全球钢铁市场持续承受压力。除了积极实施降低成本的举措，如节约能源、精简人员和减少零部件外，也需要增加设备的可利用性。为了保持竞争力，需要提供广泛的产品组合，并侧重于现代化钢种。
旧式的闪光对焊接设备或传统的激光焊接机不能以可靠的方式焊接现代钢种，因为其高合金含量会影响材料的可焊性。 而且，现有生产线中的焊接设备需要被更替，因为零部件以及其内部专业技术的可用性在减少。
在过去几十年中，许多人员参与了设备的运行和维护；但是现在，控制成本的措施正在减少相关人员的数量。 因此，人们需要具有高可利用性并且易于维护的机器，能够实现自动化操作且自适应完成理想中的生产结果。为冶金行业的钢铁、铝、铜和金属加工提供专业设备的供应商德国西马克集团（SMS Group）应对这一工艺变化并顺应全球数字化趋势，开发出一款全新的焊接设备。
该焊接设备采用多种数字化解决方案，易于操作。其特点是可以减少操作维护人员，将定期检修的记录长期存档，机器内的文档有电子版形式并且相互互联。
图1. 采用8kW 二氧化碳激光光源的X-Pro 激光焊接机是新订单的基础，新订单是将10kW光纤激光器集成到瑞典钢铁公司SSAB 新的设备入口段，这将提供高效率和高可用性，以及安全，快速和完全自动化的工艺过程，即便应对难以焊接的材料也是如此。
最近，由于瑞典钢铁集团(SSAB)决定对其酸洗线进行改造使其涵盖一台光纤激光焊接机（图1），SMS group 又接到了其最新一代X-Pro激光焊接机的订单。该公司确信其酸洗线能够在短周期内焊接高强度材料。此外，设备的自动化控制功能、可靠的工艺流程和易于维护的理念等都是加分项。
工艺要求
焊接设备不仅是每条带钢生产线的重要技术设备，同时也是利用和最大化生产的关键环节。如果卷材没有被正确连接，整个流程会被终止：每一次断带或机器故障都有可能影响到上游和下游的作业，造成重大的经济损失。
在生产线的最末端，焊缝仅被使用几分钟，通常会被切去。但对于焊缝的要求和可靠的焊接工艺需求是非常高的。 这整个过程是完全自动化的，成功连接两个钢带末端的顺序总是相同的。改变的是要被焊接的材料相关的钢材质量、钢带厚度、钢带宽度以及从一个钢卷到下一个钢卷的厚度。
焊接流程每3到5分钟进行一次。 在酸洗生产线/冷连轧机中，焊缝多次弯曲，以高张力（高达65吨），快速（高达1,200米 / 分钟）通过生产线运行1,000米以上，最终被卷曲，并在五个轧机机架（高达1,800吨）中以高推动力显著减少厚度。
目前钢铁厂的规划是生产具有高含量合金元素的现代化高强度钢种。这类钢种倾向于在焊缝区域产生极大的硬度增量。在激光束焊接过程中进行感应预热和焊后热处理，甚至是额外的焊丝缓冲，对于这些高科技钢材来说是极有必要的，它们能够改善焊缝的延展性，以便在生产过程中，能够在没有任何焊缝断裂的情况下顺利生产。
该焊接设备的另一个核心要求是生产周期短。由于生产线连续生产，所需的焊接停留时间必须尽可能短。
焊接工艺
该焊接工艺始于采用两个夹送辊单元分别对进出口端的卷材进行头尾穿线，这两个夹送辊单元使卷材的两端被激光束送入焊接机中。位于入口和出口侧的带钢对中装置居中对齐两个带材端部。在带钢对中的过程中，焊接机的可编程逻辑控制器根据2级数据的铸件分析和带钢厚度计算所需的焊接参数。在两个带材端部的夹紧过程中验证带材的厚度。
使用双横切剪切机同时切割两个带材端部，以制备用于焊接的带材端部。切割后的废料通过焊接机的剪切通道被送入废料排放系统，废料排放系统与输送带上的切割废料结合。测试焊缝或缺口样品可以传送到操作员这边进行检查。 结合切割工艺，可以打出一个用于焊缝检测的孔（图2）。
图2. 从轧制后的缺口样品呈现的激光焊缝（拉伸强度为1200MPa的马氏体钢）的金相横截面; 在6 个轧机架的焊缝运输过程中，焊缝被全力轧制，无磨隙。
准备好的带材端部在宽度和厚度上相互校准，以获得所需的焊接接头几何形状。在将带材端部焊接在一起之前，通过照相机测量焊接接头的位置和几何形状。控制位置的焊头保证接缝精确定位在接头上。如果由于机器部件的磨损或错误定位而导致位置或几何形状出现任何偏差，则焊接移动单元将适应新的条件并自动控制焊头至正确位置。通过这样的方式，焊缝总是精准地定位在接头上，这种做法可以保护焊缝，防止其断裂。此外，还可以将修缮推迟至下一次定期维护停机时，因为焊接移动单元可以补偿一定的错位。
在应对难焊材料时，可对焊缝进行感应热处理（预处理和后处理）以确保整个焊缝获得均匀的硬度分布。
在完成焊接过程之后，用侧边切角器去除边缘，以确保可靠的带材移动并允许在生产线下游的边缘修整剪切移动到连续带中。材料切断也可用于焊缝测试。
焊接设备的功能
当开发焊接设备时，主要目标是设计紧凑，为其日后的翻新打下基础，并取代旧式的闪光对焊接机（图3）。 以下内容描述了该焊接设备的功能。
图3. 焊接过程的原理展示：包括五个主要步骤。
焊缝热处理。该机器的一个主要优势是对焊缝进行感应预热和焊后热处理（图4）。它允许对硬化的焊缝进行单独的退火处理。由于每种材料组合都不相同，潜在的材料组合范围已经显著增加，感应加热器与接缝之间的距离以及功率都是不同的。这就意味着，对于每个接缝，处理时间和温度都是以最合适的方式灵活调整的。
图4. 能够自由选择起点和温度的焊缝预热和后热系统。
中频感应的高效率深度热处理可以在最短的时间内对材料进行彻底的加热，从而防止焊缝硬度的增加以及带材断裂的风险（图5）。与传统的系统相比，特殊的电感设计大大缩短了保留时间。 这样一来，不易焊接的材料也可以被焊接，如马氏体或高碳/硅等级材种。
图5. 通过后加热降低的硬度曲线（右图），改善了焊缝的延展性。
焊缝质量要保证。通过一个集成、自动化的焊缝质量保障体系和两台相机来评估整个过程。 第一台相机将焊头固定在接头的中间位置，第二台相机检查并评估焊缝的质量。如果一切都通过检查，系统会自动批准（图6）。
图6. 焊接设备的质量保证体系可以实现焊接的自动释放。
焊接参数的计算。 焊接设备通过自动更正焊接参数进行调整。有了这款焊接系统，新的材料配对无需进行大量测试就可以焊接。它使用2级数据进行铸件和厚度分析，以计算出碳等量，并拥有一个具有适当焊接参数的数据库。
多亏了能够自动化计算每一种材料组合的焊接参数，现在甚至可以焊接未知钢种的钢带组合。能够快速可靠地确定要焊接组合的正确的焊接参数，而不必在焊接测试上花费时间，也不必在数据库中进行冗长的搜索。计算所需要的是两条钢带的几何条带数据和钢液的分析。 这些数据通常存储在生产所用的计算机中，并可以传送到焊接设备的计算机上。 因此，对生产工厂进行焊接试验或焊接新的材料组合时出现的问题都已经成为了过去式。
生产周期短。该机器的另一个理想功能是其小于60秒的生产周期，这要归功于该流程的简化设计。由于所有运动的编码器都可以安全快速地定位机器，因此大部分机器运动都是线性执行的，并且可以控制位置。
机器顶部和底部刀盒在剪切机上的交换时间非常短，可以在20分钟内更换。这是因为该焊接设备采用了智能化设计，在机器内部不需要额外的设备来实现这种快速更换程序。
可选择的焊接源。由于焊接设备的模块化设计以及焊缝制备和焊接工艺本身之间的分离，焊接源可以很容易地更换。通常可使用常规的CO2激光源或固态激光源。
对齐，精细切割和连接两个带材端部的焊缝准备工作由独立的机器模块执行。 随后，焊接源沿着两个带材端部之间的接合处与焊接移动单元一起移动。这样做，可以分别调整焊接源的位置和移动速度。这为将来使用其他焊接源提供了重要条件。此外，可以结合使用各种焊接程序。
焊接设备的这种极其灵活的特性可以确保，例如，用于连接不锈钢带的混合激光束焊接，而无需进行重大修改。
固体激光器
在之前的项目中，西马克集团安装了12kW（TRUMPF提供）或8kW（Rofin-Sinar提供）的千瓦级CO2激光器。 对于这个最新的项目，公司将首次安装固态激光器--10kW光纤激光器（IPG Photonics提供）。当与传统的CO2激光器相比时，激光束在具有激光活性光纤的谐振器中产生。 由于其很高的电光转换效率，以及待机模式几乎没有损耗功率，使得运营成本将下降到90％。
使用固态激光器，可以节省甚至避免产生工艺气体（例如氦气），并减少维护工作量。该系统的一个显著特点是其简单的模块化结构，这几乎可以免去维护程序。 更重要的是，固态激光器设计紧凑，占地面积小，采用灵活的工艺激光光纤，使设备理念变得简单易行。
与具有稳定工艺，尤其是可应用于3mm以上的厚度等级的常规CO2激光光源相比，固态激光工艺更粗糙和更波动。 由于不同的等离子体蒸汽羽流引起的飞溅现象是众所周知的,因此采取了一些措施，以避免在厚度超过3mm的仪表上出现飞溅现象，从而使固态激光器的应用适合于带材加工过程。
安装
位于阿拉斯加州奥西奥拉的大河钢铁公司Big River Steel，其新酸洗线/串联轧机使用X-Pro激光焊接设备后，每年可焊接近150万吨的钢带（图7）。 试运行工作始于2016年。焊接过程结束后，包括焊接接头在内的材料不仅将被酸洗，而且还将在一个五机架四辊串联轧机中进行轧制。 这意味着1.4mm到5.0mm厚的钢带将被减少到0.27mm到1.4mm之间的最终尺寸。 即使是高硅钢也会在这条生产线上生产，并被焊接。
图7. X-Pro 激光焊接设备集成在大河钢铁公司Big River Steel 的新酸洗线/串联冷轧机中。
瑞典钢铁SSAB欧洲公司已经向西马克集团发出了一份订单，要求为其安装在海门林纳，芬兰工厂的连续酸洗生产线的带卷送进段进行现代化改造。这种现代化改造将大大提高生产线的可用性和产量，自动化程度以及安全性。
随着X-Pro光纤激光焊接设备和高性能张力矫直机的安装，将有可能生产具有高合金含量的现代化高强度钢种。 整个电气和自动化设备的改造将分两个阶段完成，预计将在2018年底完工。新设备将使生产线能够处理屈服点高达900MPa的材料。 更高的产能和更低的运营成本将是进一步的益处。
配备了固态激光器的X-Pro激光焊接机是该现代化改造的重要元素。 2015年，瑞典钢铁公司SSAB将自己生产的难焊接的高合金钢板送到了西马克集团，后者用配置了光纤激光源的机器将它们焊接在一起。
该生产线设计用于厚度在1.5mm到6.5mm之间，宽度介于650mm到1,650mm的钢带。 在加工部分，紊流酸洗槽中的钢带将以180m/min的速度进行酸洗，而进入部分可达到的最大带钢速度为400m/min。
当涉及现代钢种的灵活，经济和安全的焊接时，带材加工线正面临着一些挑战。 X-Pro激光焊接设备易于维护，而且易于集成到现有生产线中，能够生产出难焊的带材。
该焊接设备提供了几项有益的功能，包括专利的感应热处理，自动参数计算，质量保证系统，低加工周期和可交换的激光源。一个特别的新功能是集成了现代化的固态焊接设备，由此降低了运营成本。
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