CN106041305A - 一种高硅钢激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术与材料科学领域，目的在于提供一种脆性高硅钢激光焊接工艺方法，满足高硅钢薄带轧制制备过程中带张力轧制的快速焊接。所用合金Fe含量为93～96.5％，Si含量为3.5～7％，均为质量比，厚度0.1～3.5㎜。本方法将激光焊接与辅助热源相结合，采用双面或单面焊接，利用焊接前预热控制升温速度，焊接时保温及焊接后保温缓冷控制降温速度，减少焊缝冷却过程中的温度梯度和焊接应力，实现脆性高硅钢的焊接成形。采用该方法，可以很好的避免脆性高硅钢焊接应力过大产生的裂纹，提高提高成材率及其力学性能。

Description

一种高硅钢激光焊接方法

技术领域

本发明涉及一种脆性高硅钢板材的激光焊接技术

技术背景

高硅钢一般指含硅量超过3.5％(重量比，下同)的硅钢。与普通硅钢(含硅量≤3.5％)相比，高硅钢，特别是含硅6.5％的高硅钢具有较高的电阻率和磁导率、较低的矫顽力、接近于零的磁致伸缩系数等特点，因而具有较低的铁损，对降低能耗、减小噪音具有重要意义。

高硅钢一般制备成薄板，加工成变压器、电动机等的铁芯。板材在制备过程中，一般需带张力轧制，形成连续板带材生产。这就需要在制备加工过程中将板材焊接起来进行连续轧制。激光焊接技术已广泛应用在工业生产中，激光焊接质量高，焊接速度快、效率高，无接触，热影响区小，深宽比大，焊接美观，可自动化操作，因此适于钢铁板材的焊接。

首先由于硅含量的提高，碳当量升高，高硅钢的可焊接性差，室温塑性非常低，特别是含硅6.5％的高硅钢，室温塑性几乎为零，热导率低，利用传统的激光焊接方法，焊缝容易产生裂纹；其次室温焊接时，激光焊接产生很高的峰值温度和温度梯度，同时使母材汽化，容易生成能够吸收和散射激光的等离子体云，所以单热源激光焊接能量转换效率和利用率低，焊接过程不稳定，焊接接口容易错位，产生气孔、焊缝凹陷，并且激光焊接的冷却速度较快，温度梯度大，焊接热应力较大。这两方面都加重脆性高硅钢的大量裂纹和焊漏等缺陷的产生。最终导致焊缝的机械性能显著下降，不能满足硅钢的带张力轧制要求。

把激光与其他辅助热源(如高频感应或电阻预热)共同作用于工件，控制焊缝处的升温和冷却速度，可以改变功率密度在时间和空间上的分布，改善影响区域的母材温度分布，减少或消除等离子云，提高工件对激光的吸收率，增大焊接熔深，改善焊缝及热影响区的组织和应力状态，提高焊缝的力学性能。

发明内容

针对上述激光焊接的不足，探索一种适合于脆性高硅钢板材的复合激光焊接方法。

一种高硅钢激光焊接方法，其特征在于利用激光焊接与辅助加热技术相结合，采用双面及单面焊接，焊接前加热预热，焊接时保温，焊接后保温然后缓冷，利用红外测温装置，实时测控温度，控制焊缝处的升温和冷却速度，平缓焊缝区域冷却过程中的温度梯度，减少焊接应力，减少或消除等离子云，提高工件对激光的吸收率，提高焊接成材率和焊缝的力学性能，避免产生焊接缺陷及裂纹；满足高硅钢薄带轧制制备过程中带张力轧制的快速焊接。所用硅钢Fe含量为93～96.5％，Si含量为3.5～7％，均为质量比，厚度0.1～3.5㎜。该方法不仅适用于高硅钢与高硅钢，同时也适用于高硅钢与低硅钢、高硅钢与低碳钢、高硅钢与不锈钢等异种材料(即引带)焊接。

本发明提供了一种先进的高硅钢板材激光焊接方法，该方法主要是激光焊接与辅助热源相结合的技术，采用双面或单面焊接，能够在激光焊接之前对焊接工件进行预热，焊接时保温，在激光焊接之后缓冷。

单面焊接指的是，工件预热后，选择合适的功率，直接一次焊接成形；双面焊接指的是，工件预热后，首先用单面焊接功率的40％～70％，进行焊接，再用单面焊接功率的40％～70％，焊接工件的另一面，其他焊接工艺参数与单面焊接基本一致。

上述高硅钢激光焊接方法，具体的工艺流程：

1).原料准备，Si含量为3.5～7％，均为质量比，其余为铁和杂质元素；冶炼，浇铸；锻造或开坯成板坯；热轧到1～3.5㎜；温轧到0.3～1㎜；冷轧到0.1～0.3㎜。

2).对温轧板和热轧板做平整，焊接端部进行切、磨，酸洗；冷轧板端口切、磨。

3).用夹具将高硅钢端口压平，对齐，夹紧。

4).焊接前预热夹具及高硅钢(75～350℃)，厚度较厚板材可以适当提高预热温度。

5).进行激光焊接，加热持续保温。

6).焊后保温1～5min，缓慢降低感应功率，温度逐渐降至室温。

双面焊接特征是：相同厚度的板材，相比单面焊接，双面焊接焊缝区域温度梯度更平缓，焊接组织更均匀，焊接应力更小，焊缝热影响区更小，尤其是较薄的高硅钢板(0.1～0.5mm)和较厚的高硅钢板(1.3～3.5㎜)，优点更加突出。因此双面焊接适用的高硅钢厚度范围为0.1～3.5㎜，只有当高硅钢板厚度为0.5～1.3㎜时，才可以采用单面焊接，一次成形。

进一步的所述的焊接材料预热温度75～350℃。对高硅钢进行预热，一方面可以减少室温激光焊接时产生的等离子云，提高激光利用率；另一方面可以改善高硅钢塑性，减少焊接应力，避免裂纹产生。当高硅钢板厚度为1.3～3.5㎜时，温度可以适当调高，一般为150～350℃；当高硅钢板厚度为0.1～1.3㎜时，一般为75～260℃。

进一步的所述的升温速度为50～200℃/min，升温速度快是为了减少氧化，冷却速度为70℃/min以下，降温速度慢是为了平缓温度梯度，防止应力过大。

进一步的双面焊接的焊接速度、焊接气流量和离焦量与单面焊接基本一致，双面焊接的上下两个道次功率分配为单面焊接功率的40％～70％。离焦量30㎜，焊接速度1～1.5m/min，气流15～20L/min。

进一步的单面焊接功率与厚度的关系基本满足本公式：P＝800H±ε

式中，P为焊接时激光功率，单位为W；

H为高硅钢厚度，单位为㎜；

ε为功率补偿值，40～60W，厚度为0.1～0.5mm时，尽量取小值，防止焊漏；厚度为1.3～3.5

㎜时，可适当提高，防止焊接时焊不透。

进一步的所用激光焊接机构的光源为YAG固体激光器或光纤激光器。

进一步的所用激光焊接辅助热源为感应加热或电阻加热等。

该方法的进步之处：第一方面，当高硅钢处于高温时，材料本身塑性可在一定程度提高，可以承受一定的变形，屈服强度降低，残余热应力减少；第二方面，通过辅助热源，可以改变功率密度在时间和空间上的分布，改善热作用和影响区域的母材温度分布，减少或消除等离子云，提高工件对激光的吸收率，改善焊缝及热影响区的冷却条件、转变组织，平缓焊接的温度梯度和冷却速度，减少焊接应力，实现脆性高硅钢的焊接成形；第三方面，相同厚度的板材，相比单面焊接，双面焊接，焊缝区域温度梯度更平缓，焊接组织更均匀，焊接应力更小，热影响区更小，尤其是较薄的高硅钢板和较厚的高硅钢板，优点更加突出。

附图说明

图1本发明的主要工艺流程图

具体实施方式

对于硅含量在3.5～7％(质量比)，利用辅助热源加热和激光焊接结合的方法，实现脆性高硅钢的焊接成型，具体的实施方案

实施例1

激光焊接，采用WLS系列光纤激光器，硅钢与硅钢对焊，硅钢的硅含量3.5％，厚度0.28㎜的温轧板，酸洗，切磨，夹具压平，对齐，预热，进行双面焊接，激光功率分别为140W，170W，离焦量为30㎜，焊接速度为1.0m/min，气流为15L/min，预热温度为75℃。

双面焊接，焊缝无裂纹，焊缝两个边部缺陷较少，没有焊漏，焊缝均匀，仅在中间部分有少量应力变形，避免了焊漏的产生。

实施例2

激光焊接，采用WLS系列光纤激光器，硅钢与硅钢对焊，硅钢的硅含量6.5％，厚度0.48㎜的温轧板，酸洗，切磨，夹具压平，对齐，预热，采用双面焊接，激光功率分别为200W，230W，离焦量为30㎜，焊接速度为1.2m/min，气流为15L/min，预热温度为130℃。

双面焊接，焊缝无裂纹，焊缝两个边部缺陷更少，没有焊漏，焊缝更加均匀，焊缝变形更小，焊缝美观，避免了焊漏的产生。

实施例3

激光焊接，采用WLS系列光纤激光器，硅钢与硅钢对焊，硅钢的硅含量7％，厚度2㎜的热轧板，酸洗，切磨，夹具压平，对齐，预热，采用双面焊接，激光功率分别为730W，890W，离焦量为30㎜，焊接速度1.5m/min，气流20L/min，预热温度为350℃。

双面焊接，焊缝无裂纹，焊缝两个边部缺陷更少，没有焊漏，焊缝均匀，焊缝变形小，焊缝美观。

实施例4

激光焊接，采用WLS系列光纤激光器，硅钢与不锈钢对焊，硅钢的硅含量6.5％，厚度1.1㎜的热轧板，不锈钢为304不锈钢，厚度为1.1㎜，切磨，夹具压平，对齐，预热，采用单面焊接，激光功率为800W，离焦量为30㎜，焊接速度1.2m/min，气流15L/min，预热温度为250℃。

单面焊接，焊缝无裂纹，焊缝两个边部缺陷较少，没有焊漏，焊缝均匀，焊缝变形小。

Claims (9)

1.一种高硅钢激光焊接方法，其特征在于利用激光焊接与辅助加热技术相结合，采用双面或单面焊接，焊接前加热预热，焊接时保温，焊接后保温然后缓冷，利用红外测温装置，实时测控温度，控制焊缝处的升温和冷却速度，平缓焊缝区域冷却过程中的温度梯度，减少焊接应力，减少或消除等离子云，提高工件对激光的吸收率，提高焊接成材率和焊缝的力学性能，避免产生焊接缺陷及裂纹；满足高硅钢薄带轧制制备过程中带张力轧制的快速焊接。

2.根据权利要求1所述的高硅钢激光焊接方法，其特征在于具体的工艺流程：

1).原料准备，Si含量为3.5～7％，均为质量比，其余为铁和杂质元素；冶炼，浇铸；

锻造或开坯成板坯；热轧到1～3.5㎜；温轧到0.3～1㎜；冷轧到0.1～0.3㎜；

2).对温轧板和热轧板做平整，焊接端部进行切、磨，酸洗；冷轧板端口切、磨；

3).用夹具将高硅钢端口压平，对齐，夹紧；

4).焊接前预热夹具及高硅钢到75～350℃；

5).进行激光焊接，加热持续保温；

6).焊后保温1～5min，缓慢降低功率，降低冷却速度，温度逐渐降至室温。

3.根据权利要求1所述的高硅钢激光焊接方法，其特征在于双面焊接适用的高硅钢厚度范围为0.1～3.5㎜；当高硅钢板厚度为0.5～1.3㎜时，采用单面焊接，一次成形。

4.根据权利要求1所述的高硅钢激光焊接方法，其特征在于当高硅钢板厚度为1.3～3.5㎜时，预热温度为150～350℃；当高硅钢板厚度为0.1～1.3㎜时，预热温度为75～260℃。

5.根据权利要求1所述的高硅钢激光焊接方法，其特征在于所述的焊缝处的升温速度为50～200℃/min，冷却速度为70℃/min以下。

6.根据权利要求1所述的高硅钢激光焊接方法，其特征在于双面焊接的焊接速度、焊接气流量和离焦量与单面焊接一致，双面焊接的上下两个道次功率分配为单面焊接功率的40％～70％；离焦量30㎜，焊接速度1～1.5m/min，气流15～20L/min。

单面焊接功率与厚度的关系满足本公式：P＝800H±ε

式中，P为焊接时激光功率，单位为W；

H为高硅钢厚度，单位为㎜；

ε为功率补偿值，40～60W，厚度为0.1～0.5mm时，取下限，防止焊漏；厚度为1.3～3.5㎜时，取上限，防止焊接时焊不透。

7.根据权利要求1所述的高硅钢激光焊接方法，其特征在于所用激光焊接机构的光源为YAG固体激光器或光纤激光器。

8.根据权利要求1所述的高硅钢激光焊接方法，其特征在于所用激光焊接辅助热源为感应加热或电阻加热。

9.根据权利要求1所述的高硅钢激光焊接方法，其特征在于利用激光焊接与辅助加热技术相结合同样适用于高硅钢与低硅钢、高硅钢与低碳钢、高硅钢与不锈钢异种材料焊接。