酸軋機(jī)組中激光焊機(jī)焊縫檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

供稿|王碩

內(nèi)容導(dǎo)讀 研究了焊縫檢測(cè)系統(tǒng)（QCDS）在冷軋廠酸軋機(jī)組米巴赫激光焊機(jī)上的應(yīng)用，通過(guò)QCDS 的技術(shù)檢測(cè)手段，加上數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以從焊縫形貌，焊縫真實(shí)數(shù)據(jù)等參數(shù)整體上判斷焊縫的質(zhì)量，通過(guò)QCDS 數(shù)據(jù)的檢測(cè)可以動(dòng)態(tài)的監(jiān)控焊接參數(shù)的合理性，從而優(yōu)化參數(shù)減少斷帶率。

生產(chǎn)線主要概況

我公司冷軋廠引進(jìn)的德國(guó)Miebache 激光焊機(jī)在酸洗冷軋聯(lián)合機(jī)組（PLTCM）中作用十分重要，是保證連續(xù)軋制的前提。激光焊機(jī)焊接質(zhì)量的穩(wěn)定決定了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定。通過(guò)將焊縫檢測(cè)系統(tǒng)（QCDS）應(yīng)用在激光焊機(jī)上，對(duì)冷軋2030 mm 機(jī)組生產(chǎn)時(shí)焊縫處斷帶進(jìn)行分析，總結(jié)影響焊縫質(zhì)量的主要因素以及改進(jìn)和應(yīng)對(duì)措施。

米巴赫激光焊機(jī)HSL19，允許生產(chǎn)的帶鋼厚度為1.8～6.0 mm，帶鋼寬度為900～1880 mm，可焊接的鋼種（抗拉強(qiáng)度不高于1000 MPa）有：鎮(zhèn)靜鋼、普通低碳鋼、熱軋普鋼（CQ）、沖壓級(jí)鋼（DQ）、深沖級(jí)鋼（DDQ）、超深沖級(jí)鋼（EDDQ）、超超深沖級(jí)鋼（SEDDQ）、普碳高強(qiáng)鋼（CQ-HSS）、沖壓高強(qiáng)鋼（DQ-HSS）、DDQ-HSS（深沖高強(qiáng)鋼）、烘烤硬化鋼（BH）、雙向鋼（DP）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）。

焊縫檢測(cè)系統(tǒng)（QCDS）介紹

QCDS 系統(tǒng)主要包括間隙傳感器、焊縫傳感器、熔透?jìng)鞲衅?、EPAC 控制器。

間隙傳感器

間隙傳感器包括：正面間隙測(cè)量和背光控制兩個(gè)單元，用于測(cè)量間隙位置和間隙大小。如圖1 所示，圖1(a)可以清晰的看見(jiàn)焊縫及鋼板表面的實(shí)況，實(shí)時(shí)監(jiān)控焊縫焊接時(shí)的實(shí)際情況；圖1(b)是將焊縫的實(shí)際間隙外貌圖進(jìn)行處理，更直觀的反映出焊縫間隙的情況，根據(jù)焊縫的間隙可以判斷出焊接條件是否具備。

圖1 間隙傳感器焊縫采集及成像：(a)焊縫實(shí)際間隙外貌；(b)采集后成像

焊縫傳感器

焊縫傳感器采用三角測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫外形的三維特征尺寸的檢測(cè)，用于表征焊縫成形質(zhì)量。焊縫傳感器主要檢測(cè)指標(biāo)包括：焊縫位置、焊縫寬度、高度差、焊縫余高和咬邊量。如圖2 所示，通過(guò)焊縫外形的三維特征尺寸的檢測(cè)可以形成焊縫實(shí)時(shí)外貌圖像，如圖2(a)，直觀的監(jiān)控焊縫表面情況；圖2(b)和圖2(c)反應(yīng)焊縫焊接面與鋼板表面的高度差，可以判斷焊縫焊接的是否飽滿、均勻，從而更好的判斷焊接質(zhì)量。

圖2 焊縫傳感器焊縫檢測(cè)圖像：(a)外形圖像；(b)原始圖像；(c)特征處理后圖像

熔透?jìng)鞲衅?/h3>

熔透?jìng)鞲衅靼惭b于下導(dǎo)向輪正下方，用于在線檢測(cè)激光匙孔的熔透情況。通過(guò)熔透?jìng)鞲衅?，可以直觀觀察到焊縫背面的小孔情況。熔透?jìng)鞲衅鞯闹饕獧z測(cè)指標(biāo)包括：熔透率和匙孔尺寸（寬度及深度）。

QCDS 系統(tǒng)電氣組成

如圖3，QCDS-PC and HMI 單元安裝于入口操作室，QCDS Remote PC and HMI 單元安裝于焊機(jī)機(jī)旁操作臺(tái)，間隙傳感器、焊縫傳感器和熔透?jìng)鞲衅靼惭b于焊機(jī)小車上相應(yīng)位置，EPAC Controller and QCDS Control Unite 單元安裝于焊機(jī)機(jī)旁電氣柜內(nèi)與焊機(jī)PLC 的數(shù)據(jù)交互，采用總線接口PROFIBUS/DP。

圖3 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

焊縫檢測(cè)系統(tǒng)（QCDS）應(yīng)用

QCDS 系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中難點(diǎn)主要有：為使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，參數(shù)曲線的閥值需要根據(jù)不同鋼種、不同規(guī)格的材料進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；焊縫質(zhì)量需要通過(guò)焊縫外形形貌、焊縫余高曲線參數(shù)、焊縫高度差參數(shù)曲線、焊縫咬邊量參數(shù)曲線、焊縫熔透率等多項(xiàng)參數(shù)綜合判定。

不同鋼種的焊機(jī)參數(shù)閾值

對(duì)不同的鋼種、規(guī)格進(jìn)行焊接時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)的閾值范圍必然存在差異，針對(duì)不同的鋼種、規(guī)格維護(hù)不同的閾值范圍（表1）是尤其重要的，對(duì)焊縫質(zhì)量的判定起到直接作用。

表1 部分鋼種閾值表

快速判定焊縫質(zhì)量

影響焊縫質(zhì)量的因素主要有：原料質(zhì)量，主要包括原料的板形、厚度偏差、化學(xué)成分、表面清潔度等[1]；激光焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備維護(hù)不到位導(dǎo)致激光功率不足或剪切精度不夠；工藝參數(shù)設(shè)定，參數(shù)設(shè)定不合理導(dǎo)致焊接效果不好。針對(duì)這3 方面的原因，可以通過(guò)QCDS 系統(tǒng)的檢測(cè)元件檢測(cè)出焊縫余高、焊縫高度差、激光融透率、間隙寬度、焊縫咬邊等參數(shù)，在眾多的參數(shù)數(shù)據(jù)中選擇重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)，并且通過(guò)一定的方法快速判定焊縫質(zhì)量差是哪方面原因?qū)е碌摹?/p>

1）原料質(zhì)量

當(dāng)原料板型邊浪較為嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致帶鋼兩側(cè)焊接質(zhì)量差，焊縫外形形貌、焊縫余高曲線參數(shù)、焊縫高度差參數(shù)曲線會(huì)顯示異常，超出曲線設(shè)定的閾值。

2）設(shè)備維護(hù)不到位

從圖4 中可知出現(xiàn)了比較多的熔透率不合格的區(qū)域，影響融透率檢測(cè)結(jié)果的因素主要包含：QCDS 熔透率采集光源前鏡片是否污染；激光反射鏡和聚焦鏡是否按時(shí)維護(hù)清洗，夾緊臺(tái)對(duì)接精度是否滿足要求。

圖4 QCDS 系統(tǒng)監(jiān)控圖像

3）工藝參數(shù)設(shè)定不合理

當(dāng)焊縫咬邊量參數(shù)曲線出現(xiàn)較大區(qū)域不合時(shí)，一般是由焊縫間隙參數(shù)設(shè)定不合理造成；熔透率曲線出現(xiàn)較大區(qū)域不合時(shí)除第2 條設(shè)備原因外，也有可能是激光功率和激光焦點(diǎn)參數(shù)設(shè)定不合理造成。

針對(duì)性的修改焊機(jī)參數(shù)

通過(guò)QCDS 系統(tǒng)可以有針對(duì)性的從眾多影響因素中快速找到真正影響焊接質(zhì)量的要素，針對(duì)具體影響焊接質(zhì)量的因素對(duì)癥下藥，在一定合理范圍內(nèi)修改焊接參數(shù)，如操作側(cè)檢測(cè)間隙寬度小，可以修改操作側(cè)間隙進(jìn)行重新焊接。

1）激光焊機(jī)邊浪焊接對(duì)策

簡(jiǎn)況：對(duì)于2.5 mm 厚度以下的來(lái)料嚴(yán)重浪型，QCDS 曲線反饋出焊接過(guò)程中浪型的一側(cè)帶鋼無(wú)法對(duì)齊，導(dǎo)致焊縫質(zhì)量不合。

對(duì)策：（1）首先對(duì)于2.5 mm 厚度以下來(lái)料嚴(yán)重浪型的鋼卷，在入口應(yīng)該增加剪切量，同時(shí)增大直頭機(jī)的插入量；（2）焊接時(shí)對(duì)于浪型嚴(yán)重的一側(cè)要增加0.01～0.02 mm 的夾緊臺(tái)對(duì)接間隙；（3）將焊輪壓力提高10%，通過(guò)焊輪的下壓減緩浪型的影響從而使得焊接質(zhì)量達(dá)到要求。

2）激光焊機(jī)高強(qiáng)鋼焊接對(duì)策

簡(jiǎn)況：由于高強(qiáng)鋼碳當(dāng)量為0.4%～0.6%，鋼材易于淬硬，焊接性能不好，焊接前需要預(yù)熱，并適當(dāng)使用后加熱，由于DP 鋼含有馬氏體，低屈強(qiáng)比，高伸長(zhǎng)率，在激光的小區(qū)域高能量下，比較容易斷裂，后加熱可以擴(kuò)大熱影響區(qū)，增加材料的冷卻時(shí)間。在這種情況下QCDS 反應(yīng)出焊接高強(qiáng)鋼時(shí)會(huì)出現(xiàn)熔透率不足的現(xiàn)象。

對(duì)策：（1）焊接QP980 時(shí)根據(jù)焊接厚度不同選擇在速度為5.4～6 m/min，焊接QP980 以下級(jí)別可以選擇速度5.4～7.2 m/min。（2）焊接QP980 激光焊機(jī)功率選擇12 kW，焊接QP980 以下級(jí)別的高強(qiáng)鋼可以選擇11.4～12.0 kW；（3）對(duì)接間隙和焊輪壓力根據(jù)來(lái)料板型進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整原則是焊接的鋼板到焊接位置時(shí)，0.02 mm 的塞尺無(wú)法進(jìn)入間隙；（4）3.0 mm QP980：預(yù)熱功率10 kW，退火功率8.75 kW；3.5 mm QP980：預(yù)熱功率10 kW，退火功率10 kW；4.0 mm QP980：預(yù)熱功率10 kW，退火功率11.25 kW；4.5 mm QP980：預(yù)熱功率10 kW，退火功率13.75 kW。（5）如果焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)兩側(cè)焊接效果不好，中間焊接效果好，是兩側(cè)加熱不足導(dǎo)致的熱影響區(qū)較小導(dǎo)致，可以通過(guò)調(diào)整預(yù)熱和退火的開(kāi)關(guān)時(shí)間解決。

QCDS 系統(tǒng)中曲線異常與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

QCDS 穩(wěn)定運(yùn)行后各個(gè)鋼種的參數(shù)值基本波動(dòng)不大，如果出現(xiàn)批量波動(dòng)較大時(shí)，則焊接設(shè)備狀態(tài)存在問(wèn)題，需要維護(hù)設(shè)備。

1）融透率一般20%左右，如果批量融透率低于1%要考慮維護(hù)激光功率輸出后的輸出鏡、反光鏡、聚焦鏡等設(shè)備問(wèn)題。鏡面污染程度和激光功率有直接關(guān)系，如下式描述。

式中，?f為鏡面污染程度，A為透鏡吸收率，P為激光功率，f為透鏡焦距，K為透鏡導(dǎo)熱系數(shù)，R為透鏡處光束半徑，dn/dT表示透鏡折射率隨溫度變化系數(shù)。透鏡表面受污染程度越嚴(yán)重，對(duì)激光的吸收率就越大，透鏡本身越容易發(fā)熱膨脹，從而影響透鏡焦距[2]。

2）出現(xiàn)批量焊縫間隙異常時(shí)，首先考慮夾緊臺(tái)間隙調(diào)整問(wèn)題，其次考慮剪刃磨損導(dǎo)致精度不夠。通過(guò)打點(diǎn)測(cè)試的方法檢測(cè)出偏移量，利用夾緊臺(tái)橫向補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。如果在驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)只有一側(cè)偏移或者兩側(cè)偏移的方向相反，則證明需要調(diào)節(jié)焊接間隙，通過(guò)調(diào)整夾緊臺(tái)的橫向移動(dòng)的補(bǔ)償量。如果驅(qū)動(dòng)側(cè)和操作側(cè)兩側(cè)都偏移同一個(gè)方向，則證明需要調(diào)節(jié)聚光鏡，通過(guò)百分表檢測(cè)，旋鈕旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)聚光鏡的力臂。

焊縫檢測(cè)系統(tǒng)（QCDS）應(yīng)用效果

將QCDS 系統(tǒng)應(yīng)用在激光焊機(jī)上，發(fā)揮了良好的焊接優(yōu)勢(shì)，降低了斷帶率，焊縫的整體斷帶率由之前的0.5%降至小于0.2%；重焊率由10%減少至2%，通過(guò)QCDS 系統(tǒng)的合理運(yùn)用，酸軋產(chǎn)線機(jī)時(shí)產(chǎn)量也有所提升，達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。

結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用QCDS 技術(shù)手段，科學(xué)的應(yīng)用到焊縫質(zhì)量的判定中，從而保證焊接質(zhì)量：

（1）QCDS 參數(shù)曲線可以判定焊縫質(zhì)量及焊縫缺陷的原因，原料板形缺陷、焊縫間隙大小不合適、激光融透率不夠、剪切質(zhì)量不好等。

（2）QCDS 參數(shù)曲線直觀的判定焊縫質(zhì)量結(jié)果，曲線判定閥值維護(hù)在合理范圍內(nèi)，超出閥值的曲線，系統(tǒng)自動(dòng)判定，并且鎖定超出閥值的區(qū)域。

（3）QCDS 系統(tǒng)中曲線異常可以監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。