取向硅钢（CGO）焊缝质量优化

张亚琦

（山西太钢不锈钢股份有限公司冷轧硅钢厂， 山西 太原030003）

取向硅钢硅含量接近3%，冷轧时变形抗力大，易断带，多采用二十辊轧机轧制，但日本川崎首次开发出冷连轧方法生产[1]。为了满足国内市场需求，山西太钢不锈钢股份有限公司（以下简称太钢）首次尝试在1450酸连轧机组生产取向硅钢（CGO），在连续生产中，焊缝经过酸洗、轧制需承受很高的拉伸应力、弯曲应力和轧制力，焊缝断带率高，严重影响生产效率。针对取向硅钢及激光焊机的特殊性，太钢1450酸连轧机组通过对设备改进、焊接工艺以及轧制工艺调整，解决了焊缝断带问题。

1 取向硅钢（CGO）焊接特点及断带原因分析

太钢1450酸连轧机组采用米巴赫HCSLH 14型焊机，激光功率6 kW,采用氦气做为保护气。激光焊的光束能量密度极高，和其他焊接方法相比，在焊接过程中具有能量密度高、焊接速度快、深宽比大和焊接变形小的特点[2，3],但激光焊接对工艺要求特别严格，特别是焊缝渗透性、焊丝填充匹配及热处理温度等参数。取向硅钢(CGO)由于Si含量高，Si对α-Fe具有强烈的固溶强化作用，使取向硅钢硬度、强度增加，塑形、韧性下降[1]；同时硅钢本身含碳量少，高温下主要为铁素体，激光焊接过程中，由于焊接速度快，热输入量大，晶粒长大明显，在冷却过程中被保留，使焊缝区域应力增大，易开裂，塑形差，必须进行焊后退火处理。

焊缝断带一般是由于焊接质量不良，焊缝通过轧机时在大张力及轧制力下，在三辊张紧处或轧机机架内沿着焊缝发生低速断裂，断口平直，根据生产经验，断带原因主要有以下几个方面：

1）焊接工艺不当。焊接工艺主要包括焊缝渗透性、焊丝填充工艺及热处理三个方面，参数选用不当时会导致焊缝本身存在多种焊接缺陷，如焊缝焊穿或未焊透、焊缝超厚以及热处理后晶粒粗大等，导致焊缝处材料力学性能差，通过轧机进行大延伸变形时，容易发生断带。

2）焊缝过轧机时轧制工艺不合理。轧制工艺主要包括三辊张紧辊压下量以及轧制时弯辊、窜辊的参数设置，当参数设置不合理时，焊缝断带率会升高。

2 焊接工艺改进试验

酸连轧全线经过6组张力辊，8组纠偏辊，焊缝经过38次反复弯曲，焊缝韧性至关重要。通过反复弯曲可以检测焊缝韧性[4]，因此将正、反两面打杯突试验（均匀分布5点，计算不合格点如图1）焊缝开裂点数以及取边部月牙试样进行90°弯曲次数做为评价焊缝质量的主要指标。从焊接工艺方面看，影响焊缝质量的主要因素有焊缝渗透程度、焊丝填充工艺及热处理工艺，本试验主要通过对上述因素进行分析论证，选取最优焊接工艺参数。

图1 杯凸试验焊缝质量合格与不合格图示

2.1 焊缝渗透性影响

影响焊缝渗透性因素主要为激光焦距位置及焊接速度两个方面，本次试验使用5 mm厚钢板进行不同焦距值及焊接速度试验，试验后测量切断面焊缝渗透深度。

试验结果表明（如下页图2所示），随着焊接速度的提高，焊缝渗透深度逐渐降低，焊缝宽度变窄，但速度过低时，焊缝过渡熔化。激光焦距对于焊缝渗透深度的影响则呈现抛物线趋势，在-5 mm时焊缝渗透深度最大。

2.2 焊丝填充工艺影响

采用2.6 mm厚取向硅钢进行试验，焊丝采用ER 70S，焊丝直径0.8 mm。

焊丝速度主要根据焊接间隙量进行确定。研究表明，激光焊接过程中焊丝几乎100%过渡到焊接熔池中，因此根据焊接过程物质平衡可计算焊丝速度[2]：

式中：b为焊接间隙，mm；h为板厚，mm；v0为焊接速度，m/min；d为焊丝直径，mm；vf为焊丝速度，m/min；k为填充系数（0.9～1.1）。

本次试验采取试验方案如表1所示，焊接速度采用焊缝渗透性试验中最佳焊接速度3 m/min，焊接间隙采用焊丝直径的30%（0.25 mm），预加热(前加热)与退火(后加热)均采用感应加热,功率为10 kW，分别按照不同填充系数进行焊丝填充。试验结果（图3所示）表明，选焊丝填充速度4.1 m/min，杯凸不合点最少，抗弯曲能力最强。

表1 试验方案

图3 焊丝速度与焊缝质量关系

2.3 焊缝热处理影响

针对焊缝温度变化大的特点，米巴赫焊机在焊接前后分别有一套加热系统，焊接预热可减缓焊后的冷却速度，降低焊接应力及焊接应变速率，减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高焊接接头的抗裂性。焊后加热在消除焊接应力同时可对焊缝进行退火，提高焊接接头的塑性、韧性。本试验针对取向硅钢，采用表3内前后加热参数进行试验（其他焊接工艺参数与试样D组一致），从结果可看出，预加热(前加热)与退火(后加热)均采用感应加热,功率分别为10 kW、15 kW时，焊缝质量最佳。

表2 热处理工艺对焊接质量影响

3 取向硅钢焊缝轧制优化试验

3.1 三辊张紧辊改造

焊缝到达轧机时，经过三辊张紧辊装置（图4所示），后进入轧机进行轧制，该设备主要起稳定轧机前张力作用，但由于压下量巨大，焊缝弯曲度大，导致焊缝进入轧机机架前产生弯曲裂纹，进入轧机轧制后造成断带。因此通过设备改造，添加上辊移动及限位信号，减少上辊压下量（压下量由200mm降低为80mm），在稳定张力的同时减少焊缝在该位置的弯曲度。

图4 焊缝通过三辊张紧辊示意图

3.2 轧机过焊缝模式改进

取向硅钢轧制变形率为75%，焊缝处高出母材约18%，在焊缝过轧机时轧制不稳定，轧制力及张力波动幅度较大。结合焊缝特性，一方面应减少焊缝区域所承受的负载，另一方面需降低焊缝两个边部所承受的张力。通过轧制过程中提前抬辊缝的轧制方法以及调整轧制模型（过焊缝时，机架弯辊力减半），减少了焊缝过轧机时整体承受的轧制压力及边部张力，降低焊缝断带风险。

4 结论

1）焊缝渗透深度随焊接速度提高而降低，焦距值-5 mm时，焊缝渗透深度最大。

2）选用焊接速度3.0 m/min、焊接间隙0.25 mm、焊丝速度3.9m/min焊丝焊接工艺，前加热功率10kW、后加热功率15 kW的热处理工艺，焊缝质量最好。

3）通过三辊张紧辊改造及轧机过焊缝模式改进，有效提高取向硅钢焊缝通过率。