蘆洪波 余 磊 陳 俊 劉 軍 夏思明

(武漢凱奇冶金焊接設(shè)備制造有限責(zé)任公司 湖北 武漢:430040)

HiB鋼即高磁感取向硅鋼是電工鋼的一種,因其具有單一方向良好的磁性能而被廣泛應(yīng)用于電工、電子以及國(guó)防軍工領(lǐng)域[1]。其冷軋生產(chǎn)時(shí),為了保持熱軋卷開(kāi)卷-酸洗-冷軋整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程連續(xù),需要在酸洗前將熱軋鋼帶首、尾焊接在一起,一般稱為冷軋穿帶焊接。由于激光焊接技術(shù)比傳統(tǒng)MIG焊、電阻焊、搭接焊有更多優(yōu)勢(shì)[2-3],正成為冷軋穿帶焊接的主要發(fā)展方向。硅鋼帶焊后在線運(yùn)行時(shí),需要經(jīng)過(guò)20多次“S”型反復(fù)彎曲變形,并承受一定的運(yùn)行張力,因此對(duì)焊接接頭的彎曲塑性有較高的要求。但由于HiB鋼的硅含量較高,焊后焊縫較脆,焊縫在通過(guò)拉矯機(jī)和軋機(jī)時(shí)容易斷裂,嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率。本文針對(duì)某大型鋼鐵公司使用武漢凱奇公司開(kāi)發(fā)的穿帶激光焊接設(shè)備焊接時(shí)碰到的問(wèn)題,開(kāi)展了HiB鋼帶高功率光纖激光焊接試驗(yàn),研究了填絲材料和填充速度對(duì)焊縫性能的影響,探討了提高焊縫性能的工藝方法。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

武漢凱奇公司生產(chǎn)的穿帶激光焊接機(jī)組,配備IPG5000光纖激光器,采用精剪進(jìn)行板邊處理,預(yù)熱處理裝置和后熱處理裝置與焊接頭隨動(dòng)。表1所示為激光器技術(shù)參數(shù)。最大激光功率5000W,焊接速度6m/min,預(yù)熱功率30kW,后熱功率30kW,送絲速度12m/min。

表1 IPG5000光纖激光器技術(shù)數(shù)據(jù)

1.2 試驗(yàn)材料

板厚為2.4mm的HiB鋼,化學(xué)成分如表2所示,熱軋態(tài)金相組織為鐵素體+珠光體,如圖1所示。

表2 熱軋態(tài)HiB鋼化學(xué)成分(wt.%)

圖1 熱軋態(tài)HiB鋼金相組織

1.3 試驗(yàn)方法

采用精剪下料,氦氣保護(hù)焊縫,通過(guò)改變填絲材料和速度進(jìn)行焊接,采用杯突、金相、顯微硬度檢測(cè)和分析焊縫力學(xué)性能。焊接填絲材料選用常用的氣保焊絲50C-6和307Si,直徑φ1.0mm,化學(xué)成分分別如表3和表4所示。

表3 焊絲50C-6化學(xué)成分(wt.%)

表4 焊絲307Si化學(xué)成分(wt.%)

1.4 焊縫檢測(cè)方法

采用杯突試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)冷軋穿帶焊縫性能,杯突檢測(cè)時(shí)焊縫處斷裂,焊縫質(zhì)量不合格;平行焊縫的位置斷裂,說(shuō)明焊縫質(zhì)量基本合格;在垂直焊縫的方向斷裂,說(shuō)明焊縫的質(zhì)量是完全合格的,判定標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

圖2 焊縫杯突檢測(cè)判定標(biāo)準(zhǔn)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表5為激光功率5000W、焊接速度3m/min時(shí)填絲材料和填絲速度對(duì)激光焊縫杯突的影響。由表5可見(jiàn)在激光焊接速度為3m/min時(shí),不填充焊絲時(shí)杯突檢測(cè)沿熔合區(qū)開(kāi)裂,焊縫不合格。當(dāng)采用填絲50C-6時(shí),填絲速度分別為1.5m/min和4m/min,焊縫杯突檢測(cè)都垂直焊縫開(kāi)裂,杯突都合格,焊縫杯突值分別為7.5mm和9mm,這說(shuō)明填絲速度4m/min時(shí)焊縫杯凸性能優(yōu)于填絲速度1.5m/min時(shí)的焊縫杯突性能。當(dāng)采用填絲307Si時(shí),填絲速度為1.5m/min的焊縫杯突檢測(cè)垂直焊縫開(kāi)裂,杯突合格;填絲速度為4m/min的焊縫杯突檢測(cè)沿焊縫開(kāi)裂,杯突不合格。

表5 焊后熱處理和填絲對(duì)焊縫杯突的影響

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表6所示為填絲材料和填絲速度對(duì)焊縫組織的影響,圖3所示為填絲材料和填絲速度對(duì)焊縫顯微硬度分布的影響。由表6可見(jiàn)在沒(méi)有填絲時(shí)熔合區(qū)組織為晶粒粗大的鐵素體加滲碳體,焊縫區(qū)到母材的硬度分布較為均勻,因粗大的鐵素體組織韌性較差,導(dǎo)致杯凸不合格。

表6 填絲材料和填絲速度對(duì)焊縫組織的影響

圖3 填絲對(duì)焊縫顯微硬度分布的影響

當(dāng)采用填絲50C-6時(shí),兩種填絲速度的焊縫區(qū)到母材硬度分布都較為均勻,而且與不填絲的硬度分布一致。當(dāng)填絲速度1.5m/min時(shí),熔合區(qū)組織為鐵素體+滲碳體+少量貝氏體,鐵素體晶粒比不填絲更細(xì),且晶界分布有少量貝氏體,因此焊縫韌性提高,杯凸合格。當(dāng)填絲速度為4m/min時(shí),熔合區(qū)組織為鐵素體+貝氏體,因在鐵素體晶界分布有大量的細(xì)小的貝氏體組織,韌性進(jìn)一步提高,杯凸性能更好。

當(dāng)采用填絲307Si時(shí),兩種填絲速度的焊縫熔合區(qū)都為馬氏體組織,熔合區(qū)硬度明顯高于母材,也明顯高于填絲50C-6的焊縫硬度,且填絲速度4m/min的焊縫硬度高于填絲速度1.5m/min的焊縫。還可以看到當(dāng)填絲307Si的速度為4m/min時(shí),熔合區(qū)里有三處微裂紋,如表6中A區(qū)所示,這是因?yàn)樘罱z307Si中含有8.57%的鎳,鎳是促進(jìn)熱裂紋敏感性很高的元素,其強(qiáng)烈穩(wěn)定γ相,降低硫的溶解度,又由于激光焊接速度較快,焊縫冷卻速度大,硫等雜質(zhì)極易在焊縫中產(chǎn)生偏析,形成的NiS或NiS-Ni熔點(diǎn)很低(分別為920℃和645℃)有利于形成熱裂紋[4]。當(dāng)填絲速度為1.5m/min時(shí),填充材料少,形成的低熔點(diǎn)物質(zhì)不多,且馬氏體硬度不足夠高,不足以產(chǎn)生裂紋;當(dāng)填絲速度達(dá)到4m/min時(shí),填充材料多,形成的低熔點(diǎn)物質(zhì)較多,且馬氏體硬度較高,導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋,焊縫杯突不合格。

3 結(jié)論

采用高功率光纖激光器開(kāi)展了熱軋態(tài)HiB鋼帶激光焊接試驗(yàn),研究了填絲成分和填絲速度對(duì)焊縫杯突性能的影響,探討了提高焊縫性能的工藝方法,結(jié)果表明:

(1)熱軋態(tài)HiB鋼帶的激光焊縫杯突性能不合格,不能滿足穿帶要求;當(dāng)激光焊接速度為3m/min時(shí),填絲50C-6的速度≥1.5m/min時(shí)焊縫杯突合格;填絲307Si的速度為1.5m/min時(shí)焊縫杯突合格,為4m/min時(shí)焊縫杯突不合格。

(2)當(dāng)填絲307Si速度較大時(shí),焊縫中的馬氏體組織硬度升高,且鎳的含量增加,形成較多的低熔點(diǎn)NiS或NiS-N易于產(chǎn)生熱裂紋,導(dǎo)致杯突不合格。