高容差免維護激光-電弧複合焊技術

最新 06-15

激光焊機以其優異的焊縫質量已經廣泛應用於冶金生產的各類連續機組。但是，凡事使用過激光焊機的人都知道激光焊機的三大技術難題：

拼縫質量要求嚴苛。要保證焊縫質量，就必須保證在整個板寬上，帶頭、帶尾的拼縫間隙不得大於0.1mm。因此，對於帶頭、帶尾板形較差的產品，需要先切除板形不好的帶鋼再進行焊接。降低了機組的成材率；而對於厚度在1mm以下的產品，受拼縫精度制約，無法採用激光焊機進行焊接。

激光焊機維護困難。傳統的激光焊機採用CO2氣體激光器，每工作2000小時就需要對激光器以及光路進行一次維護。因此，寶鋼不得不對焊機進行統一管理，設置專人進行維護。

生產成本高。CO2氣體激光器的光電轉化效率低，僅為8%-12%，金屬吸收率低，為12%。因此，焊接同樣厚度的帶鋼，採用氣體激光器需要選擇的功率更大。而滿載時氣體激光器的功率消耗為光纖激光器的三倍以上。與之配套的水冷機組的容量也為光纖激光器的3倍多。這必然導致大量無效電耗的投入。不僅如此，氣體激光器還需要配置專用氣體，年消耗量為120萬元-150萬元；氣體激光器的鏡頭需要高純氮氣作為保護氣體。因此，採用氣體激光器的焊機生產成本很高。

不僅如此，如果客戶希望將之前採用的閃光焊機或者是氬弧焊機更換為激光焊機，就必須將原焊機徹底拆除，打掉原焊機基礎，重新澆注獨立、減震的激光焊機基礎。停機時間之長、改造費用之高、對上下游生產影響之大都是客戶所無法承受的。

為解決上述問題，中冶南方與武漢國家光電實驗室共同研發了高容差、低成本、免維護激光電弧複合焊機。不僅擴寬了激光焊機所覆蓋的產品範圍，提高了機組的成材率，而且，免去了客戶維護焊機的煩惱，降低了激光焊機的使用成本。對於老機組改造，更顯現出傳統焊機無法比擬的優勢。我們在寶鋼德盛項目中，僅僅停機15天就完成了整個焊機的改造。

1激光焊接的原理

激光焊接屬於深熔焊接，就是將激光能量轉化為熱能，把工件的對接部分熔化，形成熔池，在隨後的冷卻過程中形成焊縫。激光焊接的核心是小孔效應：激光深熔焊的能量傳遞和轉換是通過小孔完成的。在高功率的激光束照射下，被焊金屬材料的微小局部被加熱、熔化、蒸發後形成小孔。通過激光束的作用，孔壁材料連續蒸發的蒸汽充滿小孔，形成高壓氣孔，把周邊的熔化金屬推向四邊，致使激光束通過蒸汽孔穿透材料內部。隨後冷卻凝固形成均勻緻密的金屬焊縫。如圖1所示。

圖1：激光焊接原理

因此，要保證激光焊接焊縫的質量首先必須保證兩塊拼接板之間的縫隙。一般情況下，要求拼接後兩塊板之間的縫隙不大於0.1mm。過大的縫隙會漏掉激光的能量，導致焊接缺陷。

2不良板形帶鋼焊接存在的問題

軋制後帶鋼的組織內部均會產生殘餘應力。當帶鋼厚度較大時，這些殘餘應力不會表現為顯在板形缺陷，不影響帶鋼的拼縫質量。當帶鋼厚度較薄時，這些殘餘應力將表現為顯在板形缺陷，如圖2所示。在這種情況下，將兩卷帶鋼頭尾拼接後就很難保證在整個帶寬上，兩塊帶鋼間的縫隙均小於0.1mm。這就是為什麼在薄帶鋼生產機組上一般放棄產品的成材率轉而採用窄搭接焊的原因。

圖2：薄帶鋼存在的板形缺陷

3WISDRI針對不良板形的激光電弧複合焊機

為了解決目前市場上所無法解決的不良板形帶鋼激光焊接，以提升機組成材率問題。中冶南方軋機分公司和武漢國家光電實驗室一起開發了激光電弧複合焊機。該焊機解決了大縫隙帶鋼的激光焊接問題，並已成功應用於寶鋼德盛軋制退火酸洗連續機組以及鼎信不鏽鋼連軋機組。如圖3所示。

圖3：WISDRI激光電弧複合焊機

4WISDRI如何解決不良拼縫的焊接問題

WISDRI採用如圖4所示的激光電弧複合焊解決了不良拼縫的焊接問題。

圖4：WISDRI激光電弧複合焊

WISDRI激光電弧複合焊機解決了兩塊帶鋼的錯邊問題。如圖5所示，但由於板形問題，兩塊帶鋼出現拼縫錯邊，這時不論採用純激光焊接還是採用電弧焊接均無法得到成功的焊縫。但是，採用激光電弧複合焊就可以保證焊縫的成功。

圖5：激光電弧複合焊可以解決錯邊問題

拼縫間隙過大也是薄帶鋼經常遇到的問題，也是傳統激光焊接所無法解決的技術難題。但WISDRI激光電弧複合焊完美地解決了這一問題。圖6是拼縫間隙過大的焊接實例。從圖中可以看出，當帶鋼的拼縫間隙小於0.2mm時，傳統激光焊可以得到成功的焊縫。當拼縫間隙大於0.2mm以後，傳統激光焊接就力不從心了。但是，採用WISDRI激光電弧複合焊，在拼縫間隙達到1mm的情況下，仍然可以得到成功的焊縫。因此，WISDRI激光電弧複合焊機在薄帶鋼焊接領域的技術優勢不言而喻。