CN116669893A - 含Si钢板的激光焊接方法和激光焊接装置 - Google Patents

含Si钢板的激光焊接方法和激光焊接装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种激光焊接方法和该方法中使用的激光焊接装置，所述激光焊接方法是在使含Si钢板在连续处理生产线中通板时在生产线入口侧将先行钢板的后端与后行钢板的前端对接、并在向该对接部供给填充焊丝的同时照射激光从而使填料熔融、凝固而进行焊接的激光焊接方法，其中，通过使用含有合计为10体积％以上且30体积％以下的CO2气和N2气中的至少一种的He气或Ar气作为向上述焊接部的表面和背面喷射的保护气体，能够使焊接金属的硬度HV0.2为350以下，低于现有技术。

Description

含Si钢板的激光焊接方法和激光焊接装置
技术领域
本发明涉及在对含Si钢板连续地进行处理的生产线的入口侧将先行钢板的后端部与后行钢板的前端部对接并接合的激光焊接方法及其装置。
背景技术
近年来，在炼铁行业的领域中，对于制造钢板的热轧机、酸洗设备、冷轧机、退火设备等而言，对钢板连续地进行处理的形态成为主流。在这样的对钢板进行连续处理的生产线中，为了使处理对象的钢板不间断地在生产线中通板，需要在生产线的入口侧将先行钢板的后端部与后行钢板的前端部对接并进行焊接接合。上述钢板彼此的焊接大多使用闪光对焊、激光焊接。特别是对于如电磁钢板、不锈钢板等那样硬质且韧性差的难轧制材料而言，大多通过激光焊接进行接合。
在激光焊接中，由振荡器振荡出的激光经由光路进行传输，利用聚光透镜聚光为适当的尺寸并照射至钢板彼此的对接部。对接部的钢板通过照射的激光而被加热熔融，冷却、凝固后形成焊接部。此时，如非专利文献1所记载的那样，为了防止熔融后的金属的氧化，一般将Ar、He等不活泼气体作为保护气体供给至接合部的表面和背面。
但是，钢板的焊接部在激光焊接后急冷而硬化，因此无法确保充分的韧性。特别是在含有大量Si的钢板中，焊接部的脆化明显，Si含量越多则该倾向越明显。因此，在对含Si钢板进行激光焊接而接合的生产线中，有时在通板中在焊接部发生板断裂。如果在通板中发生板断裂，则修复需要长时间，运转率、生产率大幅降低。另外，在轧制机等中，辊受到损伤，因此辊单耗也劣化。
作为解决该问题的技术，在专利文献1中公开了如下技术：在对含Si钢板进行焊接时，在接合部添加填料来稀释焊接金属中的Si浓度，由此得到韧性优良的焊接接头(焊接部)。另外，根据该技术，能够防止焊接部的脆化，并且能够防止在焊接部生成粗大铁素体而机械特性劣化、或者热影响区的晶粒粗大化而容易断裂的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平05-305466号公报
非专利文献
非专利文献1：新井武二、沓名宗春、宫本勇、“レーザー溶接加工(激光焊接加工)”、天田激光加工研究会、1996年发行、p.12-17
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在含有1.0质量％以上的Si的钢板中，即使在激光焊接时添加填料来稀释焊接部的Si浓度，在填料的供给不足的情况下，有时Si浓度的稀释也会变得不充分，焊接金属与母材相比硬质化，此时存在无法完全防止冷轧中的板断裂的问题。
本发明是鉴于现有技术所存在的上述问题而完成的，其目的在于提供在对含Si钢板进行激光焊接时能够使焊接部的硬度较现有技术降低的激光焊接方法，并且提供用于该方法的激光焊接设备。
用于解决问题的方法
本发明人为了解决上述问题，着眼于激光焊接时向焊接部的表面和背面喷射的保护气体而反复进行了研究。以往，在将钢板对接并进行激光焊接时，为了防止因来自大气中的氮、氧的混入导致的气孔等焊接缺陷的产生，对焊接部的表面侧和背面侧喷射Ar单一气体或He单一气体作为保护气体从而完全保护。但是，本发明人发现，通过优化上述保护气体的组成以及流量，具体而言，在以He气或Ar气作为主要成分的保护气体中以在焊接金属中不产生气孔的范围含有CO2气和/或N2气，与Ar单一气体或He单一气体相比，能够稳定地降低焊接金属部的硬度，从而开发出本发明。
基于上述见解的本发明提出一种含Si钢板的激光焊接方法，其是在使含Si钢板在连续处理生产线中通板时在生产线入口侧将先行钢板的后端与后行钢板的前端对接、并在向该对接部供给填充焊丝的同时照射激光从而使填料熔融、凝固而进行焊接的激光焊接方法，其特征在于，通过使用含有合计为10体积％以上且30体积％以下的CO2气和N2气中的至少一种的He气或Ar气作为向上述焊接部的表面和背面喷射的保护气体，使焊接金属的硬度HV0.2为350以下。
另外，本发明的含Si钢板的激光焊接方法中使用的上述填充焊丝的特征在于，Si含量为0.5质量％以下。
另外，本发明是一种含Si钢板的激光焊接装置，其特征在于，具有：向含Si钢板的对接部照射由激光振荡器振荡出的激光的激光照射部；向上述对接部供给填充焊丝的填充焊丝供给装置；向上述对接部的表面和背面喷射以He或Ar作为主要成分的保护气体来保护焊接部的保护气体喷射装置；以及对上述激光照射部、填充焊丝供给装置和保护气体喷射装置进行控制的控制部，上述控制部具有以使He气或Ar气中所含的CO2气和N2气中的至少一种以合计计含有10体积％以上且30体积％以下的方式进行控制的功能。
发明效果
根据本发明，对Si含量为1.0质量％以上的含Si钢板进行激光焊接时，即使填料的供给变得不充分、焊接部的Si浓度未被充分稀释时，也能够使焊接部的硬度稳定地降低至以HV0.2计为350以下，因此能够大幅地减少连续处理生产线通板时的板断裂。另外，本发明的上述技术仅对保护气体的组成和流量进行调节，因此在现有的激光焊接设备中也能够实施。
附图说明
图1是说明本发明中使用的激光焊接装置的一例的图。
图2是通过现有的焊接方法和本发明的焊接方法对焊接部处的板断裂发生率进行比较的图。
具体实施方式
首先，对本发明的激光焊接方法进行说明。
本发明的激光焊接方法是涉及如下激光焊接方法的技术，所述激光焊接方法中，在使含Si钢板在连续处理生产线中通板时，在生产线入口侧将先行钢板的后端与后行钢板的前端对接，并在向该对接部供给填充焊丝的同时照射激光，使填料熔融、凝固而进行焊接。
在此，上述含Si钢板是指含有1.0质量％以上的Si的钢板，可以为热轧钢板、冷轧钢板中的任意一种。需要说明的是，为了进一步享受本发明的效果，优选为含有3.0质量％以上的Si的钢板。
另外，上述连续处理生产线是指对含Si钢板连续地进行处理的生产线，只要是在热轧设备、酸洗设备、冷轧设备、清洗设备、连续退火设备、平整轧制设备、精整设备等中在生产线入口侧对先行钢板的尾端与后行钢板的前端进行激光焊接、并连续地对含Si钢板进行连续处理的生产线，则可以为任一生产线。
在上述激光焊接中，为了防止焊接金属部的氧化、因存在于激光照射部的金属蒸气或气体的分离产生等离子体而被投入到材料的能量减少，在焊接部的表面和背面，向焊接部(对接部)的表面和背面喷射He单一气体或Ar单一气体等不活泼气体，从而进行保护。该保护气体是左右激光焊接的焊接部的特性的重要参数之一。
在此，本发明的激光焊接方法的特征在于，作为上述保护气体，使用以He或Ar作为主要成分且含有合计为10体积％以上且30体积％以下的CO2气和N2气中的至少一种的混合气体来代替上述He单一气体或Ar单一气体等。通过使用上述保护气体，与使用He单一气体或Ar单一气体的情况相比，焊接部的硬度降低，具体而言，能够使焊接金属的最高硬度以JIS Z 2244(2009)中规定的HV0.2计为350以下。但是，如果超过30体积％，则会产生气孔，因此将上限设定为30体积％。需要说明的是，上述CO2气和N2气的合计含量的优选范围为15～25体积％。
如上所述，通过使用He或Ar与CO2气和/或N2气的混合气体作为保护气体而焊接部的硬度降低的理由尚未充分明确，但认为是由于，焊接金属中的强化元素以碳化物、氮化物的形式析出。
需要说明的是，当对He气与Ar气进行比较时，He气的电离电压更高，更难以产生等离子体，因此，作为主要成分气体，优选He气。
另外，本发明的激光焊接方法中，优选将向上述焊接部的表面和背面喷射的保护气体的合计流量降低至将使用He单一气体或Ar单一气体时的流量设为100时的80～90。由此，能够进一步提高由上述混合气体带来的焊接部的硬度降低效果。认为其理由在于，能够适度地减弱焊接部的保护效果，提高焊接金属中的氧量、氮量。需要说明的是，更优选的流量为将He单一气体或Ar单一气体时的流量设为100时的85～90的范围。
另外，在本发明的激光焊接方法中，为了稀释含Si钢板彼此的焊接部的Si浓度、降低焊接金属的硬度，作为向焊接部供给的填充焊丝，优选使用Si含量为0.5质量％以下的填充焊丝。更优选为0.1质量％以下。例如，如果是WEL MIG(注册商标)625等，则可适当地使用。
接着，对本发明的激光焊接装置进行说明。
本发明的激光焊接装置的特征在于，具有：向含Si钢板的对接部照射由激光振荡器振荡出的激光的激光照射部；向上述对接部供给填充焊丝的填充焊丝供给装置；向上述对接部的表面和背面喷射以He或Ar作为主要成分的保护气体来保护焊接部的保护气体喷射装置；以及对上述激光照射部、填充焊丝供给装置和保护气体喷射装置进行控制的控制部，上述控制部具有以使He或Ar气中所含的CO2气和N2气中的至少一种以合计计含有10体积％以上且30体积％以下的方式进行控制的功能。
图1示出设置在钢板的连续处理生产线的入口侧的、本发明的激光焊接中使用的激光焊接装置的一例。上述激光焊接装置1由如下构成：激光照射部，将从激光振荡器2振荡出的激光束L经由导光路3导至聚光部(聚光透镜)4，利用该聚光透镜4聚光后，照射至先行钢板S1与后行钢板S2的对接部；填充焊丝供给装置5，向上述对接部供给填充焊丝W；保护气体喷射装置，向上述对接部的表面和背面喷射以He或Ar作为主要成分的保护气体来保护焊接部；和控制部6，使用执行处理程序的CPU等运算处理装置，对焊接装置1的上述激光照射部、填充焊丝供给装置5和保护气体喷射装置各构成部进行控制。通过照射至上述对接部的激光束，填充焊丝W与两张钢板S1、S2的对接部熔融、凝固，形成焊接部M。
上述图1中的保护气体喷射装置由与激光束L同轴地向钢板彼此的对接部的表(正)面侧喷射的中心气体G1、从侧面向对接部的表(正)面侧喷射的侧面气体G2和向对接部的背面侧喷射的背面气体G3构成，各自所喷射的保护气体的组成和喷射量由控制部6控制。
在此，在本发明的上述激光焊接装置中重要的是，上述控制部6对上述保护气体的气体组成进行控制，具体而言，对于从图1所示的He气瓶8a、Ar气瓶8b、CO2气瓶8c和N2气瓶8d供给的He、Ar、CO2和N2气，在保护气体混合部7中，以使He气或Ar气中所含的CO2气和N2气中的至少一种合计为10体积％以上且30体积％以下的方式混合、调节后进行供给。只要上述CO2气和N2气的合计含量在上述范围内，则He气或Ar气中所含的气体可以仅为CO2气或者仅为N2气。由此，能够在焊接部不产生气孔等焊接缺陷的情况下使焊接金属的硬度以HV0.2计为350以下。
另外，在本发明的上述激光焊接装置中重要的是，上述控制部6具有将上述保护气体的流量(G1、G2和G3的合计流量)降低至将使用He单一气体或Ar单一气体作为保护气体时的流量设为100时的80～90的范围的流量调节功能。由此，能够进一步提高由上述气体组成控制带来的焊接金属的硬度降低效果。顺便提一下，在图1所示的激光焊接装置中使用He单一气体或Ar单一气体作为保护气体时的保护气体G1、G2和G3的合计流量通常为约150L/分钟～约200L/分钟。
需要说明的是，上述图1示出了使用二氧化碳激光作为焊接中使用的激光的焊接装置的构成例，但是，在本发明中，不限于二氧化碳激光，也可以使用圆盘激光、光纤激光等。需要说明的是，在使用圆盘激光、光纤激光、YAG激光的情况下，波长短而难以产生等离子体，因此不需要中心气体G1。
需要说明的是，在本发明中，激光焊接方法是如上所述通过优化保护气体的气体组成和流量从而在不产生焊接缺陷的情况下使焊接部的最高硬度降低至以HV0.2计为350以下的技术，由此，能够大幅减少将钢板彼此焊接并连续地在连续处理生产线中通板时的焊接部的板断裂。
实施例1
对板厚为2.0～2.2mm且含有3.0～3.5质量％的Si的含Si钢板进行如下实验：在设置在对该钢板进行连续处理的生产线的入口侧的、如图1所示的本发明的激光焊接装置中，使焊接时的保护气体的组成和保护气体的流量如表1所示进行各种变化，进行焊接。
具体而言，激光焊接如下进行：将从上述钢板裁取的两张钢板对接，一边供给Si含量为0.10质量％的WEL MIG(注册商标)625作为填充焊丝，一边进行激光焊接。焊接中使用的激光使用二氧化碳激光，在功率为10kW、束径为0.5mm、焊接速度为3.0m/分钟、填充焊丝供给速度为5.5m/分钟的条件下进行焊接。
针对如上所述得到的激光焊接部，进行以下评价。
＜外观评价＞
目视观察焊缝部，调查有无气孔产生，将没有气孔产生的试样评价为合格。
＜焊接部的硬度评价＞
将焊接部沿横穿方向切断，测定其截面的板厚和熔融宽度的中央部分的维氏硬度HV0.2，将其最大硬度为350以下的试样评价为合格。
关于上述评价结果，一并记于记载了焊接条件的表1中。
根据该结果可知，在使用100％的He气作为保护气体的现有技术的焊接条件下，焊接金属的维氏硬度HV0.2大大地超过350，但通过使用在He气中含有合计为10体积％以上的CO2和/或N2气的混合气体，能够将HV0.2降低至350以下。但是，含有合计为30体积％以上的CO2和/或N2气时，虽然焊接金属的HV0.2进一步降低，但在焊缝部会产生气孔。因此可知，在本发明中使用的保护气体需要使用含有合计为10体积％以上且30体积％以下的CO2和/或N2气的He气。另外还可知，上述CO2气与N2气的焊接金属的硬度降低效果大致同等，但CO2气略大。
另外还可知，在保护气体的组成满足上述范围的情况下，将向焊接部的表面和背面喷射的保护气体的合计流量降低到将使用He气100％的保护气体时的保护气体的流量设为100时的80～90的范围，由此能够进一步降低焊接金属的硬度。
另外还确认到，在使用Ar气代替He气作为保护气体的主要成分的情况下，也能够得到大致同样的效果。
[表1]
*：将He气100％设为100时的比率(％)
实施例2
对板厚为2.0～2.2mm的范围且以3.0～3.5质量％的范围含有Si的含Si钢板进行如下工序实验：在生产线入口侧利用图1所示的激光焊接机将先行钢板的尾端与后行钢板的前端对接、进行激光焊接并进行冷轧的连续轧制生产线中，上述激光焊接应用上述表1中记载的本发明的激光焊接方法(No.8和12)和现有技术的激光焊接方法(No.1)，对冷轧中在焊接部发生了板断裂的卷材的发生率进行比较。作为填充焊丝，使用与实施例1相同的填充焊丝，激光焊接在功率为10kW、束径为0.5mm、焊接速度为3.0m/分钟、填充焊丝供给速度为5.5m/分钟的条件下进行。另外，在对上述三个焊接方法进行比较时，使各方法中的轧制对象的钢板的板厚构成、钢种(Si含量)构成等大致相同，焊接部的板断裂的发生率由下式求出。
板断裂发生率(％)＝(发生了板断裂的卷材数)/(总轧制卷材数)×100
将上述结果示于图2中。由该图可知，通过应用本发明的激光焊接方法，能够将焊接部的板断裂的发生率降低到1/2以下。
产业上的可利用性
本发明的技术并不限定于将含Si钢板设置在连续处理生产线的入口侧的激光焊接设备，也能够适当地应用于单独的激光焊接装置。另外，本发明的技术存在也能够应用于含Si钢板以外的在焊接部容易发生板断裂的钢板的焊接中的可能性。
符号说明
1：激光焊接装置
2：激光振荡器
3：导光路
4：聚光部
5：填充焊丝供给装置
6：控制部
7：保护气体混合部
8a、8b、8c、8d：气瓶
L：激光束
S1、S2：进行焊接的含Si钢板
W：填充焊丝
G1、G2、G3：保护气体
M：焊接部

Claims (3)

1.一种含Si钢板的激光焊接方法，其是在使含Si钢板在连续处理生产线中通板时在生产线入口侧将先行钢板的后端与后行钢板的前端对接、并在向该对接部供给填充焊丝的同时照射激光从而使填料熔融、凝固而进行焊接的激光焊接方法，其特征在于，
通过使用含有合计为10体积％以上且30体积％以下的CO2气和N2气中的至少一种的He气或Ar气作为向所述焊接部的表面和背面喷射的保护气体，使焊接金属的硬度HV0.2为350以下。
2.根据权利要求1所述的含Si钢板的激光焊接方法，其特征在于，所述填充焊丝是Si含量为0.5质量％以下的填充焊丝。
3.一种含Si钢板的激光焊接装置，其特征在于，
具有：
向含Si钢板的对接部照射由激光振荡器振荡出的激光的激光照射部；
向所述对接部供给填充焊丝的填充焊丝供给装置；
向所述对接部的表面和背面喷射以He或Ar作为主要成分的保护气体来保护焊接部的保护气体喷射装置；以及
对所述激光照射部、填充焊丝供给装置和保护气体喷射装置进行控制的控制部，
所述控制部具有以使所述He气或Ar气中所含的CO2气和N2气中的至少一种以合计计含有10体积％以上且30体积％以下的方式进行控制的功能。
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