罗 静 唐 琛

（宝钢湛江钢铁有限公司，广东 湛江 524000）

1 概述

激光焊机位于酸轧线入口段，是将前后带钢头尾焊接在一起达到连续生产的目的。根据生产工艺带钢连续生产需要多次进行拉伸矫直，同时为了保证张力需要经过多组控制辊进行张力控制。焊接后留下的焊缝与前后带钢的材质不同，带钢总体较软，而焊缝表现较硬、脆，在经过多次弯曲后容易撕裂。为了提高焊缝的牢固性和提升焊接速度米巴赫激光焊机在原来焊接的基础上增加了预热与退火功能。缩短了激光加热时间同时改善了焊缝前后的晶体结构，使焊缝更具有韧性更加牢靠。

2 焊缝的形成

前后带钢通过焊机自动检测带头带尾后进行对中，然后通过焊机夹钳向焊接平台送料，最后定位焊接平台中心线位置等待焊接，带头带尾中间距离达0.38mm。激光头随着焊接小车沿着中心线从操作侧向传动侧移动，激光打在带头带尾截面边部，焦点自动定位在前后带钢厚度一半的高度，激光将带钢上半层钢体熔化形成熔池，熔池里的钢水在重力的作用下向带钢下半层带头带尾缝隙流，将下半层前后带钢粘合，同时熔池里剩余钢水迅速凝固形成一条焊缝。

3 焊缝质量隐患

从材料上分析酸轧来料为热轧板，热轧板是在加热到1100～1250℃进行轧制，然后再冷却到结晶温度450～600C°以下温度，从晶粒上看热轧板的特点是晶粒较粗，分布较散，含碳量较高。因为其晶粒分布较散，间隙较大，所以尽管热轧板含碳量较大，还是表现出较软的特性。另外由于冷却时间较长，奥氏体冷却至Ar3线温度停留的时间相对较长，可以充分的析出铁素体和珠光体，也使热轧板质地较软，有良好的延展性。而焊缝经过激光的高温加热，粗晶粒开始变细，分布更均匀，间隙也缩小了，在高温加热的同时将原来的C灼烧变成CO2蒸发到空气中，使焊缝的含碳量降低，本来含碳量降低会使带钢变得更软，但是因为焊缝的晶粒更细分布更加均匀，相对热轧板来说还是要硬很多。

在焊接过程中焊缝前后带钢局部受热，由于热涨冷缩的原理在带头带尾处会形成一定的内部应力，焊缝形成后由于焊缝的材质和特性与前后带钢截然不同，焊缝冷却之后晶粒变得致密，在与带钢本体的结合处会形成内部应力，焊缝自身在快速冷却的过程中也会形成内部应力。焊缝在快速冷却过程中奥氏体通过无扩散型相变转变成大量的亚稳定相马氏体。其比容大于奥氏体、珠光体等组织，会产生淬火应力。应力的不平衡会使焊缝处发生形变，在经过多次拉伸弯曲后容易造成撕裂。焊缝截面示意图如图1。

带钢在控制辊拉力的作用下内部会产生拉应力，拉应力起初只是使带钢发生形变，当拉应力过大时带钢将会被撕裂。拉力应变曲线如图2。

带钢拉应力应变过程：

0 ～a弹性变形阶段

a～b弹性滞留阶段（不能完全恢复）

b～c微塑性变形阶段

c～d屈服阶段

d～e塑性硬化阶段

e～f缩颈变形阶段

f完全断裂

机组工艺要求延伸率控制在3%左右，根据应力应变曲线，机组控制辊的拉力添加到带钢的应力在d～e之间，如果焊缝区域内部应力过大，加上控制辊给带钢的拉力形成的应力，极有可能使该处的总应力超过d～e的范围造成断带。

4 焊缝质量改善方案

焊机的预热与退火功能就是通过加热的方式来改变焊缝区域的材料结构，缓和该区域的应力分布以达到增加材料延展性和韧性，防止带钢通过机组拉伸弯曲设备时焊缝撕裂中断连续生产。

4.1 改善方案的理论基础

预热装置安装在激光焊接头前面，主要负责给等待焊接的带头带尾加热，将焊缝区域带钢加热到结晶温度以上热轧制温度以下，给该区域带钢一个基础温度，可以缩短激光的加热时间，提高焊接速度，同时可以缩短该区域带钢与焊缝的温差，在空气中一起被冷却，缓和了带钢与焊缝的晶体分布阶跃，抑制内部不平衡应力的产生。

退火装置安装在激光焊接头之后，主要负责焊缝及前后带钢的加热退火，将已经初步冷却的焊缝及前后带钢再次加热到奥氏体温度以上，内部晶粒细化，当其冷却后分布的更加均匀，进一步释放了应力。

4.2 实现预热退火功能的技术方案

激光焊机的焊接效率非常快，基本能在89s之内完成一次焊接周期，这期间还包括前后带钢的对中定位工作，真正焊接小车移动焊接的时间最长49s，要在这么短时间内而且空间这么小的焊接小车上安装两套加热设备采用燃烧的方式是不可能完成的。我们采用一种电感式加热，也就是中频加热。中频加热是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至1000HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应线圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。它可以将金属材料瞬间加热到通红，而加热线圈的温度只是小幅上升。

焊缝预热退火装置实物如图3.

焊接小车从右往左移动，焊接激光头左右（图示方向）两边分别安装预热和退火装置，预热退火装置平台上预留一个凹槽，将感应线圈沿着焊缝方向放置，感应线圈为叠加的硅钢片，两边用云母片将两边绝缘，通入中频电流时根据右手螺旋定则线圈产生磁力线切割焊缝区域，给带钢加热。

由于中频加热升温速度快，所以氧化极少，中频加热的氧化烧损仅为0.5%，煤气加热的氧化烧损为2%，燃煤达到3%。加热能耗只是电，在控制上也相对方便，而且该加热为感应加热不会产生明火，无燃烧废气，不论从环保还是安全考虑都是最佳的。

中频电源原理图如图4。

预热退火的加热原理一样所以原理图也合在一起，三相工频电从T1、T2、T3通入，经过整流变成直流电，直流电再通过可控硅逆变成交流，通过控制可控硅的打开关断频率来得到中频电流。中频电流从A、B两个端子流出供给感应线圈。加热最高功率达到50kw，在焊接过程中视带钢厚度自动调节输出功率大小。

结语

焊缝的质量控制无疑是整条机组稳定运行的关键。频繁出现焊接不良不仅影响生产节奏，机组产能无法完全释放，更使机组操作人员整天提心吊胆，生怕不良焊缝被开出去。预热退火功能的增加不仅切实改善了焊缝质量，更是操作人员的一颗定心丸。

[1]童军，章舟，等.铸铁感应电炉熔炼及应用实例[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2]曹宏燕.冶金材料分析技术与应用[M].北京：冶金工业出版社.