CN104227239B - 一种带钢激光拼焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带钢激光拼焊接方法，其特征在于，包括下列步骤：（1）将先行带钢的尾部和后行带钢的头部剪切后对中拼接以形成一拼接缝；（2）向所述拼接缝附近投射两束间距和焦深可调的激光，其中一束激光落在先行带钢上，另一束落在后行带钢上；同时填送焊丝进行焊接。采用本发明所述的方法可以得到较好的焊缝质量，从而避免冷轧带钢在连续生产过程中的断带现象。

Description

一种带钢激光拼焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，尤其涉及一种带钢拼焊接方法。
背景技术
在冷轧连续生产工艺中，非常重要的一点就是将前行热轧带钢的末端与后续带钢的头部焊接起来形成焊缝，然后使其通过轧线，形成连续轧制，从而提高生产效率。此时，如果焊缝质量不良，则焊缝在通过轧制线时会出现断带，导致生产中断。
激光焊接因焊接质量高、无接触、深宽比大、变形小、焊接美观、而且焊缝的机械性能基本与母材一致，因此适于许多领域尤其是钢带板材的焊接。但是对于冷连轧机来说，两卷拼接在一起的钢板，其材质、厚度都可能是不同的，现有的焊接过程是：将前行钢卷的带尾和后行钢卷的带头切头后拼接在一起，使用大功率的激光束直射在两个钢卷的拼缝处，在激光的作用下，钢板及填充焊丝发生熔融，并粘合在一起，形成焊缝。但如果钢板的材质、厚度存在较大差异，钢板对激光束能量的吸收效率也会存在较大差异，这样一来，用相同功率的激光束进行焊接，就会产生焊缝两侧热源不对称，一方面焊缝熔融不均匀，导致焊接过程中出现气孔、咬边等显性外观缺陷，另一方面焊缝两侧材料变形量不一致，导致焊缝焊接残余应力大。此外，焊接后焊缝区域、热影响区及母材的材料强度也存在较大差异，在轧机轧制动态变规格时很容易出现焊缝断带。目前，对此类材质、厚度上的焊缝拼接，还没有很好的对策措施，当跳跃过大时，为避免焊缝断带，一般是通过插入过渡料来进行穿插式生产；在没有过渡料时，轧机会采取空通穿带来避免焊缝断带，这种操作方式不仅增加了生产组织难度和不必要的合同余材，同时也使得生产效率大大降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种带钢激光拼焊接方法，采用该方法可以得到较好的焊缝质量，从而避免冷轧带钢在连续生产过程中的断带现象。该方法可以适用于相同材质的带钢拼接焊，也可以适用于不同材质的带钢拼接焊，因此具有很强的适用性。
为了实现上述目的，本发明提出了一种带钢激光拼焊接方法，其包括下列步骤：
（1）将先行带钢的尾部和后行带钢的头部剪切后对中拼接以形成一拼接缝；
（2）向所述拼接缝附近投射两束间距和焦深可调的激光，其中一束激光落在先行带钢上，另一束落在后行带钢上；同时填送焊丝进行焊接。
本技术方案采用了分别投射在先行带钢和后行带钢上且位于拼接缝附近的两束激光进行焊接，完全不同于现有技术中的将一束激光直接投射在拼接缝上的焊接方法，由于先行带钢和后行带钢均有与其对应的激光，且两束激光的焦深和间距均是可调的，从而有效避免了焊缝两侧热源不对称，焊缝熔融不均匀的问题。采用该方法进行焊接，可以得到更大的焊接熔池,两束激光在带钢上形成的匙孔连为一体,形成一个拉长的大匙孔,可以避免匙孔在剧烈的波动状态下坍塌,提高焊接过程的稳定性。此外，若带钢的厚度或材质有差异，还可以通过不等能量的双光束改善不等厚度或异钢种的焊缝成形,改善熔池的流动性,有利于内部气泡的上浮,降低气孔的发生。此外还可以通过分别调整两束激光的焦深来获得与钢板材质、钢板厚度相适应的焊接熔深，从而确保焊接热输入的稳定。
进一步地，在上述带钢激光拼焊接方法的步骤（1）中，拼接缝为0.05～0.30mm。
上述拼接缝是指前行带钢带尾和后行带钢带头经双切剪剪切后的间隙，若间隙过小或负间隙将会导致焊接后焊缝存在高低差，运行过程中受大张力作用，焊缝容易开裂或造成断带；若间隙过大，则会使得焊接熔池不稳定，焊缝成形不良，甚至激光从拼接缝处漏出，无法形成焊缝。
进一步地，在上述带钢激光拼焊接方法的步骤（2）中，激光的输出功率为4～6KW。
更进一步地，在上述步骤（2）中，若先行带钢与后行带钢的材质相同，则两束激光的功率密度ρ分别与与其对应的带钢的厚度h（单位为：毫米）符合关系式：ρ=k-0.13h+0.06h2；其中k为常数，0.35≤k≤0.55；ρ为激光的输出功率（单位为：千瓦）与焊接速度(单位为：米/分钟)的比值。
若先行带钢与后行带钢的材质不同，则两束激光的功率密度ρ满足：ρ=ζ×（k-0.13h+0.06h2），其中k为常数，0.35≤k≤0.55，ρ为激光的输出功率（单位为：千瓦）与焊接速度(单位为：米/分钟)的比值，h为与该激光对应的带钢厚度（单位为：毫米）；ζ为与该激光对应的带钢的强度修正系数，0.5≤ζ≤1.5，带钢强度越高，ζ值越大。
进一步地，在本技术方案所述的带钢激光拼焊接方法的步骤（2）中，两束激光之间的光束间距为0.4～2.0mm。
为了使得本技术方案具有更好的实施下过，需要控制两束激光之间的光束间距，过小的间距将会在焊接材料激光束交互作用的地方产生过熔，从而导致气孔，过大的间距将会形成两个焊接匙孔而不是一个匙孔，因此，过大或过小的光束间距都无法起到双光束焊接的效果。
进一步地，在本技术方案所述的带钢激光拼焊接方法的步骤（2）中，控制激光的焦深为-0.5～-2.0mm，焦深是指激光光束的焦点偏离于带钢厚度中心的距离，负号表示焦点是位于带钢厚度中心位置以下的。
为了使得本技术方案具有更好的实施下过，需要控制两束激光光束焦点与带钢中心厚度点的距离。激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔，而离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。因此，为了稳定焊接，激光光束焦点位置应偏离带钢中心厚度点。在一定范围内光束焦点位置位于带钢中心厚度点的以下距离时，在焊接熔池形成过程中，材料内部功率密度比表面高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递，从而可获得更大的熔深。
进一步地，在本技术方案所述的带钢激光拼焊接方法的步骤（2）中，焊丝的成分满足Si≤0.85wt%，选择这种焊丝可以增加焊缝的韧性和提高焊缝的抗疲劳强度性能。
进一步地，在本技术方案所述的带钢激光拼焊接方法的步骤（2）中，采用后置的送丝方式填送焊丝。
使用后置送丝方式可以利用焊接熔池的热量熔化焊丝，这种方式下激光束有更多的能量熔化母材，从而保证匙孔的形成和焊接过程的稳定。
进一步地，在本技术方案所述的带钢激光拼焊接方法的步骤（2）中，焊接速度与填送焊丝速度的比值为66～90%。
发明人通过大量实验发现，为了使焊缝稳定成形、填充饱满，需要使填送焊丝的速度略高于焊接速度，优选地需要将焊接速度与填送焊丝的速度比值控制在66～90%这一范围内。
进一步地，在本发明所述的带钢激光拼焊接方法的步骤（2）中，焊接过程中采用氦气作为保护气体对焊缝进行保护冷却。
氦气在激光焊接过程中能有效消除激光焊接过程中在匙孔上方形成的等离子云，保证激光的透射性和焊接熔池的稳定性。
进一步地，在本发明所述的带钢激光拼焊接方法的步骤（2）中，采用两组反射镜将两台激光器射出的激光分别投射到同一个球面聚焦镜上，经球面聚焦镜聚焦后，分别投射在先行带钢和后行带钢上。
采用本发明所述的带钢激光拼焊接方法能够顺利实现在酸轧机组的带钢连续生产，且通板稳定，焊缝断带率≤2‰，从而大大提高生产效率。
附图说明
图1为本发明所述的带钢激光拼焊接方法在一种实施方式中采用的双光束激光焊接的装置配置示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的带钢激光拼焊接方法做进一步的详细说明。
实施例1～8
对如表1所示的带钢，按照下列步骤进行激光拼焊接：
（1）将先行带钢的带尾和后行带钢的带头经双切剪剪切后对中拼接；
（2）如图1所示，选用两台功率为6.0KW的高光束质量和高能量密度的CO2激光器A和B作为焊接激光源发射出与带钢长度方向相同的激光光束P和Q，然后分别采用两组反射镜1、2将两台激光器A和B射出的CO2激光光速P和Q分别投射到同一个球面聚焦镜3上，经球面聚焦镜3聚焦后的两束激光P和Q在待焊接的带钢上得到与拼接缝并行的两束激光束，其中一束落在先行带钢上，另一束落在后行带钢上，同时采用后置送丝的方式填送焊丝进行焊接，相关焊接工艺参数如表2所示，焊丝成分如表3所示。
表1
表2
表3.实施例1～8中所采用的焊丝的成分
通过表2可以看出，采用本技术方案进行焊接的带钢，其断带率均低于2‰。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种带钢激光拼焊接方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)将先行带钢的尾部和后行带钢的头部剪切后对中拼接以形成一拼接缝；
(2)向所述拼接缝附近投射两束间距和焦深可调的激光，其中一束激光落在先行带钢上，另一束落在后行带钢上；同时填送焊丝进行焊接；其中激光的输出功率为4～6KW；若先行带钢与后行带钢的材质相同，则两束激光的功率密度ρ分别与与其对应的带钢的厚度h符合关系式：ρ＝k-0.13h+0.06h2；其中k为常数，0.35≤k≤0.55；ρ为激光的输出功率与焊接速度的比值；激光输出功率的单位为KW，焊接速度的单位为m/min，厚度h的单位为mm；若先行带钢与后行带钢的材质不同，则两束激光的功率密度ρ满足：ρ＝ζ×(k-0.13h+0.06h2)，其中k为常数，0.35≤k≤0.55，ρ为激光的输出功率与焊接速度的比值，h为与该激光对应的带钢厚度；ζ为与该激光对应的带钢的强度修正系数，0.5≤ζ≤1.5，带钢强度越高，ζ值越大；激光输出功率的单位为KW，焊接速度的单位为m/min，厚度h的单位为mm。
2.如权利要求1所述的带钢激光拼焊接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，拼接缝为0.05～0.30mm。
3.如权利要求1所述的带钢激光拼焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，两束激光之间的光束间距为0.4～2.0mm。
4.如权利要求1所述的带钢激光拼焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制激光的焦深为-0.5～-2.0mm。
5.如权利要求1所述的带钢激光拼焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，焊丝的成分满足Si≤0.85wt％。
6.如权利要求1所述的带钢激光拼焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用后置的送丝方式填送焊丝。
7.如权利要求1所述的带钢激光拼焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，焊接速度与填送焊丝速度的比值为66～90％。
8.如权利要求1所述的带钢激光拼焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，焊接过程中采用氦气作为保护气体对焊缝进行保护冷却。
9.如权利要求1所述的带钢激光拼焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用两组反射镜将两台激光器射出的激光分别投射到同一个球面聚焦镜上，经球面聚焦镜聚焦后，分别投射在先行带钢和后行带钢上。
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