硅钢带激光焊接工艺实验研究

赵勇

(马钢股份有限公司第四钢轧厂，安徽马鞍山243000)

硅钢带激光焊接工艺实验研究

赵勇

(马钢股份有限公司第四钢轧厂，安徽马鞍山243000)

采用CO2激光焊接器对硅含量较高的硅钢带进行激光焊接工艺实验，研究线能量及焊接前后热处理加热功率对硅钢带焊接接头组织和硬度的影响。结果表明，一定范围内，随着线能量的增加或焊接前后热处理加热功率的提高，硅钢焊缝组织中的条状铁素体逐渐变成块状，M-A组元减少，同时，焊缝到母材的硬度梯度也逐渐降低。经多次实验，最终确定最佳焊接工艺为4 500 mm∙min-1×10.8 kW×26 kW×32 kW，其焊缝满足硅钢带后续的轧制要求。

硅钢带；激光焊接；冷轧

激光焊接技术以高能量密度的激光束作为热源，是一种比较先进焊接方法，应用广泛[1-2]。激光焊机不仅焊接速度快、效率高，而且焊缝质量好[3]，因此在实际冷轧生产过程中，普通碳钢带钢采用激光焊接技术。目前，国内外学者对有关激光焊接技术进行了大量研究，如Chan等[4]采用脉冲激光对不同厚度的同种材质冷轧钢板进行对焊试验，结果表明随着厚度比率的增加，拼焊板的成型性能下降；Chung等[5]研究了保护气体的种类对汽车用低碳钢CO2激光拼焊性能的影响，结果表明He或50%Ar+50%N2(体积分数)是最好的保护气体；Kusuda等[6]认为，拼焊焊缝附近的冲压成形性能与材料的成分、强度比率和厚度比率有关。但有关激光焊接技术应用在硅含量较高的硅钢带中的研究报道相对较少。

对于硅钢，硅含量对其焊接性影响较大，特别是硅含量较高时，对焊接性影响更大；另外，激光焊接热源集中在硅钢带接头部位，其热变形虽小，但温度梯度大，会使得焊接残余应力过大[7]。在冷轧过程中，常常在激光焊接热轧硅钢卷的焊缝处发生断带，严重影响生产效率，因此硅钢带的激光焊接工艺必须严格控制[8-9]。为了解决热轧硅钢卷在焊缝处的断带问题，以MBRW060006硅钢热轧板为实验材料，进行激光焊接工艺实验研究，为硅钢带的连续生产提供有效的参考依据。

1 实 验

1.1 实验原料与装置

原料为马钢生产的MBRW060006硅钢热轧板，化学成分(质量分数，%)C 0.002，Si 2.1，Mn 0.31,P 0.009，S 0.003，V 0.004，Ti 0.002。焊接实验装置为德国Miebach公司生产的HSL 21型热轧宽带钢激光焊机，其工作原理如图1。

1.2 实验方法

使用激光焊机对MBRW060006硅钢热轧带钢板进行激光焊接。焊接过程中，采用体积分数为99.996%氦气保护，吹气角度为30°位置不变。焊接前后，采用加热装置对焊接接头进行预热、退火处理。

激光焊接工艺参数如表1。焊接完成后，将焊接接头制成金相试样，分别在JEOL JSM-6490LV型扫描电子显微镜和Olympus BX5金相显微镜下进行观察分析，并对焊缝微区进行能谱分析，确定微区组织成分。利用HV-1000型维氏显微硬度计，测量不同激光焊接工艺参数下焊接接头的显微硬度。

表1 激光焊接工艺参数Tab.1 Process parameters of laser welding

2 实验结果与分析

2.1 焊接工艺参数对焊缝组织的影响

图2为1#试样的焊缝组织形貌及线扫描能谱分析结果。由图2(a)可知：焊缝组织主要由铁素体和贝氏体组成，并且焊缝组织以焊缝两边的热影响区为形核质点，向焊缝内部生长，使得焊缝中心出现了1条明显的分界线；同时，焊缝内部有裂纹出现，这主要是因为热影响区的残余应力最大，且硅钢中的硅含量较高，主要以固溶的形式存在，激光焊接前后热处理加热功率不足，进一步使热影响区残余应力增大，从而可能形成裂纹源，造成裂纹的产生。结合图2(b)可知，沿着垂直晶界的方向进行线扫描能谱分析，结果显示，Fe元素分布均匀，而P元素在焊缝组织晶界上出现聚集现象。当P含量过高时，特别是C含量很低的情况下，会增加金属的冷脆性，P在固态铁中的溶解度很低，且P和Fe易形成低熔点共晶，分布在晶界，减弱了晶粒间的结合力，其本身又是硬脆响，从而易造成沿晶断裂[10]。综合以上分析，裂纹源既有可能在焊接热影响区产生，也有可能出现在焊缝组织的晶界上。

针对1#试样出现的缺陷，从两方面来优化实验参数：增大前后热处理感应线圈的加热功率，降低焊接冷却速度；焊接功率不变，降低焊接速度，增加线能量，增大带钢焊接变形，使部分残余应力释放，从而降低焊接接头的残余应力。2种优化实验的参数如表1，分别为2#，3#试样，所获得的试样焊缝组织如图3。从图3可以看出；裂纹缺陷均得到消除，2#试样焊缝组织主要含条状铁素体和粒状贝氏体，同时局部区域出现少量的上贝氏体和M-A组元，这会降低焊接接头的塑韧性，增加其脆化倾向[11]；当线能量增加时，3#试样焊缝组织中铁素体变为块状，M-A组元减少，组织得到进一步改善。由此表明，在激光焊接过程中，一定范围内，适当提高焊接前后热处理加热功率和线能量，既可降低焊缝冷却速度，又可改善焊缝组织，从而降低焊接接头的残余应力，提高焊接接头的冲击韧性，保证了硅钢热轧钢卷在后续的冷轧生产中，不出现轧制断带现象，提高生产效率。

2.2 不同工艺参数下焊接接头硬度的比较分析

图4为试样焊接接头不同区域硬度测定结果。从图4可以看出：1#试样焊缝与母材硬度相差最大，差值为66.5 HV；而3#试样焊缝与母材硬度相差最小，差值为23 HV，这说明在一定范围内，随着线能量的增加或前后热处理加热功率的提高，焊缝硬度降低，从焊缝到母材的硬度梯度也降低。对于冷轧生产线，硬度梯度过高，会造成焊趾焊根处应力集中，影响焊缝的轧制。因此，线能量或前后热处理加热功率的提高，将有利于焊缝质量的改善，降低焊趾焊根处的应力，从而可以避免轧制过程中在焊缝处断裂。最终确定3#试样的激光焊接工艺参数为最佳焊接工艺参数，即4 500 mm·min-1×10.8 kW×26 kW ×32 kW，能满足硅钢带后续的轧制要求。

3 结 论

在冷轧过程中硅钢带经常在焊缝处发生断带，以MBRW060006硅钢热轧板为焊接材料，采取2种优化方案，进行激光焊接工艺实验研究，得出以下结论：

1)在一定范围内，适当提高线能量或焊接前后热处理加热功率，硅钢焊缝组织中条状铁素体逐渐变成块状，M-A组元也逐渐减少，该组织可提高焊缝韧性，降低焊缝过轧机的断裂概率；

2)随着线能量的增加或焊接前后热处理加热功率的提高，激光焊接焊缝硬度降低，焊缝到母材的硬度梯度也降低。对于冷轧生产线，硬度梯度的下降可避免焊趾焊根处的应力集中，有利于焊缝过轧机；

3)比较2#和3#试样的优化方案，确定最佳焊接工艺为4 500 mm·min-1×10.8 kW×26 kW×32 kW。

[1]石岩，张宏，渡部武弘，等.连续-脉冲双激光束焊接钢-铝合金[J].中国激光，2010,37(4):1132-1137.

[2]王锦军.激光焊接在钣金制造中的应用及优化[J].热加工工艺，2013(12):19-21.

[3]吴晓红.碳钢连续-脉冲激光焊接工艺对比实验研究[J].应用激光，2014,34(1):5-61.

[4]Chan S M,Chan L C,Lee T C.Tailor-welded blanks of different thickness ratios effects on forming limit diagrams[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,132(1/3):95-101.

[5]Chung B G,Rhee S,Lee C H.The effect of shielding gas types on CO2laser tailored blank weldability of low carbon automotive galvanized steel[J].Materials Science and Engineering,1999,272(2):357-362.

[6]Kusuda H,Takasago T,Natsumi F.Formability of tailored blanks[J].Journal of Materials Processing Technology,1997,71(1): 134-140.

[7]丁林，周永涛，李明喜.T型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟[J].安徽工业大学学报：自然科学版，2007,24(4): 384-388.

[8]张旭光，王忍德，陈仕学.高硅不锈钢焊接试验初探[J].云南化工，2009,36(6):66-67.

[9]于维学.硅对热轧变形钢筋强度贡献及其对焊接性影响[J].河北冶金，1989(6):21-25.

[10]魏志刚，杨树林，孙稚茄，等.磷对GH76合金固溶水淬组织屈服强度的影响[J].材料研究学报，2007,21(42):131-134.

[11]王爱华，彭云，肖红军，等.690 MPa级HSLA钢焊缝金属的显微组织与冲击韧性[J].焊接学报，2013,34(4):7-10.

责任编辑：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

赵勇(1981-)，男，贵州金沙人，工程师，主要从事冷轧生产工艺及技术研究。

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