高牌号无取向硅钢焊接工艺优化分析

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摘要：主要针对酸连轧机组高牌号无取向硅钢焊接工艺进行研究分析，明确了影响高牌号无取向硅钢焊缝质量的关键主控因素：焊接速度、拼缝间隙、退火电流、离焦量等，同时研究了不同硅含量的硅钢品种在不同退火电流下的实际焊缝微观形貌，发现不同硅钢品种的自身性能对焊缝通过性有较大影响。针对研究分析过程中发现的问题提出了改进意见，并提高了实际生产的焊缝通过率。

关键词：酸连轧机；高牌号无取向硅钢；激光焊接酸连轧机采用

LBW型CO2激光焊机，原设计附件主要用于生产硅的质量分数低于1．8％的中低牌号硅钢，焊机焊接要求硅的质量分数≤2．0％。对于焊接硅的质量分数大于2．0％的无取向硅钢，技术附件没有保证。而对焊接硅的质量分数在2．4％～3．0％的无取向高牌号硅钢进行连续轧制更是无借鉴的经验。由于高牌号硅钢经过常化热处理后，内部晶粒变得粗大，残余应力分布也不均匀，试轧高牌号硅钢时焊缝多次在拉矫机和轧机内断带，焊缝合格率仅在40％左右。因此，保证良好的焊缝质量、提高焊缝通过率是酸轧机组稳定生产高牌号无取向硅钢需要首先攻克的难题。为了减少高牌号硅钢焊缝断带，重点从焊接工艺方面着手改进。通过对比实验，不断调整焊接工艺参数，对比分析各种工艺方法的效果。通过大量的焊接杯凸试验、力学性能试验以及金相组织观察，总结出了适合酸轧激光焊机的高牌号无取向硅钢生产工艺。

1存在的问题

酸连轧机使用的三菱LBW型自动激光焊机具有焊接工作效率高、热影响区小、焊缝平整等优点。大功率CO2激光深熔焊是一个非常复杂的物理化学变化过程，焊接受众多因素影响，并且各因素之间又是互相作用的［1］。归纳起来，影响焊接过程的因素主要包括：激光功率参数、焊接工艺参数、保护气体参数、离焦量以及机械设备精度。硅钢机组试生产高牌号无取向硅钢之初，焊缝多次在拉矫机、机架内断带，如图1所示，断带形式主要有两种：1）沿焊缝中心线整齐断裂；2）沿热影响区撕裂。

2影响焊缝质量因素的研究

2．1拼缝间隙。酸轧机组针对高牌号常化料的焊接生产，首先必须考虑原料内部组织结构：高牌号无取向硅钢含硅量较高，又通过常化热处理，其工件内部显微组织发生了变化，晶粒膨胀，晶格疏松。通过实验证明，在机械精度达到标准要求的情况下，拼缝间隙越小，焊接熔池效果越好，以硅的质量分数2．3％的品种（记为A）为例，把拼缝间隙缩小至0．04～0．05mm，有效的增加了前后板的熔接量，提高了焊缝的强度。2．2Y轴速度。在消除了设备对焊接质量的影响后，通过对大量断带焊缝焊接曲线进行分析，观察断带焊缝表面状况，发现部分焊缝处钢带熔池量不够。为了增加钢带的熔池量，发现提高焊接速度能达到这样的效果。通过提高焊接速度，可以减少激光喷嘴结瘤，使焊缝更为饱满圆滑，杯凸实验结果更加理想。以硅的质量分数2．3％的品种（A）为例，通过多次试验，将Y轴速度提高至4．5～5．1m／min，可降低板材焊接热影响区的宽度，降低焊接残余应力对焊缝质量的影响。2．3离焦量。激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50～200μs，材料开始熔化，形成液相金属并出现部分汽化，形成高压蒸气，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度气体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。［2］由于高牌号无取向硅钢板的焊接需要增加焊缝下表面熔接深度，满足高速焊接，避免焊后残余应力过大对母材造成影响，因此将原先的正离焦更改测试为负离焦，如图2所示。该技术实施后，高牌号无取向硅钢的焊缝通过率显著提升，为该品种的批量生产提供了有力保证。2．4退火电流。高牌号无取向硅钢含硅量较高，焊接后杯凸实验显示，其工件比低硅料未常化卷易出现炸裂现象，钢板较之以往更脆、硬。这是由于钢板在焊接过程中局部瞬间加热冷却，造成温度场不均匀，同时瞬间引起局部塑性变形和组织结构发生改变，导致在焊接过程中产生了残余应力。焊后退火装置是一个能够影响焊缝质量、缓解由焊接完成瞬间冷却、特别是焊接区域温度较低而造成其内部产生残余应力加大的重要设备。经过多次实验，当不使用退火装置时，焊缝形成后易发生脆裂，导致通板时造成断带现象，焊缝杯凸试验结果合格率为0％（图3）。因此，生产含硅量较高的品种时，必须使用焊缝退火装置来消除残余应力。经过实验发现，虽然焊缝退火能够较好的消除焊缝应力不均，但是不同的退火电流下焊缝的屈服强度、抗拉强度、抗弯性能存在较大差异。根据实际生产情况，退火电流越高，杯凸试验显示的合格率越高，焊缝的通过率也越高。经过反复实验，最终，将退火电流设置为160～180A，高牌号（包括硅的质量分数2．9％的品种）焊缝通过率可以达到98．58％（图4）。在焊接实验过程中，对部分比较典型的焊缝取样，并对其物理组织形态进行检测。如表1所示，在材质相同、其他焊接工艺相同的情况下，退火电流170～180A时，试样的屈服强度、抗拉强度明显高于退火电流较低的其他试样。所有拉伸试样焊缝区域均未发生断裂、变形，即：焊缝区域的抗拉强度大于母材，见图5所示。因拉断处均为母材，相同牌号不同部位的抗拉强度基本相同。所有反复弯曲试样均在焊缝处断裂，硅的质量分数2．3％的品种（A），退火电流170～180A，试样平均反复弯曲次数4次；硅的质量分数2．6％的品种（B），退火电流140～150A，试样平均反复弯曲次数3次；硅的质量分数2．9％的品种（C），在不同退火电流下反复弯曲次数均不足1次，即硅的质量分数2．9％的品种（C）试样未完成±90°弯折就已在焊缝处断裂。从金相组织上看，所有焊缝全部焊透。对比硅的质量分数2．9％的品种（C）在不同退火电流下的焊缝试样金相图（图6、图7），可以看出，当退火电流为170～180A时，焊缝附近晶粒更为均匀，且熔融区域形貌更好，有利于提高焊缝强度。

3结论

1）拼缝间隙越小，焊接熔池效果越好，合适的拼缝间隙为0．04～0．05mm。提高焊速可降低焊接热影响区的宽度。将原来的正离焦更改为负离焦，可以增加焊缝下表面熔接深度，满足高速焊接。退火电流越大，对应焊样的屈服强度和抗拉强度越高，所有退火焊缝强度均高于母材。通过无取向高牌号硅钢焊接工艺优化，目前高牌号无取向硅钢（包括硅的质量分数2．9％的品种）的焊缝通过率由40％提升到了98．58％。2）在后续生产中，有必要改善母材特别是硅的质量分数2．9％的品种（C）的组织结构和性能，进一步提高焊缝通过率。建议对热轧及常化工艺进行改进，以提高高牌号无取向硅钢接头反复弯曲性能。

［参考文献］

［1］王剑，刘玉麟．CO2激光深熔焊焊缝成形的影响因素分析［J］．冶金设备，2008（S2）：88－90．

［2］郑喜军．激光焊接技术综述［J］．河南科技，2013（7）：38－40．

作者:童海斌 李刚 张泉 王龙 张培毅 罗文俊 朱登武 单位:武汉钢铁有限公司