林偉

（本鋼板材冷軋總廠 遼寧本溪 117000）

1 冷軋生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

在冷軋薄板的生產(chǎn)工藝中，為了保證整個(gè)生產(chǎn)工藝的連續(xù)性和穩(wěn)定性，熱軋?jiān)暇淼暮附邮瞧渲幸粋€(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，帶鋼焊機(jī)是生產(chǎn)工藝中的重要設(shè)備。

本鋼一冷軋薄板生產(chǎn)工藝中使用的是FBW64 閃光焊機(jī)，F(xiàn)BW64當(dāng)時(shí)引進(jìn)時(shí)即為二手設(shè)備。隨著生產(chǎn)任務(wù)的不斷提高，后續(xù)的二鍍鋅機(jī)組和彩涂機(jī)組逐步達(dá)到了生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力，對(duì)冷軋卷板需求逐漸增大，這時(shí)閃光焊機(jī)的高斷帶率、板形缺陷、軋制后溢出邊問題嚴(yán)重影響產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)建廠當(dāng)時(shí)的產(chǎn)品規(guī)格品種、生產(chǎn)產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量要求，F(xiàn)BW64 閃光焊機(jī)能夠滿足生產(chǎn)工藝要求。隨著冷軋廠產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高、焊機(jī)近十年的不斷劣化，F(xiàn)BW64 閃光焊機(jī)已不能滿足生產(chǎn)工藝要求，焊縫的質(zhì)量、焊后板形都不好，同時(shí)還存在著焊縫超厚、焊接周期時(shí)間長(zhǎng)等問題，這些問題導(dǎo)致軋制時(shí)焊縫斷帶率高，斷帶率達(dá)到了1.0%，卷曲成形的冷軋卷溢出邊現(xiàn)象嚴(yán)重［1］，嚴(yán)重影響著冷軋薄板生產(chǎn)工藝的連續(xù)性和穩(wěn)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(huán)節(jié)，冷軋板生產(chǎn)企業(yè)中，鋼板焊機(jī)是冷軋工藝中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的功能主要是將相鄰兩卷鋼板的帶頭和帶尾經(jīng)剪切機(jī)和尾矯直對(duì)中以后進(jìn)行焊接，從而保證冷軋酸軋生產(chǎn)工藝的連續(xù)性和穩(wěn)定性［3］。

2 閃光焊機(jī)的基礎(chǔ)理論

2.1 閃光焊機(jī)定義

冷軋閃光焊機(jī)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(dāng)通以電流時(shí)，引起金屬的加熱和燒化。閃光焊機(jī)又可分為交流焊機(jī)和直流焊機(jī)。

2.2 閃光焊機(jī)基本工作原理

閃光焊機(jī)是在電阻對(duì)焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。大型連續(xù)閃光焊機(jī)的工作原理如下。首先，在液壓夾具的作用下，將矯直和對(duì)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(dú)或在液壓支持下手動(dòng)調(diào)節(jié)。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(shí)，將有大電流通過帶鋼不均勻剪切面的接觸點(diǎn)。根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，鋼板剪切面上的接觸點(diǎn)在強(qiáng)電流作用下被鋼板接頭中的含碳固體鋼水迅速熔化并進(jìn)一步蒸發(fā)，從而爆炸，直到最終的高溫不連續(xù)粒狀金屬熔巖從焊機(jī)中高速噴出，在爆破鋼水飛濺后，所使用的接觸點(diǎn)產(chǎn)生新的可用接觸點(diǎn)，在此過程中，產(chǎn)生連續(xù)爆破閃光階段，隨著鋼板頭部和尾部局部金屬的耗盡，整個(gè)燃燒和閃光過程完成。為了保證連續(xù)穩(wěn)定的閃光輸出，隨著鋼板的不斷消耗，帶鋼需要連續(xù)輸送到焊接區(qū)域，使焊接過程的閃光速度（燃燒速度和消耗速度）與活動(dòng)框架的運(yùn)行速度相匹配。焊接時(shí)間后，鋼板的頭部和尾部燃燒，進(jìn)一步使焊縫的焊接接頭達(dá)到要求的工作溫度。加熱后，帶鋼周圍的熱量會(huì)自發(fā)擴(kuò)散，從高溫區(qū)轉(zhuǎn)移到低溫區(qū)，最終到達(dá)焊縫兩側(cè)，形成一定寬度的穩(wěn)定溫度區(qū)。此時(shí)，在液壓夾具的配合下，突然加速移動(dòng)到固定架上，施加巨大壓力，使鋼板頭部和尾部的兩個(gè)端面相互擠壓變形，然后立即切斷焊機(jī)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(qū)域會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形。液態(tài)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(jié)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(qū)寬度的關(guān)系

初始閃光電流將在粗糙的鋼板接觸面上均勻移動(dòng)，適當(dāng)優(yōu)化和增加初始閃光電流將導(dǎo)致焊縫區(qū)域相鄰界面處焊縫形成較小的硬度，從而進(jìn)一步改善焊接鋼板的硬度曲線，獲得更大的平滑度。同時(shí)，進(jìn)一步增加閃光電弧高度，更有利于穩(wěn)定增加熱影響區(qū)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(qū)界面會(huì)產(chǎn)生氧化物，不利于后期穩(wěn)定生產(chǎn)。大量實(shí)驗(yàn)表明，焊縫的斷裂基本上是在焊縫區(qū)界面含有氧化物夾雜的地方產(chǎn)生的，進(jìn)一步的研究和分析表明，通過多次微調(diào)初始閃光焊參數(shù)，可以很好地控制焊接區(qū)界面處的缺陷［4］。

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

2.4 閃光焊機(jī)的速度控制

在連續(xù)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(jìn)一步加快，此時(shí)，帶鋼進(jìn)入機(jī)架的速度也必須逐漸加快。為了獲得質(zhì)量更高、硬度分布合理的焊縫，并進(jìn)一步保持閃光過程的連續(xù)穩(wěn)定性，活動(dòng)框架進(jìn)給的鋼板的驅(qū)動(dòng)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(jìn)給鋼板的方法。

在閃光開始時(shí)，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(jìn)給量非常小。

隨著連續(xù)閃光過程的進(jìn)行，鋼板的接觸電阻逐漸降低，鋼板焊縫加熱區(qū)的溫度急劇升高，燃燒速度進(jìn)一步提高，所需的鋼板進(jìn)給速度進(jìn)一步提高。分析表明，在閃光過程中，必須逐漸提高鋼板的驅(qū)動(dòng)速度，以適應(yīng)燃燒速度的進(jìn)一步變化。焊接機(jī)活動(dòng)框架的位移s與時(shí)間t之間的關(guān)系曲線s=s（t），稱為閃光曲線，它對(duì)鋼板的焊接質(zhì)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(jìn)一步保證焊接質(zhì)量，有必要優(yōu)化閃光階段閃光曲線的閉環(huán)控制，也就是說，通過對(duì)整個(gè)過程的連續(xù)實(shí)時(shí)采集，將位移信號(hào)SC 與給定的位移SD 曲線進(jìn)行比較，從而更準(zhǔn)確地控制活動(dòng)框架的運(yùn)動(dòng)，使位移曲線與給定曲線一致［6］。

在閃光階段結(jié)束時(shí)，由于帶鋼新形成的焊縫端面已達(dá)到一定的溫度和硬度，新形成的焊縫接觸點(diǎn)達(dá)到噴砂的時(shí)間縮短。因此，在此階段應(yīng)合理適度地提高燃燒速度，并在金屬焊縫的端面上出現(xiàn)強(qiáng)烈而耀眼的閃光過程。在這個(gè)連續(xù)而劇烈的閃蒸階段，碳鋼會(huì)蒸發(fā)大量金屬蒸汽和保護(hù)氣體（碳鋼為CO2），這些氣體會(huì)聚集在焊接區(qū)域附近，有效防止焊接區(qū)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(xù)閃蒸的氣相。在這一系列變化中，更值得注意的是，如果進(jìn)料速度太慢，很容易出現(xiàn)氧化物和夾雜物，導(dǎo)致閃光中斷；如果速度過快，將觸發(fā)電路短路保護(hù)［7］。

在初始閃光開始時(shí)，焊接變壓器向電極供電后，可移動(dòng)框架向前移動(dòng)，使頭部和尾部接觸，并且有電流通過頭部。對(duì)于尾部、頭部和尾部的接觸電阻在開始時(shí)很小，達(dá)到熔點(diǎn)后會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的閃光。

在連續(xù)閃光階段，為了補(bǔ)充熔化的金屬，活動(dòng)框架必須不斷向前移動(dòng)，以產(chǎn)生新的電觸點(diǎn)。連續(xù)移動(dòng)的距離與金屬特性和截面有關(guān)，這個(gè)階段被稱為連續(xù)閃蒸階段。

在鐓粗階段，在連續(xù)閃光結(jié)束時(shí)，頭部和尾部的溫度已傳輸?shù)綆т摰纳疃?，并達(dá)到熔焊點(diǎn)，此時(shí)，向活動(dòng)框架施加足夠的鐓粗力，使頭部和尾部一起鐓粗。

連續(xù)加熱和夾緊時(shí)間。鐓粗結(jié)束后，不中斷對(duì)焊條的供電，以防止焊縫表面氧化，影響焊縫質(zhì)量，最后，中斷電源［8］。

閃光焊機(jī)也有很多優(yōu)點(diǎn)。閃光焊機(jī)的研究和使用相對(duì)較早，具有豐富的機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)非常成熟，自動(dòng)化程度非常高。隨著設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，許多缺陷被消除，如可以合理解決焊接過程中產(chǎn)生的大量灰塵和噪音。閃光焊機(jī)對(duì)維護(hù)人員的技術(shù)要求低、操作維護(hù)成本低、焊接周期短。普通低碳鋼焊接質(zhì)量可靠，價(jià)格遠(yuǎn)低于激光焊機(jī)。因此，閃光焊機(jī)仍然是許多企業(yè)的首選。

3 自動(dòng)化設(shè)備升級(jí)改造

本鋼一冷軋F(tuán)BW64 閃光焊機(jī)經(jīng)過10年的生產(chǎn)使用，存在很多問題。一部分原因是設(shè)備自然裂化、使用磨損，其中還包括自控系統(tǒng)的軟硬件老化、機(jī)械設(shè)備的磨損等原因，但更大一部分原因是設(shè)計(jì)上的缺陷和當(dāng)時(shí)技術(shù)落后。為了提高焊縫質(zhì)量和焊后板形質(zhì)量，縮短焊接周期時(shí)間，從而保證冷軋薄板生產(chǎn)工藝的連續(xù)性和穩(wěn)定性，必須對(duì)影響生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行解決，進(jìn)行焊機(jī)升級(jí)改造。由于本鋼冷軋薄板生產(chǎn)系統(tǒng)有兩個(gè)冷軋薄板廠，第二冷軋廠是2006年新建成的具有國(guó)際先進(jìn)水平的冷軋廠，不論設(shè)備組成還是產(chǎn)品質(zhì)量，都是國(guó)內(nèi)最好的?？蛻粜枨蟮母哔|(zhì)量、高強(qiáng)度的冷軋帶鋼都由第二冷軋廠生產(chǎn)，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(guī)格等不再擴(kuò)充，但對(duì)產(chǎn)量要求會(huì)更高。通過對(duì)目前各類帶鋼焊機(jī)的性能研究，可以看出，激光焊機(jī)焊接品種廣，對(duì)特殊鋼種焊接后焊縫質(zhì)量高，焊縫斷帶率低。但激光焊機(jī)存在的這些優(yōu)點(diǎn)在第一冷軋廠都發(fā)揮不到作用。相反，激光焊機(jī)的焊接周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴，這些更不適用于第一冷軋廠的生產(chǎn)要求和改造宗旨，因此，還是在原有FBW64 閃光焊機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造最為適用。焊機(jī)自動(dòng)化設(shè)備升級(jí)包括如下幾部分。

3.1 自動(dòng)過程控制升級(jí)

原自控系統(tǒng)由兩部分組成，即自動(dòng)控制（MICRO計(jì)算機(jī)）和順序控制（焊機(jī)PLC）。升級(jí)后，只有一部分構(gòu)成，既SIEMENS的PLC系統(tǒng)（S7-400）。S7-400系列是目前PLC系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能完善，是企業(yè)中自動(dòng)化控制系統(tǒng)的首選。

原來焊機(jī)控制系統(tǒng)中還包括一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要用于位置閉環(huán)控制，為了節(jié)省投資，同時(shí)結(jié)合S7-400的強(qiáng)大功能，通過在框架內(nèi)安裝專用FM458板，即可實(shí)現(xiàn)活動(dòng)機(jī)架位置閉環(huán)控制，從而在不喪失功能的情況下取消了焊機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

PLC系統(tǒng)采用的是目前比較先進(jìn)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(kuò)展單元；（5）通信profibus DP/FMS 和CAN BUS；（6）人機(jī)接口工業(yè)PC 機(jī)配置；（7）接口板IM；（8）數(shù)字輸入/輸出模板；（9）模擬輸入/輸出模板；（10）帶鋼數(shù)據(jù)接Ethernet TCP/IP協(xié)議（西門子標(biāo)準(zhǔn)）；（11）遠(yuǎn)程I/OET200M；（12）增設(shè)UPS系統(tǒng)380V-三相-15kW；（13）焊機(jī)ET200站升級(jí)焊機(jī)原S5-135 PLC升級(jí)為S7-400，焊機(jī)現(xiàn)場(chǎng)用于遠(yuǎn)程控制的ET200站也隨之升級(jí)為S7系列。

電氣室內(nèi)增設(shè)維護(hù)診斷計(jì)算機(jī)，該機(jī)用以監(jiān)控焊機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)兼做PLC 系統(tǒng)編程器。該機(jī)使用的軟件為Windows XP、Wincc、STEP7。總體來講，目前國(guó)內(nèi)外新建的冷軋廠很多都選用激光焊機(jī)，可以確信激光焊機(jī)是今后冷軋焊機(jī)的主流產(chǎn)品，但閃光焊機(jī)的技術(shù)成熟，價(jià)格低于激光焊機(jī)很多，閃光焊機(jī)還是許多冷軋薄板生產(chǎn)企業(yè)的首選。

本文針對(duì)性地提出了本鋼一冷軋F(tuán)BW64 閃光焊機(jī)升級(jí)改造方案，方案中融入了大量的先進(jìn)焊機(jī)技術(shù)，最后制定并實(shí)施了FBW64 閃光焊機(jī)技術(shù)改造。對(duì)改造后的焊機(jī)進(jìn)行性能驗(yàn)證，對(duì)關(guān)鍵性能進(jìn)行改造前后試驗(yàn)對(duì)比，主要包括：（1）焊縫質(zhì)量：焊縫處杯凸試驗(yàn)、焊縫斷帶率；（2）焊接周期；（3）焊后溢出邊。

改造后，F(xiàn)BW64 閃光焊機(jī)性能大幅度提高，解決了影響和制約冷軋薄板生產(chǎn)工藝連續(xù)性和穩(wěn)定性的焊機(jī)問題，保證了生產(chǎn)工藝的連續(xù)性和穩(wěn)定性，提高了機(jī)組產(chǎn)能，提高了機(jī)組生產(chǎn)效率，進(jìn)一步增加了企業(yè)利潤(rùn)。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，改造后的FBW64閃光焊機(jī)應(yīng)用到本鋼冷軋薄板生產(chǎn)過程中，基本解決了改造前焊縫質(zhì)量、焊后板形不好、焊縫超厚及焊接周期時(shí)間長(zhǎng)等關(guān)鍵問題，保證了冷軋薄板生產(chǎn)工藝的連續(xù)性和穩(wěn)定性，在本鋼冷軋焊機(jī)改造工作中起著重要指導(dǎo)作用，同樣也為其他冷軋薄板生產(chǎn)企業(yè)焊機(jī)技術(shù)改進(jìn)提供了借鑒。