TMEIC激光焊機退火功能對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部，湖北 武漢 430083；2.中國重型機械研究院股份公司，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，磁導率增高，磁時效現象減輕。硅含量增高，使鐵的屈服強度和抗拉強度明顯增高，塑性和韌性急劇下降，也使鐵的熱導率降低[1]。因此，硅鋼焊接時易產生較大的變形和應力；當硅含量很高時，通常熱板在焊接后，晶粒會嚴重粗大，必須在焊后進行退火工序；由于焊縫韌性差，易開裂，焊接困難，焊區和熱影響區的性能也遠不如母材[2]。

隨著激光技術的發展，激光拼縫焊接技術代替以往的熔化極氬弧填絲焊。激光焊接與傳統焊接方式相比，激光束直徑小，焊接能量集中，工作區功率密度高，聚焦后能夠達到105～107 W/cm2，焊接速度快，生產效率高；激光深熔焊能量使用率高，熱輸入量小，焊縫、熱影響區窄，焊縫強度大，焊接質量高；焊接性能穩定，精確度和可靠性高，重復性好，噪音低；無接觸焊接，容易實現全自動過程控制；焊接的品種及規格范圍大；焊縫表面平整，堆高小，可直接通過軋機而不會傷害張力輥和軋輥，提高成材率和表面質量；可配置前加熱、后加熱裝置，調節焊縫冷卻速度，控制焊縫組織性能；可通過激光填絲焊接控制焊縫區的組織性能，改善焊縫質量[3-5]。因此，世界上的大型鋼鐵企業紛紛采用激光焊機用于酸軋機組生產。

目前，某酸軋機組是一條全連續式酸洗冷連軋聯合機組，TMEIC激光焊機是其中一臺關鍵設備，位于生產線入口處，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，以保持生產的連續性，帶鋼焊縫質量出現問題將直接導致酸軋機組斷帶事故。酸軋焊機在焊接無取向中低牌號硅鋼時,斷帶率能控制在0.3%以下,但在焊接無取向高牌號硅鋼時焊縫質量上沒有保證，尤其是焊接硅含量高的鋼種時斷帶率很高,在40%左右。本文主要對某高硅鋼種焊后退火工藝進行了研究，以探討提高焊縫性能，降低斷帶率的方法。

1 焊接試驗

1.1 試驗設備

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

額定輸出 8 kW連續式(振蕩器出口)

光束模式 TEM00

波長 10.6 μm

光束直徑Φ31 mm

光束發散角 <1.5 mrad

焦距 254 mm

1.2 試驗材料

試驗材料為硅鋼的某最高牌號鋼種，厚度2.2 mm，化學成分如表1所示，其ω(C)<0.002%,ω(Si+Al)>3.5%,為單一α相的無相變組織，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構、提高焊縫性能，本試驗所用焊絲為日本進口YGW12型焊絲，直徑Φ0.9mm。

表1 某鋼種的化學成分 (wt%)

圖1 母材組織

1.3 試驗方法

在酸軋線進行在線激光焊接試驗，精剪下料，He氣保護，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感應電流進行焊后退火，然后分別對焊縫進行杯凸試驗、金相檢測和顯微硬度檢測。

2 試驗結果分析

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，無凹陷、咬邊等缺陷。隨著退火感應電流加大，焊縫及熱影響區顏色加深、加寬。

圖2 焊縫形貌

2.2 杯凸試驗

圖3為三種退火感應電流下的杯凸試驗效果。可見，在退火感應電流為120 A時，焊縫的塑性很差，杯凸試驗時焊縫炸裂；在退火感應電流為150 A時，焊縫的塑性提高，杯凸試驗時中間的焊縫杯凸效果很好，但邊部有炸裂情況發生；在退火感應電流為180 A時，焊縫的塑性很好，杯凸試驗時焊縫杯凸效果很好，沒有炸裂情況發生。

圖3 焊縫杯凸試驗效果

2.3 焊縫金相檢測

圖4為三種退火感應電流下焊縫50倍金相觀測結果。可見，隨著退火感應電流增加，焊縫的金相組織更加均勻。

圖4 焊縫金相檢測

2.4 焊縫硬度檢測

圖5為三種退火感應電流下鋼板傳動側、工作側及中間焊縫的HV10硬度檢測結果。

圖5 焊縫硬度檢測

圖5中120 A時的HV10硬度最大值為267，平均值為227；150 A時最大值為254,平均值為225；180 A時最大值為234，平均值為198。而母材的HV10硬度平均值為190。可見，隨著退火感應電流增加，焊縫硬度HV10逐步下降，尤其是電流達到180 A時，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

鑒于本文試驗及分析，在對焊機精度進行調整之后，采用焊后180 A感應電流退火工藝，對某高硅鋼種進行了小批量焊接試生產，共生產了24卷，其中僅斷帶了1卷，斷帶率較以前的40%降為4%左右，焊縫攻關取得有效突破。

3 結論

(1)激光焊接無取向高牌號硅鋼時，采用焊后退火可以降低焊縫硬度，減小焊接應力，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電磁感應電流退火工藝焊接某高硅鋼種時，可以獲得無缺陷、性能較為優良的焊縫。

通過改進TMEIC激光焊機焊后退火工藝，在焊接某高硅鋼種時焊縫質量取得了一定的突破，但是，焊接質量還有待進一步改善。

(1)對焊機的設備精度進行檢測和恢復，尤其是工作頭的運行精度、拼縫精度和剪切精度需恢復到工藝要求的范圍。

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

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