高牌號無取向硅鋼焊接工藝優化分析

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摘要：主要針對酸連軋機組高牌號無取向硅鋼焊接工藝進行研究分析，明確了影響高牌號無取向硅鋼焊縫質量的關鍵主控因素：焊接速度、拼縫間隙、退火電流、離焦量等，同時研究了不同硅含量的硅鋼品種在不同退火電流下的實際焊縫微觀形貌，發現不同硅鋼品種的自身性能對焊縫通過性有較大影響。針對研究分析過程中發現的問題提出了改進意見，并提高了實際生產的焊縫通過率。

關鍵詞：酸連軋機；高牌號無取向硅鋼；激光焊接酸連軋機采用

LBW型CO2激光焊機，原設計附件主要用于生產硅的質量分數低于1．8％的中低牌號硅鋼，焊機焊接要求硅的質量分數≤2．0％。對于焊接硅的質量分數大于2．0％的無取向硅鋼，技術附件沒有保證。而對焊接硅的質量分數在2．4％～3．0％的無取向高牌號硅鋼進行連續軋制更是無借鑒的經驗。由于高牌號硅鋼經過?；療崽幚砗螅瑑炔烤ЯＷ兊么执?，殘余應力分布也不均勻，試軋高牌號硅鋼時焊縫多次在拉矯機和軋機內斷帶，焊縫合格率僅在40％左右。因此，保證良好的焊縫質量、提高焊縫通過率是酸軋機組穩定生產高牌號無取向硅鋼需要首先攻克的難題。為了減少高牌號硅鋼焊縫斷帶，重點從焊接工藝方面著手改進。通過對比實驗，不斷調整焊接工藝參數，對比分析各種工藝方法的效果。通過大量的焊接杯凸試驗、力學性能試驗以及金相組織觀察，總結出了適合酸軋激光焊機的高牌號無取向硅鋼生產工藝。

1存在的問題

酸連軋機使用的三菱LBW型自動激光焊機具有焊接工作效率高、熱影響區小、焊縫平整等優點。大功率CO2激光深熔焊是一個非常復雜的物理化學變化過程，焊接受眾多因素影響，并且各因素之間又是互相作用的［1］。歸納起來，影響焊接過程的因素主要包括：激光功率參數、焊接工藝參數、保護氣體參數、離焦量以及機械設備精度。硅鋼機組試生產高牌號無取向硅鋼之初，焊縫多次在拉矯機、機架內斷帶，如圖1所示，斷帶形式主要有兩種：1）沿焊縫中心線整齊斷裂；2）沿熱影響區撕裂。

2影響焊縫質量因素的研究

2．1拼縫間隙。酸軋機組針對高牌號常化料的焊接生產，首先必須考慮原料內部組織結構：高牌號無取向硅鋼含硅量較高，又通過?；療崽幚恚涔ぜ炔匡@微組織發生了變化，晶粒膨脹，晶格疏松。通過實驗證明，在機械精度達到標準要求的情況下，拼縫間隙越小，焊接熔池效果越好，以硅的質量分數2．3％的品種（記為A）為例，把拼縫間隙縮小至0．04～0．05mm，有效的增加了前后板的熔接量，提高了焊縫的強度。2．2Y軸速度。在消除了設備對焊接質量的影響后，通過對大量斷帶焊縫焊接曲線進行分析，觀察斷帶焊縫表面狀況，發現部分焊縫處鋼帶熔池量不夠。為了增加鋼帶的熔池量，發現提高焊接速度能達到這樣的效果。通過提高焊接速度，可以減少激光噴嘴結瘤，使焊縫更為飽滿圓滑，杯凸實驗結果更加理想。以硅的質量分數2．3％的品種（A）為例，通過多次試驗，將Y軸速度提高至4．5～5．1m／min，可降低板材焊接熱影響區的寬度，降低焊接殘余應力對焊縫質量的影響。2．3離焦量。激光焊接通常需要一定的離焦量，因為激光焦點處光斑中心的功率密度過高，容易蒸發成孔。離開激光焦點的各平面上，功率密度分布相對均勻。離焦方式有兩種：正離焦與負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。按幾何光學理論，當正負離焦平面與焊接平面距離相等時，所對應平面上功率密度近似相同，但實際上所獲得的熔池形狀不同。負離焦時，可獲得更大的熔深，這與熔池的形成過程有關。實驗表明，激光加熱50～200μs，材料開始熔化，形成液相金屬并出現部分汽化，形成高壓蒸氣，并以極高的速度噴射，發出耀眼的白光。與此同時，高濃度氣體使液相金屬運動至熔池邊緣，在熔池中心形成凹陷。當負離焦時，材料內部功率密度比表面還高，易形成更強的熔化、汽化，使光能向材料更深處傳遞。所以在實際應用中，當要求熔深較大時，采用負離焦；焊接薄材料時，宜用正離焦。［2］由于高牌號無取向硅鋼板的焊接需要增加焊縫下表面熔接深度，滿足高速焊接，避免焊后殘余應力過大對母材造成影響，因此將原先的正離焦更改測試為負離焦，如圖2所示。該技術實施后，高牌號無取向硅鋼的焊縫通過率顯著提升，為該品種的批量生產提供了有力保證。2．4退火電流。高牌號無取向硅鋼含硅量較高，焊接后杯凸實驗顯示，其工件比低硅料未?；硪壮霈F炸裂現象，鋼板較之以往更脆、硬。這是由于鋼板在焊接過程中局部瞬間加熱冷卻，造成溫度場不均勻，同時瞬間引起局部塑性變形和組織結構發生改變，導致在焊接過程中產生了殘余應力。焊后退火裝置是一個能夠影響焊縫質量、緩解由焊接完成瞬間冷卻、特別是焊接區域溫度較低而造成其內部產生殘余應力加大的重要設備。經過多次實驗，當不使用退火裝置時，焊縫形成后易發生脆裂，導致通板時造成斷帶現象，焊縫杯凸試驗結果合格率為0％（圖3）。因此，生產含硅量較高的品種時，必須使用焊縫退火裝置來消除殘余應力。經過實驗發現，雖然焊縫退火能夠較好的消除焊縫應力不均，但是不同的退火電流下焊縫的屈服強度、抗拉強度、抗彎性能存在較大差異。根據實際生產情況，退火電流越高，杯凸試驗顯示的合格率越高，焊縫的通過率也越高。經過反復實驗，最終，將退火電流設置為160～180A，高牌號（包括硅的質量分數2．9％的品種）焊縫通過率可以達到98．58％（圖4）。在焊接實驗過程中，對部分比較典型的焊縫取樣，并對其物理組織形態進行檢測。如表1所示，在材質相同、其他焊接工藝相同的情況下，退火電流170～180A時，試樣的屈服強度、抗拉強度明顯高于退火電流較低的其他試樣。所有拉伸試樣焊縫區域均未發生斷裂、變形，即：焊縫區域的抗拉強度大于母材，見圖5所示。因拉斷處均為母材，相同牌號不同部位的抗拉強度基本相同。所有反復彎曲試樣均在焊縫處斷裂，硅的質量分數2．3％的品種（A），退火電流170～180A，試樣平均反復彎曲次數4次；硅的質量分數2．6％的品種（B），退火電流140～150A，試樣平均反復彎曲次數3次；硅的質量分數2．9％的品種（C），在不同退火電流下反復彎曲次數均不足1次，即硅的質量分數2．9％的品種（C）試樣未完成±90°彎折就已在焊縫處斷裂。從金相組織上看，所有焊縫全部焊透。對比硅的質量分數2．9％的品種（C）在不同退火電流下的焊縫試樣金相圖（圖6、圖7），可以看出，當退火電流為170～180A時，焊縫附近晶粒更為均勻，且熔融區域形貌更好，有利于提高焊縫強度。

3結論

1）拼縫間隙越小，焊接熔池效果越好，合適的拼縫間隙為0．04～0．05mm。提高焊速可降低焊接熱影響區的寬度。將原來的正離焦更改為負離焦，可以增加焊縫下表面熔接深度，滿足高速焊接。退火電流越大，對應焊樣的屈服強度和抗拉強度越高，所有退火焊縫強度均高于母材。通過無取向高牌號硅鋼焊接工藝優化，目前高牌號無取向硅鋼（包括硅的質量分數2．9％的品種）的焊縫通過率由40％提升到了98．58％。2）在后續生產中，有必要改善母材特別是硅的質量分數2．9％的品種（C）的組織結構和性能，進一步提高焊縫通過率。建議對熱軋及?；に囘M行改進，以提高高牌號無取向硅鋼接頭反復彎曲性能。

［參考文獻］

［1］王劍，劉玉麟．CO2激光深熔焊焊縫成形的影響因素分析［J］．冶金設備，2008（S2）：88－90．

［2］鄭喜軍．激光焊接技術綜述［J］．河南科技，2013（7）：38－40．

作者:童海斌 李剛 張泉 王龍 張培毅 羅文俊 朱登武 單位:武漢鋼鐵有限公司