連退機(jī)組在線全自動(dòng)帶鋼焊縫感應(yīng)退火裝置研究與開(kāi)發(fā)

余 瓊，賈 建，唐萬(wàn)象

(馬鋼（合肥）板材有限責(zé)任公司，安徽合肥，230011)

1 概述

馬鋼（合肥）板材有限責(zé)任公司現(xiàn)有兩條連退機(jī)組，其中1#連退機(jī)組生產(chǎn)帶鋼厚度范圍是0.4～2.5 mm，最大強(qiáng)度是98 MPa。為了保證機(jī)組連續(xù)順利生產(chǎn)，該機(jī)組配置了日本TMECI 公司生產(chǎn)的窄搭接焊接。焊接質(zhì)量的好壞直接影響著機(jī)組的順利運(yùn)行，如果前后帶鋼焊接質(zhì)量不好，在機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中就會(huì)發(fā)生斷帶事故，因此要確保生產(chǎn)過(guò)程中的每條焊縫強(qiáng)度高于母材的強(qiáng)度。在該機(jī)組生產(chǎn)的產(chǎn)品中，鋼種為HC340/590DP、MC600DP 厚度在2.0 mm 及以上的規(guī)格冷硬板，以及HC420/780DP、22MNB5、HC550/980DP、M1800L 等所有規(guī)格的冷硬板，由于焊接性能差，為了提高焊接質(zhì)量，在焊機(jī)完成后需要將焊縫運(yùn)行到人工加熱位對(duì)焊縫進(jìn)行人工退火處理，以提高焊縫強(qiáng)度，消除焊縫應(yīng)力，確保生產(chǎn)過(guò)程中焊縫不斷裂。

2 全自動(dòng)帶鋼焊縫退火裝置研究與開(kāi)發(fā)的必要性

2.1 焊縫質(zhì)量判定方法

(1)焊接曲線法：連退入口窄搭接焊機(jī)原焊縫質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)焊接電流、溫度等模擬檢測(cè)曲線進(jìn)行判斷，無(wú)法真實(shí)觀察到焊縫的質(zhì)量情況，有時(shí)曲線顯示不準(zhǔn)確，焊縫判斷容易出現(xiàn)誤差。焊縫質(zhì)量判定圖見(jiàn)圖1。

圖1 合格焊接參數(shù)圖

(2)杯凸實(shí)驗(yàn)法：在通過(guò)軟件曲線以及現(xiàn)場(chǎng)焊縫實(shí)物無(wú)法判定焊縫質(zhì)量時(shí)，通過(guò)月牙剪挖取部分焊縫，至杯突試驗(yàn)機(jī)手動(dòng)進(jìn)行杯突試驗(yàn)，杯凸實(shí)驗(yàn)合格，說(shuō)明當(dāng)前焊接參數(shù)滿足本次鋼卷焊接要求。焊接合格杯凸圖見(jiàn)圖2，不合格杯凸圖見(jiàn)圖3。

圖2 焊接合格杯凸圖

圖3 焊接不合格杯凸圖

2.2 原有焊縫退火方法存在的問(wèn)題

原有焊縫退火的方法是對(duì)焊接后的焊縫進(jìn)行人工明火退火處理，退火后再杯凸實(shí)驗(yàn)檢測(cè)焊縫是否質(zhì)量合格，焊縫合格則放行，檢測(cè)不合格則需重焊重退火直到合格。

人工明火退火是使用鋼板切割氧槍，通過(guò)人工使用乙炔氧氣對(duì)焊縫進(jìn)行烘烤退火，退火溫度大約650 ℃。存在問(wèn)題如下：

（1）人工操作，無(wú)法保證整條焊縫受熱均勻，局部受熱不充分同樣存在焊縫開(kāi)裂導(dǎo)致斷帶的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）人工操作存在安全隱患；

（3）人工操作還存在過(guò)退火現(xiàn)象，造成能源浪費(fèi)。

因此，亟需研究開(kāi)發(fā)一套在線全自動(dòng)帶鋼焊縫退火裝置，解決人工焊縫退火存在的問(wèn)題。

3 實(shí)施方案

經(jīng)分析研究，確定了采用電磁感應(yīng)方式對(duì)焊縫進(jìn)行加熱退火，設(shè)備定名為在線全自動(dòng)帶鋼焊縫感應(yīng)退火裝置。該裝置中的加熱線圈、加熱器中心線位置調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在安裝框架上，屬于在線部分，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 在線部分的結(jié)構(gòu)圖

3.1 設(shè)備組成及用途

（1）感應(yīng)加熱電源及傳輸電纜

焊縫感應(yīng)退火加熱電源是一款以DSP 實(shí)時(shí)控制處理器作為核心的數(shù)字化控制感應(yīng)加熱電源，額定輸出功率100 kW，逆變輸出電壓500V，高頻標(biāo)稱頻率100 kHz，功率10%～100%范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。功率閉環(huán)控制選用先進(jìn)的PID 控制系統(tǒng)，電壓電流雙閉環(huán)控制，電源輸入電壓在±10%范圍內(nèi)變化時(shí)，控制輸出波動(dòng)不超過(guò)±1%。。

（2）鋼板焊縫退火感應(yīng)加熱上下線圈

感應(yīng)加熱線圈設(shè)置在鋼板的上方，為單匝上回路式，不包覆鋼板，有安裝簡(jiǎn)單、不用穿引鋼板的優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)加熱線圈在磁軛驅(qū)磁的作用下對(duì)焊縫進(jìn)行加熱退火。通過(guò)負(fù)載柜三維調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板焊縫掃描加熱退火。

（3）安裝框架及移動(dòng)機(jī)構(gòu)

用于保證感應(yīng)加熱器中心線與機(jī)組帶鋼運(yùn)行中心線一致。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑動(dòng)梁架攜帶感應(yīng)器等在加熱器框架軌道上縱向移動(dòng)，移動(dòng)行程由主線給出的實(shí)際焊縫位置和可移動(dòng)感應(yīng)器的實(shí)際位置計(jì)算而得，使感應(yīng)器準(zhǔn)確移動(dòng)到焊縫上，氣缸帶動(dòng)感應(yīng)器上下移動(dòng)，控制感應(yīng)器與焊縫之間距離

（4）水冷系統(tǒng)

用于冷卻線圈電源裝置和現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)加熱線圈，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。設(shè)備內(nèi)循環(huán)冷卻水壓0.15～0.3 MPa，回水溫度低于40 ℃。外循環(huán)水采用廠內(nèi)工業(yè)冷卻水。

3.2 感應(yīng)器位置控制及傳動(dòng)系統(tǒng)

（1）PLC控制系統(tǒng)

采用西門子S7300-PLC（或與主線PLC 公用CPU，基本設(shè)計(jì)時(shí)確定），通過(guò)IP/TCP 與主線PLC 通訊，讀取位置及氣缸開(kāi)閉等信號(hào)。感應(yīng)加熱裝置的操作控制HMI 集成到主線HMI 中。操作方式分為手動(dòng)-半自動(dòng)-自動(dòng)。

（2）移動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻傳動(dòng)

傳動(dòng)系統(tǒng)采用西門子G120矢量傳動(dòng)變頻器+絕對(duì)位置編碼器實(shí)現(xiàn)位置控制，變頻器采用DP 方式與S7300PLC進(jìn)行通訊，絕對(duì)值編碼器接入PLC高速計(jì)數(shù)器IO模塊進(jìn)行位置的檢測(cè)計(jì)算。配置如圖5。

圖5 控制系統(tǒng)配置圖

（3）本系統(tǒng)與生產(chǎn)線PLC通訊接口，見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)生產(chǎn)線通訊接口

3.3 控制策略

（1）具有時(shí)間模式、溫度模式兩種感應(yīng)加熱模式。可就地或遠(yuǎn)程選擇。

（2）系統(tǒng)可維護(hù)的加熱退火參數(shù)表（按照帶鋼的規(guī)格、材料組合，提供不同的加熱曲線）。

（3）自動(dòng)控制高頻電源加熱啟停和調(diào)功?？芍骶€HMI 遠(yuǎn)程操控，也可手動(dòng)本地操控。具有手動(dòng)、半自動(dòng)模式和全自動(dòng)模式三種控制方式。

自動(dòng)控制流程圖如圖6所示。

4 調(diào)試和使用

（1）修改主線PLC 控制程序，通過(guò)DP 網(wǎng)向退火裝置PLC 發(fā)送焊縫位置，同時(shí)發(fā)送當(dāng)前焊縫前后鋼板的鋼種和規(guī)格信息，為退火裝置控制系統(tǒng)提供不同溫度加熱曲線的選擇依據(jù)；

圖6 退火自動(dòng)控制流程圖

（2）由于首次開(kāi)發(fā)使用，調(diào)試期間出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：①退火裝置隔熱耐材選擇不合理，造成支架受熱變形；②退火功率不足，焊縫應(yīng)力沒(méi)有釋放，杯凸實(shí)驗(yàn)不合格，需要二次退火；③焊縫過(guò)退火造成焊縫變形易損傷產(chǎn)線輥面，需要切除焊縫重新焊接和重新退火。通過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)不同鋼種和規(guī)格帶鋼的退火曲線，總結(jié)得出了一套比較完善的退火功率、加熱時(shí)間等參數(shù)匹配表，見(jiàn)表2。

表2 退火配方表

（3）原來(lái)設(shè)計(jì)的感應(yīng)區(qū)域?qū)挾葹?0 mm，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用發(fā)現(xiàn)，該寬度加熱退火后的焊縫性能不穩(wěn)定，經(jīng)分析和實(shí)驗(yàn)，把寬度增加到100 mm 后，解決了該問(wèn)題。

（4）主線焊縫定位不準(zhǔn)，造成退火裝置無(wú)法定位到焊縫，通過(guò)調(diào)整主線帶鋼運(yùn)行和定位控制軟件，最終使得焊縫停止在退火裝置中心線±100 mm以內(nèi)，利用退火裝置±200 mm 范圍內(nèi)制定對(duì)焊縫的控制功能，保證了現(xiàn)在100%的準(zhǔn)確焊縫定位，無(wú)需人工干預(yù)。

（5）使用實(shí)例。

2019 年10 月15 日，實(shí)驗(yàn)焊縫前后帶鋼均為M1800WL+AS（1.4 mm），焊接后采用不退火的方式進(jìn)行杯凸實(shí)驗(yàn)檢查焊縫質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)不退火時(shí)焊縫質(zhì)量極差，不能滿足生產(chǎn)要求（見(jiàn)圖7未退火焊縫杯凸實(shí)驗(yàn)圖）。之后以同樣參數(shù)（見(jiàn)圖8 焊機(jī)焊接參數(shù)圖）焊接并退火后再次進(jìn)行杯凸實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖9退火后的杯凸實(shí)驗(yàn)圖），此次焊縫質(zhì)量良好，曲線平滑，溫度狀態(tài)良好（1000～1073 ℃），判定為此鋼種必須退火，退火后焊接合格。

圖7 未退火焊縫杯凸實(shí)驗(yàn)圖

圖8 焊機(jī)焊接參數(shù)圖

圖9 退火后的杯凸實(shí)驗(yàn)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在線全自動(dòng)帶鋼焊縫感應(yīng)退火裝置的研究與開(kāi)發(fā)，解決了人工手動(dòng)火焰退火時(shí)焊縫退火質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，消除了人工操作存在安全隱患，避免了人工操作過(guò)退火造成能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了帶鋼焊縫退火的全自動(dòng)化，提高了連退機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和生產(chǎn)的高效性。