十年以前，由于生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)發(fā)展的制約，國內(nèi)在冷軋不銹鋼連續(xù)生產(chǎn)線上一直使用傳統(tǒng)的氬弧焊機，但氬弧焊機存在焊接缺陷，嚴重影響冷軋不銹鋼連續(xù)生產(chǎn)線產(chǎn)能。中冶南方工程技術(shù)有限公司開發(fā)了國內(nèi)第一臺不銹鋼連軋機激光焊機，在國內(nèi)外多家大型不銹鋼冷軋廠成功應(yīng)用，有力地促進了我國激光焊機高端裝備制造業(yè)的發(fā)展。

1 前言

隨著科技的進步和國民經(jīng)濟的發(fā)展，不銹鋼由于其耐蝕性和外觀裝飾性，大量應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥、航空、石油、冶金、印染、汽車等行業(yè)。目前，生產(chǎn)冷軋不銹鋼主要采用下列連續(xù)生產(chǎn)線：連續(xù)酸洗機組（CPL）、連續(xù)軋制機組（TCM）、連續(xù)退火酸洗機組（HAPL/APL）、連續(xù)軋制退火酸洗機組（HRAPL/DRAPL）等，以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。2010年之前，對于厚度大于0.8mm的不銹鋼，上述連續(xù)生產(chǎn)線上的焊機都使用氬弧焊，但是都存在咬邊、氣孔和裂紋等缺陷，嚴重影響生產(chǎn)線的產(chǎn)能和成材率。激光焊因熱影響區(qū)小，焊接速度高，焊縫過軋機斷帶率低等優(yōu)點，近年來在冷軋不銹鋼連續(xù)生產(chǎn)線上普遍應(yīng)用，幾乎完全取代了氬弧焊。

2 不銹鋼焊接工藝

2.1焊接工藝的比較

不銹鋼主要焊接工藝的比較，如表1所示。通過分析比較可知，激光焊或激光-電弧復(fù)合焊在焊接質(zhì)量、效率和穩(wěn)定性方面具有顯著的優(yōu)點。

2.2不銹鋼激光焊接工藝

奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼相比，焊接性能較好，能很好地適應(yīng)熔化焊接，焊接接頭在焊態(tài)具有良好的塑性和韌性。激光焊接速度高、熱輸入量小，比較適合焊接奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼使用激光焊接或激光-電弧焊接工藝，采用奧氏體焊接材料時，不需預(yù)熱和焊后熱處理。

對于鐵素體不銹鋼，其激光焊縫組織為粗大全鐵素體組織或在鐵素體晶界形成少量馬氏體組織。由于高溫時不存在或極少存在奧氏體，在凝固溫度區(qū)間冷卻時，晶粒劇烈長大，因此粗晶脆化現(xiàn)象比較嚴重。鐵素體不銹鋼使用激光-電弧焊接工藝，采用奧氏體焊接材料時，一般不需預(yù)熱，焊后需熱處理。通過采用奧氏體不銹鋼填充金屬和調(diào)控工藝參數(shù)，使鐵素體不銹鋼焊縫獲得大量的奧氏體。高溫時，奧氏體的存在將嚴格限制鐵素體晶粒的生長，從而提高焊縫韌性。另外，通過焊后熱處理改變?nèi)酆蠀^(qū)及熱影響區(qū)析出物分布形態(tài)及減小焊接應(yīng)力，同時對焊縫中存在的少量馬氏體進行回火，可使焊縫韌性進一步提高。

對于馬氏體不銹鋼，在一般的熱-機械加工狀態(tài)下，即使是在靜止空氣中的冷卻速度也足以發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由奧氏體生成大量馬氏體。因而激光焊接產(chǎn)生以馬氏體為主的脆性焊縫，將顯著降低焊縫塑性和韌性。馬氏體不銹鋼使用激光-電弧焊接工藝，采用奧氏體焊接材料時，焊前需預(yù)熱，焊后不能立即退火，冷卻至一定溫度后，再對焊縫進行熱處理，使焊縫脫離其脆性區(qū)域，從而提高焊縫的塑性。

3 中冶南方激光焊機技術(shù)特點

中冶南方工程技術(shù)有限公司（以下簡稱中冶南方）于2013年開發(fā)的首臺激光焊機成功應(yīng)用于青山集團不銹鋼六機架連軋機，也是國內(nèi)不銹鋼連續(xù)生產(chǎn)線上應(yīng)用的首臺國產(chǎn)激光焊機，能適應(yīng)不同種類不銹鋼的焊接，其主要技術(shù)特點如下。

1）采用固體激光器替代氣體激光器，激光通過光纖傳輸，焊機使用及維護成本低。

2）激光焊機具有激光焊、激光-電弧復(fù)合焊等焊接模式，最大限度地提高焊機的可靠性和適應(yīng)性。

3）采用多項關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)提高整機的精度和穩(wěn)定性，同時方便使用與維護。

4 中冶南方激光焊機應(yīng)用

中冶南方開發(fā)的激光焊機焊接工藝先進、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定、運行成本低、維護簡單、裝備投資低。截至目前，已成功應(yīng)用于寶鋼、太鋼、青山集團、馬鋼、酒鋼等大型鋼鐵企業(yè)共計15臺，其中碳鋼激光焊機5臺、硅鋼激光焊機3臺、不銹鋼激光焊機7臺，在高磁感硅鋼、馬氏體不銹鋼材料領(lǐng)域激光焊機國產(chǎn)化市場占有率為100%。

4.1現(xiàn)有氬弧焊機改造為激光焊機

寶鋼德盛不銹鋼公司軋制退火酸洗機組（DRAPL）入口引進美國一家公司的氬弧焊機，由于氬弧焊焊縫強度低、余高過高，導(dǎo)致過焊縫軋制時斷帶率高、易擦傷軋輥等，生產(chǎn)時采取降軋制力軋制或打開輥縫空過，使得經(jīng)過連軋機后的焊縫前后帶鋼厚度尺寸超差，機組成材率降低。

該進口的氬弧焊機使用滾剪剪切帶鋼，輥剪單側(cè)剪刃間隙高達0.15mm，不能滿足激光焊的要求。如果將輥剪更換為高精密雙切剪，則需拆除底座及底座上的焊機本體設(shè)備，投資大且施工周期長。中冶南方根據(jù)該焊機的設(shè)備現(xiàn)況，分析研究了激光焊接工藝方案，進行了大量焊接試驗和壓延試驗來驗證改造方案的可行性，最終確定了采用激光-電弧復(fù)合焊接工藝（見圖1），保留焊機滾剪等本體設(shè)備，不對現(xiàn)有氬弧焊機進行大幅變動的改造方案。

圖1寶鋼德盛不銹鋼氬弧焊機改激光焊機

改造后的焊機焊縫強度大于母材的85%以上，焊縫余高小于母材厚度的10%，焊縫直接經(jīng)過四機架十八輥連軋機軋制，不傷軋輥和襯膠輥，機組成材率可達99.6%以上，大幅提高了機組的生產(chǎn)效益。

4.2鉻鋼連續(xù)酸洗機組激光焊機

鉻鋼連續(xù)酸洗機組（CPL）是酒鋼不銹鋼分公司第一條國產(chǎn)化機組，專門生產(chǎn)鐵素體和馬氏體不銹鋼，帶鋼厚度2-6mm，寬度750-1600mm，機組年產(chǎn)量40萬噸。中冶南方針對使用常規(guī)焊接工藝（氬弧焊或純激光焊）焊接鐵素體和馬氏體不銹鋼存在的焊縫熱影響區(qū)韌性差、焊縫脆化傾向嚴重、焊縫容易出現(xiàn)斷裂等情況，在該焊機上采用激光-電弧復(fù)合焊接工藝（見圖2）。

圖2酒鋼不銹鋼鉻鋼連續(xù)酸洗機組激光焊機

該焊機自投產(chǎn)以來，焊接適應(yīng)性強，焊縫質(zhì)量可靠，斷帶率低，設(shè)備一直穩(wěn)定運行，焊機的整體性能明顯超出了酒鋼不銹鋼分公司其他生產(chǎn)線上的進口焊機，完全解決了酒鋼生產(chǎn)馬氏體不銹鋼長期存在的焊縫性能不良的瓶頸問題，贏得用戶的好評。

在功能考核時，也測試了激光焊機的極限焊接能力。由于熱軋原料產(chǎn)品頭尾超厚的原因，焊機焊接了厚度為7.3mm的鐵素體不銹鋼430，厚度為6.5mm的馬氏體不銹鋼30Cr13，這些規(guī)格均超出了設(shè)計范圍，焊縫均勻飽滿并經(jīng)折彎試驗合格。這充分體現(xiàn)了中冶南方激光焊機在焊接鋼種和厚度規(guī)格等方面完全達到并超過設(shè)計能力。

4.3連續(xù)軋制退火酸洗機組激光焊機

青山集團印度CHROMENI不銹鋼冷軋一期工程項目五機架十八輥軋制退火酸洗機組（DRAPL）全線長度700m，設(shè)計年產(chǎn)量70萬噸，機組包括：開卷段、五機架十八輥連軋機、堿洗段、退火段、酸洗段、平整段、檢查段、卷取段。連軋機出口速度max.300m/min，張力max.550kN。

激光焊機安裝在入口側(cè)，焊縫要經(jīng)過連軋機大張力軋制、高溫退火、混酸酸洗，因此對焊縫的可靠性要求極高，焊縫如在生產(chǎn)線上發(fā)生斷裂，則嚴重影響生產(chǎn)線的產(chǎn)能。

該機組生產(chǎn)奧氏體不銹鋼，帶鋼厚度2-4.5mm，寬度1000-1300mm。中冶南方激光焊機配置了6kW碟片激光器，采用激光焊的焊接工藝，焊機投產(chǎn)后運行穩(wěn)定可靠，焊縫順利通過在線五機架十八輥連軋機軋制，生產(chǎn)線帶鋼成材率達到99.8%以上。