一、研究背景与问题

随着我国先进制造业向绿色低碳方向发展，以汽车用钢为代表的高强钢，以高性能硅钢为代表的磁性材料，以高铬不锈钢为代表的节镍型不锈钢等高端板带材料的市场需求越来越大。高端板带材料采用连续化生产，焊机是保障连续稳定运行的关键核心设备。

高端板带材属于难焊接材料，焊接易产生冷裂纹、热裂纹、粗晶区脆化、气孔等缺陷，焊缝质量控制难度大。焊缝质量是影响高端板带连续生产线稳定运行的最关键因素之一，焊缝质量不好易造成生产线断带，事故停机，特别是断带发生在轧机段、退火炉、酸洗槽内，处理时间长，产生废钢多，严重影响板带连续生产线的稳定性和成材率，给企业带来很大的经济损失。为了避免这类断带，客观上对焊接工艺及焊机设计提出很高的要求。

国产焊机一般采用激光或激光填丝焊接工艺，高端板带材焊缝性能不稳定，焊接成功率较低，不能满足大批量、高效、连续化生产要求。长期以来，国内板带连续生产线主要依赖进口激光焊机，但进口焊机造价高，且使用的二氧化碳气体激光器价格昂贵、结构复杂、维护困难、使用成本高。而以光纤激光器和碟片激光器为代表的高功率固体激光器具有低阈值、高效率、窄线宽、可调性好和显著的投资低、运行成本低、维护简单方便等高性价比优势，近十年来已逐渐替代传统的二氧化碳气体激光器，大量应用于工业生产中，原先基于二氧化碳气体激光器的焊接工艺及设备已不能满足固体激光器的应用要求。因此，开发研究适用于高端板带连续生产线的新型焊接工艺及装备势在必行。

二、解决问题的思路

自2010年起，中冶南方工程技术有限公司组建项目团队,以市场需求和低碳节能为创新驱动力，以提高生产装备的适应性和稳定性为最终目标。从焊接工艺和焊机设计及控制等方面研究入手，解决了高端板带材料焊接存在的工艺、设备及控制技术难题，先后开发了固体激光-电弧复合焊接工艺、新型激光-电弧旁轴复合焊接头及其精确定位控制新技术、琴键式弹簧压板技术、基于机器视觉识别技术的焊缝质量监控系统，以及融入这些新技术的新型激光电弧复合焊机成套设备，确保了在高端板材焊接上高效、稳定且便于维护。

图1 新型激光电弧复合焊机外形图

三、主要创新性成果

1、固体激光-电弧复合焊接工艺

现有气体激光器焊机对设备精度要求很高，维护困难且投资和使用成本高。焊接高反型高端特殊板带材料时效率低，工艺适应性差；焊接高强钢、高性能硅钢、高铬不锈钢等焊接性差材料时，易产生焊接裂纹，焊缝热影响区软化、焊缝组织形态改变和脆硬组织增多引起的脆化等焊缝质量问题。

项目团队针对以上的问题，分别研究了纯激光、激光填丝、激光电弧复合三种固体激光焊接工艺，首次创新性的将固体激光-电弧复合焊接工艺引入板带连续生产线激光焊机中。完成了超过5000次焊接试验以及焊缝质量、焊接过程稳定性等方面严格测试，得出固体激光-电弧复合焊接工艺是适合焊接高端板带材料的最优焊接工艺，建立了激光-电弧复合焊接工艺参数体系，开发了高端板带材料固体激光-电弧复合焊接工艺模型，解决了高端板带材料的焊缝质量问题。

固体激光-电弧复合焊的优点：

（1）更高的焊接稳定性：填充材料以熔滴方式进入熔池，且激光束对电弧和熔滴具有强烈的牵引作用，从而有效克服固体激光-填丝焊接中对激光束与焊丝相对位置精度要求很高的缺点；采用CMT技术，克服了固体激光-填丝焊焊接过程中容易因为焊丝熔化不充分而出现较大的飞溅，稳定性较差的问题，较前者焊接稳定性提高50%。

（2）更好的焊缝成形和接头质量：电弧对熔池有搅拌作用，有利于焊丝合金元素在熔池内的融合，减少气孔、裂纹等冶金缺陷，焊缝更加饱满，熔宽增加50%，有效改善和提高的焊缝组织性能，从而获得更好的焊缝质量，适应高强钢、高磁感硅钢、高铬不锈钢等难焊材料的焊接要求。

（3）更高的焊接效率：电弧提供预热，直接熔化焊丝，不需要消耗激光的能量，增强激光小孔穿透能力，从而提高焊接熔深和焊接速度，焊接效率提升了20%~30%，焊接厚度可达10mm。

（4）相较激光焊或激光填丝焊，具有更高的拼缝间隙容忍能力，可容忍0.5mm的拼缝间隙及50%的错边量。

固体激光-电弧复合焊有效地避免了激光-填丝焊存在的焊丝熔化困难，稳定性不佳的难题，能够最大程度发挥新一代高功率固体激光器的技术优势。

图2激光-电弧复合焊接原理图

图3三种焊接工艺焊缝断面图

2、新型激光-电弧旁轴复合焊接头及其精确定位新技术

激光焦点光斑直径很小，对焊接工艺设备定位精度要求很高；固体激光器焊接时易产生飞溅和烟尘，会导致焊接头镜组寿命缩短。如何设计激光焊和电弧焊复合焊接头，使其能够有效结合激光和电弧两种不同的热源，并实现工艺参数的融合调节，同时达到很高的定位精度和避免飞溅、烟尘对焊接头镜组寿命影响成为关键。

项目团队针对激光-电弧复合焊接工艺特点，开发了新型开放式激光-电弧旁轴复合焊接头和焊接头精确定位新技术，焊接高效稳定，设备简单，便于维护。提高了激光焦点定位精度，重复精度达0.01mm；改善了焊接头工作环境，焊接头的使用寿命提升7倍以上。

图4 激光电弧复合焊接头

3、琴键式弹簧压板技术

板带来料的头尾部浪形缺陷经过生产线矫直机后不能完全消除，在焊机双切剪剪切过程中会造成剪切断面不平直，同时，头尾部易产生上翘和下扣，二者都会造成拼缝间隙沿板带宽度方向不均匀，易造成错边及漏焊等焊缝质量问题。

项目团队基于来料板形的缺陷对剪切质量、拼缝精度影响的进行分析研究，发明了琴键式弹簧压板，有效消除原料板带翘头和下扣等板形的缺陷对拼缝质量的影响，提高了焊缝质量稳定性。琴键式弹簧压板技术可有效地减少60%来料板形缺陷对焊接质量的影响，降低重焊率20%。

图5  琴键式弹簧压板

4、基于机器视觉识别技术的焊缝质量监控系统

激光焊机是板带连续生产线关键设备，通过人工检查焊缝质量并调节焊接参数会因为操作人员水平参差不齐存在误判，一旦不良焊缝流入生产线将存在断带事故风险。

项目团队开发了基于机器视觉识别技术的焊缝质量监控系统，能够实时、精确地判定焊缝质量，并能根据检测结果，评价优化焊接工艺参数。

图6  焊缝质量监控系统

四、应用情况与效果

2014年首台套投产后，先后应用于宝钢、鞍钢、太钢、马钢、沙钢、青山钢铁、印度克罗美尼等国内外钢铁企业21套。近三年，在已投产的高性能硅钢、高铬不锈钢等高端板带材料领域激光焊机国内市场占有率处于领先位置。

本项目技术成果在焊接材料品种及规格、工艺适应性、焊接质量、设备投资及维护等方面明显优于国内外同类焊机，绝大部分技术指标达国际领先水平。其中，焊接材料涵括普碳钢、高强钢、硅钢、不锈钢及有色金属等，最大焊接厚度提高了近70%，焊缝断带率降低了50%，重焊率降低了40%；与进口激光焊机比降低投资近三分之二，到目前为止所供焊机已间接节省设备进口费用约5亿元人民币；与传统CO2气体激光焊机相比，每台焊机年降低稀有气体消耗费用约120万元，降低维护费用约50万元。

本项目已授权发明专利8件，发表论文7篇，荣获2021年度冶金科学技术奖一等奖。

图7  酒钢铬钢酸洗机组激光焊机

图8 太钢高端冷轧取向硅钢准备机组激光焊机

图9 青拓冷轧科技七机架连轧机组激光焊机

本项目研发成功及实施，促进了我国光-机-电-液一体化高端装备制造业的发展，推动了我国高端板带连续生产线核心技术的进步，提升了我国冶金工程成套装备在国际上的竞争力。高端板带连续生产线激光焊机不仅用于新建高端板带生产线，也可用于现有闪光焊机、氩弧焊机、气体激光焊机的改造，市场需求巨大。

信息来源：中冶南方工程技术有限公司