十年以前，由于生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)發(fā)展的制約，國(guó)內(nèi)在冷軋不銹鋼連續(xù)生產(chǎn)線上一直使用傳統(tǒng)的氬弧焊機(jī)，但氬弧焊機(jī)存在焊接缺陷，嚴(yán)重影響冷軋不銹鋼連續(xù)生產(chǎn)線產(chǎn)能。中冶南方工程技術(shù)有限公司開發(fā)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)不銹鋼連軋機(jī)激光焊機(jī)，在國(guó)內(nèi)外多家大型不銹鋼冷軋廠成功應(yīng)用，有力地促進(jìn)了我國(guó)激光焊機(jī)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展。
1 前言
隨著科技的進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不銹鋼由于其耐蝕性和外觀裝飾性，大量應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥、航空、石油、冶金、印染、汽車等行業(yè)。目前，生產(chǎn)冷軋不銹鋼主要采用下列連續(xù)生產(chǎn)線：連續(xù)酸洗機(jī)組（CPL）、連續(xù)軋制機(jī)組（TCM）、連續(xù)退火酸洗機(jī)組（HAPL/APL）、連續(xù)軋制退火酸洗機(jī)組（HRAPL/DRAPL）等，以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。2010年之前，對(duì)于厚度大于0.8mm的不銹鋼，上述連續(xù)生產(chǎn)線上的焊機(jī)都使用氬弧焊，但是都存在咬邊、氣孔和裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響生產(chǎn)線的產(chǎn)能和成材率。激光焊因熱影響區(qū)小，焊接速度高，焊縫過軋機(jī)斷帶率低等優(yōu)點(diǎn)，近年來在冷軋不銹鋼連續(xù)生產(chǎn)線上普遍應(yīng)用，幾乎完全取代了氬弧焊。
2 不銹鋼焊接工藝
2.1焊接工藝的比較
不銹鋼主要焊接工藝的比較，如表1所示。通過分析比較可知，激光焊或激光-電弧復(fù)合焊在焊接質(zhì)量、效率和穩(wěn)定性方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。
2.2不銹鋼激光焊接工藝
奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼相比，焊接性能較好，能很好地適應(yīng)熔化焊接，焊接接頭在焊態(tài)具有良好的塑性和韌性。激光焊接速度高、熱輸入量小，比較適合焊接奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼使用激光焊接或激光-電弧焊接工藝，采用奧氏體焊接材料時(shí)，不需預(yù)熱和焊后熱處理。
對(duì)于鐵素體不銹鋼，其激光焊縫組織為粗大全鐵素體組織或在鐵素體晶界形成少量馬氏體組織。由于高溫時(shí)不存在或極少存在奧氏體，在凝固溫度區(qū)間冷卻時(shí)，晶粒劇烈長(zhǎng)大，因此粗晶脆化現(xiàn)象比較嚴(yán)重。鐵素體不銹鋼使用激光-電弧焊接工藝，采用奧氏體焊接材料時(shí)，一般不需預(yù)熱，焊后需熱處理。通過采用奧氏體不銹鋼填充金屬和調(diào)控工藝參數(shù)，使鐵素體不銹鋼焊縫獲得大量的奧氏體。高溫時(shí)，奧氏體的存在將嚴(yán)格限制鐵素體晶粒的生長(zhǎng)，從而提高焊縫韌性。另外，通過焊后熱處理改變?nèi)酆蠀^(qū)及熱影響區(qū)析出物分布形態(tài)及減小焊接應(yīng)力，同時(shí)對(duì)焊縫中存在的少量馬氏體進(jìn)行回火，可使焊縫韌性進(jìn)一步提高。
對(duì)于馬氏體不銹鋼，在一般的熱-機(jī)械加工狀態(tài)下，即使是在靜止空氣中的冷卻速度也足以發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由奧氏體生成大量馬氏體。因而激光焊接產(chǎn)生以馬氏體為主的脆性焊縫，將顯著降低焊縫塑性和韌性。馬氏體不銹鋼使用激光-電弧焊接工藝，采用奧氏體焊接材料時(shí)，焊前需預(yù)熱，焊后不能立即退火，冷卻至一定溫度后，再對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理，使焊縫脫離其脆性區(qū)域，從而提高焊縫的塑性。
3 中冶南方激光焊機(jī)技術(shù)特點(diǎn)
中冶南方工程技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中冶南方）于2013年開發(fā)的首臺(tái)激光焊機(jī)成功應(yīng)用于青山集團(tuán)不銹鋼六機(jī)架連軋機(jī)，也是國(guó)內(nèi)不銹鋼連續(xù)生產(chǎn)線上應(yīng)用的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)激光焊機(jī)，能適應(yīng)不同種類不銹鋼的焊接，其主要技術(shù)特點(diǎn)如下。
1）采用固體激光器替代氣體激光器，激光通過光纖傳輸，焊機(jī)使用及維護(hù)成本低。
2）激光焊機(jī)具有激光焊、激光-電弧復(fù)合焊等焊接模式，最大限度地提高焊機(jī)的可靠性和適應(yīng)性。
3）采用多項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)提高整機(jī)的精度和穩(wěn)定性，同時(shí)方便使用與維護(hù)。
4 中冶南方激光焊機(jī)應(yīng)用
中冶南方開發(fā)的激光焊機(jī)焊接工藝先進(jìn)、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定、運(yùn)行成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、裝備投資低。截至目前，已成功應(yīng)用于寶鋼、太鋼、青山集團(tuán)、馬鋼、酒鋼等大型鋼鐵企業(yè)共計(jì)15臺(tái)，其中碳鋼激光焊機(jī)5臺(tái)、硅鋼激光焊機(jī)3臺(tái)、不銹鋼激光焊機(jī)7臺(tái)，在高磁感硅鋼、馬氏體不銹鋼材料領(lǐng)域激光焊機(jī)國(guó)產(chǎn)化市場(chǎng)占有率為100%。
4.1現(xiàn)有氬弧焊機(jī)改造為激光焊機(jī)
寶鋼德盛不銹鋼公司軋制退火酸洗機(jī)組（DRAPL）入口引進(jìn)美國(guó)一家公司的氬弧焊機(jī)，由于氬弧焊焊縫強(qiáng)度低、余高過高，導(dǎo)致過焊縫軋制時(shí)斷帶率高、易擦傷軋輥等，生產(chǎn)時(shí)采取降軋制力軋制或打開輥縫空過，使得經(jīng)過連軋機(jī)后的焊縫前后帶鋼厚度尺寸超差，機(jī)組成材率降低。
該進(jìn)口的氬弧焊機(jī)使用滾剪剪切帶鋼，輥剪單側(cè)剪刃間隙高達(dá)0.15mm，不能滿足激光焊的要求。如果將輥剪更換為高精密雙切剪，則需拆除底座及底座上的焊機(jī)本體設(shè)備，投資大且施工周期長(zhǎng)。中冶南方根據(jù)該焊機(jī)的設(shè)備現(xiàn)況，分析研究了激光焊接工藝方案，進(jìn)行了大量焊接試驗(yàn)和壓延試驗(yàn)來驗(yàn)證改造方案的可行性，最終確定了采用激光-電弧復(fù)合焊接工藝（見圖1），保留焊機(jī)滾剪等本體設(shè)備，不對(duì)現(xiàn)有氬弧焊機(jī)進(jìn)行大幅變動(dòng)的改造方案。
圖1寶鋼德盛不銹鋼氬弧焊機(jī)改激光焊機(jī)
改造后的焊機(jī)焊縫強(qiáng)度大于母材的85%以上，焊縫余高小于母材厚度的10%，焊縫直接經(jīng)過四機(jī)架十八輥連軋機(jī)軋制，不傷軋輥和襯膠輥，機(jī)組成材率可達(dá)99.6%以上，大幅提高了機(jī)組的生產(chǎn)效益。
4.2鉻鋼連續(xù)酸洗機(jī)組激光焊機(jī)
鉻鋼連續(xù)酸洗機(jī)組（CPL）是酒鋼不銹鋼分公司第一條國(guó)產(chǎn)化機(jī)組，專門生產(chǎn)鐵素體和馬氏體不銹鋼，帶鋼厚度2-6mm，寬度750-1600mm，機(jī)組年產(chǎn)量40萬噸。中冶南方針對(duì)使用常規(guī)焊接工藝（氬弧焊或純激光焊）焊接鐵素體和馬氏體不銹鋼存在的焊縫熱影響區(qū)韌性差、焊縫脆化傾向嚴(yán)重、焊縫容易出現(xiàn)斷裂等情況，在該焊機(jī)上采用激光-電弧復(fù)合焊接工藝（見圖2）。
圖2酒鋼不銹鋼鉻鋼連續(xù)酸洗機(jī)組激光焊機(jī)
該焊機(jī)自投產(chǎn)以來，焊接適應(yīng)性強(qiáng)，焊縫質(zhì)量可靠，斷帶率低，設(shè)備一直穩(wěn)定運(yùn)行，焊機(jī)的整體性能明顯超出了酒鋼不銹鋼分公司其他生產(chǎn)線上的進(jìn)口焊機(jī)，完全解決了酒鋼生產(chǎn)馬氏體不銹鋼長(zhǎng)期存在的焊縫性能不良的瓶頸問題，贏得用戶的好評(píng)。
在功能考核時(shí)，也測(cè)試了激光焊機(jī)的極限焊接能力。由于熱軋?jiān)袭a(chǎn)品頭尾超厚的原因，焊機(jī)焊接了厚度為7.3mm的鐵素體不銹鋼430，厚度為6.5mm的馬氏體不銹鋼30Cr13，這些規(guī)格均超出了設(shè)計(jì)范圍，焊縫均勻飽滿并經(jīng)折彎試驗(yàn)合格。這充分體現(xiàn)了中冶南方激光焊機(jī)在焊接鋼種和厚度規(guī)格等方面完全達(dá)到并超過設(shè)計(jì)能力。
4.3連續(xù)軋制退火酸洗機(jī)組激光焊機(jī)
青山集團(tuán)印度CHROMENI不銹鋼冷軋一期工程項(xiàng)目五機(jī)架十八輥軋制退火酸洗機(jī)組（DRAPL）全線長(zhǎng)度700m，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量70萬噸，機(jī)組包括：開卷段、五機(jī)架十八輥連軋機(jī)、堿洗段、退火段、酸洗段、平整段、檢查段、卷取段。連軋機(jī)出口速度max.300m/min，張力max.550kN。
激光焊機(jī)安裝在入口側(cè)，焊縫要經(jīng)過連軋機(jī)大張力軋制、高溫退火、混酸酸洗，因此對(duì)焊縫的可靠性要求極高，焊縫如在生產(chǎn)線上發(fā)生斷裂，則嚴(yán)重影響生產(chǎn)線的產(chǎn)能。
該機(jī)組生產(chǎn)奧氏體不銹鋼，帶鋼厚度2-4.5mm，寬度1000-1300mm。中冶南方激光焊機(jī)配置了6kW碟片激光器，采用激光焊的焊接工藝，焊機(jī)投產(chǎn)后運(yùn)行穩(wěn)定可靠，焊縫順利通過在線五機(jī)架十八輥連軋機(jī)軋制，生產(chǎn)線帶鋼成材率達(dá)到99.8%以上。
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