胡洪林,向 華,馬孝娟,盧鵬程
(1新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部;2新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠)
新疆某制桶企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品主要配套供應(yīng)新疆某化工廠的15萬(wàn)t/年TDI的灌裝,產(chǎn)品出口歐洲及全球。TDI(甲苯二異氰酸酯)是聚氨酯工業(yè)的主要化工原料,無(wú)色透明或淡黃色易燃液體,劇毒且有強(qiáng)烈的刺激氣味的有機(jī)化合物。長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)這類化工原料,對(duì)盛裝容器桶體有很高的質(zhì)量要求。
該制桶企業(yè)2020年4月開始訂購(gòu)八鋼冷軋鋼板進(jìn)行制桶,2020年5月至2021年1月20日累計(jì)采用八鋼冷軋鋼板總共生產(chǎn)了288146個(gè)鋼桶。該企業(yè)反饋在加工過(guò)程中出現(xiàn)桶身焊接不良的缺陷。因桶身焊接質(zhì)量對(duì)冷軋?jiān)习逵袠O高的要求,為此,八鋼技術(shù)研發(fā)人員對(duì)該產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行查找,通過(guò)對(duì)制桶企業(yè)焊接工藝參數(shù)及冷軋?jiān)习迳a(chǎn)工藝制度分析,提出了優(yōu)化措施,提高了八鋼生產(chǎn)冷軋?jiān)习宓馁|(zhì)量精度。
鋼桶桶身的焊接采用電阻焊工藝,指將被焊工件壓緊于兩電極之間,并施以電流,利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài),使之形成金屬結(jié)合的一種方法。
焊接熱量計(jì)算:Q=I2Rt
式中:Q—產(chǎn)生的熱量,J;I—焊接電流,A;R—電極間電阻,Ω;t—焊接時(shí)間,s。
可以看出,影響桶身焊接質(zhì)量的因素有焊接電流、電極間的電阻、通電焊接時(shí)間。在正常的生產(chǎn)過(guò)程中,焊接電流和焊接時(shí)間基本保持不變,電極間的電阻是影響焊接熱量變化的主要因素。電極間電阻R=2R1+2R2+R3(R1為鋼板本身電阻、R2為電極與鋼板間接觸電阻、R3為兩鋼板間接觸電阻)。
在其他條件給定的情況下,焊接電流的大小決定了熔核的焊透率和重疊量。焊接電流在桶身焊接實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,焊接電流按固定電流值設(shè)定的。焊接電流設(shè)定值按45%~50%焊透率的目標(biāo)計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)焊透率的穩(wěn)定性,當(dāng)電阻發(fā)生變化時(shí)(焊接速度不變情況下),對(duì)焊接電流設(shè)定值進(jìn)行小幅度適當(dāng)工藝調(diào)整。桶身實(shí)際焊接時(shí),焊接起始和焊接完成位置的接觸電阻變大,電流設(shè)定值比正常焊接時(shí)小1~2A。所以桶身焊接全程按3~4段設(shè)定電流值。
為了保證熔核尺寸和焊點(diǎn)強(qiáng)度,焊接時(shí)間與焊接電流在一定范圍內(nèi)可以互為補(bǔ)充。焊接速度越快,焊接時(shí)間短,焊接熱量??;焊接速度慢,焊接時(shí)間長(zhǎng),焊接熱量大。為獲得一定強(qiáng)度的焊點(diǎn),可以采用大電流和短時(shí)間,也可以采用小電流和長(zhǎng)時(shí)間。
鋼桶桶身焊接不良主要包括焊縫開裂、虛焊和擊穿等質(zhì)量缺陷,這些缺陷嚴(yán)重影響桶廠生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。為此,從焊接工藝、鋼板原料等方面進(jìn)行分析研究。
(1)焊縫開裂。焊縫開裂主要是指桶身頭尾部焊接后開裂、或翻邊后開裂,肉眼明顯可見(圖1)。另外焊縫不搭邊是指在焊接過(guò)程,在桶身通長(zhǎng)方向,因?yàn)閮啥隋e(cuò)位、錯(cuò)邊、搭接量不一致
圖1 焊縫頭部開裂
形成原因:焊縫開裂一般出現(xiàn)在鋼桶桶身的兩端,鋼板的橫向厚度(特別是鋼板兩端厚度)變小時(shí),電阻也會(huì)變小,導(dǎo)致焊接熱量不足,在進(jìn)入翻邊下工序時(shí),焊縫出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,肉眼明顯可見,可以通過(guò)調(diào)整頭尾的焊接電流設(shè)定值來(lái)解決。焊縫不搭邊主要是開平板對(duì)角線尺寸偏差較大,而導(dǎo)致焊縫搭接面不齊;表面油污較大、材質(zhì)強(qiáng)度、厚度不均引起卷圓不圓等,也會(huì)導(dǎo)致搭接面不齊;搭邊量大、接觸面積大、焊接電阻R1小導(dǎo)致焊接熱量不足焊縫出現(xiàn)不搭接現(xiàn)象。
(2)焊縫虛焊。焊縫虛焊主要發(fā)生在焊縫中部,肉眼很難直接發(fā)現(xiàn)(圖2),通過(guò)成品桶的氣密性試驗(yàn)檢驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)。出現(xiàn)虛焊的頻次比焊縫擊穿的情況要高一些。
圖2 焊縫虛焊
形成原因:虛焊主要是在焊接區(qū)域接觸電阻過(guò)小所致,實(shí)質(zhì)是焊接時(shí)焊縫結(jié)合面的溫度太低,熔核尺寸太小甚至未達(dá)到熔化的程度,只是達(dá)到了塑性狀態(tài),經(jīng)過(guò)碾壓以后勉強(qiáng)結(jié)合在一起,表面看焊好了,實(shí)際上未能融合。導(dǎo)致氣密性試驗(yàn)檢測(cè)不合格,如果漏檢還會(huì)流向下游客戶,因此對(duì)于油桶桶身虛焊產(chǎn)生的不利影響排在首位。
(3)焊縫擊穿。焊接過(guò)程中,熔核四周的塑性環(huán)熔化,在壓力作用下噴出,火花四濺形成焊縫擊穿,俗稱“炸火”。炸火不但使焊縫處基材流失成為空洞,還使液態(tài)鋼粘到焊輪,使焊輪局部熔化、粘渣、燒傷,無(wú)法繼續(xù)使用。焊縫擊穿現(xiàn)象如圖3所示。
圖3 焊縫擊穿
形成原因:產(chǎn)生炸火主要因?yàn)樵诖怪狈较蛏蠠崃糠植疾缓侠?,鋼板的橫向厚度變大時(shí),焊輪與鋼帶之間的接觸電阻變大,導(dǎo)致焊輪與鋼帶接觸處的熱量也較多,使本來(lái)應(yīng)該形成塑性環(huán)的金屬發(fā)生熔化,熔核的液態(tài)鋼缺少了保護(hù)作用。搭邊量較小,焊接電阻R1較大時(shí)同樣會(huì)發(fā)生接觸點(diǎn)金屬發(fā)生熔化。
桶身焊接問(wèn)題的相關(guān)影響因素主要包括焊接工藝、開平板的尺寸精度以及表面質(zhì)量。
2.2.1 焊接工藝的影響
焊接工序的主要影響因素有:焊接工藝參數(shù)、焊接設(shè)備、焊機(jī)操作等。焊接工藝參數(shù)主要包括搭接量、焊輪壓力、焊接電流、焊接速度等,另外鋼板的厚度尺寸精度、鋼卷頭尾的階段性波動(dòng)以及材質(zhì)的內(nèi)在質(zhì)量、人工操作技能及設(shè)備功能精度也對(duì)桶身的焊接質(zhì)量有一定影響。
2.2.2 開平板的尺寸精度以及表面質(zhì)量的影響
開平板的尺寸精度主要包括開平板長(zhǎng)度精度、對(duì)角線精度、開平板卷圓圓度等。當(dāng)開平板的對(duì)角線偏差較大時(shí),會(huì)導(dǎo)致桶身焊縫搭接量發(fā)生較大變化:當(dāng)搭接量變小時(shí),接觸電阻變大,焊接熱量過(guò)大,產(chǎn)生鋼板焊透擊穿;當(dāng)搭接量變大時(shí),接觸電阻變小,焊接熱量不足,產(chǎn)生鋼板虛焊及焊不住的情況。
開平板尺寸精度受到冷軋卷的影響因素包括:冷軋卷厚度尺寸偏差影響、楔形同板差、板型有浪、板面涂油不均等以及鋼板表面狀態(tài)(光面、麻面)。
開平機(jī)設(shè)備測(cè)長(zhǎng)輥精度不足會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)度剪切不準(zhǔn),主要受制桶廠開平機(jī)設(shè)備精度及操作技能控制。
追溯2020年制桶企業(yè)訂購(gòu)八鋼冷軋鋼板合同,關(guān)于桶身鋼板厚度公差范圍比較寬泛,供應(yīng)該制桶企業(yè)的冷軋卷厚度實(shí)際波動(dòng)值較寬,2020年12月以前的厚度公差為±0.04mm。
分析認(rèn)為,鋼板的厚度精度影響電阻變化,從而影響桶身焊接質(zhì)量。對(duì)比制桶企業(yè)采用的J鋼鋼板制桶的缺陷率較低,為此對(duì)J鋼的制桶冷軋鋼板原料情況進(jìn)行分析,探索八鋼冷軋鋼板制桶身原料的改進(jìn)方向。
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采用的J鋼鋼板進(jìn)行厚度精度分析,以此作為產(chǎn)品對(duì)標(biāo)改進(jìn)的依據(jù)。圖4是對(duì)該制桶企業(yè)生產(chǎn)桶身的J鋼冷軋板尺寸精度隨機(jī)抽樣統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。
5點(diǎn)平均厚度的I-MR控制圖
J鋼鋼板厚度精度情況:經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),J鋼桶身板開平鋼板厚度控制在0.972~1.0mm,寬度1/2處厚度控制在0.987~1.008mm(平均0.998mm), 寬度1/4、1/2和邊部5cm五個(gè)點(diǎn)平均厚度控制在0.986~0.998 mm(平均0.993mm), 厚度偏差控制在0.017mm以內(nèi)。J鋼桶身板厚度同板差在0.005~0.017mm(平均0.011mm)(見圖5)。
圖5 J鋼桶身板厚度同板差分析
通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)J鋼桶身板厚度精度控制水平較高,鋼板的厚度同板差在0.017mm以內(nèi)。八鋼制桶冷軋板厚度同板差最大為0.024mm,厚度偏差高于J鋼產(chǎn)品。
鋼桶桶身的焊接是通過(guò)焊接熱量將鋼板熔溶后壓制在一起,焊接過(guò)程需要檢查焊縫結(jié)合面或焊輪表面平整度情況或者桶身卷圓的壓力控制是否合適;產(chǎn)品規(guī)格切換后(不同廠家、不同鋼卷、鋼卷的不同位置是有差異)檢查電流設(shè)定是否符合工藝規(guī)定、焊輪壓力和腰輪壓力設(shè)定是否合理,并及時(shí)的調(diào)整。對(duì)J鋼制桶過(guò)程中的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行分析。
(1)搭接量。焊接設(shè)定搭接量工藝要求2mm,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于受到開平板的尺寸精度影響,實(shí)際搭接量會(huì)有偏差。
(2)焊接電流。焊接電流分四段,厚度1mm桶身鋼板采用工藝見表1。
表1 焊接電流參數(shù) A
第一段、第四段距離比較短,電流值偏小,主要是為了防止頭尾焊接開裂。
在自動(dòng)連續(xù)焊接過(guò)程中,焊接電流設(shè)定值的大小是影響焊接質(zhì)量的最直觀技術(shù)參數(shù),焊接電流過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致熱量高,焊縫擊穿;焊接電流過(guò)小,則會(huì)導(dǎo)致熱量小,焊縫焊不透出現(xiàn)虛焊。實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)原料的厚度波動(dòng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的電流設(shè)定值的調(diào)整(圖6)。焊接電流是在電阻發(fā)生變化時(shí),通過(guò)調(diào)整穩(wěn)定焊縫質(zhì)量的主要手段。
圖6 2月26日~3月8日期間電流設(shè)定值趨勢(shì)圖
(3)焊輪壓力。焊輪壓力為0.36~0.4MPa(影響焊接電流的關(guān)鍵參數(shù)),焊輪為銅質(zhì)材料,既是焊縫搭接區(qū)的壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu),同時(shí)也是作為電阻焊的電極。焊輪壓力小,接觸電阻就會(huì)增大。焊輪壓力大,接觸電阻就會(huì)減小。焊輪壓力是在電阻發(fā)生變化時(shí),通過(guò)調(diào)整穩(wěn)定焊縫質(zhì)量的主要手段。
腰輪壓力:前腰鼓輪壓力0.22~0.26MPa,后腰鼓輪壓力0.22~0.24MPa(影響桶身焊接過(guò)程的搭接量穩(wěn)定的參數(shù)),腰輪壓力的控制,主要作用是保持桶身圓度的穩(wěn)定性,從而保持接觸電阻的穩(wěn)定。當(dāng)桶身原料的強(qiáng)度過(guò)高時(shí),材料變形困難,桶身不圓度增大,需要調(diào)大卷取力;當(dāng)桶身原料的強(qiáng)度過(guò)低時(shí),材料容易發(fā)生卷折變形。
(4)焊接速度。焊接速度為 7.5~8m/min,焊接一個(gè)桶身需要6~7s,每分鐘可焊接鋼桶桶身7~8個(gè)。針對(duì)生產(chǎn)中的焊接速度提高,為了獲得一定強(qiáng)度的焊點(diǎn),可以適當(dāng)采用大電流,過(guò)大的焊接速度會(huì)引起桶身表面燒損和電極粘附,需要定時(shí)清理焊輪。
(5)焊機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況:焊機(jī)為2020年新投產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)焊機(jī),設(shè)備狀況整體良好,自動(dòng)縫焊機(jī)按1萬(wàn)個(gè)桶的周期進(jìn)行一次設(shè)備保養(yǎng)維護(hù),實(shí)現(xiàn)操檢結(jié)合的方式管理。
現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀察明顯發(fā)現(xiàn),當(dāng)穩(wěn)定焊接生產(chǎn)幾天后(不合格率<1%),隨著設(shè)備狀態(tài)下降,就會(huì)集中某一天出現(xiàn)焊接不良情況,焊接不合格率大幅上升至5%以上。焊接過(guò)程中,對(duì)焊輪表面狀態(tài)要適時(shí)重點(diǎn)關(guān)注,一般至少每天就得清理一次。
(1)桶身板在焊接工序,除了焊接電流、電極(焊輪)壓力、焊接速度影響因素外。
焊接接觸電阻變化幅度過(guò)大會(huì)對(duì)焊接穩(wěn)定性產(chǎn)生較大不利影響,焊接電阻主要與鋼材的材質(zhì)、厚度等因素相關(guān)。
(2)桶身板的尺寸需要嚴(yán)格控制,同一卷鋼需要確保厚度精度具有穩(wěn)定性,不能出現(xiàn)頭尾圈厚度超厚的情況。
(3)桶身板鋼板沿寬度方向(桶身板焊接時(shí)的焊接方向)的厚度同板差需要嚴(yán)格控制,以降低單個(gè)桶身在焊接過(guò)程中因厚度變化影響焊接電阻以至于影響焊縫質(zhì)量。
(4)鋼板表面涂油量在通卷均需穩(wěn)定,以確保表面油污對(duì)焊接電阻的不穩(wěn)定影響。同時(shí)降低涂油不均對(duì)開平工序長(zhǎng)度精度的不利影響。
(5)制桶加工過(guò)程:需要提高開平板的長(zhǎng)度、寬度、對(duì)角線控制精度,根據(jù)原料的情況設(shè)定合適的焊接工藝參數(shù),包括焊接電流、焊輪壓力以及腰輪壓力。及時(shí)檢查清理鋼板表面,鋼板表面存在影響焊接的污物時(shí),先去除表面污物后再卷圓焊接。定期近期焊輪焊渣清理,焊輪返修。
制化工桶用冷軋板的生產(chǎn)工藝流程:二煉鋼轉(zhuǎn)爐-LF爐精煉-連鑄-熱軋加熱爐-粗軋-六連軋-卷取-酸連軋-罩退-平整-重卷-打包
針對(duì)已識(shí)別的制化工桶用冷軋板影響焊接的主要因素(表2),確定了優(yōu)化改進(jìn)方向。
表2 制化工桶用冷軋板對(duì)焊接的主要影響因素
通過(guò)控制煉鋼工序的成分和夾雜物、熱軋板的凸度和楔形保證冷軋板原料的質(zhì)量,通過(guò)冷軋軋制中厚度精度、退火工藝和平整以及重卷拉矯工藝控制提高鋼板厚度、寬度尺寸精度、材質(zhì)性能均勻性,滿足制桶用戶的使用要求。
板坯需經(jīng)過(guò)LF精煉,降低鋼中夾雜物,提高鋼質(zhì)純凈度,主要成分不超過(guò)內(nèi)控要求。過(guò)熱度不超過(guò)25℃,頭尾坯降級(jí)改判普通SPCC。N含量控制在60x10-6以內(nèi)。
熱軋?jiān)弦螅和苟权Q50um,楔形不大于凸度。軋制前安排充足的過(guò)渡料,確保凸度控制滿足工藝要求。楔形凸度值超標(biāo)鋼卷降級(jí)軋制普通SPCC合同。楔形凸度圖傳遞至冷軋工序。
酸洗及乳化液的指標(biāo)要求見表3,確定了冷軋各工序控制目標(biāo)。
表3 酸洗及乳化液的指標(biāo)要求
4.3.1 板型控制及吹掃要求
機(jī)架間不允許漏油。軋機(jī)出口吹掃壓力>0.5MPa;噴嘴不允許缺失堵塞,板面吹掃角度 45°~60°。目標(biāo)板型按微雙邊浪控制。卷取張應(yīng)力≤32MPa。
軋輥要求:軋機(jī)工作輥使用光輥、平輥;新輥軋制前需通過(guò)10卷以上過(guò)渡材。鋼卷有停車斑時(shí)做降級(jí)處理;
軋機(jī)出口逐卷測(cè)量表面發(fā)射率:反射率>60%;每5卷攤檢一次,檢查板型與乳化液殘留。表面粗糙度小于0.5um。
4.3.3 平整工序技術(shù)要求
控制平整液濃度1.5%~2%;吹掃噴氣壓力>0.5MPa,角度45°~65°。桶身料平整工作輥使用毛化輥,平整工序不允許進(jìn)行二次平整,防止材料加工硬化,影響塑性成型性。要求表面無(wú)平整液斑、平整花缺陷。
4.3.4 重卷工序技術(shù)要求
輥面清潔度要求:生產(chǎn)前對(duì)拉矯機(jī)輥系進(jìn)行檢查、清洗、包括張力輥、夾送輥、毛刺輥,輥面清洗后須生產(chǎn)2卷普通SPCC鋼種后再生產(chǎn)油桶板。
重卷機(jī)組每分卷均取樣,要求沿板寬方向左中右5個(gè)點(diǎn)測(cè)量厚度(左右測(cè)量點(diǎn)距邊部50mm,中部取板寬1/2處,板寬1/4處),同板厚度偏差控制在±0.01mm。
重卷機(jī)組帶鋼表面反射率基準(zhǔn)(毛面)≥65%;重卷機(jī)組帶鋼表面反射率基準(zhǔn)(光面)≥72%。
4.3.5 桶身板尺寸控制
寬度1/2處,厚度控制范圍0.998±0.005mm(0.993~1.003mm);5個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值平均值控制范圍(0.993±0.005mm)轉(zhuǎn)化到冷軋各工序厚度控制見表4。寬度1/2處厚度控制:平整工序厚度減薄量按0.011mm設(shè)計(jì)。
表4 冷軋各工序厚度控制設(shè)計(jì)值
寬度1/2處與平均厚度按0.005mm偏差設(shè)計(jì)(表5),熱軋凸度按50um計(jì)算,軋制后同板差按0.015mm計(jì)算。
表5 冷軋板成品控制厚度偏差要求
經(jīng)過(guò)二輪試制,對(duì)軋制厚度目標(biāo)值進(jìn)行了工藝優(yōu)化,厚度補(bǔ)償值更加精確。冷軋軋制的10卷鋼通過(guò)平整重卷后,測(cè)量厚度在0.98~1.0mm,厚度同板差在0.006~0.018mm(表6)。
表6 試驗(yàn)板厚度、同板差數(shù)據(jù) mm
焊接電流設(shè)定參數(shù)見表7,試驗(yàn)鋼焊接電流值在16.6~18A,相對(duì)J鋼板焊接電流略有調(diào)整。焊輪壓力為0.46~0.47MPa;焊接效率7.3個(gè)/min;焊接速度在7.5~8m/min。
表7 試驗(yàn)鋼焊接電流參數(shù)設(shè)定值 A
桶身焊接后,進(jìn)行了焊縫杯凸沖孔試驗(yàn),沖孔均未發(fā)生焊縫開裂,焊縫質(zhì)量合格。鋼桶裝滿水通過(guò)高處墜落試驗(yàn),鋼桶嚴(yán)重變形后沒(méi)有滲漏,試驗(yàn)結(jié)果合格。鋼桶充氣后在水槽里檢漏,無(wú)漏氣現(xiàn)象,檢驗(yàn)合格。鋼桶裝滿水后,充氣保壓無(wú)滲漏,試驗(yàn)結(jié)果合格。總共完成375個(gè)鋼桶桶身焊接,焊接合格率達(dá)到99.47%。
基于制桶企業(yè)生產(chǎn)的鋼桶用于TDI易燃劇毒化工液體的盛裝,對(duì)桶體的質(zhì)量和安全性有很高要求,不僅對(duì)焊接工藝有較高要求,而且對(duì)制桶用原料冷軋板提出了高精度要求。八鋼公司通過(guò)改進(jìn)該制桶企業(yè)化工用桶鋼板的生產(chǎn)工藝,在產(chǎn)品尺寸精度,厚度同板差、表面清潔度、寬度精度、涂油量控制、表面防銹以及包裝發(fā)運(yùn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)過(guò)程控制和質(zhì)量檢驗(yàn),如要求冷軋桶身板質(zhì)量控制重點(diǎn)厚度值要穩(wěn)定在0.99~1.0mm,同板差控制在0.02mm以內(nèi),確保該桶身具有良好的焊接穩(wěn)定性,大幅降低過(guò)焊、虛焊、漏焊現(xiàn)象。通過(guò)提升冷軋質(zhì)量管理水平滿足了用戶生產(chǎn)需要。八鋼公司通過(guò)對(duì)制桶企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)服務(wù),對(duì)工藝的優(yōu)化改進(jìn),形成了一整套冷軋鋼板化工用桶全流程質(zhì)量管理的專項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。