TMEIC激光焊機(jī)退火功能對(duì)硅鋼焊接性能的改善

李建文，劉永安，賈海亮

(1.武漢鋼鐵有限公司硅鋼事業(yè)部，湖北 武漢 430083；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

硅鋼也稱為電工鋼，是含硅量在0.3%～5%的超低碳鋼板。加硅使Fe-C相圖中γ區(qū)縮小，使鐵的電阻率明顯增高，渦流損耗和磁滯損耗降低，磁導(dǎo)率增高，磁時(shí)效現(xiàn)象減輕。硅含量增高，使鐵的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯增高，塑性和韌性急劇下降，也使鐵的熱導(dǎo)率降低[1]。因此，硅鋼焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力；當(dāng)硅含量很高時(shí)，通常熱板在焊接后，晶粒會(huì)嚴(yán)重粗大，必須在焊后進(jìn)行退火工序；由于焊縫韌性差，易開裂，焊接困難，焊區(qū)和熱影響區(qū)的性能也遠(yuǎn)不如母材[2]。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光拼縫焊接技術(shù)代替以往的熔化極氬弧填絲焊。激光焊接與傳統(tǒng)焊接方式相比，激光束直徑小，焊接能量集中，工作區(qū)功率密度高，聚焦后能夠達(dá)到105～107 W/cm2，焊接速度快，生產(chǎn)效率高；激光深熔焊能量使用率高，熱輸入量小，焊縫、熱影響區(qū)窄，焊縫強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量高；焊接性能穩(wěn)定，精確度和可靠性高，重復(fù)性好，噪音低；無(wú)接觸焊接，容易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)過(guò)程控制；焊接的品種及規(guī)格范圍大；焊縫表面平整，堆高小，可直接通過(guò)軋機(jī)而不會(huì)傷害張力輥和軋輥，提高成材率和表面質(zhì)量；可配置前加熱、后加熱裝置，調(diào)節(jié)焊縫冷卻速度，控制焊縫組織性能；可通過(guò)激光填絲焊接控制焊縫區(qū)的組織性能，改善焊縫質(zhì)量[3-5]。因此，世界上的大型鋼鐵企業(yè)紛紛采用激光焊機(jī)用于酸軋機(jī)組生產(chǎn)。

目前，某酸軋機(jī)組是一條全連續(xù)式酸洗冷連軋聯(lián)合機(jī)組，TMEIC激光焊機(jī)是其中一臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備，位于生產(chǎn)線入口處，主要作用是將原料帶鋼的帶頭與上一卷帶鋼的帶尾焊接在一起，以保持生產(chǎn)的連續(xù)性，帶鋼焊縫質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題將直接導(dǎo)致酸軋機(jī)組斷帶事故。酸軋焊機(jī)在焊接無(wú)取向中低牌號(hào)硅鋼時(shí),斷帶率能控制在0.3%以下,但在焊接無(wú)取向高牌號(hào)硅鋼時(shí)焊縫質(zhì)量上沒(méi)有保證，尤其是焊接硅含量高的鋼種時(shí)斷帶率很高,在40%左右。本文主要對(duì)某高硅鋼種焊后退火工藝進(jìn)行了研究，以探討提高焊縫性能，降低斷帶率的方法。

1 焊接試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

某酸軋機(jī)組所使用的激光焊機(jī)是日本三菱公司選用TMEIC公司研制的高功率CO2激光焊機(jī)，焊接機(jī)型號(hào)LBW—8S313NP，焊接速度1.0～10.0 m/min。焊絲型號(hào)：YGW12，直徑Φ0.9 mm，送絲速度1.0～10.0 m/min，焊接硅鋼時(shí)，必須使用；焊接低碳鋼時(shí)，可以不使用。激光振蕩器采用德國(guó)TRUMPF公司的，其主要技術(shù)參數(shù)：

額定輸出 8 kW連續(xù)式(振蕩器出口)

光束模式 TEM00

波長(zhǎng) 10.6 μm

光束直徑Φ31 mm

光束發(fā)散角 <1.5 mrad

焦距 254 mm

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為硅鋼的某最高牌號(hào)鋼種，厚度2.2 mm，化學(xué)成分如表1所示，其ω(C)<0.002%,ω(Si+Al)>3.5%,為單一α相的無(wú)相變組織，母材金相組織為形變組織+鐵素體[1-2]，如圖1所示。采用填絲焊接改變焊縫組織結(jié)構(gòu)、提高焊縫性能，本試驗(yàn)所用焊絲為日本進(jìn)口YGW12型焊絲，直徑Φ0.9mm。

表1 某鋼種的化學(xué)成分 (wt%)

圖1 母材組織

1.3 試驗(yàn)方法

在酸軋線進(jìn)行在線激光焊接試驗(yàn)，精剪下料，He氣保護(hù)，焊接功率8 kW,焊接速度4.7 m/min，送絲速度4.7 m/min，焊縫分別用120 A、150 A及180 A感應(yīng)電流進(jìn)行焊后退火，然后分別對(duì)焊縫進(jìn)行杯凸試驗(yàn)、金相檢測(cè)和顯微硬度檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 焊縫成形

圖2為三種退火電流下的焊縫形貌。圖中可見焊縫表面光滑、飽滿，無(wú)凹陷、咬邊等缺陷。隨著退火感應(yīng)電流加大，焊縫及熱影響區(qū)顏色加深、加寬。

圖2 焊縫形貌

2.2 杯凸試驗(yàn)

圖3為三種退火感應(yīng)電流下的杯凸試驗(yàn)效果。可見，在退火感應(yīng)電流為120 A時(shí)，焊縫的塑性很差，杯凸試驗(yàn)時(shí)焊縫炸裂；在退火感應(yīng)電流為150 A時(shí)，焊縫的塑性提高，杯凸試驗(yàn)時(shí)中間的焊縫杯凸效果很好，但邊部有炸裂情況發(fā)生；在退火感應(yīng)電流為180 A時(shí)，焊縫的塑性很好，杯凸試驗(yàn)時(shí)焊縫杯凸效果很好，沒(méi)有炸裂情況發(fā)生。

圖3 焊縫杯凸試驗(yàn)效果

2.3 焊縫金相檢測(cè)

圖4為三種退火感應(yīng)電流下焊縫50倍金相觀測(cè)結(jié)果?？梢?，隨著退火感應(yīng)電流增加，焊縫的金相組織更加均勻。

圖4 焊縫金相檢測(cè)

2.4 焊縫硬度檢測(cè)

圖5為三種退火感應(yīng)電流下鋼板傳動(dòng)側(cè)、工作側(cè)及中間焊縫的HV10硬度檢測(cè)結(jié)果。

圖5 焊縫硬度檢測(cè)

圖5中120 A時(shí)的HV10硬度最大值為267，平均值為227；150 A時(shí)最大值為254,平均值為225；180 A時(shí)最大值為234，平均值為198。而母材的HV10硬度平均值為190?？梢姡S著退火感應(yīng)電流增加，焊縫硬度HV10逐步下降，尤其是電流達(dá)到180 A時(shí)，硬度下降明顯，其平均硬度已基本接近于母材。

2.5 焊接試生產(chǎn)

鑒于本文試驗(yàn)及分析，在對(duì)焊機(jī)精度進(jìn)行調(diào)整之后，采用焊后180 A感應(yīng)電流退火工藝，對(duì)某高硅鋼種進(jìn)行了小批量焊接試生產(chǎn)，共生產(chǎn)了24卷，其中僅斷帶了1卷，斷帶率較以前的40%降為4%左右，焊縫攻關(guān)取得有效突破。

3 結(jié)論

(1)激光焊接無(wú)取向高牌號(hào)硅鋼時(shí)，采用焊后退火可以降低焊縫硬度，減小焊接應(yīng)力，提高焊縫的塑性和韌性，減少焊縫斷帶。并且隨著電流的提高，焊縫塑性及韌性的改善效果越明顯。

(2)采用焊后180 A電磁感應(yīng)電流退火工藝焊接某高硅鋼種時(shí)，可以獲得無(wú)缺陷、性能較為優(yōu)良的焊縫。

通過(guò)改進(jìn)TMEIC激光焊機(jī)焊后退火工藝，在焊接某高硅鋼種時(shí)焊縫質(zhì)量取得了一定的突破，但是，焊接質(zhì)量還有待進(jìn)一步改善。

(1)對(duì)焊機(jī)的設(shè)備精度進(jìn)行檢測(cè)和恢復(fù)，尤其是工作頭的運(yùn)行精度、拼縫精度和剪切精度需恢復(fù)到工藝要求的范圍。

(2)采用低Si高M(jìn)n含量的焊絲或含12%～30%Ni為主的焊絲進(jìn)行焊接試驗(yàn)，改善焊縫組織和成分，使焊縫區(qū)α+γ兩相區(qū)增多，焊縫區(qū)晶粒細(xì)化，提高焊縫韌性[1]。

(3)對(duì)激光功率、焊接速度、離焦量等進(jìn)行匹配試驗(yàn)，確保焊接線能量在合適的范圍內(nèi)。