取向硅鋼（CGO）焊縫質(zhì)量優(yōu)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(shí)變形抗力大，易斷帶，多采用二十輥軋機(jī)軋制，但日本川崎首次開發(fā)出冷連軋方法生產(chǎn)[1]。為了滿足國內(nèi)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(jī)組生產(chǎn)取向硅鋼（CGO），在連續(xù)生產(chǎn)中，焊縫經(jīng)過酸洗、軋制需承受很高的拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和軋制力，焊縫斷帶率高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。針對(duì)取向硅鋼及激光焊機(jī)的特殊性，太鋼1450酸連軋機(jī)組通過對(duì)設(shè)備改進(jìn)、焊接工藝以及軋制工藝調(diào)整，解決了焊縫斷帶問題。

1 取向硅鋼（CGO）焊接特點(diǎn)及斷帶原因分析

太鋼1450酸連軋機(jī)組采用米巴赫HCSLH 14型焊機(jī)，激光功率6 kW,采用氦氣做為保護(hù)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(diǎn)[2，3],但激光焊接對(duì)工藝要求特別嚴(yán)格，特別是焊縫滲透性、焊絲填充匹配及熱處理溫度等參數(shù)。取向硅鋼(CGO)由于Si含量高，Si對(duì)α-Fe具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，使取向硅鋼硬度、強(qiáng)度增加，塑形、韌性下降[1]；同時(shí)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(qū)域應(yīng)力增大，易開裂，塑形差，必須進(jìn)行焊后退火處理。

焊縫斷帶一般是由于焊接質(zhì)量不良，焊縫通過軋機(jī)時(shí)在大張力及軋制力下，在三輥張緊處或軋機(jī)機(jī)架內(nèi)沿著焊縫發(fā)生低速斷裂，斷口平直，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，斷帶原因主要有以下幾個(gè)方面：

1）焊接工藝不當(dāng)。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(gè)方面，參數(shù)選用不當(dāng)時(shí)會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致焊縫處材料力學(xué)性能差，通過軋機(jī)進(jìn)行大延伸變形時(shí)，容易發(fā)生斷帶。

2）焊縫過軋機(jī)時(shí)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(shí)彎輥、竄輥的參數(shù)設(shè)置，當(dāng)參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)，焊縫斷帶率會(huì)升高。

2 焊接工藝改進(jìn)試驗(yàn)

酸連軋全線經(jīng)過6組張力輥，8組糾偏輥，焊縫經(jīng)過38次反復(fù)彎曲，焊縫韌性至關(guān)重要。通過反復(fù)彎曲可以檢測焊縫韌性[4]，因此將正、反兩面打杯突試驗(yàn)（均勻分布5點(diǎn)，計(jì)算不合格點(diǎn)如圖1）焊縫開裂點(diǎn)數(shù)以及取邊部月牙試樣進(jìn)行90°彎曲次數(shù)做為評(píng)價(jià)焊縫質(zhì)量的主要指標(biāo)。從焊接工藝方面看，影響焊縫質(zhì)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(yàn)主要通過對(duì)上述因素進(jìn)行分析論證，選取最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。

圖1 杯凸試驗(yàn)焊縫質(zhì)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(gè)方面，本次試驗(yàn)使用5 mm厚鋼板進(jìn)行不同焦距值及焊接速度試驗(yàn)，試驗(yàn)后測量切斷面焊縫滲透深度。

試驗(yàn)結(jié)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(shí)，焊縫過渡熔化。激光焦距對(duì)于焊縫滲透深度的影響則呈現(xiàn)拋物線趨勢，在-5 mm時(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，焊絲采用ER 70S，焊絲直徑0.8 mm。

焊絲速度主要根據(jù)焊接間隙量進(jìn)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(jù)焊接過程物質(zhì)平衡可計(jì)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(shù)（0.9～1.1）。

本次試驗(yàn)采取試驗(yàn)方案如表1所示，焊接速度采用焊縫滲透性試驗(yàn)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(yù)加熱(前加熱)與退火(后加熱)均采用感應(yīng)加熱,功率為10 kW，分別按照不同填充系數(shù)進(jìn)行焊絲填充。試驗(yàn)結(jié)果（圖3所示）表明，選焊絲填充速度4.1 m/min，杯凸不合點(diǎn)最少，抗彎曲能力最強(qiáng)。

表1 試驗(yàn)方案

圖3 焊絲速度與焊縫質(zhì)量關(guān)系

2.3 焊縫熱處理影響

針對(duì)焊縫溫度變化大的特點(diǎn)，米巴赫焊機(jī)在焊接前后分別有一套加熱系統(tǒng)，焊接預(yù)熱可減緩焊后的冷卻速度，降低焊接應(yīng)力及焊接應(yīng)變速率，減少焊縫及熱影響區(qū)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(yīng)力同時(shí)可對(duì)焊縫進(jìn)行退火，提高焊接接頭的塑性、韌性。本試驗(yàn)針對(duì)取向硅鋼，采用表3內(nèi)前后加熱參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)（其他焊接工藝參數(shù)與試樣D組一致），從結(jié)果可看出，預(yù)加熱(前加熱)與退火(后加熱)均采用感應(yīng)加熱,功率分別為10 kW、15 kW時(shí)，焊縫質(zhì)量最佳。

表2 熱處理工藝對(duì)焊接質(zhì)量影響

3 取向硅鋼焊縫軋制優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 三輥張緊輥改造

焊縫到達(dá)軋機(jī)時(shí)，經(jīng)過三輥張緊輥裝置（圖4所示），后進(jìn)入軋機(jī)進(jìn)行軋制，該設(shè)備主要起穩(wěn)定軋機(jī)前張力作用，但由于壓下量巨大，焊縫彎曲度大，導(dǎo)致焊縫進(jìn)入軋機(jī)機(jī)架前產(chǎn)生彎曲裂紋，進(jìn)入軋機(jī)軋制后造成斷帶。因此通過設(shè)備改造，添加上輥移動(dòng)及限位信號(hào)，減少上輥壓下量（壓下量由200mm降低為80mm），在穩(wěn)定張力的同時(shí)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(jī)過焊縫模式改進(jìn)

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(jī)時(shí)軋制不穩(wěn)定，軋制力及張力波動(dòng)幅度較大。結(jié)合焊縫特性，一方面應(yīng)減少焊縫區(qū)域所承受的負(fù)載，另一方面需降低焊縫兩個(gè)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(diào)整軋制模型（過焊縫時(shí)，機(jī)架彎輥力減半），減少了焊縫過軋機(jī)時(shí)整體承受的軋制壓力及邊部張力，降低焊縫斷帶風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1）焊縫滲透深度隨焊接速度提高而降低，焦距值-5 mm時(shí)，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(zhì)量最好。

3）通過三輥張緊輥改造及軋機(jī)過焊縫模式改進(jìn)，有效提高取向硅鋼焊縫通過率。