1. 生產線主要概況
我公司冷軋廠引進的德國Miebache激光焊機在酸洗冷軋聯合機組（PLTCM）中作用十分重要，是保證連續軋制的前提。激光焊機焊接質量的穩定決定了機組運行的穩定。通過將焊縫檢測系統（QCDS）應用在激光焊機上，對冷軋2030 mm機組生產時焊縫處斷帶進行分析，總結影響焊縫質量的主要因素以及改進和應對措施。
米巴赫激光焊機HSL19，允許生產的帶鋼厚度為1.8~6.0 mm，帶鋼寬度為900~1880 mm，可焊接的鋼種（抗拉強度不高于1000 MPa）有：鎮靜鋼、普通低碳鋼、熱軋普鋼（CQ）、沖壓級鋼（DQ）、深沖級鋼（DDQ）、超深沖級鋼（EDDQ）、超超深沖級鋼（SEDDQ）、普碳高強鋼（CQ-HSS）、沖壓高強鋼（DQ-HSS）、DDQ-HSS（深沖高強鋼）、烘烤硬化鋼（BH）、雙向鋼（DP）、相變誘導塑性鋼（TRIP）。
2. 焊縫檢測系統（QCDS）介紹
QCDS系統主要包括間隙傳感器、焊縫傳感器、熔透傳感器、EPAC控制器。
2.1 間隙傳感器
間隙傳感器包括：正面間隙測量和背光控制兩個單元，用于測量間隙位置和間隙大小。如圖1所示，圖1(a)可以清晰的看見焊縫及鋼板表面的實況，實時監控焊縫焊接時的實際情況；圖1(b)是將焊縫的實際間隙外貌圖進行處理，更直觀的反映出焊縫間隙的情況，根據焊縫的間隙可以判斷出焊接條件是否具備。
2.2 焊縫傳感器
焊縫傳感器采用三角測量原理，實現對焊縫外形的三維特征尺寸的檢測，用于表征焊縫成形質量。焊縫傳感器主要檢測指標包括：焊縫位置、焊縫寬度、高度差、焊縫余高和咬邊量。如圖2所示，通過焊縫外形的三維特征尺寸的檢測可以形成焊縫實時外貌圖像，如圖2(a)，直觀的監控焊縫表面情況；圖2(b)和圖2(c)反應焊縫焊接面與鋼板表面的高度差，可以判斷焊縫焊接的是否飽滿、均勻，從而更好的判斷焊接質量。
2.3 熔透傳感器
熔透傳感器安裝于下導向輪正下方，用于在線檢測激光匙孔的熔透情況。通過熔透傳感器，可以直觀觀察到焊縫背面的小孔情況。熔透傳感器的主要檢測指標包括：熔透率和匙孔尺寸（寬度及深度）。
2.4 QCDS系統電氣組成
如圖3，QCDS-PC and HMI單元安裝于入口操作室，QCDS Remote PC and HMI 單元安裝于焊機機旁操作臺，間隙傳感器、焊縫傳感器和熔透傳感器安裝于焊機小車上相應位置，EPAC Controller and QCDS Control Unite 單元安裝于焊機機旁電氣柜內與焊機PLC的數據交互，采用總線接口PROFIBUS/DP。
3. 焊縫檢測系統（QCDS）應用
QCDS系統應用過程中難點主要有：為使系統更加準確，參數曲線的閥值需要根據不同鋼種、不同規格的材料進行優化調整；焊縫質量需要通過焊縫外形形貌、焊縫余高曲線參數、焊縫高度差參數曲線、焊縫咬邊量參數曲線、焊縫熔透率等多項參數綜合判定。
3.1 不同鋼種的焊機參數閾值
對不同的鋼種、規格進行焊接時，檢測數據的閾值范圍必然存在差異，針對不同的鋼種、規格維護不同的閾值范圍（表1）是尤其重要的，對焊縫質量的判定起到直接作用。
3.2 快速判定焊縫質量
影響焊縫質量的因素主要有：原料質量，主要包括原料的板形、厚度偏差、化學成分、表面清潔度等[1]；激光焊機設備狀態，設備維護不到位導致激光功率不足或剪切精度不夠；工藝參數設定，參數設定不合理導致焊接效果不好。針對這3方面的原因，可以通過QCDS系統的檢測元件檢測出焊縫余高、焊縫高度差、激光融透率、間隙寬度、焊縫咬邊等參數，在眾多的參數數據中選擇重點關注的參數，并且通過一定的方法快速判定焊縫質量差是哪方面原因導致的。
1）原料質量
當原料板型邊浪較為嚴重時，會導致帶鋼兩側焊接質量差，焊縫外形形貌、焊縫余高曲線參數、焊縫高度差參數曲線會顯示異常，超出曲線設定的閾值。
2）設備維護不到位
從圖4中可知出現了比較多的熔透率不合格的區域，影響融透率檢測結果的因素主要包含：QCDS熔透率采集光源前鏡片是否污染；激光反射鏡和聚焦鏡是否按時維護清洗，夾緊臺對接精度是否滿足要求。
3）工藝參數設定不合理
當焊縫咬邊量參數曲線出現較大區域不合時，一般是由焊縫間隙參數設定不合理造成；熔透率曲線出現較大區域不合時除第2條設備原因外，也有可能是激光功率和激光焦點參數設定不合理造成。
3.3 針對性的修改焊機參數
通過QCDS系統可以有針對性的從眾多影響因素中快速找到真正影響焊接質量的要素，針對具體影響焊接質量的因素對癥下藥，在一定合理范圍內修改焊接參數，如操作側檢測間隙寬度小，可以修改操作側間隙進行重新焊接。
1）激光焊機邊浪焊接對策
簡況：對于2.5 mm厚度以下的來料嚴重浪型，QCDS曲線反饋出焊接過程中浪型的一側帶鋼無法對齊，導致焊縫質量不合。
對策：（1）首先對于2.5 mm厚度以下來料嚴重浪型的鋼卷，在入口應該增加剪切量，同時增大直頭機的插入量；（2）焊接時對于浪型嚴重的一側要增加0.01~0.02 mm的夾緊臺對接間隙；（3）將焊輪壓力提高10%，通過焊輪的下壓減緩浪型的影響從而使得焊接質量達到要求。
2）激光焊機高強鋼焊接對策
簡況：由于高強鋼碳當量為0.4%~0.6%，鋼材易于淬硬，焊接性能不好，焊接前需要預熱，并適當使用后加熱，由于DP鋼含有馬氏體，低屈強比，高伸長率，在激光的小區域高能量下，比較容易斷裂，后加熱可以擴大熱影響區，增加材料的冷卻時間。在這種情況下QCDS反應出焊接高強鋼時會出現熔透率不足的現象。
對策：（1）焊接QP980時根據焊接厚度不同選擇在速度為5.4~6 m/min，焊接QP980以下級別可以選擇速度5.4~7.2 m/min。（2）焊接QP980激光焊機功率選擇12 kW，焊接QP980以下級別的高強鋼可以選擇11.4~12.0 kW；（3）對接間隙和焊輪壓力根據來料板型進行調整，調整原則是焊接的鋼板到焊接位置時，0.02 mm的塞尺無法進入間隙；（4）3.0 mm QP980：預熱功率10 kW，退火功率8.75 kW；3.5 mm QP980：預熱功率10 kW，退火功率10 kW；4.0 mm QP980：預熱功率10 kW，退火功率11.25 kW；4.5 mm QP980：預熱功率10 kW，退火功率13.75 kW。（5）如果焊接時發現兩側焊接效果不好，中間焊接效果好，是兩側加熱不足導致的熱影響區較小導致，可以通過調整預熱和退火的開關時間解決。
3.4 QCDS系統中曲線異常與設備運行狀態的對應關系
QCDS穩定運行后各個鋼種的參數值基本波動不大，如果出現批量波動較大時，則焊接設備狀態存在問題，需要維護設備。
1）融透率一般20%左右，如果批量融透率低于1%要考慮維護激光功率輸出后的輸出鏡、反光鏡、聚焦鏡等設備問題。鏡面污染程度和激光功率有直接關系，如下式描述。
式中，為鏡面污染程度，A為透鏡吸收率，P為激光功率，f為透鏡焦距，K為透鏡導熱系數，R為透鏡處光束半徑，dn/dT表示透鏡折射率隨溫度變化系數。透鏡表面受污染程度越嚴重，對激光的吸收率就越大，透鏡本身越容易發熱膨脹，從而影響透鏡焦距[2]。
2）出現批量焊縫間隙異常時，首先考慮夾緊臺間隙調整問題，其次考慮剪刃磨損導致精度不夠。通過打點測試的方法檢測出偏移量，利用夾緊臺橫向補償參數進行補償。如果在驅動側和操作側只有一側偏移或者兩側偏移的方向相反，則證明需要調節焊接間隙，通過調整夾緊臺的橫向移動的補償量。如果驅動側和操作側兩側都偏移同一個方向，則證明需要調節聚光鏡，通過百分表檢測，旋鈕旋轉來調節聚光鏡的力臂。
4. 焊縫檢測系統（QCDS）應用效果
將QCDS系統應用在激光焊機上，發揮了良好的焊接優勢，降低了斷帶率，焊縫的整體斷帶率由之前的0.5%降至小于0.2%；重焊率由10%減少至2%，通過QCDS系統的合理運用，酸軋產線機時產量也有所提升，達到設計產能。
5. 結束語
運用QCDS技術手段，科學的應用到焊縫質量的判定中，從而保證焊接質量：
（1）QCDS參數曲線可以判定焊縫質量及焊縫缺陷的原因，原料板形缺陷、焊縫間隙大小不合適、激光融透率不夠、剪切質量不好等。
（2）QCDS參數曲線直觀的判定焊縫質量結果，曲線判定閥值維護在合理范圍內，超出閥值的曲線，系統自動判定，并且鎖定超出閥值的區域。
（3）QCDS系統中曲線異常可以監控設備運行狀態。
參考文獻
[1]齊程軍,劉玉麟,謝磊,等.淺談原料質量對激光焊機焊接效果的影響.金屬世界,2014(2):28doi:10.3969/j.issn.1000-6826.2014.02.11
[2]方敏,楊賽丹.激光焊機在冷軋軋機的應用.寶鋼技術,2009(2):75doi:10.3969/j.issn.1008-0716.2009.02.018
文章來源——金屬世界