原料缺陷對激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量影響研究

孫寧波，孟祥順，常生財(cái)

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部，河北 唐山 063200）

激光焊機(jī)作為主流酸連軋機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備之一，相較于傳統(tǒng)的閃光焊機(jī)，其具有焊接速度快、焊接能量密度高、焊接熱影響區(qū)非常小等特點(diǎn)[1]，同時(shí)，對其工藝參數(shù)、設(shè)備精度、原料缺陷的控制要求也很高。在影響焊縫質(zhì)量的各個(gè)因素中，目前各鋼廠對原料缺陷這一因素的控制及識別手段較少，使得因原料缺陷問題導(dǎo)致的焊縫斷帶故障時(shí)有發(fā)生[2]。本文以某鋼廠的酸軋機(jī)組的激光焊機(jī)為研究對象，總結(jié)生產(chǎn)運(yùn)行期間影響焊縫質(zhì)量的各種原料缺陷，并借助焊機(jī)配備的焊縫在線監(jiān)測QCDS系統(tǒng)，梳理不同原料缺陷下焊縫在線監(jiān)測系統(tǒng)中的曲線及圖像情況，制定出相應(yīng)的焊縫質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)，以提高操作人員運(yùn)用焊縫在線監(jiān)測系統(tǒng)識別原料缺陷的能力，這對降低機(jī)組的斷帶率具有一定的指導(dǎo)意義[3]。

1 激光焊機(jī)設(shè)備簡介

目前主流的酸軋機(jī)組采用的是德國Miebach公司生產(chǎn)的二氧化碳?xì)怏w激光焊機(jī)，其設(shè)備結(jié)構(gòu)與常規(guī)激光焊機(jī)基本類似，主要功能為：將鋼卷的頭尾焊接在一起，實(shí)現(xiàn)酸軋機(jī)組的連續(xù)生產(chǎn)[4]，并可根據(jù)生產(chǎn)的鋼種、規(guī)格配備不同功率的激光器。

氣體激光焊機(jī)主要組成部分為：入出口定位單元、夾鉗單元、對中單元、剪切單元、C型小車、焊機(jī)底座及軌道、氣體激光器及外光路、焊縫熱處理單元、焊縫在線監(jiān)測QCDS系統(tǒng)及其他（如水冷單元、月牙剪、氣體供應(yīng)單元等等）。

2 焊縫在線監(jiān)測QCDS系統(tǒng)簡介

焊縫在線監(jiān)測QCDS系統(tǒng)是一套實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接質(zhì)量的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4個(gè)傳感器構(gòu)成，分別為間隙傳感器（Gap sensor）、透光度傳感器（Penetration sensor）、焊縫傳感器（Seam sensor）、模擬傳感器（Analog sensor）。該系統(tǒng)可將各傳感器檢測的信號，經(jīng)過一系列的算法后，形成代表焊縫特征的監(jiān)測曲線及模擬圖像[5]。不同的曲線或者圖像特征代表著不同的焊縫缺陷，其監(jiān)控界面如圖1所示。通過QCDS在線監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測出原料導(dǎo)致的焊縫缺陷，并通過系統(tǒng)梳理，制定相應(yīng)的焊縫判斷標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對原料缺陷的管控。

圖1 QCDS在線監(jiān)測系統(tǒng)界面

3 原料缺陷對焊縫質(zhì)量的影響及監(jiān)控方法

根據(jù)激光焊機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出對焊縫質(zhì)量影響比較嚴(yán)重的缺陷主要為：原料浪形嚴(yán)重、原料表面清潔度差、原料厚度波動(dòng)大。對該鋼廠酸軋機(jī)組近五年因原料缺陷問題導(dǎo)致的焊縫斷帶事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出，由上述三種因素引發(fā)的事故所占比例如下頁圖2所示。

圖2 影響焊縫質(zhì)量的不同原料缺陷所占比例

3.1 原料浪形對焊縫質(zhì)量的影響及監(jiān)控方法

在所有原料缺陷中，原料浪形對焊縫質(zhì)量的影響最為嚴(yán)重，不僅體現(xiàn)在斷帶事故發(fā)生率高上，由此造成的后果也比較嚴(yán)重，曾多次出現(xiàn)因原料浪形嚴(yán)重導(dǎo)致的焊縫在軋機(jī)前開裂、斷帶等惡性事故。原料浪形嚴(yán)重位置常處于焊接區(qū)域，易導(dǎo)致拼接時(shí)前后帶鋼出現(xiàn)高度差，在焊接時(shí)經(jīng)夾鉗和支撐輪夾持后，會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)高度差和咬邊問題，更為嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致拼縫位置與激光落點(diǎn)位發(fā)生偏移，造成焊縫未熔合[6]。

原料浪形作為常見的缺陷，可通過QCDS在線監(jiān)測系統(tǒng)中的曲線及模擬圖像展示出來，具體可通過觀察右側(cè)Seam Originial窗口、焊縫模擬圖像、Seam to Gap曲線來判斷焊縫質(zhì)量是否合格。首先，通過Seam Originial窗口判斷最為簡單，當(dāng)原料浪形嚴(yán)重時(shí)，最常見的缺陷為焊縫出現(xiàn)高度差和咬邊（見圖3-1），此時(shí)，在Seam Originial窗口上會(huì)顯示焊縫模擬截面錯(cuò)位的畫面，同時(shí)焊縫截面產(chǎn)生變形，檢查實(shí)際焊縫質(zhì)量也不合格；其次，有些浪形嚴(yán)重的原料不容易通過Seam Originial窗口有效進(jìn)行判斷，于是便可通過觀察整條焊縫的模擬圖像來判斷焊縫是否合格，由于板帶經(jīng)過支撐輪碾壓后，會(huì)導(dǎo)致局部位置拼縫偏移，該偏移情況可體現(xiàn)在焊縫模擬圖像上，從而在模擬圖像上可觀察到焊縫彎曲（見圖3-2），因此，通過判斷模擬圖像是否彎曲可識別出原料浪形導(dǎo)致的焊縫缺陷；最后，對于整體浪形嚴(yán)重的情況，Seam Originial窗口和焊縫模擬圖像均無法識別時(shí)，可通過代表Seam Position（焊縫位置）和Gap Position（拼縫位置）偏差值的Seamto Gap曲線來判斷焊縫質(zhì)量是否合格，如Seam to Gap曲線整體偏移超過0.3 mm時(shí)，可判斷存在焊縫質(zhì)量不合格的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而利用杯突實(shí)驗(yàn)進(jìn)行下一步確認(rèn)。

圖3 QCDS在線監(jiān)測系統(tǒng)圖像

3.2 原料表面清潔度對焊縫質(zhì)量的影響及監(jiān)控方法

原料表面清潔度對焊縫質(zhì)量的影響也比較大，清潔度較差時(shí)會(huì)造成焊縫缺陷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致焊縫斷裂。一般原料表面清潔度主要指板帶頭尾的表面氧化鐵皮、油污、水以及穿帶過程中表面粘的氧化鐵粉等。激光焊機(jī)在焊接時(shí)，如表面清潔度比較差，表面雜質(zhì)會(huì)在焊接過程中進(jìn)入熔池，對焊縫成型造成影響[7]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)蜂窩狀的孔洞，大大影響焊縫的質(zhì)量。

由原料表面清潔度較差造成焊縫表面出現(xiàn)孔洞時(shí)，可通過Seam Originial窗口和焊縫模擬圖像進(jìn)行檢測。通過觀察Seam Originial窗口（見圖4），當(dāng)焊縫截面出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)，便可判斷焊縫表面出現(xiàn)孔洞，實(shí)際焊縫質(zhì)量也不合格。

圖4 Seam Originial窗口斷點(diǎn)圖像

3.3 原料厚度波動(dòng)大對焊縫質(zhì)量的影響及監(jiān)控方法

原料厚度波動(dòng)大可以理解為：由于酸軋上道生產(chǎn)工序不正常，使得板帶帶頭或者帶尾在橫向方向上厚度不均勻，從而造成原料缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，如原料二級信息顯示4.0 mm，焊接之前，焊機(jī)會(huì)自動(dòng)調(diào)用參數(shù)庫中4.0 mm規(guī)格的焊接參數(shù)，如果因?yàn)榘鍘Т嬖诤穸炔▌?dòng)大的缺陷，實(shí)際焊接位置厚度達(dá)到4.4 mm，就導(dǎo)致焊縫高度差變大，同時(shí)可能導(dǎo)致焊縫熔不透等缺陷。

針對此類原料缺陷，可通過QCDS在線監(jiān)測系統(tǒng)中Seam Originial窗口和Height_Mismatch曲線進(jìn)行判斷，一旦出現(xiàn)厚度波動(dòng)大時(shí)，Height_Mismatch曲線會(huì)有報(bào)警提示，同時(shí)Seam Originial窗口中顯示焊縫截面高差較大（見圖5），一側(cè)板帶明顯高于另一側(cè)板帶。

圖5 Seam Originial窗口高度差圖像

4 結(jié)語

原料缺陷對激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量的影響比較復(fù)雜，同時(shí)管控難度大，提高對原料質(zhì)量的關(guān)注度，利用好QCDS在線監(jiān)測系統(tǒng)，有效識別原料缺陷造成的焊接缺陷，避免出現(xiàn)焊縫斷帶事故，可有效保障機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。