摘要:激光焊机作为酸洗和酸轧机组上的关键设备,其工作状态的稳定性直接决定着机组的生产顺行。以某钢厂多条机组使用的米巴赫激光焊机(下文简称激光焊机)为例,以焦点位置偏斜这个影响焊缝质量的重要因素为研究对象,从拼缝对中原理出发,对可能引起焦点位置偏斜的几种原因进行分析并提出针对性措施。
1、概述
激光焊机作为酸洗和酸轧机组上的关键设备,其作用是将前后钢卷的带尾和带头焊接在一起,为后续酸洗或轧制提供连续不间断的带钢,是保证机组连续化生产的基础,在钢厂冷轧区域有大量的应用。稳定可靠的焊缝质量一直是焊机操作人员和设备维护人员追求的目标,然而在实际生产过程中由于板型、材质、磨损、焊接参数等多方面原因会造成焊缝质量缺陷,其中焦点位置偏斜是焊缝质量缺陷中最严重的一种,直接带来断带风险,也是本文研究分析的重点。
2、焊接及拼缝对中原理
2.1焊接原理
激光焊接是激光加工中重要的一种,与传统的焊接方法相比,激光焊接具有能量利用率高,焊缝深宽比大,焊缝成形好等优点。金属材料激光焊接是一种多种因素相互作用的复杂的焊接,是基于光热效应的热加工,材料表面在高能激光束的照射下强烈汽化,在汽化膨胀压力作用下,液态表面向下凹陷形成深熔小孔,与此同时,金属蒸汽在激光束的作用下电离产生光致等离子体,在正常焊接时,小孔周围被液态金属所包围,由于受非常大的温度和压力梯度的影响,液态金属将高速流动。流动的液态金属将随激光移动,在焊缝后端凝固,形成很窄很深的均匀的焊接组织[1]。
激光焊机的作用就是将钢卷头尾焊接在一起,形成均匀的焊接组织。由于焊缝很窄,为保证焊缝质量,就需要激光焦点沿带钢宽度方向准确地投射在拼缝间隙上,即焦点不发生偏斜。
2.2激光焊机焊接过程
激光焊机焊接可简单分为以下几个过程:
2.2.1带尾定位。前行钢卷的带尾被准确定位于焊机出口夹钳台,对中后夹钳台加紧为带尾剪切做好准备。
2.2.2带头定位。后行钢卷的带头被准确定位于焊机入口夹钳台,对中后夹钳台加紧为带头剪切做好准备。
2.2.3带头、尾剪切。双切剪投入,带头带尾剪切。
2.2.4拼缝对中。夹钳台推进油缸推动入出口夹钳台将剪切后的带头、带尾按焊接参数给定的间隙拼缝对中。
2.2.5焊接。焊接小车沿焊机轨道从操作侧移动到传动侧,在此过程中安装于焊接小车上的谐振器工作产生激光,激光焦点准确地投射在拼缝间隙上,完成焊接。
图1激光焊接原理
1激光束2小孔3液态金属4凝固金属5工件6焊接方向7等离子体
图2激光焊接实物图
图3激光焊接模拟图
通过对焊接过程的简单了解,可以看出拼缝对中后的位置准确与否很大程度上决定着焊后焦点位置是否偏斜。
2.3拼缝对中原理
如图4所示,在理想状态下经过双切剪剪切后的带头尾产生精确的距离L(该值由剪刀制作或修复厂家保证),由入出口夹钳台的推进油缸分别向激光焦点位置移动L/2距离,拼缝位置就与激光焦点位置重合,在此情况下焊缝相对焦点位置不发生偏斜。然而实际上受剪刀安装或修磨的影响带头尾剪切断口的位置并不会如图4所示般精确,在大多数情况下会如图5(a)所示。米巴赫激光焊机通过操作侧,传动侧、入口侧、出口侧四个单独控制的比例液压油缸实现带头尾拼缝位置的精确控制,保证了拼缝中心与激光焦点位置的重合,如图5(b)所示。
图4拼缝对中简图
图5拼缝对中原理图
3、焦点位置偏斜的几种原因及对策措施
通过对焊机焊接过程及拼缝对中原理的了解和在实际生产过程中遇到的实际问题,在以下几种情况下激光焊机焦点位置容易发生偏斜。
3.1双切剪安装后拼缝基准位置不良
更换双切剪后,若没有对拼缝位置进行校准或校准不良而直接进行生产,激光焊机则无法知晓带头、带尾的精确位置从而不能保证拼缝处于激光焦点行进的轨迹上,造成焦点位置偏。
拼缝位置的校准包含两个方面:拼缝间隙的校准、拼缝中心的校准。
图6拼缝间隙校准
3.1.1拼缝间隙的校准。带钢头尾剪切后按设定的间隙值L进行拼缝,用塞塞尺的方法检测间隙值,若操作侧间隙值为L1,传动侧间隙为L2,则需要在焊机剪刀调整界面进行补偿,补偿量为:操作侧L-L1,传动侧为L-L2。补偿完毕后再重新设定值进行一次检测,实际值与设定值不超过0.02mm即可认为合格。
3.1.2拼缝中心的校准。带钢头尾剪切后按设定的拼缝中心位置驱动推进油缸进行拼缝,采用激光打点或段焊的方法测量操作侧拼缝中心与激光焦点的距离L1、传动侧拼缝中心与激光焦点的距离L2,则需要在焊机剪刀调整界面进行补偿,补偿量为:操作侧(-1)nL1(拼缝中心相对焦点位置偏出口n取值1,拼缝中心相对焦点位置偏入口n取值0),传动侧(-1)nL2(拼缝中心相对焦点位置偏出口n取值1,拼缝中心相对焦点位置偏入口n取值0)。
图7拼缝中心校准
通过以上分析,对于双切剪安装后拼缝基准位置不良可以通过重新校准拼缝间隙和拼缝中心的方法解决。
3.2双切剪过度磨损导致剪切位置发生变化
双切剪在使用一段时间后,由于剪刃磨损,带头带尾的剪切位置会发生微量变动,影响焊接质量。
解决措施:(1)更换双切剪。(2)临时可重新校准拼缝间隙和拼缝中心以适应剪刀磨损的情况。
3.3焊接小车行走过程中发生偏斜
焊接小车在轨道上行走,若行走过程中发生偏斜则安装于其上的激光源也将发生偏斜。焊接小车行走的直线度由轨道精度和小车上的侧导轮共同保证,通常情况下轨道精度在很长一段时间内不会发生变化,需要我们特别关注侧导轮的工作情况。
图8焊缝初始位置焦点偏移
解决措施:(1)周期性对侧导轮进行检查,小车行走时侧导轮应运转灵活,无不转或卡滞情况。(2)周期检测小车行走的直线度,根据经验该值应小于0.02mm/m,否则容易出现焦点偏斜带来断带风险。
3.4焊接时激光谐振器未完全落位
为消除剪切振动对激光谐振器的影响,有四个气囊安装于谐振器的底座之上,在带头尾剪切时气囊顶起,保护谐振器;在焊接时气囊落下,谐振器下落到位,激光稳定射出焊接带钢。若谐振器还未完全下落到位,激光就射出进行焊接则会导致最初的一段焊缝焦点位置发生偏移,如图8所示。
解决措施:检查气囊气动系统,消除由于管路或阀门堵塞造成的回流不畅情况。
3.5焊接导向系统刚性不良
如图所示,焊接时焊机上导向轮由比例液压系统驱动压下压紧带钢,同时连接在导向机构上的外光路二级反射镜和聚焦镜随之一同移动。若导向系统刚性不良,则在较大的导向轮压力作用下导向机构会存在微小的偏转,从而引起二级反射镜和聚焦镜一同偏转,激光焦点位置发生偏移。
解决措施:(1)优化焊机导向机构相关参数(如图9中所示,提高导向杆与导向套配合精度等级),制作零部件,提高系统刚度。(2)减小焊机导向轮压力,一般在原焊接参数基础上以5%的倍数逐步调整(若板型良好,最低可调至0),同时观察焦点的偏移情况,通常情况下会有明显好转。
图9焊机上导向轮结构简图
4、结论
以米巴赫激光焊机为例,以焦点位置偏斜这个影响焊缝质量的重要因素为研究对象,从拼缝对中原理出发,对可能引起焦点位置偏斜的几种原因进行分析并提出针对性措施,对从事焊机设备维护的人员有很好的借鉴意义。
参考文献:
[1]宝钢股份C502酸轧机组机械设备培训教材2007年5月.
韩铁拴.激光焊机焦点位置偏斜的原因分析及对策措施[J].科学技术创新,2020(34):70-72.
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