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(dǎo)率增高，磁時(shí)效現(xiàn)象減輕[1]。其深加工產(chǎn)品主要用于發(fā)電、輸變電、電機(jī)、電子和家電業(yè)，是電力和電訊工業(yè)用以制造發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、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(jī)的鐵芯，不僅能節(jié)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(wú)取向硅鋼和取向硅鋼，隨著節(jié)能減排、高效環(huán)保產(chǎn)品的深度應(yīng)用，無(wú)取向硅鋼市場(chǎng)需求在大幅增加[2]。處理線通過(guò)焊機(jī)焊接帶鋼保障機(jī)組連續(xù)生產(chǎn)，焊縫性能的穩(wěn)定可靠尤為關(guān)鍵。在此背景下，主要針對(duì)無(wú)取向硅鋼的激光焊縫性能的改善進(jìn)行了研究。

1 激光焊接工藝

無(wú)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(duì)α-Fe 具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，使硅鋼的硬度、強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降[3]。硅鋼在焊接中體現(xiàn)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(jī)。

激光焊屬于一種深熔焊，通過(guò)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(dòng)，從而形成一道焊縫[4]。見(jiàn)圖1。激光焊的優(yōu)點(diǎn)主要有：第一，與常規(guī)焊接技術(shù)相比，激光焊接能量集中，工作區(qū)能量密度高，可實(shí)現(xiàn)高速焊接；第二，焊接區(qū)升溫和冷卻速度快，使得激光焊工件與母材的力學(xué)性能幾乎相同，其接頭拉伸強(qiáng)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(qū)小，工件收縮和變形較小，焊道窄而且表面質(zhì)量好[5]。激光焊雖然有上述優(yōu)點(diǎn)，但也有其局限性，在應(yīng)用于一些焊接性能差的鋼板時(shí)，如高碳、高硅等鋼種，純激光焊就難以勝任，此時(shí)一般需要加入焊絲來(lái)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(fù)合焊。激光填絲焊就是在激光焊接過(guò)程中，由激光將帶鋼和焊絲同時(shí)融化，焊絲再融入焊縫中，從而改善焊縫區(qū)域的組織成分，提高焊縫韌性。見(jiàn)圖2。

圖2 激光填絲焊接

激光電弧復(fù)合焊則是激光焊和電弧焊兩種焊接方式結(jié)合在一起，電弧焊槍和激光頭形成一定角度[6]，焊接時(shí)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(fù)合后，電弧對(duì)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(shí)復(fù)合后還能提高電弧的穩(wěn)定性，從而可較快地形成一條可靠、飽滿的焊縫。見(jiàn)圖3。

圖3 激光電弧復(fù)合焊接

2 設(shè)備選型

常見(jiàn)激光焊機(jī)有氣體激光（CO2laser）與固體激光（Solid stage laser）兩種技術(shù)路線，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)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(hù)使用與后期應(yīng)用，固體激光焊機(jī)有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),采用激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)。該焊機(jī)配置IPG 品牌YLS5000型號(hào)光纖激光器和FRONIUS 品牌TPS3200 型號(hào)電焊機(jī)，同時(shí)還配置了功率30 kW 的在線預(yù)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(jī)投產(chǎn)初期，斷帶率與重焊率偏高。針對(duì)此問(wèn)題，有針對(duì)性地對(duì)材料的焊接工藝和設(shè)備維護(hù)進(jìn)行了深入的研究。經(jīng)統(tǒng)計(jì)某時(shí)間段內(nèi)，A 材料鋼卷累計(jì)斷帶6次，斷帶集中在傳動(dòng)側(cè)，斷帶均發(fā)生在機(jī)組糾偏輥前后，針對(duì)此特征，開(kāi)展焊縫性能改善研究。

3.1 杯突試驗(yàn)

為保障焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性，對(duì)生產(chǎn)中每一個(gè)焊縫的月牙都需要做簡(jiǎn)易性能評(píng)價(jià)測(cè)試。杯突測(cè)試是測(cè)試焊縫的綜合性能，在生產(chǎn)中最常使用，用以評(píng)定焊縫的合格性。杯突試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)圖4。但上述斷帶的鋼卷均已通過(guò)了杯突測(cè)試。

圖4 杯突試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)圖譜

由于A 材料，焊縫脆性比較大。在生產(chǎn)中都要求杯突合格才能放行，一般在生產(chǎn)中熱態(tài)焊縫做杯突可以獲得垂直于焊縫的裂紋，類(lèi)似于圖4（c）裂紋。冷態(tài)的A 材料焊縫杯突形態(tài)比較接近于圖4（b）裂紋，這兩種均認(rèn)為是合格焊縫，但是結(jié)果生產(chǎn)中斷帶概率仍較高，因此杯突試驗(yàn)合格不是唯一的簡(jiǎn)易判定方法。激光電弧復(fù)合焊接過(guò)程的熔滴過(guò)渡、熔滴形態(tài)、等離子體，有害氣體的逃逸對(duì)焊接接頭的質(zhì)量有重要影響[7]。我們?cè)黾恿苏蹚潨y(cè)試，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)操作側(cè)月牙折彎全部合格，但是傳動(dòng)側(cè)月牙卻經(jīng)常折斷，不合格比例較大，這個(gè)測(cè)試結(jié)果與實(shí)際斷帶情況也不是很吻合。但由于折彎測(cè)試的不合格，說(shuō)明焊接工藝控制存在優(yōu)化空間。

3.2 折彎試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)象A材料。原機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 斷帶材料原預(yù)設(shè)參數(shù)

試驗(yàn)原則是每次只變動(dòng)1 個(gè)參數(shù)，焊接完成做折彎試驗(yàn)。我們將焊縫切成多段，每段長(zhǎng)度在100～150 mm。為了提高檢測(cè)的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)一致性，均為等待焊縫冷卻以后才進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)每一段焊縫的進(jìn)行折彎測(cè)試，以檢測(cè)工藝是否合適。

經(jīng)過(guò)交叉組比對(duì)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：(1)無(wú)論參數(shù)如何變化，除了最邊部2塊焊縫以外，中間焊縫從來(lái)都沒(méi)有折斷；(2)傳動(dòng)側(cè)焊縫折斷的比例將近90%，操作側(cè)焊縫折斷的比例比例將近10%；操作側(cè)焊縫折斷只發(fā)生在給定的預(yù)熱退火功率較低的工況下。而且也是有低概率發(fā)生；（3）從大量的焊接試驗(yàn)對(duì)比還是可以看出來(lái)低速時(shí)焊縫的質(zhì)量最好。

表3 交叉對(duì)比組試驗(yàn)參數(shù)

說(shuō)明通過(guò)焊接工作參數(shù)的優(yōu)化，并沒(méi)有完全解決傳動(dòng)側(cè)月牙折彎不合格的問(wèn)題。但是從對(duì)比焊縫的情況看，傳動(dòng)側(cè)月牙檢驗(yàn)不合格，應(yīng)該是比較特殊的情況，并不完全代表整體焊縫質(zhì)量不佳。如果假定整體焊縫不佳，那么中間的焊縫一定會(huì)有折斷的概率，從100多個(gè)焊縫試驗(yàn)評(píng)價(jià)，得出中間焊縫的折彎合格率為100%。

3.3 對(duì)局部進(jìn)行形貌分析

分辨焊縫，發(fā)現(xiàn)焊縫傳動(dòng)側(cè)收弧的位置有一端箭頭狀的收尾焊縫，見(jiàn)圖5。認(rèn)為此處是缺陷產(chǎn)生點(diǎn)，A材料的裂紋延展性強(qiáng)，因此做折彎測(cè)試時(shí)會(huì)先發(fā)生開(kāi)裂，從而將整個(gè)焊縫撕裂開(kāi)。根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，將邊部弧坑位置切除，再繼續(xù)做折彎。中間取樣的焊縫折彎完全合格，見(jiàn)圖6。確定斷裂一般只發(fā)生在最邊部弧坑區(qū)域，其余所有的焊縫都已經(jīng)合格，所以引發(fā)焊接接頭失效的根本原因是箭（鏃）狀弧坑。

圖5 傳動(dòng)側(cè)邊部形貌（折彎后）

圖6 中部取樣折彎合格

弧坑應(yīng)該是純激光收尾形成的，由于固態(tài)激光光斑直徑小，高能量通過(guò)時(shí)產(chǎn)生局部材料飛濺，造成物質(zhì)損失。飛濺容易進(jìn)入光束中阻擋束能量，也易于污染聚焦鏡，故而導(dǎo)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(dòng)和焊接過(guò)程穩(wěn)定性[9]。從機(jī)理出發(fā)探尋改善方式源自焊接控制的時(shí)序，通過(guò)優(yōu)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(fù)合長(zhǎng)度，見(jiàn)圖7。

圖7 焊接時(shí)序優(yōu)化后的焊縫邊部形貌

3.4 其他因素

電弧復(fù)合焊的導(dǎo)電嘴出絲孔的磨損程度和保護(hù)鏡片的干凈程度也影響焊接質(zhì)量。通過(guò)更換保護(hù)鏡片和導(dǎo)電嘴，保證穩(wěn)定的保護(hù)氣體流量，能極大地提高焊接質(zhì)量，提高使用壽命。在激光束方向產(chǎn)生的大體積金屬蒸汽會(huì)降低光能轉(zhuǎn)換效率并導(dǎo)致散焦[10]，準(zhǔn)直聚焦鏡組的污染及表面被激光破壞產(chǎn)生暗斑，導(dǎo)致焊縫不能焊透。因此應(yīng)摸索完善周期清洗制度。

4 實(shí)施效果

經(jīng)過(guò)近半年的摸索，將上述措施逐一落實(shí)，A材料的焊縫斷帶率明顯降低，降至“零缺陷”，不僅節(jié)約了事故處置成本，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)運(yùn)行的“本質(zhì)安全”。

5 結(jié)論

（1）只要有合適的輸入熱量，焊縫邊部及中間區(qū)域焊縫質(zhì)量基本一致。降低焊接速度，可以獲得更好的焊接質(zhì)量。工藝參數(shù)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(fèi)比常規(guī)CO2氣體激光焊機(jī)低。保護(hù)氣流量要求高，局部的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生危害較大的焊縫氣孔缺陷。

（3）通過(guò)工藝調(diào)整結(jié)合設(shè)備維護(hù)，A材料的焊縫斷帶實(shí)現(xiàn)了“零缺陷”。