淺析OPGW光纜用不銹鋼管光單元焊接質量的控制

  不銹鋼管光單元作為OPGW等特種光纜的核心部件，其焊接質量的優(yōu)劣將直接影響光纜的性能。本文以OPGW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、渦流檢測四個方面探討不銹鋼管光單元焊接質量的控制。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用。隨著不銹鋼管光單元應用范圍的擴大，對其質量的要求也越來越高，工藝控制也越來越精細。在光纜的生產和施工應用中發(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而導致光纖氫損等質量事故。焊接質量是保證不銹鋼管光單元性能優(yōu)劣的關鍵環(huán)節(jié)，因而焊接質量的控制具有重要的意義。筆者結合實際生產經驗，從焊接不良的危害、激光焊接原理、影響激光焊接的因素、渦流檢測四個方面探討不銹鋼管光單元焊接質量的控制。

一、焊接不良的危害

  不銹鋼管光單元的生產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。由于不銹鋼管內只有纖膏對光纖起到保護作用，若不銹鋼管表面存在細微的焊接缺陷將直接影響到光纖的性能，從而對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，對光纖產生不可逆轉的危害，從而影響光纖的傳輸性能。

  在不銹鋼管生產過程中若出現(xiàn)焊接不良，只能在焊接不良處截斷，導致不銹鋼管光單元達不到要求長度，造成一定的經濟損失。如果在生產過程中出現(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，從而導致整根光纜報廢。

二、激光焊接原理

  激光焊接的原理可分為熱傳導型焊接和激光深熔焊接，不銹鋼管光單元生產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”結構的能量轉換機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而移動，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鋼帶邊緣進行重新切除，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廠家對鋼帶進行了切邊處理，但是在其運輸和生產搬運的過程中難免對鋼帶邊緣造成損壞。雖然有的光纜廠家不進行切邊處理直接進行激光焊接，但為了提高不銹鋼管焊接時的良品率及生產效率，筆者建議不銹鋼帶在激光焊接前進行切邊處理，以消除不銹鋼帶邊緣可能存在的缺陷。

   切邊處理時對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，導致熔池不穩(wěn)定而出現(xiàn)打點現(xiàn)象，如下圖所示。為了保證不銹鋼帶切邊處理后的效果，裝刀具時必須調整好刀刃之間的間隙，取刀具時做到輕拿輕放，防止對刀刃造成損傷。同時還應注意刀具的使用周期，根據(jù)筆者的生產實踐經驗，建議對刀具的切帶公里數(shù)做出規(guī)定，做到定期更換。每天對刀具的切邊效果進行巡檢，做到發(fā)現(xiàn)不良及時更換。

 2. 鋼帶成型

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

  不銹鋼帶成型后，必須保證焊縫兩側比較平整，可通過調整成型輪的水平度及兩側焊接夾塊的高低來保證不銹鋼帶的成型質量。如果在成型后焊縫不平整，在焊接過程中會出現(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，但是由于焊縫兩側鋼帶搭接不平整，兩側鋼帶厚度有偏差，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由于受到扭力，焊縫被撕裂，如下圖所示。

  由于成型模架調整對操作者的經驗要求比較高，而且需要花費一定的時間和精力，因此必須要保證成型模架運行的長期穩(wěn)定性。這就要求對成型模架各個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)定運行。

  3. 激光離焦量

  不銹鋼帶經成型模架縱包成型后，馬上進行激光焊接，激光焊接需要一定的離焦量。所謂離焦量，是指激光焦點與待焊物體上焊接點的距離。離焦量分為正離焦量和負離焦量。因為激光焦點處光斑中心激光功率密度較高，材料容易蒸發(fā)成孔，而離開焦點的平面激光功率密度分布相對均勻，所以離焦量對焊接質量有著重要的影響。正離焦量即待焊接物體的焊接點在激光焦點下方，如下圖所示。負離焦量即待焊接物體的焊接點在激光焦點上方，如下圖所示。

  根據(jù)幾何光學理論，當正負離焦平面和焊接平面在距離上是相等的時候，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)金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦量時，材料內部功率密度大于焊接表面，形成較大的熔深，正離焦量時與之相反。由于不銹鋼管生產采用的是較?。ǔＳ玫暮穸葹?.20mm）的不銹鋼帶，需要的熔深較小，所以在生產時激光應采用正離焦量。

 4. 激光功率

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

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

   激光功率太大時，激光功率密度較大，不銹鋼蒸發(fā)劇烈，導致不銹鋼管發(fā)生過焊。過焊的不銹鋼管，焊縫表面顏色較深，磨開不銹鋼管內部觀察焊縫，灼燒比較明顯。功率過大還會導致焊縫被擊穿，即出現(xiàn)打孔現(xiàn)象，影響不銹鋼管的正常生產。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，不銹鋼管焊縫相對比較明顯，因此在設備調試階段必須對比不同激光基礎功率和激光系數(shù)條件下的不銹鋼管焊接質量，從而保證焊接功率適宜，激光功率對焊縫的影響對比如下圖所示。

  在實際生產中，筆者建議采用敲擊試驗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，焊縫背側完全熔透且顏色呈銀白色或黃銅色，此時激光功率選取適宜。

 5. 其他影響因素及控制

  a. 保護氣體

  在不銹鋼管焊接過程中，需要對焊接點吹一定流量的保護氣。保護氣的作用有兩個：1、隔離空氣，避免熔池的氧化，保證焊接縫的焊接質量及光滑度。2、保護氣體可以有效的保護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。常用的激光保護氣體有氦氣、氬氣、氮氣，生產過程中可以根據(jù)材料的不同選擇合適的保護氣體。保護氣體流量可影響焊縫的氧化程度，因此保護氣體的流量控制也是一個比較關鍵的工藝控制點。在不同流量的保護氣體下，不銹鋼管焊縫會呈現(xiàn)白、黃、藍、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。在實際生產中，保護氣體流量的設定以不銹鋼管焊縫為白、黃時最適宜，藍色次之，黑色不可取。

  b. 清潔油流量

  由于不銹鋼帶在生產及運輸過程中，鋼帶表面會造成污染，因此在不銹鋼帶切邊前要經過一個清潔裝置清潔不銹鋼帶表面。清潔油的作用有兩個：1、用于清潔不銹鋼帶表面；2、潤滑成型輪，筆者在生產實踐中發(fā)現(xiàn)清潔油流量的大小會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量的因素還有很多，如生產車間溫濕度的變化、生產車間潔凈程度的變化、不銹鋼帶成分的波動等。

四、渦流檢測

  渦流檢測是通過渦流探傷儀對被放大后的焊接不良缺陷點進行檢測，是對不銹鋼管進行第一次缺陷篩選，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原理基礎上的一種無損檢測手段，當帶有交變電流的檢測線圈置于導電試樣上時，檢測線圈周圍的磁場會在導電試樣表面產生感應電流（渦流）。

   感應電流產生一個與原磁場方向相反頻率相同的感應磁場，該感應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。當檢測線圈與導電試樣發(fā)生相對移動遇到缺陷點時,導電試樣內的渦流發(fā)生變化引起感應磁場與檢測線圈的相互作用也發(fā)生變化,從而導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電試樣有無缺陷點。

  2. 渦流檢測參數(shù)

  影響渦流檢測準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，頻率設定與試樣的電導率及厚度有關，根據(jù)不銹鋼帶的導電率和壁厚即可得到最小檢測頻率。在實際生產中，我們可以根據(jù)計算出的最小檢測頻率及實際生產條件，選擇一個合適的頻率。

   渦流相位的變化與待測材料的電導率、相對磁導率、缺陷深度及檢測頻率有關，在試樣材料確定以后只與缺陷深度有關。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的強弱，在實際生產中，建議增益調整到使檢測信號峰值達到信號曲線顯示坐標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，可得出以下結論：

  1. 可從激光功率和離焦量兩個方面提高不銹鋼管激光焊接的質量；

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

  3. 保護氣、清潔油流量等因素對不銹鋼管的焊接質量有著重要的影響。

  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域應用越來越廣泛，其焊接質量的好壞直接決定了光纜的性能。不銹鋼管光單元的生產工藝精細且復雜，本文探討了部分影響不銹鋼管焊接的因素及質量控制措施。在生產實踐中還需關注其他的影響焊接質量的因素，工藝管控精細化，多方面提高不銹鋼管的焊接質量。