高强钢焊缝质量提升研究与优化

武 强

（河北钢铁集团唐钢高强汽车板有限公司，河北 唐山 063016）

随着我国工业发展，对于优质的高强钢生产一直是钢铁企业的目标，且目前国内外市场对于高强钢的需求也在逐步增加，所以对于拥有大批量的连续生产高强钢的能力是每个企业的追求，而在高强钢连续生产的过程中焊接是必不可少的重要一环，前后带钢必须进行有效的焊接，才能保证生产线的连续作业。

河钢集团唐钢高强汽车板1740酸洗-轧机联合机组采用的是米巴赫HSL-17激光焊机，采用的是对接焊工艺，激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。

1 工艺流程简介

热轧原料带钢通过1#、2#开卷机穿带后经双切剪，切去容易出现缺陷的外圈头尾废料，穿带至焊接等待位，后焊机自动激活带头自动步，将带头穿带至精切剪剪切等待位，通过1#、2#、3#、4#对中装置进行水平方向对中，对中后由左右夹钳固定带钢位置，由焊机精切剪再次剪切带钢头尾使其头尾平滑、整齐，同时冲孔。随后激光头、平整轮压下，进行激光焊接。激光束聚焦照射到带钢表面后，因其具有巨大的功率密度，可以使带钢表面熔化、汽化，由带钢汽化产生的蒸汽压力使带钢表面产生小孔效应，达到带钢熔透的目的，并在焊机小车的移动过程中，熔透的焊缝迅速冷却，形成致密的焊缝组织，同时在焊机小车运行时，装在激光头前后的预热、退火装置同时对焊接点前后进行预热、退火，激光头内部的上下喷嘴在焊接开始前就对焊接点进行吹先导气体（氦气）、氮气等保护气体，当焊机小车运行至原始位，焊接完成。

通过QCDS系统以及操作人员对焊接曲线进行判定，合格后放行。

2 问题描述

目前河钢集团唐钢高强汽车板1740酸洗-轧机联合机组（以下简称酸轧生产线）是集酸洗、轧机一体的生产线，前后钢卷的焊缝需要经过轧机的轧制，才能确保生产线的连续运行。所以对于焊缝质量要求比较高，在生产高强钢时，焊缝质量很难到达轧制标准，极易发生开裂或断带，导致高强钢连续生产困难。针对屈服强度600Mpa以上的钢种，时常会有焊缝断带、伤辊等情况，严重影响了产线生产效率，且断带、伤辊，会带来废品、换辊成本等问题。

3 采取的措施

3.1 高强钢焊接速度调整

焊接速度对高强钢的焊接质量影响较大，速度过快会使焊缝熔深变浅，且气体来不及逸出，焊缝中易留存气体，产生气泡，极大影响焊接质量。然而速度过低又会导致焊缝过度熔化，出现焊穿现象，且热影响区也因过热而晶粒粗大易脆断，无法达到有效焊接，同时会带来生产效率降低，焊接成本提高等问题。所以，对一定激光功率和一定厚度的高强钢焊接需要有一个合适的焊接速度，在相应速度值时可达到最大熔深，从而获得优质的焊缝。

高强汽车板公司酸轧生产线所使用的米巴赫HSL-17激光焊机焊接速度区间为0至12米/分钟，经过试验后对高强钢焊接速度进行调整后：

表1 高强钢焊接速度表

调整速度后，焊缝熔深得到改善，提高了焊缝质量。

3.2 二次剪切应用

米巴赫HSL-17激光焊机设备本身自带二次剪切功能，但在正常生产中几乎没有应用，原因是二次剪切功能的投入使用会减少焊机精切剪使用寿命，且二次剪切后的废边比较细小且边部锋利，容易割伤焊机内小废料皮带，所以几乎未使用过。但通过实验、分析后发现经二次剪后的带钢头、尾板型更加平整，焊接横截面更加平滑，有利于焊接。于是把二次剪切投入到高强钢焊接参数中，有高强钢焊接时自动投入使用，可以提高焊缝质量。

3.3 预热及退火调整

米巴赫HSL-17激光焊机的最大预热和退火功率均为40KW，高强钢焊接时预热、退火会自动投入使用。

预热及退火工艺的使用原因：

带钢焊接的时候，会在焊缝区域产生一种无形的力，就是所谓的“焊接应力”。产生焊接应力的原因是焊接时，激光焦点位置（焊接点）温度是非常高的，而没有焊接的地方温度相对来说就是比较低的。（由于热胀冷缩的原因，在焊缝区域内部就会产生焊接应力）。酸轧生产线的焊缝需要通过轧机轧制，所以要求焊缝和带钢的钢体结构达到同一水平。但是应力的出现就会使得焊缝强度和抗疲劳能力下降，无法达到轧制要求，因而需要用到预热、退火工艺。

应用预热功能的优点：

（1）预热功能的运用可以减缓焊接后的冷却速度，有利于焊缝中的气体扩散逸出， 避免产生气泡导致裂纹，同时也可以减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高焊缝的抗裂性。

（2）预热功能还可以降低焊接应力。均匀的预热，可以减少待焊接焊接区域与焊接点之间的温度差，这样一方面可以降低焊接应力，另一方面也可以降低焊接应变速率，有利于避免产生焊接裂纹。

应用退火功能的优点：

（1）退火功能的运用可以改善或消除带钢焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止焊缝变形、开裂。

（2）退火功能还可以细化晶粒，增加材料延展性和韧性，同时产生特殊显微结构，改善钢体组织以提高焊缝的机械性能。

预热、退火功率调整：

（1）在高强钢焊接未调整前预热使用约为最大功率的30%，为12KW。退火使用最大功率的60%，为24KW。焊缝质量一般，时有断带发生。

（2）经过试验摸索后，调整高强钢（屈服强度500Mpa～700Mpa）钢种，使用预热参数修改为60%、功率24KW，退火参数修改为80%、功率为32KW。高强钢（屈服强度700Mpa以上）钢种使用预热参数修改为80%、功率为32KW，退火参数修改为90%、功率为36KW。

3.4 二次退火的应用

针对于屈服强度在700Mpa以上的高强钢，时常还会有焊缝开裂、断带现象，经过实验分析后得出结论，焊接区域及热辐射区域经过一次预热、退火后还存在较大的焊接应力。

为继续减少焊接应力，酸轧作业区通过研究后决定使用二次退火，因米巴赫HSL-17激光焊机程序内本身没有二次退火功能，所以二次退火由焊机操作人员手动完成。

二次退火工艺操作流程简介：

当高强钢焊接完成后，焊缝杯突实验合格且曲线通过QCDS判定合格以及焊机岗位操作人员对焊接曲线人为判定合格后，方可进行二次退火操作。

首先切换焊机操作模式为本地模式，后将焊机小车开至操作侧，同时提升焊机预热、退火装置（同一控制按钮），焊机小车到位后打开焊机功能界面，调整焊机小车运行速度为参数设定数值（参照表1），点击焊机精切剪剪刀调整界面，找到预热、退火调整区域（图1），点击退火装置调整，修改设定功率参数完成后点击功率（退火装置启动），切换设备画面将焊机小车开至驱动侧。焊机小车回归原始位后，关闭退火装置功率调整，降下预热、退火装置，调整焊机小车速度为机组数据参数后恢复焊机自动模式。二次退火工艺完成，放行焊缝。

图1 预热、退火操作页面

二次退火的投入使用，有效的降低了焊接时产生的焊接应力，下图2为一次退火焊缝，图3为二次退火焊缝。相比较一次退火焊缝，二次退火后的焊缝及热辐射区域焊接应力更小，钢体结构的延展性、韧性更好，可以有效的通过轧机轧制。

图2 一次退火焊缝

图3 二次退火焊缝

二次退火投入使用以后极大的改善了高强钢焊缝质量问题，有效的避免了焊缝开裂和断带的风险。

4 实施效果

目前相关措施已经在河钢唐钢高强汽车板酸轧生产线正式实施，高强钢焊缝质量问题得到有效解决，避免了焊缝开裂、断带等问题，高强钢的生产节奏得以大幅提高。高强钢焊缝断带率由23.1%降低至1.79%，极大的降低了因焊缝质量问题造成的废品、换辊成本，提高了效益。通过对上述内容的深入研究，河钢唐钢高强汽车板冷连轧机组在高强钢焊缝质量上得到提升，将高强钢焊缝断带率降至1.79%，通过深入开发与应用，目前生产技术已经全部应用于酸轧生产线，对于高强钢的生产具有重要的指导意义。

5 结语

本文以提升河钢唐钢高强汽车板产品生产效率为出发点，通过对高强钢焊接参数、设备应用的研究分析，找出影响焊接质量的制约因素，有针对性的进行技术攻关，有效提高了高强钢焊接质量。