十年以前，由于生产规模和技术发展的制约，国内在冷轧不锈钢连续生产线上一直使用传统的氩弧焊机，但氩弧焊机存在焊接缺陷，严重影响冷轧不锈钢连续生产线产能。中冶南方工程技术有限公司开发了国内第一台不锈钢连轧机激光焊机，在国内外多家大型不锈钢冷轧厂成功应用，有力地促进了我国激光焊机高端装备制造业的发展。

1 前言

随着科技的进步和国民经济的发展，不锈钢由于其耐蚀性和外观装饰性，大量应用于化工、食品、医药、航空、石油、冶金、印染、汽车等行业。目前，生产冷轧不锈钢主要采用下列连续生产线：连续酸洗机组（CPL）、连续轧制机组（TCM）、连续退火酸洗机组（HAPL/APL）、连续轧制退火酸洗机组（HRAPL/DRAPL）等，以提高生产效率，降低生产成本。2010年之前，对于厚度大于0.8mm的不锈钢，上述连续生产线上的焊机都使用氩弧焊，但是都存在咬边、气孔和裂纹等缺陷，严重影响生产线的产能和成材率。激光焊因热影响区小，焊接速度高，焊缝过轧机断带率低等优点，近年来在冷轧不锈钢连续生产线上普遍应用，几乎完全取代了氩弧焊。

2 不锈钢焊接工艺

2.1焊接工艺的比较

不锈钢主要焊接工艺的比较，如表1所示。通过分析比较可知，激光焊或激光-电弧复合焊在焊接质量、效率和稳定性方面具有显著的优点。

2.2不锈钢激光焊接工艺

奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，焊接性能较好，能很好地适应熔化焊接，焊接接头在焊态具有良好的塑性和韧性。激光焊接速度高、热输入量小，比较适合焊接奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢使用激光焊接或激光-电弧焊接工艺，采用奥氏体焊接材料时，不需预热和焊后热处理。

对于铁素体不锈钢，其激光焊缝组织为粗大全铁素体组织或在铁素体晶界形成少量马氏体组织。由于高温时不存在或极少存在奥氏体，在凝固温度区间冷却时，晶粒剧烈长大，因此粗晶脆化现象比较严重。铁素体不锈钢使用激光-电弧焊接工艺，采用奥氏体焊接材料时，一般不需预热，焊后需热处理。通过采用奥氏体不锈钢填充金属和调控工艺参数，使铁素体不锈钢焊缝获得大量的奥氏体。高温时，奥氏体的存在将严格限制铁素体晶粒的生长，从而提高焊缝韧性。另外，通过焊后热处理改变熔合区及热影响区析出物分布形态及减小焊接应力，同时对焊缝中存在的少量马氏体进行回火，可使焊缝韧性进一步提高。

对于马氏体不锈钢，在一般的热-机械加工状态下，即使是在静止空气中的冷却速度也足以发生同素异构转变，由奥氏体生成大量马氏体。因而激光焊接产生以马氏体为主的脆性焊缝，将显著降低焊缝塑性和韧性。马氏体不锈钢使用激光-电弧焊接工艺，采用奥氏体焊接材料时，焊前需预热，焊后不能立即退火，冷却至一定温度后，再对焊缝进行热处理，使焊缝脱离其脆性区域，从而提高焊缝的塑性。

3 中冶南方激光焊机技术特点

中冶南方工程技术有限公司（以下简称中冶南方）于2013年开发的首台激光焊机成功应用于青山集团不锈钢六机架连轧机，也是国内不锈钢连续生产线上应用的首台国产激光焊机，能适应不同种类不锈钢的焊接，其主要技术特点如下。

1）采用固体激光器替代气体激光器，激光通过光纤传输，焊机使用及维护成本低。

2）激光焊机具有激光焊、激光-电弧复合焊等焊接模式，最大限度地提高焊机的可靠性和适应性。

3）采用多项关键设备技术提高整机的精度和稳定性，同时方便使用与维护。

4 中冶南方激光焊机应用

中冶南方开发的激光焊机焊接工艺先进、焊缝质量稳定、运行成本低、维护简单、装备投资低。截至目前，已成功应用于宝钢、太钢、青山集团、马钢、酒钢等大型钢铁企业共计15台，其中碳钢激光焊机5台、硅钢激光焊机3台、不锈钢激光焊机7台，在高磁感硅钢、马氏体不锈钢材料领域激光焊机国产化市场占有率为100%。

4.1现有氩弧焊机改造为激光焊机

宝钢德盛不锈钢公司轧制退火酸洗机组（DRAPL）入口引进美国一家公司的氩弧焊机，由于氩弧焊焊缝强度低、余高过高，导致过焊缝轧制时断带率高、易擦伤轧辊等，生产时采取降轧制力轧制或打开辊缝空过，使得经过连轧机后的焊缝前后带钢厚度尺寸超差，机组成材率降低。

该进口的氩弧焊机使用滚剪剪切带钢，辊剪单侧剪刃间隙高达0.15mm，不能满足激光焊的要求。如果将辊剪更换为高精密双切剪，则需拆除底座及底座上的焊机本体设备，投资大且施工周期长。中冶南方根据该焊机的设备现况，分析研究了激光焊接工艺方案，进行了大量焊接试验和压延试验来验证改造方案的可行性，最终确定了采用激光-电弧复合焊接工艺（见图1），保留焊机滚剪等本体设备，不对现有氩弧焊机进行大幅变动的改造方案。

图1宝钢德盛不锈钢氩弧焊机改激光焊机

改造后的焊机焊缝强度大于母材的85%以上，焊缝余高小于母材厚度的10%，焊缝直接经过四机架十八辊连轧机轧制，不伤轧辊和衬胶辊，机组成材率可达99.6%以上，大幅提高了机组的生产效益。

4.2铬钢连续酸洗机组激光焊机

铬钢连续酸洗机组（CPL）是酒钢不锈钢分公司第一条国产化机组，专门生产铁素体和马氏体不锈钢，带钢厚度2-6mm，宽度750-1600mm，机组年产量40万吨。中冶南方针对使用常规焊接工艺（氩弧焊或纯激光焊）焊接铁素体和马氏体不锈钢存在的焊缝热影响区韧性差、焊缝脆化倾向严重、焊缝容易出现断裂等情况，在该焊机上采用激光-电弧复合焊接工艺（见图2）。

图2酒钢不锈钢铬钢连续酸洗机组激光焊机

该焊机自投产以来，焊接适应性强，焊缝质量可靠，断带率低，设备一直稳定运行，焊机的整体性能明显超出了酒钢不锈钢分公司其他生产线上的进口焊机，完全解决了酒钢生产马氏体不锈钢长期存在的焊缝性能不良的瓶颈问题，赢得用户的好评。

在功能考核时，也测试了激光焊机的极限焊接能力。由于热轧原料产品头尾超厚的原因，焊机焊接了厚度为7.3mm的铁素体不锈钢430，厚度为6.5mm的马氏体不锈钢30Cr13，这些规格均超出了设计范围，焊缝均匀饱满并经折弯试验合格。这充分体现了中冶南方激光焊机在焊接钢种和厚度规格等方面完全达到并超过设计能力。

4.3连续轧制退火酸洗机组激光焊机

青山集团印度CHROMENI不锈钢冷轧一期工程项目五机架十八辊轧制退火酸洗机组（DRAPL）全线长度700m，设计年产量70万吨，机组包括：开卷段、五机架十八辊连轧机、碱洗段、退火段、酸洗段、平整段、检查段、卷取段。连轧机出口速度max.300m/min，张力max.550kN。

激光焊机安装在入口侧，焊缝要经过连轧机大张力轧制、高温退火、混酸酸洗，因此对焊缝的可靠性要求极高，焊缝如在生产线上发生断裂，则严重影响生产线的产能。

该机组生产奥氏体不锈钢，带钢厚度2-4.5mm，宽度1000-1300mm。中冶南方激光焊机配置了6kW碟片激光器，采用激光焊的焊接工艺，焊机投产后运行稳定可靠，焊缝顺利通过在线五机架十八辊连轧机轧制，生产线带钢成材率达到99.8%以上。