連退機(jī)組焊接質(zhì)量影響模型及其影響因素的研究

張文軍 張燕東 林 威 翟乾俊 白振華，2

1.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，066004 2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

0 引言

近年來，隨著板帶工業(yè)的快速發(fā)展，用戶對(duì)帶鋼的質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了更高的要求，因此，在保證帶鋼的生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)帶鋼生產(chǎn)的連續(xù)性、高效性成為當(dāng)前鋼鐵產(chǎn)業(yè)中重要的研究方向，其中，帶鋼的焊接質(zhì)量是連退機(jī)組后續(xù)工序是否能夠連續(xù)、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1]。

在利用連退機(jī)組焊機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)帶鋼的連續(xù)高效生產(chǎn)后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)生產(chǎn)中的帶鋼焊接質(zhì)量以及生產(chǎn)中出現(xiàn)的一系列問題展開了諸多研究。張寶平等[2]針對(duì)虛焊與過燒等焊接質(zhì)量問題，通過分析影響焊接質(zhì)量的因素，建立了焊接工藝參數(shù)設(shè)定方法以及數(shù)學(xué)模型。張武等[3]分析了厚規(guī)格高強(qiáng)雙相鋼在生產(chǎn)中焊縫斷帶的原因，通過優(yōu)化工藝方案得到了性能良好的焊接接頭。朱愛輝等[4]提出在生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，合理搭配相關(guān)的焊接工藝參數(shù)可以提高帶鋼的焊接質(zhì)量。劉亞星等[5]通過分析影響焊接質(zhì)量的主要因素，在對(duì)相關(guān)的焊接熱量計(jì)算模型進(jìn)行解析后，開發(fā)出連退機(jī)組焊接工藝綜合優(yōu)化控制技術(shù)?？到ㄈA[6]提出了影響焊接質(zhì)量和鍍鋅生產(chǎn)連續(xù)性、穩(wěn)定性的重要因素。當(dāng)前研究主要集中在帶鋼焊接質(zhì)量以及焊接工藝等方面[7-10]，尚未考慮使用焊接工藝參數(shù)來建立一個(gè)焊接質(zhì)量的綜合影響模型。為此，如何在建立一套焊接質(zhì)量綜合影響模型，分析碾壓輪壓力、搭接量等焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)配置、提高焊接質(zhì)量，就成為當(dāng)前帶鋼焊接技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的研究重點(diǎn)，本文即在此背景下展開。

1 研究方法

1.1 模型建立

連退機(jī)組運(yùn)行過程中，由于前行帶鋼與后行帶鋼焊接處抗拉強(qiáng)度與韌性較差，導(dǎo)致帶鋼沿焊縫長(zhǎng)度方向發(fā)生斷帶。而焊縫質(zhì)量的影響因素主要包括焊接熱量與焊縫厚度，因此根據(jù)焊機(jī)連退機(jī)組焊機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)與焊接材料屬性，在建立焊接熱量與焊縫厚度計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，提出焊接質(zhì)量綜合影響模型，流程如圖1所示。

圖1 焊接質(zhì)量綜合影響模型建立流程

焊接熱量計(jì)算模型由焊接時(shí)的有效熱量、損失熱量以及覆蓋熔核體積的帶鋼熔化所需的熱量三大部分組成。在焊接工藝參數(shù)與帶鋼參數(shù)已知的情況下，利用相關(guān)的焊接熱量模型就可計(jì)算出焊接單位寬度的帶鋼所需的有效熱量以及融化單位寬度的帶鋼所需的全部熱量。只有在有效熱量與帶鋼融化所需要的全部熱量的比例控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，才可生產(chǎn)出焊接質(zhì)量達(dá)到要求的帶鋼。若是有效熱量的占比變大，則會(huì)出現(xiàn)過焊的焊縫缺陷；若是有效熱量的占比變小，則會(huì)出現(xiàn)虛焊的焊縫缺陷。

為取得較高的焊接質(zhì)量，要對(duì)搭接量、焊接電流等焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置，進(jìn)而保證焊接質(zhì)量。利用焊接熱量計(jì)算模型得出相應(yīng)的焊接熱量控制模型[5]，用下式表示：

(1)

Q=λch(bdjl+bbcl)ρΔT

(2)

(3)

(4)

式中，Q1為焊接帶鋼所需的有效熱量；Q為焊接帶鋼產(chǎn)生的總熱量；λ為帶鋼熔核熔融系數(shù)；c為帶鋼比熱容，J/(kg·K)；ρ為帶鋼密度，g/cm3；h為熔核高度，mm；ΔT為帶鋼常溫與熔核狀態(tài)的溫度差，℃；bdjl為搭接量，mm；bbcl為補(bǔ)償量，mm；γ為有效熱量計(jì)算系數(shù)；δs、δx分別為前行帶鋼和后行帶鋼的厚度，mm；α為帶鋼厚度對(duì)有效熱量的影響指數(shù)；Ce1、Ce2分別為前行帶鋼和后行帶鋼的焊接碳當(dāng)量，%；β為帶鋼焊接碳當(dāng)量對(duì)有效熱量的影響指數(shù)；v為焊接速度m/min；Rw1、Rw2分別為前行帶鋼和后行帶鋼的電阻，Ω；Fp為焊輪壓力，kN；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于點(diǎn)、線、面接觸，分別取0.5、0.7、1，在此取m=1；Kc為與接觸材料、表面情況、接觸形式等有關(guān)的系數(shù)，在此Kc取0.2～0.3；I為焊接電流，kA。

焊縫厚度的變化是引起焊縫質(zhì)量綜合目標(biāo)函數(shù)值波動(dòng)的主要原因，也是造成焊接質(zhì)量缺陷的重要因素。焊縫厚度過大會(huì)引起焊縫印缺陷，嚴(yán)重者可直接判定為不合格帶鋼；焊縫厚度過小則會(huì)導(dǎo)致帶鋼斷帶的發(fā)生。焊縫厚度計(jì)算模型由碾壓輪壓力、焊接有效熱量和搭接量三部分構(gòu)成，相應(yīng)的焊縫厚度H的預(yù)報(bào)模型[5]為

Hmin≤H≤Hmax

(5)

H=aeBp·FpN+beBQ·Q1+ceBL·bdjl

(6)

式中，Hmax、Hmin分別為焊縫處所允許的最大厚度和最小厚度，mm；Bp為碾壓輪壓力影響系數(shù)；FpN為碾壓輪壓力，kN；BQ為焊接熱量影響系數(shù)；BL為搭接量影響系數(shù)；a、b、c為相關(guān)系數(shù)。

在上述影響因素分析與模型建立的基礎(chǔ)上，為了綜合考慮焊接熱量與焊縫厚度對(duì)帶鋼焊接質(zhì)量的影響，通過對(duì)焊接熱量計(jì)算模型和焊縫厚度預(yù)報(bào)模型進(jìn)行加權(quán)平均，建立了相應(yīng)的焊接質(zhì)量綜合影響模型，可由下式表示：

(7)

式中，G(X)為焊接質(zhì)量的綜合目標(biāo)函數(shù)值；ζ為焊接熱量對(duì)焊接質(zhì)量的影響系數(shù)，1-ζ為焊接厚度對(duì)焊接質(zhì)量的影響系數(shù)。

圖2 焊接質(zhì)量影響模型計(jì)算流程圖

1.2 試驗(yàn)材料與參數(shù)

為進(jìn)一步分析焊接質(zhì)量綜合模型影響因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，選取實(shí)際生產(chǎn)過程中的CQ、DQ-AL、340BH、420DQ典型鋼種，其材料屬性如表1所示。采用型號(hào)為MSW-C150D-25-3R2P的TMEIC窄搭接焊機(jī)進(jìn)行焊接，設(shè)備參數(shù)如表2所示。在試驗(yàn)過程中焊機(jī)設(shè)備采用的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表1 典型鋼種材料屬性

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

表3 焊接工藝參數(shù)

為驗(yàn)證焊接質(zhì)量綜合模型與模擬軟件準(zhǔn)確性，根據(jù)GB 4156—1984標(biāo)準(zhǔn)，采用GBW-60B杯突試驗(yàn)機(jī)對(duì)CQ、340BH、DQ-AL、420DQ焊接試樣進(jìn)行金屬杯突試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 杯突試樣尺寸與試驗(yàn)參數(shù)

2 焊接質(zhì)量綜合模型影響因素的分析

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的情況來看，影響帶鋼焊接質(zhì)量的因素可分為兩類：①設(shè)備方面，主要指碾壓輪壓力、焊機(jī)的使用年限、焊接電流等；②帶材方面，主要是厚度、材質(zhì)、搭接量以及帶鋼與焊機(jī)的清潔度(包括帶鋼與帶鋼表面的氧化物、污垢)等。通過對(duì)1.1節(jié)建立的連退機(jī)組焊接質(zhì)量綜合影響模型的分析，主要針對(duì)影響帶鋼焊接質(zhì)量的碾壓輪壓力、焊輪壓力、焊接電流、搭接量和焊接速度進(jìn)行深入研究。

為定量分析上述因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，以國(guó)內(nèi)某連退機(jī)組焊機(jī)為研究對(duì)象，該焊機(jī)為全自動(dòng)窄搭接焊機(jī)，窄搭接電阻焊機(jī)在焊接效率、焊接質(zhì)量的控制方面具有優(yōu)勢(shì)，并且可節(jié)省空間與人力資源。焊接的基本原理就是在前行卷和后行卷的帶鋼搭接處通過電流產(chǎn)生熱量對(duì)帶鋼進(jìn)行熔融，最終經(jīng)過碾壓輪碾壓使得前、后帶鋼連接在一起?，F(xiàn)對(duì)影響焊接質(zhì)量的因素采用控制變量法進(jìn)行剖析，選取四組典型規(guī)格產(chǎn)品分別研究焊機(jī)的碾壓輪壓力、焊輪壓力、焊接電流、搭接量和焊接速度對(duì)成品帶鋼焊接質(zhì)量的影響，其中焊接質(zhì)量由式(7)計(jì)算。

2.1 搭接量對(duì)焊接質(zhì)量的影響

搭接量對(duì)帶鋼焊接質(zhì)量有重要影響，焊接質(zhì)量與焊縫的平整性有關(guān)，而焊縫的平整性會(huì)隨著搭接量的變小而變好，但是，前行帶鋼與后行帶鋼卻會(huì)因搭接量的減小而不易焊接；搭接量增大會(huì)導(dǎo)致搭接區(qū)域的電阻變小，而因此造成的低熱量可能會(huì)使帶鋼無法連接，不能出產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的帶鋼。為此研究帶鋼搭接量對(duì)焊接質(zhì)量的影響。焊接工藝參數(shù)如表3所示，根據(jù)式(7)計(jì)算焊接質(zhì)量，關(guān)系曲線見圖3。由圖3可以看出，焊接質(zhì)量綜合影響模型的目標(biāo)函數(shù)值隨著帶鋼搭接量的增大而減小。

圖3 搭接量對(duì)焊接質(zhì)量的影響

2.2 焊接電流對(duì)焊接質(zhì)量的影響

焊接電流的大小直接影響產(chǎn)熱量，當(dāng)帶鋼搭接處的焊接電流過小、產(chǎn)熱量太小時(shí)，帶鋼會(huì)出現(xiàn)焊接不牢固的現(xiàn)象；當(dāng)焊接電流過大時(shí)，帶鋼會(huì)由于過熔而出現(xiàn)焊縫過薄和斷帶的缺陷。為此研究焊接電流與焊接質(zhì)量綜合影響模型之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，焊接質(zhì)量綜合影響模型的目標(biāo)函數(shù)值隨著焊接電流的增大而增大。

圖4 焊接電流對(duì)焊接質(zhì)量的影響

2.3 焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響

焊接速度過大、過小對(duì)焊接質(zhì)量都有重要影響，焊接速度過高，產(chǎn)熱量就會(huì)過小，過小的產(chǎn)熱量會(huì)使被焊接的帶鋼出現(xiàn)焊不透或者焊縫過厚的缺陷；反之，焊接速度過低，產(chǎn)熱量就會(huì)變大，會(huì)造成帶鋼出現(xiàn)過焊或者焊縫厚度過薄，從而會(huì)導(dǎo)致帶鋼斷帶的發(fā)生。為此研究焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，焊接質(zhì)量綜合影響模型的目標(biāo)函數(shù)隨著焊接速度的增大而減小。

圖5 焊接速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響

2.4 焊輪壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響

焊輪壓力是通過焊接電流間接地對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，當(dāng)焊輪壓力過小時(shí)，帶鋼與電極間可能會(huì)由于接觸不緊密而使前后帶鋼焊接不牢，出現(xiàn)斷帶；當(dāng)焊機(jī)的焊輪壓力增大時(shí)，被焊接的帶鋼與電極間的面積增大，使得焊接電阻變小、焊接電流變大，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫厚度的減薄，過薄的焊縫厚度會(huì)造成帶鋼焊接質(zhì)量的降低。為此研究焊輪壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可看出，焊縫質(zhì)量的目標(biāo)函數(shù)值會(huì)隨著焊輪壓力的增大，先增大后減小。

圖6 焊輪壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響

2.5 碾壓輪壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在焊輪對(duì)帶鋼完成焊接任務(wù)后，碾壓輪在保證帶鋼質(zhì)量的情況下對(duì)帶鋼的焊接區(qū)域進(jìn)行壓實(shí)減薄，經(jīng)過碾壓輪的壓實(shí)后，可增強(qiáng)帶鋼焊縫處熱影響區(qū)的韌性，同時(shí)也可提高帶鋼焊縫接頭處的機(jī)械性能。為此研究碾壓輪壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，焊接質(zhì)量綜合影響模型的目標(biāo)函數(shù)值隨著碾壓輪壓力的增大而減小。

圖7 碾壓輪壓力對(duì)焊接質(zhì)量的影響

表5 不同鋼種焊接質(zhì)量范圍

3 焊接質(zhì)量綜合模擬軟件的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司為了優(yōu)化配置搭接量、焊接電流、焊接速度、焊輪壓力、碾壓輪壓力等焊接工藝參數(shù)以獲得焊接質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)值，最大限度提高帶鋼的焊接質(zhì)量，便于技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)操縱焊機(jī)和帶鋼焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)可視化，根據(jù)上文所述模型開發(fā)了離線“1550連退機(jī)組焊縫質(zhì)量預(yù)報(bào)軟件”，該軟件針對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化配置，使得帶鋼的出廠質(zhì)量大幅提高，同時(shí)便于焊機(jī)設(shè)備二次開發(fā)與系統(tǒng)優(yōu)化。

為說明該焊接質(zhì)量預(yù)報(bào)軟件的準(zhǔn)確性，在表3中選取CQ、340BH、DQ-AL、420DQ鋼種的焊接工藝參數(shù)最優(yōu)值，利用該軟件計(jì)算出CQ、340BH、DQ-AL、420DQ鋼種的焊接質(zhì)量分別為0.785、0.825、0.958、1.17，同時(shí)通過焊縫杯突試驗(yàn)進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢測(cè)，觀察焊縫斷裂情況。

由圖8中焊縫杯突試驗(yàn)結(jié)果與表6焊縫質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可知，CQ鋼種、340BH鋼經(jīng)過杯突試驗(yàn)后，在熱影響區(qū)發(fā)生了焊縫橫向斷裂，但是其焊縫的強(qiáng)度同樣高于基板，試驗(yàn)結(jié)果與CQ、340BH鋼焊縫質(zhì)量計(jì)算結(jié)果相吻合；DQ-AL鋼種、420DQ鋼種焊縫斷裂方向垂直于焊縫方向，因此焊接后的焊縫強(qiáng)度明顯高于基板，試驗(yàn)結(jié)果與DQ-AL鋼、420DQ鋼焊縫質(zhì)量計(jì)算結(jié)果相吻合。

(a)CQ鋼 (b)340BH鋼

表6 焊縫質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

焊接試驗(yàn)共對(duì)200卷帶鋼進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量檢測(cè)和焊接質(zhì)量預(yù)報(bào)具體數(shù)據(jù)，按照現(xiàn)場(chǎng)原有方法檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量合格卷數(shù)為181，由軟件預(yù)報(bào)的焊縫質(zhì)量合格卷數(shù)為186，經(jīng)過仔細(xì)檢查按照原有檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)未合格的焊縫中有5卷鋼是合格的，因此軟件的預(yù)報(bào)結(jié)果更為準(zhǔn)確，具有實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)帶鋼焊接工藝參數(shù)無法完成優(yōu)化配置的問題，在以往模型的基礎(chǔ)上建立了焊接質(zhì)量綜合影響模型，焊接工藝參數(shù)優(yōu)化取得了重要突破。

(2)深度解析了焊接質(zhì)量與搭接量、焊接速度、焊輪壓力等工藝參數(shù)的關(guān)系，有助于實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的數(shù)據(jù)化和可視化。

(3)該模型應(yīng)用到1550連退機(jī)組焊機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)實(shí)踐中后，可以預(yù)報(bào)焊接質(zhì)量的綜合目標(biāo)函數(shù)值，通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)值的分析與調(diào)整可提高帶鋼焊接質(zhì)量，其焊接質(zhì)量的預(yù)報(bào)精度由86%提高至99.2%，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)需求，可以進(jìn)一步推廣使用。