冷轧生产工艺原料卷焊接技术及FBW64型闪光焊机优化升级

林伟

（本钢板材冷轧总厂 辽宁本溪 117000）

1 冷轧生产工艺简介

在冷轧薄板的生产工艺中，为了保证整个生产工艺的连续性和稳定性，热轧原料卷的焊接是其中一个非常重要的环节，带钢焊机是生产工艺中的重要设备。

本钢一冷轧薄板生产工艺中使用的是FBW64 闪光焊机，FBW64当时引进时即为二手设备。随着生产任务的不断提高，后续的二镀锌机组和彩涂机组逐步达到了生产设计能力，对冷轧卷板需求逐渐增大，这时闪光焊机的高断带率、板形缺陷、轧制后溢出边问题严重影响产量和产品质量。根据建厂当时的产品规格品种、生产产量和产品质量要求，FBW64 闪光焊机能够满足生产工艺要求。随着冷轧厂产量和产品质量要求的不断提高、焊机近十年的不断劣化，FBW64 闪光焊机已不能满足生产工艺要求，焊缝的质量、焊后板形都不好，同时还存在着焊缝超厚、焊接周期时间长等问题，这些问题导致轧制时焊缝断带率高，断带率达到了1.0%，卷曲成形的冷轧卷溢出边现象严重［1］，严重影响着冷轧薄板生产工艺的连续性和稳定性［2］。

在上述的轧制方法的更新过程中，热卷焊接是十分重要的环节，冷轧板生产企业中，钢板焊机是冷轧工艺中的关键设备之一，它的功能主要是将相邻两卷钢板的带头和带尾经剪切机和尾矫直对中以后进行焊接，从而保证冷轧酸轧生产工艺的连续性和稳定性［3］。

2 闪光焊机的基础理论

2.1 闪光焊机定义

冷轧闪光焊机是电阻焊的一种，又叫作火花焊，它利用带钢本身的固有电阻和带钢断面电阻，当通以电流时，引起金属的加热和烧化。闪光焊机又可分为交流焊机和直流焊机。

2.2 闪光焊机基本工作原理

闪光焊机是在电阻对焊的基础上发展起来的。大型连续闪光焊机的工作原理如下。首先，在液压夹具的作用下，将矫直和对中后焊接的钢板的头部和尾部分别固定，固定后的头部和尾部可单独或在液压支持下手动调节。接通第二主电源后，让钢板逐渐接近，带钢剪切面局部接触，此时，将有大电流通过带钢不均匀剪切面的接触点。根据焦耳定律Q=I2Rt，钢板剪切面上的接触点在强电流作用下被钢板接头中的含碳固体钢水迅速熔化并进一步蒸发，从而爆炸，直到最终的高温不连续粒状金属熔岩从焊机中高速喷出，在爆破钢水飞溅后，所使用的接触点产生新的可用接触点，在此过程中，产生连续爆破闪光阶段，随着钢板头部和尾部局部金属的耗尽，整个燃烧和闪光过程完成。为了保证连续稳定的闪光输出，随着钢板的不断消耗，带钢需要连续输送到焊接区域，使焊接过程的闪光速度（燃烧速度和消耗速度）与活动框架的运行速度相匹配。焊接时间后，钢板的头部和尾部燃烧，进一步使焊缝的焊接接头达到要求的工作温度。加热后，带钢周围的热量会自发扩散，从高温区转移到低温区，最终到达焊缝两侧，形成一定宽度的稳定温度区。此时，在液压夹具的配合下，突然加速移动到固定架上，施加巨大压力，使钢板头部和尾部的两个端面相互挤压变形，然后立即切断焊机的焊接电流。在液压缸的配合和高速镦粗压力的共同作用下，焊接钢板在高温、高压的共同作用下，在焊接区域会产生强烈的塑性变形。液态含碳高温钢水将被挤出新形成的焊接接头外，并在钢板的接头表面重新结晶，形成牢固的接头，从而焊接钢带的头部和尾部，并在焊接接头表面形成大量突起。

2.3 电流与硬度及热影响区宽度的关系

初始闪光电流将在粗糙的钢板接触面上均匀移动，适当优化和增加初始闪光电流将导致焊缝区域相邻界面处焊缝形成较小的硬度，从而进一步改善焊接钢板的硬度曲线，获得更大的平滑度。同时，进一步增加闪光电弧高度，更有利于稳定增加热影响区的宽度，更有利于硬度曲线的平滑分布。如果初始闪光电流给定值和闪光电弧高度合理降低，新形成的钢板焊接区界面会产生氧化物，不利于后期稳定生产。大量实验表明，焊缝的断裂基本上是在焊缝区界面含有氧化物夹杂的地方产生的，进一步的研究和分析表明，通过多次微调初始闪光焊参数，可以很好地控制焊接区界面处的缺陷［4］。

初始闪光过程中，最重要的控制参数是编码器脉冲数，合理适度地增加脉冲数，可以获得更平滑的硬度分布曲线，进一步获得钢板头部和尾部焊缝区域的硬度值和较宽的热影响区，适当增加工作电流对焊缝硬度分布曲线没有影响［5］。对于镦粗阶段的所有焊接参数，镦粗保持时间尤为重要。通过适当增加焊后液压镦粗的持续时间，可以在不增加热影响区宽度的情况下获得更平滑的硬度曲线。

2.4 闪光焊机的速度控制

在连续闪光过程中，在大电流作用下，钢板的焊接面积逐渐缩短，钢板端部温度升高，随着带头和带尾温度的升高，闪光速度进一步加快，此时，带钢进入机架的速度也必须逐渐加快。为了获得质量更高、硬度分布合理的焊缝，并进一步保持闪光过程的连续稳定性，活动框架进给的钢板的驱动速度必须等于固定框架的闪光燃烧速度，并且必须采用高速进给钢板的方法。

在闪光开始时，由于钢板之间的接触电阻较大，燃烧速度非常低，所需的钢板进给量非常小。

随着连续闪光过程的进行，钢板的接触电阻逐渐降低，钢板焊缝加热区的温度急剧升高，燃烧速度进一步提高，所需的钢板进给速度进一步提高。分析表明，在闪光过程中，必须逐渐提高钢板的驱动速度，以适应燃烧速度的进一步变化。焊接机活动框架的位移s与时间t之间的关系曲线s=s（t），称为闪光曲线，它对钢板的焊接质量有很大影响，闪光曲线随不同钢种、不同宽度、不同厚度等条件的变化而变化。为了进一步保证焊接质量，有必要优化闪光阶段闪光曲线的闭环控制，也就是说，通过对整个过程的连续实时采集，将位移信号SC 与给定的位移SD 曲线进行比较，从而更准确地控制活动框架的运动，使位移曲线与给定曲线一致［6］。

在闪光阶段结束时，由于带钢新形成的焊缝端面已达到一定的温度和硬度，新形成的焊缝接触点达到喷砂的时间缩短。因此，在此阶段应合理适度地提高燃烧速度，并在金属焊缝的端面上出现强烈而耀眼的闪光过程。在这个连续而剧烈的闪蒸阶段，碳钢会蒸发大量金属蒸汽和保护气体（碳钢为CO2），这些气体会聚集在焊接区域附近，有效防止焊接区域金属的氧化。金属的相变过程是缓慢的，从最初钢板的纯固相到闪蒸的液相再到连续闪蒸的气相。在这一系列变化中，更值得注意的是，如果进料速度太慢，很容易出现氧化物和夹杂物，导致闪光中断；如果速度过快，将触发电路短路保护［7］。

在初始闪光开始时，焊接变压器向电极供电后，可移动框架向前移动，使头部和尾部接触，并且有电流通过头部。对于尾部、头部和尾部的接触电阻在开始时很小，达到熔点后会出现强烈的闪光。

在连续闪光阶段，为了补充熔化的金属，活动框架必须不断向前移动，以产生新的电触点。连续移动的距离与金属特性和截面有关，这个阶段被称为连续闪蒸阶段。

在镦粗阶段，在连续闪光结束时，头部和尾部的温度已传输到带钢的深度，并达到熔焊点，此时，向活动框架施加足够的镦粗力，使头部和尾部一起镦粗。

连续加热和夹紧时间。镦粗结束后，不中断对焊条的供电，以防止焊缝表面氧化，影响焊缝质量，最后，中断电源［8］。

闪光焊机也有很多优点。闪光焊机的研究和使用相对较早，具有丰富的机械设计和自动系统控制设计经验，技术非常成熟，自动化程度非常高。随着设计的不断改进，许多缺陷被消除，如可以合理解决焊接过程中产生的大量灰尘和噪音。闪光焊机对维护人员的技术要求低、操作维护成本低、焊接周期短。普通低碳钢焊接质量可靠，价格远低于激光焊机。因此，闪光焊机仍然是许多企业的首选。

3 自动化设备升级改造

本钢一冷轧FBW64 闪光焊机经过10年的生产使用，存在很多问题。一部分原因是设备自然裂化、使用磨损，其中还包括自控系统的软硬件老化、机械设备的磨损等原因，但更大一部分原因是设计上的缺陷和当时技术落后。为了提高焊缝质量和焊后板形质量，缩短焊接周期时间，从而保证冷轧薄板生产工艺的连续性和稳定性，必须对影响生产的关键技术问题进行解决，进行焊机升级改造。由于本钢冷轧薄板生产系统有两个冷轧薄板厂，第二冷轧厂是2006年新建成的具有国际先进水平的冷轧厂，不论设备组成还是产品质量，都是国内最好的。客户需求的高质量、高强度的冷轧带钢都由第二冷轧厂生产，因此，第一冷轧厂目前乃至将来都只轧制低碳钢带，虽然钢种和规格等不再扩充，但对产量要求会更高。通过对目前各类带钢焊机的性能研究，可以看出，激光焊机焊接品种广，对特殊钢种焊接后焊缝质量高，焊缝断带率低。但激光焊机存在的这些优点在第一冷轧厂都发挥不到作用。相反，激光焊机的焊接周期长、价格昂贵，这些更不适用于第一冷轧厂的生产要求和改造宗旨，因此，还是在原有FBW64 闪光焊机基础上进行升级改造最为适用。焊机自动化设备升级包括如下几部分。

3.1 自动过程控制升级

原自控系统由两部分组成，即自动控制（MICRO计算机）和顺序控制（焊机PLC）。升级后，只有一部分构成，既SIEMENS的PLC系统（S7-400）。S7-400系列是目前PLC系统的主流产品，该系统运行稳定、功能完善，是企业中自动化控制系统的首选。

原来焊机控制系统中还包括一套计算机系统，主要用于位置闭环控制，为了节省投资，同时结合S7-400的强大功能，通过在框架内安装专用FM458板，即可实现活动机架位置闭环控制，从而在不丧失功能的情况下取消了焊机计算机系统。

PLC系统采用的是目前比较先进的S7—400，其中的软硬件包括：（1）中心单元S7—400 CPU型专为414/3；（2）程序语言STEP7；（3）中心处理器；（4）扩展单元；（5）通信profibus DP/FMS 和CAN BUS；（6）人机接口工业PC 机配置；（7）接口板IM；（8）数字输入/输出模板；（9）模拟输入/输出模板；（10）带钢数据接Ethernet TCP/IP协议（西门子标准）；（11）远程I/OET200M；（12）增设UPS系统380V-三相-15kW；（13）焊机ET200站升级焊机原S5-135 PLC升级为S7-400，焊机现场用于远程控制的ET200站也随之升级为S7系列。

电气室内增设维护诊断计算机，该机用以监控焊机实时状态，同时兼做PLC 系统编程器。该机使用的软件为Windows XP、Wincc、STEP7。总体来讲，目前国内外新建的冷轧厂很多都选用激光焊机，可以确信激光焊机是今后冷轧焊机的主流产品，但闪光焊机的技术成熟，价格低于激光焊机很多，闪光焊机还是许多冷轧薄板生产企业的首选。

本文针对性地提出了本钢一冷轧FBW64 闪光焊机升级改造方案，方案中融入了大量的先进焊机技术，最后制定并实施了FBW64 闪光焊机技术改造。对改造后的焊机进行性能验证，对关键性能进行改造前后试验对比，主要包括：（1）焊缝质量：焊缝处杯凸试验、焊缝断带率；（2）焊接周期；（3）焊后溢出边。

改造后，FBW64 闪光焊机性能大幅度提高，解决了影响和制约冷轧薄板生产工艺连续性和稳定性的焊机问题，保证了生产工艺的连续性和稳定性，提高了机组产能，提高了机组生产效率，进一步增加了企业利润。通过数据统计得出，改造后的FBW64闪光焊机应用到本钢冷轧薄板生产过程中，基本解决了改造前焊缝质量、焊后板形不好、焊缝超厚及焊接周期时间长等关键问题，保证了冷轧薄板生产工艺的连续性和稳定性，在本钢冷轧焊机改造工作中起着重要指导作用，同样也为其他冷轧薄板生产企业焊机技术改进提供了借鉴。