冷軋生產工藝原料卷焊接技術及FBW64型閃光焊機優化升級

林偉

（本鋼板材冷軋總廠 遼寧本溪 117000）

1 冷軋生產工藝簡介

在冷軋薄板的生產工藝中，為了保證整個生產工藝的連續性和穩定性，熱軋原料卷的焊接是其中一個非常重要的環節，帶鋼焊機是生產工藝中的重要設備。

本鋼一冷軋薄板生產工藝中使用的是FBW64 閃光焊機，FBW64當時引進時即為二手設備。隨著生產任務的不斷提高，后續的二鍍鋅機組和彩涂機組逐步達到了生產設計能力，對冷軋卷板需求逐漸增大，這時閃光焊機的高斷帶率、板形缺陷、軋制后溢出邊問題嚴重影響產量和產品質量。根據建廠當時的產品規格品種、生產產量和產品質量要求，FBW64 閃光焊機能夠滿足生產工藝要求。隨著冷軋廠產量和產品質量要求的不斷提高、焊機近十年的不斷劣化，FBW64 閃光焊機已不能滿足生產工藝要求，焊縫的質量、焊后板形都不好，同時還存在著焊縫超厚、焊接周期時間長等問題，這些問題導致軋制時焊縫斷帶率高，斷帶率達到了1.0%，卷曲成形的冷軋卷溢出邊現象嚴重［1］，嚴重影響著冷軋薄板生產工藝的連續性和穩定性［2］。

在上述的軋制方法的更新過程中，熱卷焊接是十分重要的環節，冷軋板生產企業中，鋼板焊機是冷軋工藝中的關鍵設備之一，它的功能主要是將相鄰兩卷鋼板的帶頭和帶尾經剪切機和尾矯直對中以后進行焊接，從而保證冷軋酸軋生產工藝的連續性和穩定性［3］。

2 閃光焊機的基礎理論

2.1 閃光焊機定義

冷軋閃光焊機是電阻焊的一種，又叫作火花焊，它利用帶鋼本身的固有電阻和帶鋼斷面電阻，當通以電流時，引起金屬的加熱和燒化。閃光焊機又可分為交流焊機和直流焊機。

2.2 閃光焊機基本工作原理

閃光焊機是在電阻對焊的基礎上發展起來的。大型連續閃光焊機的工作原理如下。首先，在液壓夾具的作用下，將矯直和對中后焊接的鋼板的頭部和尾部分別固定，固定后的頭部和尾部可單獨或在液壓支持下手動調節。接通第二主電源后，讓鋼板逐漸接近，帶鋼剪切面局部接觸，此時，將有大電流通過帶鋼不均勻剪切面的接觸點。根據焦耳定律Q=I2Rt，鋼板剪切面上的接觸點在強電流作用下被鋼板接頭中的含碳固體鋼水迅速熔化并進一步蒸發，從而爆炸，直到最終的高溫不連續粒狀金屬熔巖從焊機中高速噴出，在爆破鋼水飛濺后，所使用的接觸點產生新的可用接觸點，在此過程中，產生連續爆破閃光階段，隨著鋼板頭部和尾部局部金屬的耗盡，整個燃燒和閃光過程完成。為了保證連續穩定的閃光輸出，隨著鋼板的不斷消耗，帶鋼需要連續輸送到焊接區域，使焊接過程的閃光速度（燃燒速度和消耗速度）與活動框架的運行速度相匹配。焊接時間后，鋼板的頭部和尾部燃燒，進一步使焊縫的焊接接頭達到要求的工作溫度。加熱后，帶鋼周圍的熱量會自發擴散，從高溫區轉移到低溫區，最終到達焊縫兩側，形成一定寬度的穩定溫度區。此時，在液壓夾具的配合下，突然加速移動到固定架上，施加巨大壓力，使鋼板頭部和尾部的兩個端面相互擠壓變形，然后立即切斷焊機的焊接電流。在液壓缸的配合和高速鐓粗壓力的共同作用下，焊接鋼板在高溫、高壓的共同作用下，在焊接區域會產生強烈的塑性變形。液態含碳高溫鋼水將被擠出新形成的焊接接頭外，并在鋼板的接頭表面重新結晶，形成牢固的接頭，從而焊接鋼帶的頭部和尾部，并在焊接接頭表面形成大量突起。

2.3 電流與硬度及熱影響區寬度的關系

初始閃光電流將在粗糙的鋼板接觸面上均勻移動，適當優化和增加初始閃光電流將導致焊縫區域相鄰界面處焊縫形成較小的硬度，從而進一步改善焊接鋼板的硬度曲線，獲得更大的平滑度。同時，進一步增加閃光電弧高度，更有利于穩定增加熱影響區的寬度，更有利于硬度曲線的平滑分布。如果初始閃光電流給定值和閃光電弧高度合理降低，新形成的鋼板焊接區界面會產生氧化物，不利于后期穩定生產。大量實驗表明，焊縫的斷裂基本上是在焊縫區界面含有氧化物夾雜的地方產生的，進一步的研究和分析表明，通過多次微調初始閃光焊參數，可以很好地控制焊接區界面處的缺陷［4］。

初始閃光過程中，最重要的控制參數是編碼器脈沖數，合理適度地增加脈沖數，可以獲得更平滑的硬度分布曲線，進一步獲得鋼板頭部和尾部焊縫區域的硬度值和較寬的熱影響區，適當增加工作電流對焊縫硬度分布曲線沒有影響［5］。對于鐓粗階段的所有焊接參數，鐓粗保持時間尤為重要。通過適當增加焊后液壓鐓粗的持續時間，可以在不增加熱影響區寬度的情況下獲得更平滑的硬度曲線。

2.4 閃光焊機的速度控制

在連續閃光過程中，在大電流作用下，鋼板的焊接面積逐漸縮短，鋼板端部溫度升高，隨著帶頭和帶尾溫度的升高，閃光速度進一步加快，此時，帶鋼進入機架的速度也必須逐漸加快。為了獲得質量更高、硬度分布合理的焊縫，并進一步保持閃光過程的連續穩定性，活動框架進給的鋼板的驅動速度必須等于固定框架的閃光燃燒速度，并且必須采用高速進給鋼板的方法。

在閃光開始時，由于鋼板之間的接觸電阻較大，燃燒速度非常低，所需的鋼板進給量非常小。

隨著連續閃光過程的進行，鋼板的接觸電阻逐漸降低，鋼板焊縫加熱區的溫度急劇升高，燃燒速度進一步提高，所需的鋼板進給速度進一步提高。分析表明，在閃光過程中，必須逐漸提高鋼板的驅動速度，以適應燃燒速度的進一步變化。焊接機活動框架的位移s與時間t之間的關系曲線s=s（t），稱為閃光曲線，它對鋼板的焊接質量有很大影響，閃光曲線隨不同鋼種、不同寬度、不同厚度等條件的變化而變化。為了進一步保證焊接質量，有必要優化閃光階段閃光曲線的閉環控制，也就是說，通過對整個過程的連續實時采集，將位移信號SC 與給定的位移SD 曲線進行比較，從而更準確地控制活動框架的運動，使位移曲線與給定曲線一致［6］。

在閃光階段結束時，由于帶鋼新形成的焊縫端面已達到一定的溫度和硬度，新形成的焊縫接觸點達到噴砂的時間縮短。因此，在此階段應合理適度地提高燃燒速度，并在金屬焊縫的端面上出現強烈而耀眼的閃光過程。在這個連續而劇烈的閃蒸階段，碳鋼會蒸發大量金屬蒸汽和保護氣體（碳鋼為CO2），這些氣體會聚集在焊接區域附近，有效防止焊接區域金屬的氧化。金屬的相變過程是緩慢的，從最初鋼板的純固相到閃蒸的液相再到連續閃蒸的氣相。在這一系列變化中，更值得注意的是，如果進料速度太慢，很容易出現氧化物和夾雜物，導致閃光中斷；如果速度過快，將觸發電路短路保護［7］。

在初始閃光開始時，焊接變壓器向電極供電后，可移動框架向前移動，使頭部和尾部接觸，并且有電流通過頭部。對于尾部、頭部和尾部的接觸電阻在開始時很小，達到熔點后會出現強烈的閃光。

在連續閃光階段，為了補充熔化的金屬，活動框架必須不斷向前移動，以產生新的電觸點。連續移動的距離與金屬特性和截面有關，這個階段被稱為連續閃蒸階段。

在鐓粗階段，在連續閃光結束時，頭部和尾部的溫度已傳輸到帶鋼的深度，并達到熔焊點，此時，向活動框架施加足夠的鐓粗力，使頭部和尾部一起鐓粗。

連續加熱和夾緊時間。鐓粗結束后，不中斷對焊條的供電，以防止焊縫表面氧化，影響焊縫質量，最后，中斷電源［8］。

閃光焊機也有很多優點。閃光焊機的研究和使用相對較早，具有豐富的機械設計和自動系統控制設計經驗，技術非常成熟，自動化程度非常高。隨著設計的不斷改進，許多缺陷被消除，如可以合理解決焊接過程中產生的大量灰塵和噪音。閃光焊機對維護人員的技術要求低、操作維護成本低、焊接周期短。普通低碳鋼焊接質量可靠，價格遠低于激光焊機。因此，閃光焊機仍然是許多企業的首選。

3 自動化設備升級改造

本鋼一冷軋FBW64 閃光焊機經過10年的生產使用，存在很多問題。一部分原因是設備自然裂化、使用磨損，其中還包括自控系統的軟硬件老化、機械設備的磨損等原因，但更大一部分原因是設計上的缺陷和當時技術落后。為了提高焊縫質量和焊后板形質量，縮短焊接周期時間，從而保證冷軋薄板生產工藝的連續性和穩定性，必須對影響生產的關鍵技術問題進行解決，進行焊機升級改造。由于本鋼冷軋薄板生產系統有兩個冷軋薄板廠，第二冷軋廠是2006年新建成的具有國際先進水平的冷軋廠，不論設備組成還是產品質量，都是國內最好的?？蛻粜枨蟮母哔|量、高強度的冷軋帶鋼都由第二冷軋廠生產，因此，第一冷軋廠目前乃至將來都只軋制低碳鋼帶，雖然鋼種和規格等不再擴充，但對產量要求會更高。通過對目前各類帶鋼焊機的性能研究，可以看出，激光焊機焊接品種廣，對特殊鋼種焊接后焊縫質量高，焊縫斷帶率低。但激光焊機存在的這些優點在第一冷軋廠都發揮不到作用。相反，激光焊機的焊接周期長、價格昂貴，這些更不適用于第一冷軋廠的生產要求和改造宗旨，因此，還是在原有FBW64 閃光焊機基礎上進行升級改造最為適用。焊機自動化設備升級包括如下幾部分。

3.1 自動過程控制升級

原自控系統由兩部分組成，即自動控制（MICRO計算機）和順序控制（焊機PLC）。升級后，只有一部分構成，既SIEMENS的PLC系統（S7-400）。S7-400系列是目前PLC系統的主流產品，該系統運行穩定、功能完善，是企業中自動化控制系統的首選。

原來焊機控制系統中還包括一套計算機系統，主要用于位置閉環控制，為了節省投資，同時結合S7-400的強大功能，通過在框架內安裝專用FM458板，即可實現活動機架位置閉環控制，從而在不喪失功能的情況下取消了焊機計算機系統。

PLC系統采用的是目前比較先進的S7—400，其中的軟硬件包括：（1）中心單元S7—400 CPU型專為414/3；（2）程序語言STEP7；（3）中心處理器；（4）擴展單元；（5）通信profibus DP/FMS 和CAN BUS；（6）人機接口工業PC 機配置；（7）接口板IM；（8）數字輸入/輸出模板；（9）模擬輸入/輸出模板；（10）帶鋼數據接Ethernet TCP/IP協議（西門子標準）；（11）遠程I/OET200M；（12）增設UPS系統380V-三相-15kW；（13）焊機ET200站升級焊機原S5-135 PLC升級為S7-400，焊機現場用于遠程控制的ET200站也隨之升級為S7系列。

電氣室內增設維護診斷計算機，該機用以監控焊機實時狀態，同時兼做PLC 系統編程器。該機使用的軟件為Windows XP、Wincc、STEP7?？傮w來講，目前國內外新建的冷軋廠很多都選用激光焊機，可以確信激光焊機是今后冷軋焊機的主流產品，但閃光焊機的技術成熟，價格低于激光焊機很多，閃光焊機還是許多冷軋薄板生產企業的首選。

本文針對性地提出了本鋼一冷軋FBW64 閃光焊機升級改造方案，方案中融入了大量的先進焊機技術，最后制定并實施了FBW64 閃光焊機技術改造。對改造后的焊機進行性能驗證，對關鍵性能進行改造前后試驗對比，主要包括：（1）焊縫質量：焊縫處杯凸試驗、焊縫斷帶率；（2）焊接周期；（3）焊后溢出邊。

改造后，FBW64 閃光焊機性能大幅度提高，解決了影響和制約冷軋薄板生產工藝連續性和穩定性的焊機問題，保證了生產工藝的連續性和穩定性，提高了機組產能，提高了機組生產效率，進一步增加了企業利潤。通過數據統計得出，改造后的FBW64閃光焊機應用到本鋼冷軋薄板生產過程中，基本解決了改造前焊縫質量、焊后板形不好、焊縫超厚及焊接周期時間長等關鍵問題，保證了冷軋薄板生產工藝的連續性和穩定性，在本鋼冷軋焊機改造工作中起著重要指導作用，同樣也為其他冷軋薄板生產企業焊機技術改進提供了借鑒。