取向硅鋼（CGO）焊縫質量優化

張亞琦

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠， 山西 太原030003）

取向硅鋼硅含量接近3%，冷軋時變形抗力大，易斷帶，多采用二十輥軋機軋制，但日本川崎首次開發出冷連軋方法生產[1]。為了滿足國內市場需求，山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡稱太鋼）首次嘗試在1450酸連軋機組生產取向硅鋼（CGO），在連續生產中，焊縫經過酸洗、軋制需承受很高的拉伸應力、彎曲應力和軋制力，焊縫斷帶率高，嚴重影響生產效率。針對取向硅鋼及激光焊機的特殊性，太鋼1450酸連軋機組通過對設備改進、焊接工藝以及軋制工藝調整，解決了焊縫斷帶問題。

1 取向硅鋼（CGO）焊接特點及斷帶原因分析

太鋼1450酸連軋機組采用米巴赫HCSLH 14型焊機，激光功率6 kW,采用氦氣做為保護氣。激光焊的光束能量密度極高，和其他焊接方法相比，在焊接過程中具有能量密度高、焊接速度快、深寬比大和焊接變形小的特點[2，3],但激光焊接對工藝要求特別嚴格，特別是焊縫滲透性、焊絲填充匹配及熱處理溫度等參數。取向硅鋼(CGO)由于Si含量高，Si對α-Fe具有強烈的固溶強化作用，使取向硅鋼硬度、強度增加，塑形、韌性下降[1]；同時硅鋼本身含碳量少，高溫下主要為鐵素體，激光焊接過程中，由于焊接速度快，熱輸入量大，晶粒長大明顯，在冷卻過程中被保留，使焊縫區域應力增大，易開裂，塑形差，必須進行焊后退火處理。

焊縫斷帶一般是由于焊接質量不良，焊縫通過軋機時在大張力及軋制力下，在三輥張緊處或軋機機架內沿著焊縫發生低速斷裂，斷口平直，根據生產經驗，斷帶原因主要有以下幾個方面：

1）焊接工藝不當。焊接工藝主要包括焊縫滲透性、焊絲填充工藝及熱處理三個方面，參數選用不當時會導致焊縫本身存在多種焊接缺陷，如焊縫焊穿或未焊透、焊縫超厚以及熱處理后晶粒粗大等，導致焊縫處材料力學性能差，通過軋機進行大延伸變形時，容易發生斷帶。

2）焊縫過軋機時軋制工藝不合理。軋制工藝主要包括三輥張緊輥壓下量以及軋制時彎輥、竄輥的參數設置，當參數設置不合理時，焊縫斷帶率會升高。

2 焊接工藝改進試驗

酸連軋全線經過6組張力輥，8組糾偏輥，焊縫經過38次反復彎曲，焊縫韌性至關重要。通過反復彎曲可以檢測焊縫韌性[4]，因此將正、反兩面打杯突試驗（均勻分布5點，計算不合格點如圖1）焊縫開裂點數以及取邊部月牙試樣進行90°彎曲次數做為評價焊縫質量的主要指標。從焊接工藝方面看，影響焊縫質量的主要因素有焊縫滲透程度、焊絲填充工藝及熱處理工藝，本試驗主要通過對上述因素進行分析論證，選取最優焊接工藝參數。

圖1 杯凸試驗焊縫質量合格與不合格圖示

2.1 焊縫滲透性影響

影響焊縫滲透性因素主要為激光焦距位置及焊接速度兩個方面，本次試驗使用5 mm厚鋼板進行不同焦距值及焊接速度試驗，試驗后測量切斷面焊縫滲透深度。

試驗結果表明（如下頁圖2所示），隨著焊接速度的提高，焊縫滲透深度逐漸降低，焊縫寬度變窄，但速度過低時，焊縫過渡熔化。激光焦距對于焊縫滲透深度的影響則呈現拋物線趨勢，在-5 mm時焊縫滲透深度最大。

2.2 焊絲填充工藝影響

采用2.6 mm厚取向硅鋼進行試驗，焊絲采用ER 70S，焊絲直徑0.8 mm。

焊絲速度主要根據焊接間隙量進行確定。研究表明，激光焊接過程中焊絲幾乎100%過渡到焊接熔池中，因此根據焊接過程物質平衡可計算焊絲速度[2]：

式中：b為焊接間隙，mm；h為板厚，mm；v0為焊接速度，m/min；d為焊絲直徑，mm；vf為焊絲速度，m/min；k為填充系數（0.9～1.1）。

本次試驗采取試驗方案如表1所示，焊接速度采用焊縫滲透性試驗中最佳焊接速度3 m/min，焊接間隙采用焊絲直徑的30%（0.25 mm），預加熱(前加熱)與退火(后加熱)均采用感應加熱,功率為10 kW，分別按照不同填充系數進行焊絲填充。試驗結果（圖3所示）表明，選焊絲填充速度4.1 m/min，杯凸不合點最少，抗彎曲能力最強。

表1 試驗方案

圖3 焊絲速度與焊縫質量關系

2.3 焊縫熱處理影響

針對焊縫溫度變化大的特點，米巴赫焊機在焊接前后分別有一套加熱系統，焊接預熱可減緩焊后的冷卻速度，降低焊接應力及焊接應變速率，減少焊縫及熱影響區的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性。焊后加熱在消除焊接應力同時可對焊縫進行退火，提高焊接接頭的塑性、韌性。本試驗針對取向硅鋼，采用表3內前后加熱參數進行試驗（其他焊接工藝參數與試樣D組一致），從結果可看出，預加熱(前加熱)與退火(后加熱)均采用感應加熱,功率分別為10 kW、15 kW時，焊縫質量最佳。

表2 熱處理工藝對焊接質量影響

3 取向硅鋼焊縫軋制優化試驗

3.1 三輥張緊輥改造

焊縫到達軋機時，經過三輥張緊輥裝置（圖4所示），后進入軋機進行軋制，該設備主要起穩定軋機前張力作用，但由于壓下量巨大，焊縫彎曲度大，導致焊縫進入軋機機架前產生彎曲裂紋，進入軋機軋制后造成斷帶。因此通過設備改造，添加上輥移動及限位信號，減少上輥壓下量（壓下量由200mm降低為80mm），在穩定張力的同時減少焊縫在該位置的彎曲度。

圖4 焊縫通過三輥張緊輥示意圖

3.2 軋機過焊縫模式改進

取向硅鋼軋制變形率為75%，焊縫處高出母材約18%，在焊縫過軋機時軋制不穩定，軋制力及張力波動幅度較大。結合焊縫特性，一方面應減少焊縫區域所承受的負載，另一方面需降低焊縫兩個邊部所承受的張力。通過軋制過程中提前抬輥縫的軋制方法以及調整軋制模型（過焊縫時，機架彎輥力減半），減少了焊縫過軋機時整體承受的軋制壓力及邊部張力，降低焊縫斷帶風險。

4 結論

1）焊縫滲透深度隨焊接速度提高而降低，焦距值-5 mm時，焊縫滲透深度最大。

2）選用焊接速度3.0 m/min、焊接間隙0.25 mm、焊絲速度3.9m/min焊絲焊接工藝，前加熱功率10kW、后加熱功率15 kW的熱處理工藝，焊縫質量最好。

3）通過三輥張緊輥改造及軋機過焊縫模式改進，有效提高取向硅鋼焊縫通過率。