浅谈原料质量对激光焊机焊接效果的影响

供稿|齐程军, 刘玉麟, 谢 磊, 王鹏昊/ QI Cheng-jun, LIU Yu-lin, XIE Lei, WANG Peng-hao

引 言

现代钢铁行业中，为提高生产效率，酸轧联合机组绝大多数为连续式酸洗和轧制，而实现连续轧制的必要条件便是带钢必须无间断地进入酸槽和轧机机架中。其中最关键的一台设备——焊机，便是将每一卷的带头带尾焊接起来，形成为一条贯穿整条生产线的带钢，实现连续式生产。

设备简介

激光焊机在冷轧厂的应用是很广泛的，几乎所有的酸轧线机组采用的焊接设备都是激光焊机。我厂酸轧线目前使用的激光焊机为二氧化碳激光焊机，可焊接厚度范围为1.8～6.0 mm，宽度范围900～2080 mm的低碳钢、高碳钢、IF钢和TRIP钢等多个钢种。

激光焊机组主要组成有：(1)双切剪，对带头带尾进行精确剪切；(2)出入口夹紧台，焊接时夹持住带头带尾，使其准确对齐；(3)激光系统，产生高强激光作用在带钢上实现焊接。另外，还有出入口4点对中装置、出入口夹送辊、出入口活套、月牙剪、冷却水系统、激光气体系统、QCDS等等。

激光焊接原理

激光焊接一般存在两种模式：激光热传导焊接和激光深熔焊接。这两种焊接模式主要区别在于激光带钢表面的功率密度大小，其根本区别如下。

热传导模式。激光在带钢表面便被吸收，然后通过熔融后的金属的热传导将热量传向工件内部，进而熔化区不断扩大形成焊缝。该模式中，金属材料主要是被熔化，不发生明显汽化，所得焊缝熔深较小，焊缝宽度较大。

激光深熔焊接是以材料汽化效应为主的过程。激光作用在带钢表面，迅速被材料吸收并产生剧烈汽化，从而在液态熔池中形成一个“小孔”，使光束可以通过“小孔”内的蒸汽直接照射到“小孔”底部，连续形成汽化过程。这些蒸汽同时也被加热到超汽化温度，形成热电离，这种电离以指数级增长，形成金属蒸汽及保护气体的等离子体，从而在“小孔”内形成了金属蒸汽和等离子体的混合热气体。这些热混合气体在“小孔”内壁与液态的金属熔池交换热量，形成进一步的熔池，而热混合气体的压力及波动又使得熔池产生流动，进一步影响熔池的形成。图1是这种基于“小孔”效应的激光深熔焊过程示意图[1]。

图1 基于“小孔”效应的激光深熔焊过程示意图

焊缝质量影响因素

从激光焊机在酸轧机组中的工作性质来看，其工作稳定性直接影响到机组的稳定运行，进而影响到生产效率。在带钢生产过程中，我们要求的是带钢的全连续式酸洗和轧制。由于各种原因，不可避免地要发生断带事故，导致生产线停车。断带有时出现在焊缝以外的带钢上，有时出现在焊缝上。导致焊缝断带的原因很多，大多数为焊接效果不好。而影响焊接效果的主要因素有：(1)双切剪等机电设备对焊缝质量的影响；(2)焊接参数设定不合理对焊缝质量的影响；(3)输出镜及外光路对焊缝质量的影响；(4)保护气体对焊缝质量的影响；(5)原料质量对焊缝质量的影响。经过近四年的观察与经验积累，上述5种因素所占比例如下图2。

图2 焊缝质量影响因素所占比列

由于原料缺陷导致的焊缝质量问题所占比列达到15%，因此在做好激光焊机设备维护、工艺参数优化方面的努力之外，严格控制好生产线原料质量，可以大大降低焊缝断带事故，进而提高生产效率。

原料质量及其对焊缝质量的影响

原料质量主要包括原料板形、原料的厚度偏差、原料的化学成分、原料的表面清洁度等。

原料板形

原料板形缺陷主要表现为横向边浪、中浪和纵向波浪。虽然夹紧台夹持板可初步消除这些缺陷，但在实际生产中，仍旧发现很多焊缝撕裂与板形不良密切相关。当这些缺陷存在时，带钢边沿定位轮和焊轮碾压过时，会导致缺陷边界处原料组织“跑动”量与其他部分稍有差别，使得双切剪剪切后的出口断面和入口断面不再平行，呈现凹凸不平的断面，两断面对接后的缝隙不再处处为零，缝隙较大处的熔池出现漏液，最终表现为该处的焊缝上表面不饱满。一旦某一处的不饱满程度较大或者不饱满处位于带钢边部又没有被剪切掉，焊缝便很有可能在此处撕开，出现断带。另外，板形缺陷还会造成带头带尾焊接前的错层，最终出现质量很差的焊缝。图3为带头带尾错层。

图3 带头带尾错层侧视图

原料的厚度偏差

原料的厚度偏差可以理解为两个方面。一是带头和带尾厚度差超过30%或者超过1 mm，这已经超出了激光焊机的工作能力；二是带头或者带尾本身由于酸轧上道工序生产不正常造成的横向方向上厚度不均匀，如带尾二级显示厚度为3 mm，焊接之前焊机已经自动生成了一套适合于3 mm厚度带钢的焊接参数，但由于驱动侧边部厚度达到了3.3 mm，这就会使得驱动侧边部焊接效果不好，如焊不透、焊缝上下表面不饱满等等。对于低碳钢来说，原料的厚度偏差大可能不是什么问题，可对于高强钢或者特种钢来说一般是很危险的，很容易造成断带事故。

原料的化学成分

原料的化学成分也分为两种。一是带钢实际化学成分中某一化学元素超标。下面以我厂生产的一种高强度汽车板钢种为例，说明化学元素超标的危害。双相钢CR340/590DP，其钢的显微组织为铁素体和马氏体，马氏体以岛状弥散分布在铁素体基体上，具有较好的成形性能和较高强度。屈服强度为340～460 N/mm2，抗拉强度为590 N/mm2以上。其化学成分见下图4。

图4 双相钢化学成分参考值

由上图可知CR340/590DP要求含Si元素的质量分数为≤0.80%，可由于炼钢等工艺的问题导致Si元素含量大大超标，达到2.2%，超过规定含量的1倍还多，这给激光焊机的焊接造成了非常大的影响。专家们曾研究过Si合金钢的焊接特性，他们发现焊缝呈现不致密性的缺陷，而Si元素是以单质Si的形式存在于焊缝中的。因此一旦钢板内部Si元素含量过大，其不致密性更加明显[4]。焊接后，QCDS系统显示焊缝合格，人工目视检查焊缝也合格，可几乎每条被释放后的焊缝进入轧机后会断开。后采用杯凸实验的方法来检查焊缝，发现焊缝内部呈现蜂窝状，存在很多的球形空间，这些球形空间大大削弱了焊缝的强度，从而导致断带。专家们对Si合金钢的焊接特性研究结果发现焊缝呈现不致密性的缺陷，而Si元素是以单质Si的形式存在于焊缝中的。因此一旦钢板内部Si元素含量过大，其不致密性更加明显，甚至呈现蜂窝状，见图5。另一个化学成分问题便是某一化学元素在带钢横向或者纵向上分布不均匀。含碳量是区分钢种的一个重要指标，最简单的是我们可以根据含碳量的多少来将钢种分为低碳钢、普通碳钢、高强钢等等。对于不同含碳量的钢种，激光焊机工艺方面要选择不同的焊接参数，但是如果带钢内部横向含碳量不均匀，即某一段或者某一点含碳量较高，那么该处焊缝的质量就要大打折扣，焊缝很有可能在此处首先断开。

图5 蜂窝状焊缝

原料的表面清洁度

原料的表面清洁度指的是进入焊机的带钢头尾的表面氧化层、氧化铁粉、灰尘、油污、水及其他杂物的含量。表面清洁度对激光焊接的影响是很大的。如带钢表面含有灰尘或氧化铁粉，焊接时，这些颗粒会进入熔池内部，之后形成了焊缝内部夹渣，大大降低了焊缝的强度。如带钢表面有油污，油膜在激光热量的作用下迅速气化，产生的气体不断地进入到熔池中，焊缝冷却时无法及时排出，导致焊缝表面或者内部存在气泡大大影响了焊缝的质量。图6为焊缝表面气泡。

图6 焊缝表面气泡

结束语

影响激光焊机焊接效果的因素既多且复杂，而原料质量在这些因素中所占的比重较大，因此，我们必须提高对原料质量的关注度，严格控制原料质量。这样可大大提高焊接成功率，从而提高机时产量。

[1] 段爱琴. CO2激光深熔焊不稳定穿孔过程特征与相关机理研究. 武汉: 华中科技大学, 2006