激光焊機(jī)的焊接質(zhì)量淺談

李炎南 崔桂梅

摘 要：包鋼稀土鋼板材公司于2015年引進(jìn)德國(guó)米巴赫激光焊機(jī)，應(yīng)用到薄板生產(chǎn)線，將板材的頭尾連接進(jìn)行焊接，從而使得生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)。激光焊接，就是指將傳統(tǒng)的焊接技術(shù)和激光技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，目前激光焊接技術(shù)的發(fā)展，是由于它能量源是具有高能量密度的激光束，直徑小，能量大，焊接材料的熱影響區(qū)域小，母材熱變形小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，故焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用到汽車，船舶等各個(gè)前沿領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

關(guān)鍵詞：激光焊機(jī)；焊接；質(zhì)量

激光焊接技術(shù)是國(guó)內(nèi)目前發(fā)展迅速的焊接技術(shù)之一，具有能量密度高，焊接質(zhì)量好，母材影響小，焊縫美觀等優(yōu)勢(shì)。在設(shè)備投入生產(chǎn)的實(shí)踐證明，米巴赫激光焊機(jī)具有穩(wěn)定的焊接性能，可以自動(dòng)且快速的完成焊接任務(wù)，焊接質(zhì)量滿足酸洗酸軋的要求，是生產(chǎn)線穩(wěn)定高速生產(chǎn)的前提條件。

本文圍繞焊機(jī)設(shè)備的焊接設(shè)定參數(shù)和焊接質(zhì)量曲線研究與焊接質(zhì)量的關(guān)系，以期望能研究出一套快速判斷焊縫質(zhì)量的公式或方法。

1 焊接過(guò)程描述

1.1 激光狀態(tài)

激光焊接一般采用連續(xù)激光光束完成材料的熔融連接，材料能量轉(zhuǎn)換是通過(guò)"匙孔"來(lái)進(jìn)行，在足夠高的功率密度激光不斷發(fā)射到帶鋼上，在材料內(nèi)產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象并形成匙孔，像是一個(gè)黑體，吸收幾乎全部的激光光束能量。熱量從匙孔孔腔外壁傳遞到金屬材料中，高溫使得孔腔周圍的材料金屬熔化。熔融的金屬包圍著匙孔，液態(tài)金屬四周被固體母材材料所包圍?？妆谕庖后w流動(dòng)和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持著動(dòng)態(tài)平衡導(dǎo)致金屬液體由于張力而不會(huì)流失，光束不斷進(jìn)入匙孔，匙孔外的材料在連續(xù)流動(dòng)，隨著光束移動(dòng)，匙孔始終處于流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。就是說(shuō)，匙孔沿著激光束移動(dòng)方向發(fā)生位移，熔融金屬充填充著匙孔移開后留下的空隙并冷凝，最終焊縫形成。

1.2 焊機(jī)自動(dòng)工作步

帶鋼在焊機(jī)內(nèi)準(zhǔn)備焊接時(shí)，帶頭和帶尾定位至平臺(tái)內(nèi)，焊機(jī)在進(jìn)行對(duì)中之后剪切，夾緊平臺(tái)將帶鋼移動(dòng)形成焊接對(duì)接焊口，激光頭下壓，發(fā)出激光進(jìn)行焊接，焊接完成后進(jìn)行焊縫確認(rèn)，可放行后選擇沖邊，將焊縫頭尾去掉。焊接時(shí)，焊機(jī)的焊縫檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)由幾個(gè)傳感器檢測(cè)計(jì)算，最后在操作電腦上形成幾條判斷曲線，操作人員根據(jù)曲線與實(shí)際情況對(duì)比，可模糊判斷出此焊縫質(zhì)量的好壞。

2 焊縫質(zhì)量系統(tǒng)

焊接質(zhì)量的好壞，取決于來(lái)料帶鋼的板型，設(shè)備精度和焊接參數(shù)的設(shè)定。來(lái)料可能會(huì)帶頭和帶尾處有浪，帶鋼夾雜，鐮刀彎，厚度不均等情況，都會(huì)大大影響焊接質(zhì)量；設(shè)備需要自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接縫隙，焊接速度，激光功率，焦點(diǎn)位置等焊接動(dòng)作，如果設(shè)備精度下降后，設(shè)定值與實(shí)際值的差別焊接會(huì)導(dǎo)致明顯的焊接缺陷；焊接參數(shù)的確定大都是在生產(chǎn)線進(jìn)行大批量生產(chǎn)之前，進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)而得出的，但在面對(duì)偶發(fā)性焊接異常時(shí)，需要調(diào)節(jié)一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)進(jìn)行焊接。

米巴赫激光焊機(jī)所設(shè)計(jì)的焊縫評(píng)估系統(tǒng)記錄若干參數(shù)值，如：帶鋼寬度位置、焊縫位置、間隙位置、焊縫與間隙距離、間隙寬度、滲透值、欠充滿、高度偏差、過(guò)充滿等。在操作界面上，可激活所選擇的信號(hào)進(jìn)行查看圖像界面實(shí)時(shí)拍攝間隙照片 、焊縫照片及熔深照片，最后每條焊縫以焊縫數(shù)目號(hào)命名，將數(shù)據(jù)以文本格式保存于電腦中。操作人員在生產(chǎn)過(guò)程中，一般會(huì)參照其中一條或幾條曲線來(lái)進(jìn)行分析，觀察整條曲線的走向和趨勢(shì)，判斷此條焊縫是否滿足生產(chǎn)強(qiáng)度，從而進(jìn)行下一步操作。

其中，以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，需要格外注意的幾個(gè)曲線數(shù)據(jù)為：

（1）欠充滿。指焊縫的“下凹”程度，由于激光功率太大或者間隙太大，速度過(guò)慢都會(huì)導(dǎo)致欠充滿，如果欠充滿超出允許范圍之外，表征此條焊縫“太薄”，在生產(chǎn)過(guò)程中，很可能由于承受不住生產(chǎn)線張力而發(fā)生撕裂甚至斷帶。

（2）過(guò)充滿。過(guò)充滿太大相當(dāng)于焊趾太高，通俗的指焊縫的“上凸”程度，由于激光功率太小或者間隙太小，速度過(guò)塊都會(huì)導(dǎo)致過(guò)充滿，焊接間隙內(nèi)，鋼水無(wú)法完全的穩(wěn)定的分布在母材剪切間隙中，一大部分只是流到了焊縫的表面上，導(dǎo)致的結(jié)果是焊縫內(nèi)在連接差，如果過(guò)充滿超出允許范圍之外，表征此條焊縫中間未良好的連接，強(qiáng)度不夠，易發(fā)生撕裂甚至斷帶。

（3）滲透。指在焊接過(guò)程中，從下表面向焊縫觀察激光強(qiáng)度，來(lái)表征激光是否穿透母材，激光焦點(diǎn)表征了激光能量最強(qiáng)的點(diǎn)，生產(chǎn)中為了確保能量足夠焊接，會(huì)對(duì)激光焦點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，如果焦點(diǎn)與母材厚度不匹配，激光很可能會(huì)能量不足，材料熔融不良，導(dǎo)致焊接不良。由于激光焦點(diǎn)太高會(huì)使得滲透值幾乎為零，激光焦點(diǎn)太低會(huì)造成激光亮度太強(qiáng)滲透值超出允許的范圍。

（4）高度偏差。指兩根帶鋼的頭尾相對(duì)厚度。焊機(jī)在接收數(shù)據(jù)后，會(huì)根據(jù)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)出入口側(cè)焊頭的距離，來(lái)使得兩根帶鋼中部對(duì)接中部，焊接有足夠的材料融合。高度偏差曲線整體大于或小于允許值，表征兩根帶鋼焊接并不在同一水平面上，出現(xiàn)“錯(cuò)層”現(xiàn)象，強(qiáng)度會(huì)下降。如果曲線波動(dòng)較大，表征帶鋼的板型不良，需要采取其他手段來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)語(yǔ)

焊接過(guò)程中伴隨著物質(zhì)變化，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，現(xiàn)在還沒(méi)有明確的函數(shù)可以計(jì)算或推理焊接結(jié)果，生產(chǎn)過(guò)程中目前只能參考以上曲線，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和簡(jiǎn)單的杯突實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷焊縫的好壞，導(dǎo)致很多模棱兩可的焊縫曲線無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，如果可以根據(jù)豐富的操作經(jīng)驗(yàn)值和精確的設(shè)備控制度，以設(shè)定參數(shù)和焊機(jī)的質(zhì)量評(píng)估曲線為評(píng)價(jià)因素，以焊接質(zhì)量為目的，研究出一套較接近實(shí)際生產(chǎn)的公式，那么對(duì)于激光焊機(jī)的可操作性將會(huì)大大增加，同時(shí)保證了生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。