淺析OPGW光纜用不銹鋼管光單元焊接質(zhì)量的控制

  不銹鋼管光單元作為OPGW等特種光纜的核心部件，其焊接質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響光纜的性能。本文以O(shè)PGW光纜用不銹鋼管光單元為例，主要從焊接不良的危害、激光焊接的原理、影響激光焊接的因素、渦流檢測四個(gè)方面探討不銹鋼管光單元焊接質(zhì)量的控制。隨著光通信的不斷發(fā)展，不銹鋼管光單元作為性能優(yōu)良的光通信載體，在OPGW、OPPC、海底光纜等特種光纜中作為組件得到廣泛應(yīng)用。隨著不銹鋼管光單元應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)其質(zhì)量的要求也越來越高，工藝控制也越來越精細(xì)。在光纜的生產(chǎn)和施工應(yīng)用中發(fā)生因不銹鋼管光單元焊接不良造成的光纜斷纖、不銹鋼管光單元徑向滲水進(jìn)而導(dǎo)致光纖氫損等質(zhì)量事故。焊接質(zhì)量是保證不銹鋼管光單元性能優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因而焊接質(zhì)量的控制具有重要的意義。筆者結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，從焊接不良的危害、激光焊接原理、影響激光焊接的因素、渦流檢測四個(gè)方面探討不銹鋼管光單元焊接質(zhì)量的控制。

一、焊接不良的危害

  不銹鋼管光單元的生產(chǎn)工藝流程如下圖所示：不銹鋼管光單元是由不銹鋼帶縱包成型，引入光纖和纖膏后再通過激光熔融焊接而成。由于不銹鋼管內(nèi)只有纖膏對(duì)光纖起到保護(hù)作用，若不銹鋼管表面存在細(xì)微的焊接缺陷將直接影響到光纖的性能，從而對(duì)光纖的通信傳輸帶來隱患。在光纜使用過程中，由于不銹鋼管表面存在不良缺陷，使用環(huán)境中的氯離子直接侵入不銹鋼管內(nèi)，對(duì)光纖產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的危害，從而影響光纖的傳輸性能。

  在不銹鋼管生產(chǎn)過程中若出現(xiàn)焊接不良，只能在焊接不良處截?cái)?，?dǎo)致不銹鋼管光單元達(dá)不到要求長度，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。如果在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)虛焊、凹槽等焊接問題而在渦流檢測的環(huán)節(jié)未得到有效檢測，不銹鋼管光單元就會(huì)在成纜絞合工序中因受扭力而出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整根光纜報(bào)廢。

二、激光焊接原理

  激光焊接的原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接，不銹鋼管光單元生產(chǎn)采用激光深溶焊接的方式完成不銹鋼管的無縫焊接。激光深熔焊接采用連續(xù)激光光束，通過稱為“小孔”結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制來完成材料的焊接。在激光功率密度很高的光束照射下，材料吸收能量產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。小孔形成以后，激光光束幾乎全部的能量都被吸收，小孔吸收激光光束產(chǎn)生的熱量從孔腔向外傳遞，使包圍孔腔四周的金屬熔化形成熔池。熔融金屬隨著光單元的移動(dòng)而移動(dòng)，熔融金屬充填小孔移開后留下的縫隙并隨之冷凝形成焊縫。

三、影響激光焊接質(zhì)量的因素及控制

 1. 不銹鋼帶切邊處理

   不銹鋼帶切邊處理是在成型模架前通過刀具對(duì)鋼帶邊緣進(jìn)行重新切除，在此過程中將切除的廢帶通過收線裝置回收。不銹鋼帶來料一般為大盤鋼卷，盤長約3km～4km，雖然不銹鋼帶的生產(chǎn)廠家對(duì)鋼帶進(jìn)行了切邊處理，但是在其運(yùn)輸和生產(chǎn)搬運(yùn)的過程中難免對(duì)鋼帶邊緣造成損壞。雖然有的光纜廠家不進(jìn)行切邊處理直接進(jìn)行激光焊接，但為了提高不銹鋼管焊接時(shí)的良品率及生產(chǎn)效率，筆者建議不銹鋼帶在激光焊接前進(jìn)行切邊處理，以消除不銹鋼帶邊緣可能存在的缺陷。

   切邊處理時(shí)對(duì)刀具的精度要求比較高，不銹鋼帶切邊后必須保證鋼帶邊緣平齊且無毛刺。如果切邊處理不到位，邊緣毛刺在高能激光束下發(fā)生燃燒，導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定而出現(xiàn)打點(diǎn)現(xiàn)象，如下圖所示。為了保證不銹鋼帶切邊處理后的效果，裝刀具時(shí)必須調(diào)整好刀刃之間的間隙，取刀具時(shí)做到輕拿輕放，防止對(duì)刀刃造成損傷。同時(shí)還應(yīng)注意刀具的使用周期，根據(jù)筆者的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議對(duì)刀具的切帶公里數(shù)做出規(guī)定，做到定期更換。每天對(duì)刀具的切邊效果進(jìn)行巡檢，做到發(fā)現(xiàn)不良及時(shí)更換。

 2. 鋼帶成型

  從圖可看出，不銹鋼管的生產(chǎn)流程一般為不銹鋼帶切邊后，經(jīng)鋼帶成型模架進(jìn)行縱包成型，然后進(jìn)行激光連續(xù)焊接，因此成型模架對(duì)不銹鋼管質(zhì)量的好壞起決定性作用。在生產(chǎn)過程中，對(duì)成型模架的要求有兩點(diǎn)：鋼帶縱包成型后，其焊縫兩側(cè)在未焊接前要平整，不可高低不一和成型模架長期運(yùn)行穩(wěn)定。

  不銹鋼帶成型后，必須保證焊縫兩側(cè)比較平整，可通過調(diào)整成型輪的水平度及兩側(cè)焊接夾塊的高低來保證不銹鋼帶的成型質(zhì)量。如果在成型后焊縫不平整，在焊接過程中會(huì)出現(xiàn)包邊的現(xiàn)象（即鋼帶一邊包住另一邊，無法形成閉合的鋼管），導(dǎo)致不銹鋼管斷裂。即使在激光焊接階段正常，但是由于焊縫兩側(cè)鋼帶搭接不平整，兩側(cè)鋼帶厚度有偏差，此種不銹鋼管在拉拔階段易形成凹槽。存在凹槽的不銹鋼管光單元在成纜絞合工序時(shí)由于受到扭力，焊縫被撕裂，如下圖所示。

  由于成型模架調(diào)整對(duì)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，而且需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力，因此必須要保證成型模架運(yùn)行的長期穩(wěn)定性。這就要求對(duì)成型模架各個(gè)軸承及鋼帶定位夾定期檢查，盡早發(fā)現(xiàn)成型模架存在的隱患，以保證成型模架的穩(wěn)定運(yùn)行。

  3. 激光離焦量

  不銹鋼帶經(jīng)成型模架縱包成型后，馬上進(jìn)行激光焊接，激光焊接需要一定的離焦量。所謂離焦量，是指激光焦點(diǎn)與待焊物體上焊接點(diǎn)的距離。離焦量分為正離焦量和負(fù)離焦量。因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心激光功率密度較高，材料容易蒸發(fā)成孔，而離開焦點(diǎn)的平面激光功率密度分布相對(duì)均勻，所以離焦量對(duì)焊接質(zhì)量有著重要的影響。正離焦量即待焊接物體的焊接點(diǎn)在激光焦點(diǎn)下方，如下圖所示。負(fù)離焦量即待焊接物體的焊接點(diǎn)在激光焦點(diǎn)上方，如下圖所示。

  根據(jù)幾何光學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦平面和焊接平面在距離上是相等的時(shí)候，焊接平面上的功率密度大致相等。但是在焊接過程中，高溫金屬蒸汽使液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當(dāng)負(fù)離焦量時(shí)，材料內(nèi)部功率密度大于焊接表面，形成較大的熔深，正離焦量時(shí)與之相反。由于不銹鋼管生產(chǎn)采用的是較薄（常用的厚度為0.20mm）的不銹鋼帶，需要的熔深較小，所以在生產(chǎn)時(shí)激光應(yīng)采用正離焦量。

 4. 激光功率

   激光焊接存在激光能量密度閾值，生產(chǎn)不銹鋼管使用的是304不銹鋼帶，只有當(dāng)激光功率超過不銹鋼帶的能量密度閾值時(shí)，才能形成小孔，穩(wěn)定的激光焊接才能進(jìn)行。激光功率小于閾值時(shí)，焊縫處熔深較淺，僅焊縫表面發(fā)生融化，激光焊接以熱傳導(dǎo)型焊接的方式進(jìn)行。當(dāng)激光功率與能量密度閾值處于臨界狀態(tài)時(shí)，激光焊接以熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接的形式進(jìn)行，此時(shí)形成的小孔不穩(wěn)定，熔深波動(dòng)較大，焊接處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

  激光功率不足時(shí)，即未超過不銹鋼管的激光能量密度閾值，不銹鋼管會(huì)發(fā)生虛焊，即所謂的未焊透。此種狀態(tài)下生產(chǎn)的不銹鋼管，在后續(xù)的拉拔和成纜絞合環(huán)節(jié)因不銹鋼管受力導(dǎo)致焊縫開裂，如下圖所示。

   激光功率太大時(shí)，激光功率密度較大，不銹鋼蒸發(fā)劇烈，導(dǎo)致不銹鋼管發(fā)生過焊。過焊的不銹鋼管，焊縫表面顏色較深，磨開不銹鋼管內(nèi)部觀察焊縫，灼燒比較明顯。功率過大還會(huì)導(dǎo)致焊縫被擊穿，即出現(xiàn)打孔現(xiàn)象，影響不銹鋼管的正常生產(chǎn)。激光功率選擇適宜，不銹鋼鋼管焊縫幾乎不可見；而大功率條件下，不銹鋼管焊縫相對(duì)比較明顯，因此在設(shè)備調(diào)試階段必須對(duì)比不同激光基礎(chǔ)功率和激光系數(shù)條件下的不銹鋼管焊接質(zhì)量，從而保證焊接功率適宜，激光功率對(duì)焊縫的影響對(duì)比如下圖所示。

  在實(shí)際生產(chǎn)中，筆者建議采用敲擊試驗(yàn)及在金相顯微鏡下觀察焊縫的方式，判斷激光功率是否適宜。不銹鋼管打磨后在金相顯微鏡下觀察焊縫，焊縫背側(cè)完全熔透且顏色呈銀白色或黃銅色，此時(shí)激光功率選取適宜。

 5. 其他影響因素及控制

  a. 保護(hù)氣體

  在不銹鋼管焊接過程中，需要對(duì)焊接點(diǎn)吹一定流量的保護(hù)氣。保護(hù)氣的作用有兩個(gè)：1、隔離空氣，避免熔池的氧化，保證焊接縫的焊接質(zhì)量及光滑度。2、保護(hù)氣體可以有效的保護(hù)激光聚焦透鏡片免受金屬蒸氣的污染和液體金屬溶液的濺射。常用的激光保護(hù)氣體有氦氣、氬氣、氮?dú)?，生產(chǎn)過程中可以根據(jù)材料的不同選擇合適的保護(hù)氣體。保護(hù)氣體流量可影響焊縫的氧化程度，因此保護(hù)氣體的流量控制也是一個(gè)比較關(guān)鍵的工藝控制點(diǎn)。在不同流量的保護(hù)氣體下，不銹鋼管焊縫會(huì)呈現(xiàn)白、黃、藍(lán)、黑等不同的顏色，根據(jù)焊縫的顏色可判斷焊接過程中熔池被氧化的程度。在實(shí)際生產(chǎn)中，保護(hù)氣體流量的設(shè)定以不銹鋼管焊縫為白、黃時(shí)最適宜，藍(lán)色次之，黑色不可取。

  b. 清潔油流量

  由于不銹鋼帶在生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中，鋼帶表面會(huì)造成污染，因此在不銹鋼帶切邊前要經(jīng)過一個(gè)清潔裝置清潔不銹鋼帶表面。清潔油的作用有兩個(gè)：1、用于清潔不銹鋼帶表面；2、潤滑成型輪，筆者在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)清潔油流量的大小會(huì)影響不銹鋼帶成型的穩(wěn)定性及焊接火焰的狀態(tài)。清潔油流量設(shè)定，以清潔后不銹鋼帶表面濕潤，但不至于在激光焊接火焰處觀察到清潔油燃燒為宜。影響不銹鋼光單元焊接質(zhì)量的因素還有很多，如生產(chǎn)車間溫濕度的變化、生產(chǎn)車間潔凈程度的變化、不銹鋼帶成分的波動(dòng)等。

四、渦流檢測

  渦流檢測是通過渦流探傷儀對(duì)被放大后的焊接不良缺陷點(diǎn)進(jìn)行檢測，是對(duì)不銹鋼管進(jìn)行第一次缺陷篩選，可有效防止帶有微小焊接不良缺陷的不銹鋼管光單元流入下道工序。

  1. 渦流檢測原理

   渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的一種無損檢測手段，當(dāng)帶有交變電流的檢測線圈置于導(dǎo)電試樣上時(shí)，檢測線圈周圍的磁場會(huì)在導(dǎo)電試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）。

   感應(yīng)電流產(chǎn)生一個(gè)與原磁場方向相反頻率相同的感應(yīng)磁場，該感應(yīng)磁場與原磁場相互作用，使得檢測線圈阻抗的電感和電阻等發(fā)生變化。當(dāng)檢測線圈與導(dǎo)電試樣發(fā)生相對(duì)移動(dòng)遇到缺陷點(diǎn)時(shí),導(dǎo)電試樣內(nèi)的渦流發(fā)生變化引起感應(yīng)磁場與檢測線圈的相互作用也發(fā)生變化,從而導(dǎo)致檢測線圈阻抗的變化，渦流檢測就是通過檢測線圈阻抗的變化來反映導(dǎo)電試樣有無缺陷點(diǎn)。

  2. 渦流檢測參數(shù)

  影響渦流檢測準(zhǔn)確度和靈敏度的參數(shù)有：頻率、相位、增益。

  頻率即檢測線圈電流頻率，頻率設(shè)定與試樣的電導(dǎo)率及厚度有關(guān)，根據(jù)不銹鋼帶的導(dǎo)電率和壁厚即可得到最小檢測頻率。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們可以根據(jù)計(jì)算出的最小檢測頻率及實(shí)際生產(chǎn)條件，選擇一個(gè)合適的頻率。

   渦流相位的變化與待測材料的電導(dǎo)率、相對(duì)磁導(dǎo)率、缺陷深度及檢測頻率有關(guān)，在試樣材料確定以后只與缺陷深度有關(guān)。由于不銹鋼帶厚度很薄，不同深度相位變化幾乎相近，因此渦流檢測的相位基本也就固定了。增益用于控制檢測信號(hào)的強(qiáng)弱，在實(shí)際生產(chǎn)中，建議增益調(diào)整到使檢測信號(hào)峰值達(dá)到信號(hào)曲線顯示坐標(biāo)最大值的三分之二為宜，避免不銹鋼管漏檢和誤檢。

五、綜上所述，可得出以下結(jié)論：

  1. 可從激光功率和離焦量兩個(gè)方面提高不銹鋼管激光焊接的質(zhì)量；

  2. 不銹鋼帶切邊處理和成型模架的成型質(zhì)量及穩(wěn)定性影響不銹鋼管焊接的質(zhì)量；

  3. 保護(hù)氣、清潔油流量等因素對(duì)不銹鋼管的焊接質(zhì)量有著重要的影響。

  4. 渦流檢測必須選取適宜的參數(shù)。

  不銹鋼管光單元在特種光纜領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，其焊接質(zhì)量的好壞直接決定了光纜的性能。不銹鋼管光單元的生產(chǎn)工藝精細(xì)且復(fù)雜，本文探討了部分影響不銹鋼管焊接的因素及質(zhì)量控制措施。在生產(chǎn)實(shí)踐中還需關(guān)注其他的影響焊接質(zhì)量的因素，工藝管控精細(xì)化，多方面提高不銹鋼管的焊接質(zhì)量。