全球鋼鐵市場持續(xù)承受壓力。除了積極實施降低成本的舉措，如節(jié)約能源、精簡人員和減少零部件外，也需要增加設(shè)備的可利用性。為了保持競爭力，需要提供廣泛的產(chǎn)品組合，并側(cè)重于現(xiàn)代化鋼種。
舊式的閃光對焊接設(shè)備或傳統(tǒng)的激光焊接機不能以可靠的方式焊接現(xiàn)代鋼種，因為其高合金含量會影響材料的可焊性。 而且，現(xiàn)有生產(chǎn)線中的焊接設(shè)備需要被更替，因為零部件以及其內(nèi)部專業(yè)技術(shù)的可用性在減少。
在過去幾十年中，許多人員參與了設(shè)備的運行和維護；但是現(xiàn)在，控制成本的措施正在減少相關(guān)人員的數(shù)量。 因此，人們需要具有高可利用性并且易于維護的機器，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操作且自適應完成理想中的生產(chǎn)結(jié)果。為冶金行業(yè)的鋼鐵、鋁、銅和金屬加工提供專業(yè)設(shè)備的供應商德國西馬克集團（SMS Group）應對這一工藝變化并順應全球數(shù)字化趨勢，開發(fā)出一款全新的焊接設(shè)備。
該焊接設(shè)備采用多種數(shù)字化解決方案，易于操作。其特點是可以減少操作維護人員，將定期檢修的記錄長期存檔，機器內(nèi)的文檔有電子版形式并且相互互聯(lián)。
圖1. 采用8kW 二氧化碳激光光源的X-Pro 激光焊接機是新訂單的基礎(chǔ)，新訂單是將10kW光纖激光器集成到瑞典鋼鐵公司SSAB 新的設(shè)備入口段，這將提供高效率和高可用性，以及安全，快速和完全自動化的工藝過程，即便應對難以焊接的材料也是如此。
最近，由于瑞典鋼鐵集團(SSAB)決定對其酸洗線進行改造使其涵蓋一臺光纖激光焊接機（圖1），SMS group 又接到了其最新一代X-Pro激光焊接機的訂單。該公司確信其酸洗線能夠在短周期內(nèi)焊接高強度材料。此外，設(shè)備的自動化控制功能、可靠的工藝流程和易于維護的理念等都是加分項。
工藝要求
焊接設(shè)備不僅是每條帶鋼生產(chǎn)線的重要技術(shù)設(shè)備，同時也是利用和最大化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果卷材沒有被正確連接，整個流程會被終止：每一次斷帶或機器故障都有可能影響到上游和下游的作業(yè)，造成重大的經(jīng)濟損失。
在生產(chǎn)線的最末端，焊縫僅被使用幾分鐘，通常會被切去。但對于焊縫的要求和可靠的焊接工藝需求是非常高的。 這整個過程是完全自動化的，成功連接兩個鋼帶末端的順序總是相同的。改變的是要被焊接的材料相關(guān)的鋼材質(zhì)量、鋼帶厚度、鋼帶寬度以及從一個鋼卷到下一個鋼卷的厚度。
焊接流程每3到5分鐘進行一次。 在酸洗生產(chǎn)線/冷連軋機中，焊縫多次彎曲，以高張力（高達65噸），快速（高達1,200米 / 分鐘）通過生產(chǎn)線運行1,000米以上，最終被卷曲，并在五個軋機機架（高達1,800噸）中以高推動力顯著減少厚度。
目前鋼鐵廠的規(guī)劃是生產(chǎn)具有高含量合金元素的現(xiàn)代化高強度鋼種。這類鋼種傾向于在焊縫區(qū)域產(chǎn)生極大的硬度增量。在激光束焊接過程中進行感應預熱和焊后熱處理，甚至是額外的焊絲緩沖，對于這些高科技鋼材來說是極有必要的，它們能夠改善焊縫的延展性，以便在生產(chǎn)過程中，能夠在沒有任何焊縫斷裂的情況下順利生產(chǎn)。
該焊接設(shè)備的另一個核心要求是生產(chǎn)周期短。由于生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)，所需的焊接停留時間必須盡可能短。
焊接工藝
該焊接工藝始于采用兩個夾送輥單元分別對進出口端的卷材進行頭尾穿線，這兩個夾送輥單元使卷材的兩端被激光束送入焊接機中。位于入口和出口側(cè)的帶鋼對中裝置居中對齊兩個帶材端部。在帶鋼對中的過程中，焊接機的可編程邏輯控制器根據(jù)2級數(shù)據(jù)的鑄件分析和帶鋼厚度計算所需的焊接參數(shù)。在兩個帶材端部的夾緊過程中驗證帶材的厚度。
使用雙橫切剪切機同時切割兩個帶材端部，以制備用于焊接的帶材端部。切割后的廢料通過焊接機的剪切通道被送入廢料排放系統(tǒng)，廢料排放系統(tǒng)與輸送帶上的切割廢料結(jié)合。測試焊縫或缺口樣品可以傳送到操作員這邊進行檢查。 結(jié)合切割工藝，可以打出一個用于焊縫檢測的孔（圖2）。
圖2. 從軋制后的缺口樣品呈現(xiàn)的激光焊縫（拉伸強度為1200MPa的馬氏體鋼）的金相橫截面; 在6 個軋機架的焊縫運輸過程中，焊縫被全力軋制，無磨隙。
準備好的帶材端部在寬度和厚度上相互校準，以獲得所需的焊接接頭幾何形狀。在將帶材端部焊接在一起之前，通過照相機測量焊接接頭的位置和幾何形狀。控制位置的焊頭保證接縫精確定位在接頭上。如果由于機器部件的磨損或錯誤定位而導致位置或幾何形狀出現(xiàn)任何偏差，則焊接移動單元將適應新的條件并自動控制焊頭至正確位置。通過這樣的方式，焊縫總是精準地定位在接頭上，這種做法可以保護焊縫，防止其斷裂。此外，還可以將修繕推遲至下一次定期維護停機時，因為焊接移動單元可以補償一定的錯位。
在應對難焊材料時，可對焊縫進行感應熱處理（預處理和后處理）以確保整個焊縫獲得均勻的硬度分布。
在完成焊接過程之后，用側(cè)邊切角器去除邊緣，以確?？煽康膸Р囊苿硬⒃试S在生產(chǎn)線下游的邊緣修整剪切移動到連續(xù)帶中。材料切斷也可用于焊縫測試。
焊接設(shè)備的功能
當開發(fā)焊接設(shè)備時，主要目標是設(shè)計緊湊，為其日后的翻新打下基礎(chǔ)，并取代舊式的閃光對焊接機（圖3）。 以下內(nèi)容描述了該焊接設(shè)備的功能。
圖3. 焊接過程的原理展示：包括五個主要步驟。
焊縫熱處理。該機器的一個主要優(yōu)勢是對焊縫進行感應預熱和焊后熱處理（圖4）。它允許對硬化的焊縫進行單獨的退火處理。由于每種材料組合都不相同，潛在的材料組合范圍已經(jīng)顯著增加，感應加熱器與接縫之間的距離以及功率都是不同的。這就意味著，對于每個接縫，處理時間和溫度都是以最合適的方式靈活調(diào)整的。
圖4. 能夠自由選擇起點和溫度的焊縫預熱和后熱系統(tǒng)。
中頻感應的高效率深度熱處理可以在最短的時間內(nèi)對材料進行徹底的加熱，從而防止焊縫硬度的增加以及帶材斷裂的風險（圖5）。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，特殊的電感設(shè)計大大縮短了保留時間。 這樣一來，不易焊接的材料也可以被焊接，如馬氏體或高碳/硅等級材種。
圖5. 通過后加熱降低的硬度曲線（右圖），改善了焊縫的延展性。
焊縫質(zhì)量要保證。通過一個集成、自動化的焊縫質(zhì)量保障體系和兩臺相機來評估整個過程。 第一臺相機將焊頭固定在接頭的中間位置，第二臺相機檢查并評估焊縫的質(zhì)量。如果一切都通過檢查，系統(tǒng)會自動批準（圖6）。
圖6. 焊接設(shè)備的質(zhì)量保證體系可以實現(xiàn)焊接的自動釋放。
焊接參數(shù)的計算。 焊接設(shè)備通過自動更正焊接參數(shù)進行調(diào)整。有了這款焊接系統(tǒng)，新的材料配對無需進行大量測試就可以焊接。它使用2級數(shù)據(jù)進行鑄件和厚度分析，以計算出碳等量，并擁有一個具有適當焊接參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。
多虧了能夠自動化計算每一種材料組合的焊接參數(shù)，現(xiàn)在甚至可以焊接未知鋼種的鋼帶組合。能夠快速可靠地確定要焊接組合的正確的焊接參數(shù)，而不必在焊接測試上花費時間，也不必在數(shù)據(jù)庫中進行冗長的搜索。計算所需要的是兩條鋼帶的幾何條帶數(shù)據(jù)和鋼液的分析。 這些數(shù)據(jù)通常存儲在生產(chǎn)所用的計算機中，并可以傳送到焊接設(shè)備的計算機上。 因此，對生產(chǎn)工廠進行焊接試驗或焊接新的材料組合時出現(xiàn)的問題都已經(jīng)成為了過去式。
生產(chǎn)周期短。該機器的另一個理想功能是其小于60秒的生產(chǎn)周期，這要歸功于該流程的簡化設(shè)計。由于所有運動的編碼器都可以安全快速地定位機器，因此大部分機器運動都是線性執(zhí)行的，并且可以控制位置。
機器頂部和底部刀盒在剪切機上的交換時間非常短，可以在20分鐘內(nèi)更換。這是因為該焊接設(shè)備采用了智能化設(shè)計，在機器內(nèi)部不需要額外的設(shè)備來實現(xiàn)這種快速更換程序。
可選擇的焊接源。由于焊接設(shè)備的模塊化設(shè)計以及焊縫制備和焊接工藝本身之間的分離，焊接源可以很容易地更換。通?？墒褂贸Ｒ?guī)的CO2激光源或固態(tài)激光源。
對齊，精細切割和連接兩個帶材端部的焊縫準備工作由獨立的機器模塊執(zhí)行。 隨后，焊接源沿著兩個帶材端部之間的接合處與焊接移動單元一起移動。這樣做，可以分別調(diào)整焊接源的位置和移動速度。這為將來使用其他焊接源提供了重要條件。此外，可以結(jié)合使用各種焊接程序。
焊接設(shè)備的這種極其靈活的特性可以確保，例如，用于連接不銹鋼帶的混合激光束焊接，而無需進行重大修改。
固體激光器
在之前的項目中，西馬克集團安裝了12kW（TRUMPF提供）或8kW（Rofin-Sinar提供）的千瓦級CO2激光器。 對于這個最新的項目，公司將首次安裝固態(tài)激光器--10kW光纖激光器（IPG Photonics提供）。當與傳統(tǒng)的CO2激光器相比時，激光束在具有激光活性光纖的諧振器中產(chǎn)生。 由于其很高的電光轉(zhuǎn)換效率，以及待機模式幾乎沒有損耗功率，使得運營成本將下降到90％。
使用固態(tài)激光器，可以節(jié)省甚至避免產(chǎn)生工藝氣體（例如氦氣），并減少維護工作量。該系統(tǒng)的一個顯著特點是其簡單的模塊化結(jié)構(gòu)，這幾乎可以免去維護程序。 更重要的是，固態(tài)激光器設(shè)計緊湊，占地面積小，采用靈活的工藝激光光纖，使設(shè)備理念變得簡單易行。
與具有穩(wěn)定工藝，尤其是可應用于3mm以上的厚度等級的常規(guī)CO2激光光源相比，固態(tài)激光工藝更粗糙和更波動。 由于不同的等離子體蒸汽羽流引起的飛濺現(xiàn)象是眾所周知的,因此采取了一些措施，以避免在厚度超過3mm的儀表上出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，從而使固態(tài)激光器的應用適合于帶材加工過程。
安裝
位于阿拉斯加州奧西奧拉的大河鋼鐵公司Big River Steel，其新酸洗線/串聯(lián)軋機使用X-Pro激光焊接設(shè)備后，每年可焊接近150萬噸的鋼帶（圖7）。 試運行工作始于2016年。焊接過程結(jié)束后，包括焊接接頭在內(nèi)的材料不僅將被酸洗，而且還將在一個五機架四輥串聯(lián)軋機中進行軋制。 這意味著1.4mm到5.0mm厚的鋼帶將被減少到0.27mm到1.4mm之間的最終尺寸。 即使是高硅鋼也會在這條生產(chǎn)線上生產(chǎn)，并被焊接。
圖7. X-Pro 激光焊接設(shè)備集成在大河鋼鐵公司Big River Steel 的新酸洗線/串聯(lián)冷軋機中。
瑞典鋼鐵SSAB歐洲公司已經(jīng)向西馬克集團發(fā)出了一份訂單，要求為其安裝在海門林納，芬蘭工廠的連續(xù)酸洗生產(chǎn)線的帶卷送進段進行現(xiàn)代化改造。這種現(xiàn)代化改造將大大提高生產(chǎn)線的可用性和產(chǎn)量，自動化程度以及安全性。
隨著X-Pro光纖激光焊接設(shè)備和高性能張力矯直機的安裝，將有可能生產(chǎn)具有高合金含量的現(xiàn)代化高強度鋼種。 整個電氣和自動化設(shè)備的改造將分兩個階段完成，預計將在2018年底完工。新設(shè)備將使生產(chǎn)線能夠處理屈服點高達900MPa的材料。 更高的產(chǎn)能和更低的運營成本將是進一步的益處。
配備了固態(tài)激光器的X-Pro激光焊接機是該現(xiàn)代化改造的重要元素。 2015年，瑞典鋼鐵公司SSAB將自己生產(chǎn)的難焊接的高合金鋼板送到了西馬克集團，后者用配置了光纖激光源的機器將它們焊接在一起。
該生產(chǎn)線設(shè)計用于厚度在1.5mm到6.5mm之間，寬度介于650mm到1,650mm的鋼帶。 在加工部分，紊流酸洗槽中的鋼帶將以180m/min的速度進行酸洗，而進入部分可達到的最大帶鋼速度為400m/min。
當涉及現(xiàn)代鋼種的靈活，經(jīng)濟和安全的焊接時，帶材加工線正面臨著一些挑戰(zhàn)。 X-Pro激光焊接設(shè)備易于維護，而且易于集成到現(xiàn)有生產(chǎn)線中，能夠生產(chǎn)出難焊的帶材。
該焊接設(shè)備提供了幾項有益的功能，包括專利的感應熱處理，自動參數(shù)計算，質(zhì)量保證系統(tǒng)，低加工周期和可交換的激光源。一個特別的新功能是集成了現(xiàn)代化的固態(tài)焊接設(shè)備，由此降低了運營成本。
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