高強(qiáng)鋼焊縫質(zhì)量提升研究與優(yōu)化

武 強(qiáng)

（河北鋼鐵集團(tuán)唐鋼高強(qiáng)汽車板有限公司，河北 唐山 063016）

隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展，對(duì)于優(yōu)質(zhì)的高強(qiáng)鋼生產(chǎn)一直是鋼鐵企業(yè)的目標(biāo)，且目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)于高強(qiáng)鋼的需求也在逐步增加，所以對(duì)于擁有大批量的連續(xù)生產(chǎn)高強(qiáng)鋼的能力是每個(gè)企業(yè)的追求，而在高強(qiáng)鋼連續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程中焊接是必不可少的重要一環(huán)，前后帶鋼必須進(jìn)行有效的焊接，才能保證生產(chǎn)線的連續(xù)作業(yè)。

河鋼集團(tuán)唐鋼高強(qiáng)汽車板1740酸洗-軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組采用的是米巴赫HSL-17激光焊機(jī)，采用的是對(duì)接焊工藝，激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

熱軋?jiān)蠋т撏ㄟ^(guò)1#、2#開(kāi)卷機(jī)穿帶后經(jīng)雙切剪，切去容易出現(xiàn)缺陷的外圈頭尾廢料，穿帶至焊接等待位，后焊機(jī)自動(dòng)激活帶頭自動(dòng)步，將帶頭穿帶至精切剪剪切等待位，通過(guò)1#、2#、3#、4#對(duì)中裝置進(jìn)行水平方向?qū)χ?，?duì)中后由左右?jiàn)A鉗固定帶鋼位置，由焊機(jī)精切剪再次剪切帶鋼頭尾使其頭尾平滑、整齊，同時(shí)沖孔。隨后激光頭、平整輪壓下，進(jìn)行激光焊接。激光束聚焦照射到帶鋼表面后，因其具有巨大的功率密度，可以使帶鋼表面熔化、汽化，由帶鋼汽化產(chǎn)生的蒸汽壓力使帶鋼表面產(chǎn)生小孔效應(yīng)，達(dá)到帶鋼熔透的目的，并在焊機(jī)小車的移動(dòng)過(guò)程中，熔透的焊縫迅速冷卻，形成致密的焊縫組織，同時(shí)在焊機(jī)小車運(yùn)行時(shí)，裝在激光頭前后的預(yù)熱、退火裝置同時(shí)對(duì)焊接點(diǎn)前后進(jìn)行預(yù)熱、退火，激光頭內(nèi)部的上下噴嘴在焊接開(kāi)始前就對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行吹先導(dǎo)氣體（氦氣）、氮?dú)獾缺Ｗo(hù)氣體，當(dāng)焊機(jī)小車運(yùn)行至原始位，焊接完成。

通過(guò)QCDS系統(tǒng)以及操作人員對(duì)焊接曲線進(jìn)行判定，合格后放行。

2 問(wèn)題描述

目前河鋼集團(tuán)唐鋼高強(qiáng)汽車板1740酸洗-軋機(jī)聯(lián)合機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱酸軋生產(chǎn)線）是集酸洗、軋機(jī)一體的生產(chǎn)線，前后鋼卷的焊縫需要經(jīng)過(guò)軋機(jī)的軋制，才能確保生產(chǎn)線的連續(xù)運(yùn)行。所以對(duì)于焊縫質(zhì)量要求比較高，在生產(chǎn)高強(qiáng)鋼時(shí)，焊縫質(zhì)量很難到達(dá)軋制標(biāo)準(zhǔn)，極易發(fā)生開(kāi)裂或斷帶，導(dǎo)致高強(qiáng)鋼連續(xù)生產(chǎn)困難。針對(duì)屈服強(qiáng)度600Mpa以上的鋼種，時(shí)常會(huì)有焊縫斷帶、傷輥等情況，嚴(yán)重影響了產(chǎn)線生產(chǎn)效率，且斷帶、傷輥，會(huì)帶來(lái)廢品、換輥成本等問(wèn)題。

3 采取的措施

3.1 高強(qiáng)鋼焊接速度調(diào)整

焊接速度對(duì)高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量影響較大，速度過(guò)快會(huì)使焊縫熔深變淺，且氣體來(lái)不及逸出，焊縫中易留存氣體，產(chǎn)生氣泡，極大影響焊接質(zhì)量。然而速度過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致焊縫過(guò)度熔化，出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象，且熱影響區(qū)也因過(guò)熱而晶粒粗大易脆斷，無(wú)法達(dá)到有效焊接，同時(shí)會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)效率降低，焊接成本提高等問(wèn)題。所以，對(duì)一定激光功率和一定厚度的高強(qiáng)鋼焊接需要有一個(gè)合適的焊接速度，在相應(yīng)速度值時(shí)可達(dá)到最大熔深，從而獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。

高強(qiáng)汽車板公司酸軋生產(chǎn)線所使用的米巴赫HSL-17激光焊機(jī)焊接速度區(qū)間為0至12米/分鐘，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后對(duì)高強(qiáng)鋼焊接速度進(jìn)行調(diào)整后：

表1 高強(qiáng)鋼焊接速度表

調(diào)整速度后，焊縫熔深得到改善，提高了焊縫質(zhì)量。

3.2 二次剪切應(yīng)用

米巴赫HSL-17激光焊機(jī)設(shè)備本身自帶二次剪切功能，但在正常生產(chǎn)中幾乎沒(méi)有應(yīng)用，原因是二次剪切功能的投入使用會(huì)減少焊機(jī)精切剪使用壽命，且二次剪切后的廢邊比較細(xì)小且邊部鋒利，容易割傷焊機(jī)內(nèi)小廢料皮帶，所以幾乎未使用過(guò)。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)、分析后發(fā)現(xiàn)經(jīng)二次剪后的帶鋼頭、尾板型更加平整，焊接橫截面更加平滑，有利于焊接。于是把二次剪切投入到高強(qiáng)鋼焊接參數(shù)中，有高強(qiáng)鋼焊接時(shí)自動(dòng)投入使用，可以提高焊縫質(zhì)量。

3.3 預(yù)熱及退火調(diào)整

米巴赫HSL-17激光焊機(jī)的最大預(yù)熱和退火功率均為40KW，高強(qiáng)鋼焊接時(shí)預(yù)熱、退火會(huì)自動(dòng)投入使用。

預(yù)熱及退火工藝的使用原因：

帶鋼焊接的時(shí)候，會(huì)在焊縫區(qū)域產(chǎn)生一種無(wú)形的力，就是所謂的“焊接應(yīng)力”。產(chǎn)生焊接應(yīng)力的原因是焊接時(shí)，激光焦點(diǎn)位置（焊接點(diǎn)）溫度是非常高的，而沒(méi)有焊接的地方溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)就是比較低的。（由于熱脹冷縮的原因，在焊縫區(qū)域內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力）。酸軋生產(chǎn)線的焊縫需要通過(guò)軋機(jī)軋制，所以要求焊縫和帶鋼的鋼體結(jié)構(gòu)達(dá)到同一水平。但是應(yīng)力的出現(xiàn)就會(huì)使得焊縫強(qiáng)度和抗疲勞能力下降，無(wú)法達(dá)到軋制要求，因而需要用到預(yù)熱、退火工藝。

應(yīng)用預(yù)熱功能的優(yōu)點(diǎn)：

（1）預(yù)熱功能的運(yùn)用可以減緩焊接后的冷卻速度，有利于焊縫中的氣體擴(kuò)散逸出， 避免產(chǎn)生氣泡導(dǎo)致裂紋，同時(shí)也可以減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高焊縫的抗裂性。

（2）預(yù)熱功能還可以降低焊接應(yīng)力。均勻的預(yù)熱，可以減少待焊接焊接區(qū)域與焊接點(diǎn)之間的溫度差，這樣一方面可以降低焊接應(yīng)力，另一方面也可以降低焊接應(yīng)變速率，有利于避免產(chǎn)生焊接裂紋。

應(yīng)用退火功能的優(yōu)點(diǎn)：

（1）退火功能的運(yùn)用可以改善或消除帶鋼焊接過(guò)程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應(yīng)力，防止焊縫變形、開(kāi)裂。

（2）退火功能還可以細(xì)化晶粒，增加材料延展性和韌性，同時(shí)產(chǎn)生特殊顯微結(jié)構(gòu)，改善鋼體組織以提高焊縫的機(jī)械性能。

預(yù)熱、退火功率調(diào)整：

（1）在高強(qiáng)鋼焊接未調(diào)整前預(yù)熱使用約為最大功率的30%，為12KW。退火使用最大功率的60%，為24KW。焊縫質(zhì)量一般，時(shí)有斷帶發(fā)生。

（2）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)摸索后，調(diào)整高強(qiáng)鋼（屈服強(qiáng)度500Mpa～700Mpa）鋼種，使用預(yù)熱參數(shù)修改為60%、功率24KW，退火參數(shù)修改為80%、功率為32KW。高強(qiáng)鋼（屈服強(qiáng)度700Mpa以上）鋼種使用預(yù)熱參數(shù)修改為80%、功率為32KW，退火參數(shù)修改為90%、功率為36KW。

3.4 二次退火的應(yīng)用

針對(duì)于屈服強(qiáng)度在700Mpa以上的高強(qiáng)鋼，時(shí)常還會(huì)有焊縫開(kāi)裂、斷帶現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析后得出結(jié)論，焊接區(qū)域及熱輻射區(qū)域經(jīng)過(guò)一次預(yù)熱、退火后還存在較大的焊接應(yīng)力。

為繼續(xù)減少焊接應(yīng)力，酸軋作業(yè)區(qū)通過(guò)研究后決定使用二次退火，因米巴赫HSL-17激光焊機(jī)程序內(nèi)本身沒(méi)有二次退火功能，所以二次退火由焊機(jī)操作人員手動(dòng)完成。

二次退火工藝操作流程簡(jiǎn)介：

當(dāng)高強(qiáng)鋼焊接完成后，焊縫杯突實(shí)驗(yàn)合格且曲線通過(guò)QCDS判定合格以及焊機(jī)崗位操作人員對(duì)焊接曲線人為判定合格后，方可進(jìn)行二次退火操作。

首先切換焊機(jī)操作模式為本地模式，后將焊機(jī)小車開(kāi)至操作側(cè)，同時(shí)提升焊機(jī)預(yù)熱、退火裝置（同一控制按鈕），焊機(jī)小車到位后打開(kāi)焊機(jī)功能界面，調(diào)整焊機(jī)小車運(yùn)行速度為參數(shù)設(shè)定數(shù)值（參照表1），點(diǎn)擊焊機(jī)精切剪剪刀調(diào)整界面，找到預(yù)熱、退火調(diào)整區(qū)域（圖1），點(diǎn)擊退火裝置調(diào)整，修改設(shè)定功率參數(shù)完成后點(diǎn)擊功率（退火裝置啟動(dòng)），切換設(shè)備畫面將焊機(jī)小車開(kāi)至驅(qū)動(dòng)側(cè)。焊機(jī)小車回歸原始位后，關(guān)閉退火裝置功率調(diào)整，降下預(yù)熱、退火裝置，調(diào)整焊機(jī)小車速度為機(jī)組數(shù)據(jù)參數(shù)后恢復(fù)焊機(jī)自動(dòng)模式。二次退火工藝完成，放行焊縫。

圖1 預(yù)熱、退火操作頁(yè)面

二次退火的投入使用，有效的降低了焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，下圖2為一次退火焊縫，圖3為二次退火焊縫。相比較一次退火焊縫，二次退火后的焊縫及熱輻射區(qū)域焊接應(yīng)力更小，鋼體結(jié)構(gòu)的延展性、韌性更好，可以有效的通過(guò)軋機(jī)軋制。

圖2 一次退火焊縫

圖3 二次退火焊縫

二次退火投入使用以后極大的改善了高強(qiáng)鋼焊縫質(zhì)量問(wèn)題，有效的避免了焊縫開(kāi)裂和斷帶的風(fēng)險(xiǎn)。

4 實(shí)施效果

目前相關(guān)措施已經(jīng)在河鋼唐鋼高強(qiáng)汽車板酸軋生產(chǎn)線正式實(shí)施，高強(qiáng)鋼焊縫質(zhì)量問(wèn)題得到有效解決，避免了焊縫開(kāi)裂、斷帶等問(wèn)題，高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)節(jié)奏得以大幅提高。高強(qiáng)鋼焊縫斷帶率由23.1%降低至1.79%，極大的降低了因焊縫質(zhì)量問(wèn)題造成的廢品、換輥成本，提高了效益。通過(guò)對(duì)上述內(nèi)容的深入研究，河鋼唐鋼高強(qiáng)汽車板冷連軋機(jī)組在高強(qiáng)鋼焊縫質(zhì)量上得到提升，將高強(qiáng)鋼焊縫斷帶率降至1.79%，通過(guò)深入開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，目前生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)全部應(yīng)用于酸軋生產(chǎn)線，對(duì)于高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以提升河鋼唐鋼高強(qiáng)汽車板產(chǎn)品生產(chǎn)效率為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼焊接參數(shù)、設(shè)備應(yīng)用的研究分析，找出影響焊接質(zhì)量的制約因素，有針對(duì)性的進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，有效提高了高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量。