)焊縫力學(xué)檢測(cè)的3種方式及其適用性，得出拉伸試驗(yàn)適用于大張力機(jī)組，尤其是不銹鋼冷連軋機(jī)組；彎曲試驗(yàn)適用于中高牌號(hào)硅鋼及馬氏體不銹鋼生產(chǎn)線；杯突試驗(yàn)適用于各種機(jī)組。同時(shí)，在總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)焊接經(jīng)驗(yàn)后，推薦了合適的焊縫質(zhì)量檢測(cè)試樣。