固體激光電弧復合焊機硅鋼焊縫斷帶的原因和改善措施

王 浩，楊 斌，龐 建

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

前言

硅鋼一般指是含硅量在0.3%～5%的超低碳鋼板。加硅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[1]。其深加工產品主要用于發電、輸變電、電機、電子和家電業，是電力和電訊工業用以制造發電機、電動機、變壓器、繼電器、互感器以及其它電器儀表的重要磁性材料。用性能良好的硅鋼片制作變壓器、電機的鐵芯，不僅能節省能源、減少鐵損，而且還能減小噪聲污染。

冷軋硅鋼主要分無取向硅鋼和取向硅鋼，隨著節能減排、高效環保產品的深度應用，無取向硅鋼市場需求在大幅增加[2]。處理線通過焊機焊接帶鋼保障機組連續生產，焊縫性能的穩定可靠尤為關鍵。在此背景下，主要針對無取向硅鋼的激光焊縫性能的改善進行了研究。

1 激光焊接工藝

無取向硅鋼是一種焊接性能差的鋼種，其是含硅量在0.3%～3.5%的超低碳鋼，其中的Si元素對α-Fe 具有強烈的固溶強化作用，使硅鋼的硬度、強度增加，塑性、韌性下降[3]。硅鋼在焊接中體現了極差的焊接性能，含硅量越高，焊接性能越差，一些大型鋼廠探索使用激光焊機。

激光焊屬于一種深熔焊，通過激光的高能量光束快速的在鋼板表面融化出小孔，隨著小孔的移動，從而形成一道焊縫[4]。見圖1。激光焊的優點主要有：第一，與常規焊接技術相比，激光焊接能量集中，工作區能量密度高，可實現高速焊接；第二，焊接區升溫和冷卻速度快，使得激光焊工件與母材的力學性能幾乎相同，其接頭拉伸強度可以等于甚至高于母材；第三，激光深熔焊的能量效率高，因此熱輸入量小，深寬比大，從而熱影響區小，工件收縮和變形較小，焊道窄而且表面質量好[5]。激光焊雖然有上述優點，但也有其局限性，在應用于一些焊接性能差的鋼板時，如高碳、高硅等鋼種，純激光焊就難以勝任，此時一般需要加入焊絲來焊接。

圖1 純激光焊接

激光焊加焊絲的方法主要有兩種：激光填絲焊和激光電弧復合焊。激光填絲焊就是在激光焊接過程中，由激光將帶鋼和焊絲同時融化，焊絲再融入焊縫中，從而改善焊縫區域的組織成分，提高焊縫韌性。見圖2。

圖2 激光填絲焊接

激光電弧復合焊則是激光焊和電弧焊兩種焊接方式結合在一起，電弧焊槍和激光頭形成一定角度[6]，焊接時激光能量可保證形成較深焊縫，焊絲由電弧融化在拼縫表面形成較大焊道，其次激光和電弧復合后，電弧對熔池有攪拌作用，更有利于氣體的溢出和合金元素的充分融合，同時復合后還能提高電弧的穩定性，從而可較快地形成一條可靠、飽滿的焊縫。見圖3。

圖3 激光電弧復合焊接

2 設備選型

常見激光焊機有氣體激光（CO2laser）與固體激光（Solid stage laser）兩種技術路線，主要技術經濟指標對比見表1。

表1 氣體激光與固體激光性能比較

綜合考慮投資、日常維護使用與后期應用，固體激光焊機有較強的競爭優勢,采用激光電弧復合焊接技術。該焊機配置IPG 品牌YLS5000型號光纖激光器和FRONIUS 品牌TPS3200 型號電焊機，同時還配置了功率30 kW 的在線預熱裝置和功率30 kW在線退火裝置。

3 斷帶原因分析與改善

該焊機投產初期，斷帶率與重焊率偏高。針對此問題，有針對性地對材料的焊接工藝和設備維護進行了深入的研究。經統計某時間段內，A 材料鋼卷累計斷帶6次，斷帶集中在傳動側，斷帶均發生在機組糾偏輥前后，針對此特征，開展焊縫性能改善研究。

3.1 杯突試驗

為保障焊縫質量穩定性，對生產中每一個焊縫的月牙都需要做簡易性能評價測試。杯突測試是測試焊縫的綜合性能，在生產中最常使用，用以評定焊縫的合格性。杯突試驗的評價標準見圖4。但上述斷帶的鋼卷均已通過了杯突測試。

圖4 杯突試驗的評價標準圖譜

由于A 材料，焊縫脆性比較大。在生產中都要求杯突合格才能放行，一般在生產中熱態焊縫做杯突可以獲得垂直于焊縫的裂紋，類似于圖4（c）裂紋。冷態的A 材料焊縫杯突形態比較接近于圖4（b）裂紋，這兩種均認為是合格焊縫，但是結果生產中斷帶概率仍較高，因此杯突試驗合格不是唯一的簡易判定方法。激光電弧復合焊接過程的熔滴過渡、熔滴形態、等離子體，有害氣體的逃逸對焊接接頭的質量有重要影響[7]。我們增加了折彎測試，測試中發現操作側月牙折彎全部合格，但是傳動側月牙卻經常折斷，不合格比例較大，這個測試結果與實際斷帶情況也不是很吻合。但由于折彎測試的不合格，說明焊接工藝控制存在優化空間。

3.2 折彎試驗

試驗對象A材料。原機組參數見表2。

表2 斷帶材料原預設參數

試驗原則是每次只變動1 個參數，焊接完成做折彎試驗。我們將焊縫切成多段，每段長度在100～150 mm。為了提高檢測的機組運行狀態一致性，均為等待焊縫冷卻以后才進行測試。通過對每一段焊縫的進行折彎測試，以檢測工藝是否合適。

經過交叉組比對測試，發現如下規律：(1)無論參數如何變化，除了最邊部2塊焊縫以外，中間焊縫從來都沒有折斷；(2)傳動側焊縫折斷的比例將近90%，操作側焊縫折斷的比例比例將近10%；操作側焊縫折斷只發生在給定的預熱退火功率較低的工況下。而且也是有低概率發生；（3）從大量的焊接試驗對比還是可以看出來低速時焊縫的質量最好。

表3 交叉對比組試驗參數

說明通過焊接工作參數的優化，并沒有完全解決傳動側月牙折彎不合格的問題。但是從對比焊縫的情況看，傳動側月牙檢驗不合格，應該是比較特殊的情況，并不完全代表整體焊縫質量不佳。如果假定整體焊縫不佳，那么中間的焊縫一定會有折斷的概率，從100多個焊縫試驗評價，得出中間焊縫的折彎合格率為100%。

3.3 對局部進行形貌分析

分辨焊縫，發現焊縫傳動側收弧的位置有一端箭頭狀的收尾焊縫，見圖5。認為此處是缺陷產生點，A材料的裂紋延展性強，因此做折彎測試時會先發生開裂，從而將整個焊縫撕裂開。根據上述發現，將邊部弧坑位置切除，再繼續做折彎。中間取樣的焊縫折彎完全合格，見圖6。確定斷裂一般只發生在最邊部弧坑區域，其余所有的焊縫都已經合格，所以引發焊接接頭失效的根本原因是箭（鏃）狀弧坑。

圖5 傳動側邊部形貌（折彎后）

圖6 中部取樣折彎合格

弧坑應該是純激光收尾形成的，由于固態激光光斑直徑小，高能量通過時產生局部材料飛濺，造成物質損失。飛濺容易進入光束中阻擋束能量，也易于污染聚焦鏡，故而導致聚焦特性改變和焊接能量損失等[8]，飛濺的特性能夠反映出熔池波動和焊接過程穩定性[9]。從機理出發探尋改善方式源自焊接控制的時序，通過優化焊接激光和電弧的配合邏輯，保證帶鋼收尾的焊縫是激光電弧復合長度，見圖7。

圖7 焊接時序優化后的焊縫邊部形貌

3.4 其他因素

電弧復合焊的導電嘴出絲孔的磨損程度和保護鏡片的干凈程度也影響焊接質量。通過更換保護鏡片和導電嘴，保證穩定的保護氣體流量，能極大地提高焊接質量，提高使用壽命。在激光束方向產生的大體積金屬蒸汽會降低光能轉換效率并導致散焦[10]，準直聚焦鏡組的污染及表面被激光破壞產生暗斑，導致焊縫不能焊透。因此應摸索完善周期清洗制度。

4 實施效果

經過近半年的摸索，將上述措施逐一落實，A材料的焊縫斷帶率明顯降低，降至“零缺陷”，不僅節約了事故處置成本，同時也實現了生產運行的“本質安全”。

5 結論

（1）只要有合適的輸入熱量，焊縫邊部及中間區域焊縫質量基本一致。降低焊接速度，可以獲得更好的焊接質量。工藝參數并不是焊縫折斷判定不合格的主要原因。

（2）固體激光不需要使用氦氣，日常使用費比常規CO2氣體激光焊機低。保護氣流量要求高，局部的波動會產生危害較大的焊縫氣孔缺陷。

（3）通過工藝調整結合設備維護，A材料的焊縫斷帶實現了“零缺陷”。