激光焊機焦點位置偏斜的原因分析及對策措施

韓鐵拴

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司冷軋廠設(shè)備管理室，廣東 湛江524000）

1 概述

激光焊機作為酸洗和酸軋機組上的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將前后鋼卷的帶尾和帶頭焊接在一起，為后續(xù)酸洗或軋制提供連續(xù)不間斷的帶鋼，是保證機組連續(xù)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在鋼廠冷軋區(qū)域有大量的應(yīng)用。穩(wěn)定可靠的焊縫質(zhì)量一直是焊機操作人員和設(shè)備維護人員追求的目標，然而在實際生產(chǎn)過程中由于板型、材質(zhì)、磨損、焊接參數(shù)等多方面原因會造成焊縫質(zhì)量缺陷，其中焦點位置偏斜是焊縫質(zhì)量缺陷中最嚴重的一種，直接帶來斷帶風(fēng)險，也是本文研究分析的重點。

2 焊接及拼縫對中原理

2.1 焊接原理

激光焊接是激光加工中重要的一種，與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接具有能量利用率高，焊縫深寬比大，焊縫成形好等優(yōu)點。金屬材料激光焊接是一種多種因素相互作用的復(fù)雜的焊接,是基于光熱效應(yīng)的熱加工,材料表面在高能激光束的照射下強烈汽化，在汽化膨脹壓力作用下，液態(tài)表面向下凹陷形成深熔小孔，與此同時，金屬蒸汽在激光束的作用下電離產(chǎn)生光致等離子體，在正常焊接時，小孔周圍被液態(tài)金屬所包圍，由于受非常大的溫度和壓力梯度的影響，液態(tài)金屬將高速流動。流動的液態(tài)金屬將隨激光移動，在焊縫后端凝固，形成很窄很深的均勻的焊接組織[1]。

激光焊機的作用就是將鋼卷頭尾焊接在一起，形成均勻的焊接組織。由于焊縫很窄，為保證焊縫質(zhì)量，就需要激光焦點沿帶鋼寬度方向準確地投射在拼縫間隙上，即焦點不發(fā)生偏斜。

2.2 激光焊機焊接過程

激光焊機焊接可簡單分為以下幾個過程：

2.2.1 帶尾定位。前行鋼卷的帶尾被準確定位于焊機出口夾鉗臺，對中后夾鉗臺加緊為帶尾剪切做好準備。

2.2.2 帶頭定位。后行鋼卷的帶頭被準確定位于焊機入口夾鉗臺，對中后夾鉗臺加緊為帶頭剪切做好準備。

2.2.3 帶頭、尾剪切。雙切剪投入，帶頭帶尾剪切。

2.2.4 拼縫對中。夾鉗臺推進油缸推動入出口夾鉗臺將剪切后的帶頭、帶尾按焊接參數(shù)給定的間隙拼縫對中。

2.2.5 焊接。焊接小車沿焊機軌道從操作側(cè)移動到傳動側(cè)，在此過程中安裝于焊接小車上的諧振器工作產(chǎn)生激光，激光焦點準確地投射在拼縫間隙上，完成焊接。

圖1 激光焊接原理

圖2 激光焊接實物圖

圖3 激光焊接模擬圖

通過對焊接過程的簡單了解，可以看出拼縫對中后的位置準確與否很大程度上決定著焊后焦點位置是否偏斜。

2.3 拼縫對中原理

如圖4 所示，在理想狀態(tài)下經(jīng)過雙切剪剪切后的帶頭尾產(chǎn)生精確的距離L（該值由剪刀制作或修復(fù)廠家保證），由入出口夾鉗臺的推進油缸分別向激光焦點位置移動L/2 距離，拼縫位置就與激光焦點位置重合，在此情況下焊縫相對焦點位置不發(fā)生偏斜。然而實際上受剪刀安裝或修磨的影響帶頭尾剪切斷口的位置并不會如圖4 所示般精確，在大多數(shù)情況下會如圖5（a）所示。米巴赫激光焊機通過操作側(cè)，傳動側(cè)、入口側(cè)、出口側(cè)四個單獨控制的比例液壓油缸實現(xiàn)帶頭尾拼縫位置的精確控制，保證了拼縫中心與激光焦點位置的重合，如圖5（b）所示。

圖4 拼縫對中簡圖

圖5 拼縫對中原理圖

3 焦點位置偏斜的幾種原因及對策措施

通過對焊機焊接過程及拼縫對中原理的了解和在實際生產(chǎn)過程中遇到的實際問題，在以下幾種情況下激光焊機焦點位置容易發(fā)生偏斜。

3.1 雙切剪安裝后拼縫基準位置不良

更換雙切剪后，若沒有對拼縫位置進行校準或校準不良而直接進行生產(chǎn)，激光焊機則無法知曉帶頭、帶尾的精確位置從而不能保證拼縫處于激光焦點行進的軌跡上，造成焦點位置偏。

拼縫位置的校準包含兩個方面：拼縫間隙的校準、拼縫中心的校準。

圖6 拼縫間隙校準

3.1.1 拼縫間隙的校準。帶鋼頭尾剪切后按設(shè)定的間隙值L進行拼縫，用塞塞尺的方法檢測間隙值，若操作側(cè)間隙值為L1，傳動側(cè)間隙為L2，則需要在焊機剪刀調(diào)整界面進行補償，補償量為：操作側(cè)L-L1，傳動側(cè)為L-L2。補償完畢后再重新設(shè)定值進行一次檢測，實際值與設(shè)定值不超過0.02mm 即可認為合格。

3.1.2 拼縫中心的校準。帶鋼頭尾剪切后按設(shè)定的拼縫中心位置驅(qū)動推進油缸進行拼縫，采用激光打點或段焊的方法測量操作側(cè)拼縫中心與激光焦點的距離L1、傳動側(cè)拼縫中心與激光焦點的距離L2，則需要在焊機剪刀調(diào)整界面進行補償，補償量為：操作側(cè)（-1）nL1（拼縫中心相對焦點位置偏出口n 取值1，拼縫中心相對焦點位置偏入口n 取值0），傳動側(cè)（-1）nL2（拼縫中心相對焦點位置偏出口n 取值1，拼縫中心相對焦點位置偏入口n 取值0）。

圖7 拼縫中心校準

通過以上分析，對于雙切剪安裝后拼縫基準位置不良可以通過重新校準拼縫間隙和拼縫中心的方法解決。

3.2 雙切剪過度磨損導(dǎo)致剪切位置發(fā)生變化

雙切剪在使用一段時間后，由于剪刃磨損，帶頭帶尾的剪切位置會發(fā)生微量變動，影響焊接質(zhì)量。

解決措施：（1）更換雙切剪。（2）臨時可重新校準拼縫間隙和拼縫中心以適應(yīng)剪刀磨損的情況。

3.3 焊接小車行走過程中發(fā)生偏斜

焊接小車在軌道上行走，若行走過程中發(fā)生偏斜則安裝于其上的激光源也將發(fā)生偏斜。焊接小車行走的直線度由軌道精度和小車上的側(cè)導(dǎo)輪共同保證，通常情況下軌道精度在很長一段時間內(nèi)不會發(fā)生變化，需要我們特別關(guān)注側(cè)導(dǎo)輪的工作情況。

圖8 焊縫初始位置焦點偏移

解決措施：（1）周期性對側(cè)導(dǎo)輪進行檢查，小車行走時側(cè)導(dǎo)輪應(yīng)運轉(zhuǎn)靈活，無不轉(zhuǎn)或卡滯情況。（2）周期檢測小車行走的直線度，根據(jù)經(jīng)驗該值應(yīng)小于0.02mm/m，否則容易出現(xiàn)焦點偏斜帶來斷帶風(fēng)險。

3.4 焊接時激光諧振器未完全落位

為消除剪切振動對激光諧振器的影響，有四個氣囊安裝于諧振器的底座之上，在帶頭尾剪切時氣囊頂起，保護諧振器；在焊接時氣囊落下，諧振器下落到位，激光穩(wěn)定射出焊接帶鋼。若諧振器還未完全下落到位，激光就射出進行焊接則會導(dǎo)致最初的一段焊縫焦點位置發(fā)生偏移，如圖8 所示。

解決措施：檢查氣囊氣動系統(tǒng)，消除由于管路或閥門堵塞造成的回流不暢情況。

3.5 焊接導(dǎo)向系統(tǒng)剛性不良

如圖所示，焊接時焊機上導(dǎo)向輪由比例液壓系統(tǒng)驅(qū)動壓下壓緊帶鋼，同時連接在導(dǎo)向機構(gòu)上的外光路二級反射鏡和聚焦鏡隨之一同移動。若導(dǎo)向系統(tǒng)剛性不良，則在較大的導(dǎo)向輪壓力作用下導(dǎo)向機構(gòu)會存在微小的偏轉(zhuǎn)，從而引起二級反射鏡和聚焦鏡一同偏轉(zhuǎn)，激光焦點位置發(fā)生偏移。

解決措施：（1）優(yōu)化焊機導(dǎo)向機構(gòu)相關(guān)參數(shù)（如圖9 中所示，提高導(dǎo)向桿與導(dǎo)向套配合精度等級），制作零部件，提高系統(tǒng)剛度。（2）減小焊機導(dǎo)向輪壓力，一般在原焊接參數(shù)基礎(chǔ)上以5%的倍數(shù)逐步調(diào)整（若板型良好，最低可調(diào)至0），同時觀察焦點的偏移情況，通常情況下會有明顯好轉(zhuǎn)。

圖9 焊機上導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)簡圖

4 結(jié)論

以米巴赫激光焊機為例，以焦點位置偏斜這個影響焊縫質(zhì)量的重要因素為研究對象，從拼縫對中原理出發(fā)，對可能引起焦點位置偏斜的幾種原因進行分析并提出針對性措施，對從事焊機設(shè)備維護的人員有很好的借鑒意義。