淺談激光焊機焊縫質量離線評價方法

供稿|郭利華，卓松生，梁奉超 / GUO Li-hua, ZHUO Song-sheng, LIANG Feng-chao

作者單位：中冶南方工程技術有限公司，武漢 430223

內容導讀激光焊機焊縫質量的優(yōu)劣直接影響冷軋連續(xù)生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行。本文介紹了常用的三種焊縫力學性能測試方法并分析了其適用的冷軋機組：拉伸實驗適用于大張力機組，尤其是不銹鋼冷連軋機組；彎曲實驗適用于中高牌號硅鋼及馬氏體不銹鋼生產(chǎn)線；杯突實驗適用于各種機組?？偨Y現(xiàn)場焊接經(jīng)驗，推薦了合適的焊縫質量檢測試樣。

激光焊機是冷軋連續(xù)生產(chǎn)線的核心設備，激光焊機的焊接質量必須滿足生產(chǎn)工藝要求。焊后帶鋼在線運行時，需要經(jīng)過多次S型反復彎曲變形，并承受一定的運行張力，需要焊縫具有足夠的強度和韌性；在連續(xù)軋制生產(chǎn)線中，帶鋼過軋機被壓延，焊縫韌性需滿足軋機軋制要求。

焊縫質量不合格必須立即發(fā)現(xiàn)并重新焊接，否則焊縫在運行過程中易斷帶。發(fā)生斷帶事故后將直接導致機組停機，作業(yè)率下降，因此必須找到有效評價帶鋼焊縫質量的方法，保證冷軋機組的連續(xù)運行[1-2]。

評價帶鋼焊縫質量的方法應根據(jù)冷軋機組工藝所需焊縫性能要求進行相應的檢測，主要的測試方法包括拉伸、彎曲及杯突測試等。本文根據(jù)冷軋機組生產(chǎn)經(jīng)驗，分析常用的三種焊縫力學性能測試方法及其適用性。

拉伸實驗

拉伸實驗標準參照GB/ T 2651—2008“焊接接頭拉伸實驗方法”，一般在萬能材料力學實驗機上進行，按照國家標準取樣。將試樣夾緊，然后進行拉伸，直到試樣斷裂，如圖1所示。焊縫拉伸實驗需要專用實驗設備，對操作者能力要求較高，機組生產(chǎn)過程中不具備實驗條件，一般在修改焊接參數(shù)后或開發(fā)新鋼種焊接工藝時，在焊接工藝實驗階段進行。

圖1 帶焊縫不銹鋼拉伸試樣

焊縫拉伸實驗可以測定焊縫的彈性、塑性、強度等性能指標，是評定焊縫承受機組張力大小的重要檢測手段，適用于大張力連續(xù)機組，如不銹鋼連軋機組。該機組軋機段張力大且?guī)т摫粔貉?，焊縫需具有足夠的抗拉強度才能不被拉斷。生產(chǎn)實踐中是用焊縫強度相對于母材的抗拉強度比作為考核標準，一般強度百分比≥85%焊縫可軋。表1為某不銹鋼連軋機組焊縫抗拉強度測試數(shù)據(jù)，分別取母材試樣和帶焊縫試樣作拉伸測試，記錄拉斷時最大力、抗拉強度、延伸率，將帶焊縫試樣抗拉強度與母材抗拉強度對比即焊縫相對母材的強度百分比。

表1 某廠不銹鋼焊縫抗拉強度測試值

彎曲實驗

焊縫的斷裂韌性指標可以較好地反映焊縫抗斷裂能力、塑性變形能力和內部缺陷情況，但是估算斷裂韌性值的測量較為困難，試件加工復雜，對實驗設備和費用的要求高，不便于工程實踐中應用。

焊縫彎曲次數(shù)與焊縫的估算斷裂韌性值有對應關系，生產(chǎn)中常使用彎曲實驗來評估帶鋼焊縫抗斷裂能力。常用的彎曲實驗是用月牙剪廢料作試樣，因月牙廢料焊縫比帶鋼中部的焊縫質量差，能最大限度地保證檢測結果的可靠性。

將帶有焊縫試樣的月牙夾持并調整好位置，使焊縫處受到90°彎曲，根據(jù)反復的次數(shù)來判斷焊縫的抗彎曲能力，如圖2。彎曲實驗可在線操作，適用于中高牌號硅鋼、馬氏體不銹鋼生產(chǎn)線。中高牌號硅鋼是含硅量（質量分數(shù)）2%～5%的超低碳鋼，其中的Si元素對α-Fe具有強烈的固溶強化作用，使硅鋼的焊縫硬度、強度增加，塑性、韌性下降。馬氏體不銹鋼進行焊接時，存在脆性、低溫韌性惡化，并伴隨硬化產(chǎn)生的延展性下降，焊接熱影響區(qū)的組織通常又硬又脆。鑒于高牌號硅鋼、馬氏體不銹鋼焊縫強度高，韌性低的特點，反復彎折易斷帶，一般反復彎曲1次不斷裂即判定焊縫合格。

圖2 不銹鋼月牙彎曲試樣

杯突實驗

杯突實驗標準為ISO20482—2003，主要用來測定金屬板材的強度和變形性能，若沖壓出現(xiàn)裂紋，其壓入深度即為金屬板材的強度。杯突實驗是應用最廣泛的焊縫力學檢測方法，適應各種連續(xù)生產(chǎn)線激光焊機。

生產(chǎn)實踐中為便于操作，常采用簡易杯突實驗機進行實驗。杯突實驗取樣寬度應為150～200 mm，焊縫位于試樣中心，如圖3。實驗時，將試樣固定在杯突實驗機的固定環(huán)與沖模之間，沖頭對準焊縫中心，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 杯突實驗試樣

結束語

本文分析了冷軋連續(xù)生產(chǎn)線激光焊機焊縫力學檢測的三種方式及其適用性：拉伸實驗適用于大張力機組，尤其是不銹鋼冷連軋機組；彎曲實驗適用于中高牌號硅鋼及馬氏體不銹鋼生產(chǎn)線；杯突實驗適用于各種機組?？偨Y現(xiàn)場焊接經(jīng)驗，推薦了合適的焊縫質量檢測試樣。