趙勇

(馬鋼股份有限公司第四鋼軋廠，安徽馬鞍山243000)

硅鋼帶激光焊接工藝實(shí)驗(yàn)研究

趙勇

(馬鋼股份有限公司第四鋼軋廠，安徽馬鞍山243000)

采用CO2激光焊接器對(duì)硅含量較高的硅鋼帶進(jìn)行激光焊接工藝實(shí)驗(yàn)，研究線能量及焊接前后熱處理加熱功率對(duì)硅鋼帶焊接接頭組織和硬度的影響。結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)，隨著線能量的增加或焊接前后熱處理加熱功率的提高，硅鋼焊縫組織中的條狀鐵素體逐漸變成塊狀，M-A組元減少，同時(shí)，焊縫到母材的硬度梯度也逐漸降低。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，最終確定最佳焊接工藝為4 500 mm?min-1×10.8 kW×26 kW×32 kW，其焊縫滿足硅鋼帶后續(xù)的軋制要求。

硅鋼帶；激光焊接；冷軋

激光焊接技術(shù)以高能量密度的激光束作為熱源，是一種比較先進(jìn)焊接方法，應(yīng)用廣泛[1-2]。激光焊機(jī)不僅焊接速度快、效率高，而且焊縫質(zhì)量好[3]，因此在實(shí)際冷軋生產(chǎn)過(guò)程中，普通碳鋼帶鋼采用激光焊接技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)有關(guān)激光焊接技術(shù)進(jìn)行了大量研究，如Chan等[4]采用脈沖激光對(duì)不同厚度的同種材質(zhì)冷軋鋼板進(jìn)行對(duì)焊試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著厚度比率的增加，拼焊板的成型性能下降；Chung等[5]研究了保護(hù)氣體的種類對(duì)汽車用低碳鋼CO2激光拼焊性能的影響，結(jié)果表明He或50%Ar+50%N2(體積分?jǐn)?shù))是最好的保護(hù)氣體；Kusuda等[6]認(rèn)為，拼焊焊縫附近的沖壓成形性能與材料的成分、強(qiáng)度比率和厚度比率有關(guān)。但有關(guān)激光焊接技術(shù)應(yīng)用在硅含量較高的硅鋼帶中的研究報(bào)道相對(duì)較少。

對(duì)于硅鋼，硅含量對(duì)其焊接性影響較大，特別是硅含量較高時(shí)，對(duì)焊接性影響更大；另外，激光焊接熱源集中在硅鋼帶接頭部位，其熱變形雖小，但溫度梯度大，會(huì)使得焊接殘余應(yīng)力過(guò)大[7]。在冷軋過(guò)程中，常常在激光焊接熱軋硅鋼卷的焊縫處發(fā)生斷帶，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，因此硅鋼帶的激光焊接工藝必須嚴(yán)格控制[8-9]。為了解決熱軋硅鋼卷在焊縫處的斷帶問題，以MBRW060006硅鋼熱軋板為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行激光焊接工藝實(shí)驗(yàn)研究，為硅鋼帶的連續(xù)生產(chǎn)提供有效的參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與裝置

原料為馬鋼生產(chǎn)的MBRW060006硅鋼熱軋板，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)C 0.002，Si 2.1，Mn 0.31,P 0.009，S 0.003，V 0.004，Ti 0.002。焊接實(shí)驗(yàn)裝置為德國(guó)Miebach公司生產(chǎn)的HSL 21型熱軋寬帶鋼激光焊機(jī)，其工作原理如圖1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用激光焊機(jī)對(duì)MBRW060006硅鋼熱軋帶鋼板進(jìn)行激光焊接。焊接過(guò)程中，采用體積分?jǐn)?shù)為99.996%氦氣保護(hù)，吹氣角度為30°位置不變。焊接前后，采用加熱裝置對(duì)焊接接頭進(jìn)行預(yù)熱、退火處理。

激光焊接工藝參數(shù)如表1。焊接完成后，將焊接接頭制成金相試樣，分別在JEOL JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡和Olympus BX5金相顯微鏡下進(jìn)行觀察分析，并對(duì)焊縫微區(qū)進(jìn)行能譜分析，確定微區(qū)組織成分。利用HV-1000型維氏顯微硬度計(jì)，測(cè)量不同激光焊接工藝參數(shù)下焊接接頭的顯微硬度。

表1 激光焊接工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of laser welding

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫組織的影響

圖2為1#試樣的焊縫組織形貌及線掃描能譜分析結(jié)果。由圖2(a)可知：焊縫組織主要由鐵素體和貝氏體組成，并且焊縫組織以焊縫兩邊的熱影響區(qū)為形核質(zhì)點(diǎn)，向焊縫內(nèi)部生長(zhǎng)，使得焊縫中心出現(xiàn)了1條明顯的分界線；同時(shí)，焊縫內(nèi)部有裂紋出現(xiàn)，這主要是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的殘余應(yīng)力最大，且硅鋼中的硅含量較高，主要以固溶的形式存在，激光焊接前后熱處理加熱功率不足，進(jìn)一步使熱影響區(qū)殘余應(yīng)力增大，從而可能形成裂紋源，造成裂紋的產(chǎn)生。結(jié)合圖2(b)可知，沿著垂直晶界的方向進(jìn)行線掃描能譜分析，結(jié)果顯示，F(xiàn)e元素分布均勻，而P元素在焊縫組織晶界上出現(xiàn)聚集現(xiàn)象。當(dāng)P含量過(guò)高時(shí)，特別是C含量很低的情況下，會(huì)增加金屬的冷脆性，P在固態(tài)鐵中的溶解度很低，且P和Fe易形成低熔點(diǎn)共晶，分布在晶界，減弱了晶粒間的結(jié)合力，其本身又是硬脆響，從而易造成沿晶斷裂[10]。綜合以上分析，裂紋源既有可能在焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生，也有可能出現(xiàn)在焊縫組織的晶界上。

針對(duì)1#試樣出現(xiàn)的缺陷，從兩方面來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)：增大前后熱處理感應(yīng)線圈的加熱功率，降低焊接冷卻速度；焊接功率不變，降低焊接速度，增加線能量，增大帶鋼焊接變形，使部分殘余應(yīng)力釋放，從而降低焊接接頭的殘余應(yīng)力。2種優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的參數(shù)如表1，分別為2#，3#試樣，所獲得的試樣焊縫組織如圖3。從圖3可以看出；裂紋缺陷均得到消除，2#試樣焊縫組織主要含條狀鐵素體和粒狀貝氏體，同時(shí)局部區(qū)域出現(xiàn)少量的上貝氏體和M-A組元，這會(huì)降低焊接接頭的塑韌性，增加其脆化傾向[11]；當(dāng)線能量增加時(shí)，3#試樣焊縫組織中鐵素體變?yōu)閴K狀，M-A組元減少，組織得到進(jìn)一步改善。由此表明，在激光焊接過(guò)程中，一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高焊接前后熱處理加熱功率和線能量，既可降低焊縫冷卻速度，又可改善焊縫組織，從而降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，提高焊接接頭的沖擊韌性，保證了硅鋼熱軋鋼卷在后續(xù)的冷軋生產(chǎn)中，不出現(xiàn)軋制斷帶現(xiàn)象，提高生產(chǎn)效率。

2.2 不同工藝參數(shù)下焊接接頭硬度的比較分析

圖4為試樣焊接接頭不同區(qū)域硬度測(cè)定結(jié)果。從圖4可以看出：1#試樣焊縫與母材硬度相差最大，差值為66.5 HV；而3#試樣焊縫與母材硬度相差最小，差值為23 HV，這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隨著線能量的增加或前后熱處理加熱功率的提高，焊縫硬度降低，從焊縫到母材的硬度梯度也降低。對(duì)于冷軋生產(chǎn)線，硬度梯度過(guò)高，會(huì)造成焊趾焊根處應(yīng)力集中，影響焊縫的軋制。因此，線能量或前后熱處理加熱功率的提高，將有利于焊縫質(zhì)量的改善，降低焊趾焊根處的應(yīng)力，從而可以避免軋制過(guò)程中在焊縫處斷裂。最終確定3#試樣的激光焊接工藝參數(shù)為最佳焊接工藝參數(shù)，即4 500 mm·min-1×10.8 kW×26 kW ×32 kW，能滿足硅鋼帶后續(xù)的軋制要求。

3 結(jié) 論

在冷軋過(guò)程中硅鋼帶經(jīng)常在焊縫處發(fā)生斷帶，以MBRW060006硅鋼熱軋板為焊接材料，采取2種優(yōu)化方案，進(jìn)行激光焊接工藝實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1)在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高線能量或焊接前后熱處理加熱功率，硅鋼焊縫組織中條狀鐵素體逐漸變成塊狀，M-A組元也逐漸減少，該組織可提高焊縫韌性，降低焊縫過(guò)軋機(jī)的斷裂概率；

2)隨著線能量的增加或焊接前后熱處理加熱功率的提高，激光焊接焊縫硬度降低，焊縫到母材的硬度梯度也降低。對(duì)于冷軋生產(chǎn)線，硬度梯度的下降可避免焊趾焊根處的應(yīng)力集中，有利于焊縫過(guò)軋機(jī)；

3)比較2#和3#試樣的優(yōu)化方案，確定最佳焊接工藝為4 500 mm·min-1×10.8 kW×26 kW×32 kW。

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責(zé)任編輯：何莉

AStudy of Silicon Steel Plates Laser Welding Process

ZHAO Yong
(The Fourth Steel Rolling Plant,Ma'anshan Iron&Steel Co.Ltd.,Ma'anshan 243000,China)

The laser welding test of silicon steel plates with more silicon was implemented with CO2laser welder.The relationship between structure,hardness grandient and line input energy,heating power before and after heat treatment were obtained.The result shows that with the increase of linear energy or heating power before and after heat treatment,the ferrite of silicon steel strip in the weld gradually becomes block from strip,and M-A decreases.At the same time,hardness gradient is also gradually reduced from the weld to the parent metal.After many experiments,it is confirmed that the best welding technology is 4 500 mm?min-1×10.8 kW×26 kW×32 kW and its weld satisfies the rolling requirement of the silicon steel.

silicon steel plates;laser welding;cold rolling

TG456.7

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.02.003

2014-10-17

趙勇(1981-)，男，貴州金沙人，工程師，主要從事冷軋生產(chǎn)工藝及技術(shù)研究。

1671-7872(2015)-02-0109-03