1.   生產(chǎn)線主要概況

我公司冷軋廠引進的德國Miebache激光焊機在酸洗冷軋聯(lián)合機組（PLTCM）中作用十分重要，是保證連續(xù)軋制的前提。激光焊機焊接質(zhì)量的穩(wěn)定決定了機組運行的穩(wěn)定。通過將焊縫檢測系統(tǒng)（QCDS）應用在激光焊機上，對冷軋2030 mm機組生產(chǎn)時焊縫處斷帶進行分析，總結(jié)影響焊縫質(zhì)量的主要因素以及改進和應對措施。

米巴赫激光焊機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（抗拉強度不高于1000 MPa）有：鎮(zhèn)靜鋼、普通低碳鋼、熱軋普鋼（CQ）、沖壓級鋼（DQ）、深沖級鋼（DDQ）、超深沖級鋼（EDDQ）、超超深沖級鋼（SEDDQ）、普碳高強鋼（CQ-HSS）、沖壓高強鋼（DQ-HSS）、DDQ-HSS（深沖高強鋼）、烘烤硬化鋼（BH）、雙向鋼（DP）、相變誘導塑性鋼（TRIP）。

2.   焊縫檢測系統(tǒng)（QCDS）介紹

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

2.1   間隙傳感器

間隙傳感器包括：正面間隙測量和背光控制兩個單元，用于測量間隙位置和間隙大小。如圖1所示，圖1(a)可以清晰的看見焊縫及鋼板表面的實況，實時監(jiān)控焊縫焊接時的實際情況；圖1(b)是將焊縫的實際間隙外貌圖進行處理，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。

2.2   焊縫傳感器

焊縫傳感器采用三角測量原理，實現(xiàn)對焊縫外形的三維特征尺寸的檢測，用于表征焊縫成形質(zhì)量。焊縫傳感器主要檢測指標包括：焊縫位置、焊縫寬度、高度差、焊縫余高和咬邊量。如圖2所示，通過焊縫外形的三維特征尺寸的檢測可以形成焊縫實時外貌圖像，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。

2.3   熔透傳感器

熔透傳感器安裝于下導向輪正下方，用于在線檢測激光匙孔的熔透情況。通過熔透傳感器，可以直觀觀察到焊縫背面的小孔情況。熔透傳感器的主要檢測指標包括：熔透率和匙孔尺寸（寬度及深度）。

2.4   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 單元安裝于焊機機旁操作臺，間隙傳感器、焊縫傳感器和熔透傳感器安裝于焊機小車上相應位置，EPAC Controller and QCDS Control Unite 單元安裝于焊機機旁電氣柜內(nèi)與焊機PLC的數(shù)據(jù)交互，采用總線接口PROFIBUS/DP。

3.   焊縫檢測系統(tǒng)（QCDS）應用

QCDS系統(tǒng)應用過程中難點主要有：為使系統(tǒng)更加準確，參數(shù)曲線的閥值需要根據(jù)不同鋼種、不同規(guī)格的材料進行優(yōu)化調(diào)整；焊縫質(zhì)量需要通過焊縫外形形貌、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、焊縫熔透率等多項參數(shù)綜合判定。

3.1   不同鋼種的焊機參數(shù)閾值

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

3.2   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、化學成分、表面清潔度等[1]；激光焊機設備狀態(tài)，設備維護不到位導致激光功率不足或剪切精度不夠；工藝參數(shù)設定，參數(shù)設定不合理導致焊接效果不好。針對這3方面的原因，可以通過QCDS系統(tǒng)的檢測元件檢測出焊縫余高、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)中選擇重點關注的參數(shù)，并且通過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?/span>

1）原料質(zhì)量

當原料板型邊浪較為嚴重時，會導致帶鋼兩側(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)曲線會顯示異常，超出曲線設定的閾值。

2）設備維護不到位

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維護清洗，夾緊臺對接精度是否滿足要求。

3）工藝參數(shù)設定不合理

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

3.3   針對性的修改焊機參數(shù)

通過QCDS系統(tǒng)可以有針對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，針對具體影響焊接質(zhì)量的因素對癥下藥，在一定合理范圍內(nèi)修改焊接參數(shù)，如操作側(cè)檢測間隙寬度小，可以修改操作側(cè)間隙進行重新焊接。

1）激光焊機邊浪焊接對策

簡況：對于2.5 mm厚度以下的來料嚴重浪型，QCDS曲線反饋出焊接過程中浪型的一側(cè)帶鋼無法對齊，導致焊縫質(zhì)量不合。

對策：（1）首先對于2.5 mm厚度以下來料嚴重浪型的鋼卷，在入口應該增加剪切量，同時增大直頭機的插入量；（2）焊接時對于浪型嚴重的一側(cè)要增加0.01~0.02 mm的夾緊臺對接間隙；（3）將焊輪壓力提高10%，通過焊輪的下壓減緩浪型的影響從而使得焊接質(zhì)量達到要求。

2）激光焊機高強鋼焊接對策

簡況：由于高強鋼碳當量為0.4%~0.6%，鋼材易于淬硬，焊接性能不好，焊接前需要預熱，并適當使用后加熱，由于DP鋼含有馬氏體，低屈強比，高伸長率，在激光的小區(qū)域高能量下，比較容易斷裂，后加熱可以擴大熱影響區(qū)，增加材料的冷卻時間。在這種情況下QCDS反應出焊接高強鋼時會出現(xiàn)熔透率不足的現(xiàn)象。

對策：（1）焊接QP980時根據(jù)焊接厚度不同選擇在速度為5.4~6 m/min，焊接QP980以下級別可以選擇速度5.4~7.2 m/min。（2）焊接QP980激光焊機功率選擇12 kW，焊接QP980以下級別的高強鋼可以選擇11.4~12.0 kW；（3）對接間隙和焊輪壓力根據(jù)來料板型進行調(diào)整，調(diào)整原則是焊接的鋼板到焊接位置時，0.02 mm的塞尺無法進入間隙；（4）3.0 mm QP980：預熱功率10 kW，退火功率8.75 kW；3.5 mm QP980：預熱功率10 kW，退火功率10 kW；4.0 mm QP980：預熱功率10 kW，退火功率11.25 kW；4.5 mm QP980：預熱功率10 kW，退火功率13.75 kW。（5）如果焊接時發(fā)現(xiàn)兩側(cè)焊接效果不好，中間焊接效果好，是兩側(cè)加熱不足導致的熱影響區(qū)較小導致，可以通過調(diào)整預熱和退火的開關時間解決。

3.4   QCDS系統(tǒng)中曲線異常與設備運行狀態(tài)的對應關系

QCDS穩(wěn)定運行后各個鋼種的參數(shù)值基本波動不大，如果出現(xiàn)批量波動較大時，則焊接設備狀態(tài)存在問題，需要維護設備。

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

式中，Δf$\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">\Delta </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;">?</span>}$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重，對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，首先考慮夾緊臺間隙調(diào)整問題，其次考慮剪刃磨損導致精度不夠。通過打點測試的方法檢測出偏移量，利用夾緊臺橫向補償參數(shù)進行補償。如果在驅(qū)動側(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，通過調(diào)整夾緊臺的橫向移動的補償量。如果驅(qū)動側(cè)和操作側(cè)兩側(cè)都偏移同一個方向，則證明需要調(diào)節(jié)聚光鏡，通過百分表檢測，旋鈕旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)聚光鏡的力臂。

4.   焊縫檢測系統(tǒng)（QCDS）應用效果

將QCDS系統(tǒng)應用在激光焊機上，發(fā)揮了良好的焊接優(yōu)勢，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QCDS系統(tǒng)的合理運用，酸軋產(chǎn)線機時產(chǎn)量也有所提升，達到設計產(chǎn)能。

5.   結(jié)束語

運用QCDS技術(shù)手段，科學的應用到焊縫質(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，曲線判定閥值維護在合理范圍內(nèi)，超出閥值的曲線，系統(tǒng)自動判定，并且鎖定超出閥值的區(qū)域。

（3）QCDS系統(tǒng)中曲線異?？梢员O(jiān)控設備運行狀態(tài)。

參考文獻

[1]齊程軍,劉玉麟,謝磊,等. 淺談原料質(zhì)量對激光焊機焊接效果的影響. 金屬世界,2014(2):28doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2014.02.11

[2]方敏,楊賽丹. 激光焊機在冷軋軋機的應用. 寶鋼技術(shù),2009(2):75doi: 10.3969/j.issn.1008-0716.2009.02.018

文章來源——金屬世界