CN111299830A - 一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法：基材：含硅在2.0~3.5wt%的无取向硅钢等厚热轧板；焊接工艺条件：焊丝采用不锈钢焊丝，焊丝型号为307Si或307；焊接工艺：A、被焊接基材板两端头的温度要求：当Si含量在2.0至小于3.2wt%时，被焊端头温度不低于20℃；当Si含量大于3.2~3.5wt%时，被焊端头温度不低于40℃；B、焊接线能量在1000~1600w•min/m；激光焊接机焊接速度在3~5m/min；填丝速度按照激光焊接机焊接速度的1.1~1.9倍的关系进行计算；C、进行焊接；保温；对焊缝两侧进行挖边处理后，正常进行下工序。本发明利用现有的不锈钢焊丝即可；通过提高其填丝速度，以稀释母材中硅，使焊缝组织相变；再通过冷却获得贝氏体组织；焊接中无需搭条，既降低成本又节约原材料。

Description

一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法

技术领域

本发明涉及无取向硅钢的生产方法，具体涉及一种高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法。

背景技术

目前高牌号无取向硅钢常化线主要使用激光焊机进行热轧板的首尾连接，国外在该领域的生产应用起步较早，特别是日本，在1981年与NKK合并前的川崎制铁公司就有激光焊接在冷轧生产线的应用报道，其后又有较多该公司冷轧生产线激光焊接的相关研究报道，该生产线激光焊接主要用于高硅钢。在欧美，ArcelorMittal，ThyssenKrupp，AKSteel等公司的生产线上也有激光焊接在无取向硅钢中的应用。

激光焊接与其它传统焊接工艺相比，有着许多优点。其最主要的优势之一就是能够将激光束集中于非常狭小的区域，从而产生高能量密度的热源。此外激光深熔焊的能量使用率高，因此热输入量小，深宽比大，从而热影响区小，工件收缩和变形较小，焊道窄而且表面质量好。但其也存在一定的局限性，即激光焊接由于速度快，在焊接含硅量较高的硅钢时，容易形成硬脆接头，在通过常化机组连续反弯时容易出现折断的问题。

高牌号无取向硅钢由于含碳量非常低，即C≤25ppm，且Si含量一般都大于2.0%，这种成分体系在整个温度区间内均为单一铁素体组织。

硅钢中的Si元素对α-Fe具有强烈的固溶强化作用，使硅钢的硬度、强度增加，塑性、韧性下降的特点，因此在热轧板焊接时，会产生如下现象：一是由于硅钢的导热系数低，焊接热敏感性大，容易发生过热；二是由于热膨胀系数较大，加热及冷却时易产生较大的变形和应力；三是在整个焊接过程中，由于其组织主要为铁素体，所以焊缝在焊接加热过程中晶粒会不断长大，并在冷却过程中保留下来，成为粗大晶粒；四是当硅含量很高尤其高于3.2%时，热轧板在焊接后，晶粒通常会更加粗大，导致焊缝强度低，抗弯折能力差。

经检索：

中国专利申请号为CN 201610519954.2的文献，公开了《一种高硅钢激光焊接方法》，其适用于含硅量在3.5%~7.0%的高硅钢薄带的焊接，其还需要在焊后保温1~5min的时间；其对于厚度在1.3~3.5mm钢板，需要采用双面焊接的方法。故其存在焊后保温时间太长，生产效率低，无法满足高速、连续的生产要求。由于常化机组为连续生产机组，钢带在常化炉中必须保持速度恒定。如果焊接用时太长，将使得活套不足以支持长时间焊接作业而导致炉内钢带必须减速运行造成钢带过烧。

中国专利申请号为CN 2018111114864.0的文献，公开了《一种硅钢激光填丝焊接用焊丝及其制备方法和焊接方法》，其为了获得冲击韧性及焊缝强度，需要制备特制成分的焊丝进行焊接，该焊丝成分C：0.03~0.10%，Si：＜0.50%；Mn：1.5~2.5%；P：＜0.015%；S：＜0.010%；Ti：0.05~0.15%；B：0.005%-0.015%；Ni：1.0%~3.0%，其中Ti和B的重量百分比为Ti：B=10:1~8：1，在焊接时需要使用80%Ar和20%CO2作为保护气。在该成分的说明中使用到了Ti与B元素，通过与硅钢中的N形成TiN、BN颗粒，使晶粒细化。而高牌号无取向硅钢中，N会与Al形成AlN夹杂，严重影响磁性能，故高牌号无取向硅钢中N含量一般＜0.0030%，在N含量超低的情况下，不可能与大量的Ti、B形成足够量的细小颗粒阻碍晶粒长大。该专利仅对N含量较高的硅钢有用，对超低N的高牌号无取向硅钢效果不明显，也不利于推广使用。

韩国专利文献KR 2007066250.A，其公开了《一种通过焊前预热和焊后退火实现硅钢片的激光焊接方法》，1）激光焊接前对焊缝进行预热处理，加热温度控制在400℃~750℃，加热时间5~60s2）焊接工艺按激光功率6.5KW-8.5KW，焊接速度按4~12mpm进行焊接；3）激光焊接后对焊缝进行焊后退火处理，加热温度控制在700℃~1050℃，加热时间5~60s。该方法需要焊前预热到一个比较高的温度，增加了工艺流程，延长了焊接时间，对连续性机组产能影响较大。本专利无需使用长时间的预热及退火，仅需控制焊接前接头温度＞40℃即可，焊后保温时间最长不超过6s，极大提升生产效率。

中国专利申请号为CN 200810301407.2及CN 201110142365.4的文献，公开了使用“引带”的方式进行高牌号无取向硅钢的焊接方法，需要使用低硅的普碳钢或者低牌号无取向硅钢作为引带，连接两卷高牌号钢卷。该方法需要花费常规两倍的时间进行焊接作业，影响作业率。

中国专利申请号为CN 201710501693.X的文献，公布了《一种激光焊机焊接低牌号无取向硅钢的方法》，该文献适用范围最高牌号仅为50W600，且仅提到了离焦量与焊接速度的优化以及通过提高剪切质量改善断面尺寸的方法来进行焊接，提高剪切质量改善断面尺寸是焊接最基本的要求，且由于低牌号含硅量低，在高温状态下会发生奥氏体化，冷却后的焊缝组织晶粒小，强度与母材不会相差太大。但高牌号无取向硅钢在仅使用该方法的前提下，焊缝组织无相变，焊后为粗大的铁素体，焊缝强度低。

发明内容

本发明在于克服现有高牌号无取向硅钢采用激光焊接存在的不的不足，提供一种利用现有的不锈钢焊丝，通过提高其填丝速度，以稀释母材中的硅元素，使焊缝组织的金相组织进行相变，再通过冷却后获得机械性能更好的贝氏体组织；且焊接中无需搭条；并通过焊后在600~900℃下保温1~6s的时间，释放因焊缝与母材组织不同产生的应力的用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法。

实现上述目的的措施：

一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法，其步骤：

1）基材：含硅重量百分比含量在2.0%~3.5的无取向硅钢等厚热轧板；在线对接焊接；

2）焊接工艺条件：焊丝采用不锈钢焊丝，焊丝型号为：307Si或307：

两块要焊接基材板的两端头之间的间隙为：基材板厚度的1/10±0.10mm；基材板的厚度单位：mm；

3）焊接工艺

A、被焊接基材板的两端头的温度要求：

当基材板中的Si重量百分比含量在2.0至小于3.2%时，基材板的被焊端头的温度不低于20℃；

当基材板中的Si重量百分比含量≥于3.2%时，基材板的被焊端头的温度不低于40℃；

B、焊接线能量：1000~1600w•min/m；激光焊接机的焊接速度：3~5m/min；控制不锈钢焊丝的填丝速度：按照激光焊接机的焊接速度的1.1~1.9倍的关系进行计算；

C、进行焊接：在达到上述A、B的条件下进行激光焊接，且在焊接过程中采用非氧化气体作为保护气体，气体流量的控制以使焊缝不产生氧化为原则；

4）进行保温：在焊缝温度达到600~900℃时进行保温，保温时间在1~6s；

5）对焊缝两侧进行挖边处理后，正常进行下工序。

其在于：所述不锈钢焊丝的行进速度为：激光焊接机的焊接速度的1.3~1.7倍。

其在于：所述激光焊接机的焊接速度与基材板的厚度成正相关关系。

其在于：所述激光焊接机选用焊接功率为5000W，且带有预热及退火功能的。

说明：焊丝型号也可为其它扩大奥氏体区元素合金量较高的焊丝常规焊丝。

本发明之所以采用不锈钢焊丝进行焊接，是由于所采用的的不锈钢焊丝中：

C元素能提高焊缝金属强度，其含量适合，不会因过高的C引起飞溅，影响焊丝的工艺性能现象，且其也不会促进高碳马氏体的形成。

Si元素含量低，这是由于Si含量较高会使焊缝的韧性下降，会导致焊缝金属硬化，但其适量存在可以减少焊缝中非金属夹杂物。

Mn是焊缝金属的强化元素，也是奥氏体稳定化元素，焊丝中的Mn不仅能提高焊缝金属针状铁素体的体积分数，同时还易得到低碳贝氏体组织。故焊缝中需要一定量的Mn提高韧性及强度。

Ni是奥氏体稳定化元素，无限固溶于r-Fe，在焊缝中也起固溶强化的作用，能增加针状铁素体析出，细化组织。

此外，C、Mn、Ni、Cr在贝氏体转变中，均可降低Bs点，可以让奥氏体化的焊缝组织在空冷状态下更多的转变为贝氏体。

本发明之所以根据基材板含Si量而控制被焊接基材板的两端头的温度，是由于高牌号无取向硅钢Si含量一般都在2.0~3.5%之间，这种成分体系在整个温度区间内均为单一铁素体组织。硅钢中的Si元素的对α-Fe具有强烈的固溶强化作用。随着硅含量的增加，材料的硬度、强度逐渐增加，塑性韧性及延伸率随之降低。当Si含量超过3.2%时，材料在常温下表现为脆性，韧脆转变温度升高，需要使用预热功能，将带钢温度升高至韧脆转变温度以上，即3.2%含硅量高牌号无取向硅钢韧脆转变温度为40℃左右，随着含硅量升高，韧脆转变温度将进一步提高，以减小焊接时因材料温度急剧升高并跨越韧脆转变温度造成的应力。

本发明之所以选择焊接线能量在1000~1600w•min/m，是由于当焊接线能量高于1600 w•min/m时，会使焊缝区域及焊接热影响区面积增大。在相同填丝量的情况下，母材中硅元素的稀释程度会随着焊缝面积的增大而变差，导致母材中铁素体比例增加。加上热影响区面积大，冷却后的焊缝及热影响区均为异常长大的粗大铁素体，从而导致焊缝的力学性能变得很脆，韧性差，易断；担当低于1000 w•min/m时，焊缝不易焊透，在冷却过程中，焊缝容易出现M-A组元。焊缝组织中一旦出现M-A组元，其韧性、塑性大为降低，脆化倾向显著增加。

本发明之所以控制不锈钢焊丝的填丝速度按照激光焊接机的焊接速度的1.1~1.9倍，优选地按照1.3~1.7倍进行控制，是由于填丝速度过低，焊丝填入少，焊缝组织无相变，冷却后形成晶粒粗大的铁素体，强度及韧性均低于母材；如填丝速度过高，不仅浪费焊丝，还会因焊机功率不够导致焊丝无法全部正常填充，且焊缝中Ni、Cr熔入较多，使焊缝与热影响区偏析严重，在焊缝与热影响区结合的区域产生较大应力甚至出现裂纹。

本发明之所以要求焊缝温度达到600~900℃时保温1~6s，是由于：一是能释放部分焊接应力，避免焊缝在过S辊时因应力而产生裂纹；二是能避免焊缝因冷速过快而产生马氏体组织，在600~900℃区间短时间退火，再在空冷条件下可以让焊后的奥氏体组织更多的转变为综合机械性能良好的贝氏体组织。

本发明与现有技术相比，利用现有的不锈钢焊丝即可，无需另外特制专用焊丝；通过提高其填丝速度，以稀释母材中的硅元素，使焊缝组织的金相组织进行相变，再通过冷却后获得机械性能更好的贝氏体组织；且焊接中无需搭条，既降低成本又节约原材料；并通过焊后在600~900℃下保温1~6s的时间，释放因焊缝与母材组织不同产生的应力。

附图说明

图1为本发明的焊缝金相组织图；

图2为使用不锈钢焊丝，但填丝速度过低时的金相组织图；

图3为使用不锈钢焊丝，填丝速度过快时的金相组织。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例所用钢种组分及取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例主要工艺参数取值列表；

表3为本发明各实施例及对比例的性能检测情况列表。

本发明各实施例均按照以下工艺步骤进行生产：

一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法，其步骤：

1）基材：含硅重量百分比含量在2.0~3.5%的无取向硅钢等厚热轧板；在线对接焊接；

2）焊接工艺条件：焊丝采用不锈钢焊丝，焊丝型号型号：307Si或307；

也可以为其它扩大奥氏体区元素合金量较高的焊丝常规焊丝：

两块要焊接基材板的两端头之间的间隙为：基材板厚度的1/10±0.10mm；基材板的厚度单位：mm，母材厚度一般为1.2~3.5mm；

3）焊接工艺

A、被焊接基材板的两端头的温度要求：

当基材板中的Si重量百分比含量在2.0至小于3.2%时，基材板的被焊端头的温度不低于20℃；

当基材板中的Si重量百分比含量≥于3.2%时，基材板的被焊端头的温度不低于40℃；

B、焊接线能量：1000~1600w•min/m；激光焊接机的焊接速度：3~5m/min；控制不锈钢焊丝的填丝速度：按照激光焊接机的焊接速度的1.1~1.9倍的关系进行计算，其倍数的取值与基材板的厚度成正相关关系；

C、进行焊接：在达到上述A、B的条件下进行激光焊接，且在焊接过程中采用非氧化气体作为保护气体，气体流量的控制以使焊缝不产生氧化为原则；

4）进行保温：在焊缝温度达到600~900℃时进行保温，保温时间在1~6s；

5）对焊缝两侧进行挖边处理后，正常进行下工序。

表1焊接各实施例基材板的组分及重量百分比含量列表：

表2 本发明各实施例及对比例主要工艺参数取值列表

表3 本发明各实施例及对比例的性能检测情况列表

说明：表3是按照表1不同硅含量，以及表2母材厚度进行不同工艺的焊接验证，其试验焊接板宽均为1200mm，焊后对焊缝两边100mm进行挖边处理，余下焊缝区域每隔100mm依次进行上、下板面杯突实验，即：每条焊缝各进行上、下板面各5次杯突实验，以杯突值＞5且裂纹方向不与焊缝平行作为合格标准，杯突合格次数≥9次认为焊缝质量合格。

断裂位置根据GB/T228及GB/T 2651标准要求进行，以断裂处不在焊缝及影响区为焊缝强度大于母材强度判定标准。

反弯试验根据GB/T 2653-2008标准要求，记录弯曲角，认为当弯曲角大于120°时为焊缝合格。

以上三种检测全部合格才可以认为焊缝质量合格

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (4)

1.一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法，其步骤：

1）基材：含硅重量百分比含量在2.0~3.5%的无取向硅钢等厚热轧板；在线对接焊接；

2）焊接工艺条件：焊丝采用不锈钢焊丝，焊丝型号：307Si或307；

两块要焊接基材板的两端头之间的间隙为：基材板厚度的1/10±0.10mm；基材板的厚度单位：mm；

3）焊接工艺

A、被焊接基材板的两端头的温度要求：

当基材板中的Si重量百分比含量在2.0至小于3.2%时，基材板的被焊端头的温度不低于20℃；

当基材板中的Si重量百分比含量在3.2~3.5%时，基材板的被焊端头的温度不低于40℃；

B、焊接线能量：1000~1600w•min/m；激光焊接机的焊接速度：3~5m/min；控制不锈钢焊丝的填丝速度：按照激光焊接机的焊接速度的1.1~1.9倍的关系进行计算；

C、进行焊接：在达到上述A、B的条件下进行激光焊接，且在焊接过程中采用非氧化气体作为保护气体，气体流量的控制以使焊缝不产生氧化为原则；

4）进行保温：在焊缝温度达到600~900℃时进行保温，保温时间在1~6s；

5）对焊缝两侧进行挖边处理后，正常进行下工序。

2.如权利要求1所述的一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法，其特征在于：所述不锈钢焊丝的行进速度为：激光焊接机的焊接速度的1.3~1.7倍。

3.如权利要求1所述的一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法，其特征在于：所述激光焊接机的焊接速度与基材板的厚度成正相关关系。

4.如权利要求1所述的一种用于高牌号无取向硅钢热轧板的激光焊接方法，其特征在于：所述激光焊接机选用焊接功率为5000W，且带有预热及退火功能的。

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