【原】【技术】高容差免维护激光-电弧复合焊技术

       激光焊机以其优异的焊缝质量已经广泛应用于冶金生产的各类连续机组。但是，凡事使用过激光焊机的人都知道激光焊机的三大技术难题：

 拼缝质量要求严苛。要保证焊缝质量，就必须保证在整个板宽上，带头、带尾的拼缝间隙不得大于0.1mm。因此，对于带头、带尾板形较差的产品，需要先切除板形不好的带钢再进行焊接。降低了机组的成材率；而对于厚度在1mm以下的产品，受拼缝精度制约，无法采用激光焊机进行焊接。

 激光焊机维护困难。传统的激光焊机采用CO2气体激光器，每工作2000小时就需要对激光器以及光路进行一次维护。因此，宝钢不得不对焊机进行统一管理，设置专人进行维护。

 生产成本高。CO2气体激光器的光电转化效率低，仅为8%-12%，金属吸收率低，为12%。因此，焊接同样厚度的带钢，采用气体激光器需要选择的功率更大。而满载时气体激光器的功率消耗为光纤激光器的三倍以上。与之配套的水冷机组的容量也为光纤激光器的3倍多。这必然导致大量无效电耗的投入。不仅如此，气体激光器还需要配置专用气体，年消耗量为120万元-150万元；气体激光器的镜头需要高纯氮气作为保护气体。因此，采用气体激光器的焊机生产成本很高。

    不仅如此，如果客户希望将之前采用的闪光焊机或者是氩弧焊机更换为激光焊机，就必须将原焊机彻底拆除，打掉原焊机基础，重新浇注独立、减震的激光焊机基础。停机时间之长、改造费用之高、对上下游生产影响之大都是客户所无法承受的。

    为解决上述问题，中冶南方与武汉国家光电实验室共同研发了高容差、低成本、免维护激光电弧复合焊机。不仅扩宽了激光焊机所覆盖的产品范围，提高了机组的成材率，而且，免去了客户维护焊机的烦恼，降低了激光焊机的使用成本。对于老机组改造，更显现出传统焊机无法比拟的优势。我们在宝钢德盛项目中，仅仅停机15天就完成了整个焊机的改造。

1        激光焊接的原理

  激光焊接属于深熔焊接，就是将激光能量转化为热能，把工件的对接部分熔化，形成熔池，在随后的冷却过程中形成焊缝。激光焊接的核心是小孔效应：激光深熔焊的能量传递和转换是通过小孔完成的。在高功率的激光束照射下，被焊金属材料的微小局部被加热、熔化、蒸发后形成小孔。通过激光束的作用，孔壁材料连续蒸发的蒸汽充满小孔，形成高压气孔，把周边的熔化金属推向四边，致使激光束通过蒸汽孔穿透材料内部。随后冷却凝固形成均匀致密的金属焊缝。如图1所示。

 图1：激光焊接原理

    因此，要保证激光焊接焊缝的质量首先必须保证两块拼接板之间的缝隙。一般情况下，要求拼接后两块板之间的缝隙不大于0.1mm。过大的缝隙会漏掉激光的能量，导致焊接缺陷。

2  不良板形带钢焊接存在的问题

  轧制后带钢的组织内部均会产生残余应力。当带钢厚度较大时，这些残余应力不会表现为显在板形缺陷，不影响带钢的拼缝质量。当带钢厚度较薄时，这些残余应力将表现为显在板形缺陷，如图2所示。在这种情况下，将两卷带钢头尾拼接后就很难保证在整个带宽上，两块带钢间的缝隙均小于0.1mm。这就是为什么在薄带钢生产机组上一般放弃产品的成材率转而采用窄搭接焊的原因。

  图2：薄带钢存在的板形缺陷

3        WISDRI针对不良板形的激光电弧复合焊机

  为了解决目前市场上所无法解决的不良板形带钢激光焊接，以提升机组成材率问题。中冶南方轧机分公司和武汉国家光电实验室一起开发了激光电弧复合焊机。该焊机解决了大缝隙带钢的激光焊接问题，并已成功应用于宝钢德盛轧制退火酸洗连续机组以及鼎信不锈钢连轧机组。如图3所示。

  图3：WISDRI激光电弧复合焊机

4   WISDRI如何解决不良拼缝的焊接问题

  WISDRI采用如图4所示的激光电弧复合焊解决了不良拼缝的焊接问题。

 

图4：WISDRI激光电弧复合焊

    WISDRI激光电弧复合焊机解决了两块带钢的错边问题。如图5所示，但由于板形问题，两块带钢出现拼缝错边，这时不论采用纯激光焊接还是采用电弧焊接均无法得到成功的焊缝。但是，采用激光电弧复合焊就可以保证焊缝的成功。

   图5：激光电弧复合焊可以解决错边问题

    拼缝间隙过大也是薄带钢经常遇到的问题，也是传统激光焊接所无法解决的技术难题。但WISDRI激光电弧复合焊完美地解决了这一问题。图6是拼缝间隙过大的焊接实例。从图中可以看出，当带钢的拼缝间隙小于0.2mm时，传统激光焊可以得到成功的焊缝。当拼缝间隙大于0.2mm以后，传统激光焊接就力不从心了。但是，采用WISDRI激光电弧复合焊，在拼缝间隙达到1mm的情况下，仍然可以得到成功的焊缝。因此，WISDRI激光电弧复合焊机在薄带钢焊接领域的技术优势不言而喻。

    图6：激光电弧复合焊可以解决大拼缝间隙的焊接问题

5        简单的激光加填丝无法替代激光电弧复合焊

  或许有人会想：采用激光焊附加填丝是否也可以达到激光电弧复合焊的效果。答案是：无法达到。如图7所示，采用激光填丝需要用0.2mm-0.4mm的激光光斑去熔化1mm的焊丝，这时，极易出现光斑对不准焊丝的状况，如图8所示。一旦出现上述状况，焊缝质量就无法得到保证。

图7：激光+填丝原理示意图

  图8：送丝位置不准确导致焊丝无法熔化

 而激光电弧复合焊接利用的是两个场之间的自卫导向功能，用激光引导电弧，再用电弧熔化焊丝，确保了焊缝的质量。

6        采用WISDRI激光电弧复合焊一机三种功能

  尽管WISDRI是冶金行业里唯一一家采用激光-电弧复合焊接工艺拓宽了激光焊机在冶金领域的应用空间的供货商，本着充分提升客户竞争力的服务理念，我们在激光电弧复合焊的基础上进一步扩展了焊机的应用范围，做到让客户一机三用。即该焊机可以应用于以下三种场合：

·   纯激光焊机，当拼缝质量高时，该焊机可以作为纯激光焊机使用，其功能和传统激光焊机完全相同；

·   激光电弧复合焊机，拼缝质量不高、高速焊接以及超厚板焊接时使用

·   电弧焊机，光路维护时可采用电弧焊接维持生产。

  该焊机激光器采用德国IPG固体激光器，可以做到免维护使用。