CN106475683A - 一种具有Al‑Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有Al‑Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,包括以下步骤:S1、取两块具有Al‑Si镀层的热成形钢板,对其进行净化处理;S2、将步骤S1中经过净化处理的两块热成形钢板对接放置于工作台上并用焊接夹具固定,两块热成形钢板间存在间隙;S3、在步骤S2中两块热成形钢板间的间隙中填充金属镍或金属铬;S4、选择激光器,并设定激光器加工参数;S5、采用步骤S4中的激光器照射两块热成形钢板的对接处,完成两块热成形钢板的拼接。本发明仅需要加入适量的金属镍或金属铬,无需对热成形钢板进行去镀层处理,即可实现热成形钢板的拼接,且焊缝接头具有较高的力学性能,强度和韧性达到母材的水平,提高了生产效率和产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及高强度材料拼焊技术领域,具体涉及一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法。
背景技术
汽车工业的迅猛发展为国民经济和社会发展发挥了重要作用。但受能源短缺、环境污染等问题的影响,该行业发展之矛盾也日益凸显。展望未来,该行业的发展只有建立在自然、生态、节能、安全等背景下,其发展才可持续。在此背景下,汽车轻量化以及超高强度钢的应用成为了重要发展方向。由于超高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面具有明显的优势,能够满足减轻汽车重量和提高碰撞安全性能的双重需要,故在国内外的汽车制造上大量应用高强度钢,其中主要应用在车身外面板、车身内面板、保险杠的外面板和加强板、各种抗冲击结构件等。
热成形钢板作为一种典型的超高强汽车用钢,其具有极高的材料强度及延展性。一般的高强度钢板的抗拉强度在400~450MPa左右,而热成形钢板加热前抗拉强度就已达到500~800MPa,加热成形后则提高至1300~1600MPa,为普通钢材的3~4倍,其硬度仅次于陶瓷,但又具有钢材的韧性。热成形钢板因其具有极高的机械安全性被广泛应用于前、后保险杠骨架以及A柱、B柱等重点部位,在发生撞击时,尤其在正面和侧面撞击时,可有效减少驾驶舱变形,提高了车身的抗碰撞能力和整体安全性,在碰撞中对车内人员会起到很好的保护作用。
由于热成形钢板的热成形工艺的温度达到900~950℃,为了满足热成形工艺的需求,Al-Si镀层取代镀锌层成为热成形钢板常用的防腐、防氧化镀层。由于热成形钢板上Al-Si镀层的存在,在激光焊接过程中,Al-Si镀层熔化后会进入焊缝,Al元素与Fe元素形成脆性的Al-Fe金属间化合物,同时也会影响焊缝相变规律导致铁素体的形成,显著降低了焊缝接头的力学性能。所以具有Al-Si镀层的热成形钢板进行拼焊是否成功,取决于热成形钢板之间的焊缝质量高低。在实际生产过程中,通常采用机械去除或激光烧蚀等方法去除表面的Al-Si镀层,但这些方法工序繁多,费时费力,大大降低了生产效益。
从材料学的基本原理出发,焊缝的质量高低很大程度上与脆性的Al-Fe金属间化合物的形成有关,为了提高焊缝接头的强度,只需加入一种元素能够抑制脆性的Al-Fe金属间化合物的形成即可。
针对于此,有必要设计一种无需在焊前去除镀层,可直接对具有Al-Si镀层的热成形钢板进行拼焊,同时又能提高焊缝强度,使其达到母材强度水平的激光拼焊方法。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的提供一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,在焊前不需要去除Al-Si镀层,通过在焊缝内加入少量金属镍或金属铬,从而提高焊缝接头的强度和韧性,使其达到母材水平。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,包括以下步骤:
S1、取两块具有Al-Si镀层的热成形钢板,对其进行净化处理,准备焊接夹具,待备用;
S2、将步骤S1中经过净化处理的两块热成形钢板对接放置于工作台上并用焊接夹具固定,两块热成形钢板间存在间隙;
S3、在步骤S2中两块热成形钢板间的间隙中填充金属镍或金属铬;
S4、选择激光器,并设定激光器加工参数;
S5、采用步骤S4中的激光器照射两块热成形钢板的对接处,使对接处熔化、凝固及冷却形成高质量的焊缝,完成两块热成形钢板的拼接。
优选的,所述步骤S1中,使用丙酮对两块具有Al-Si镀层的热成形钢板的表面进行油污清洗,然后冷却风干。
优选的,所述步骤S3中,所述金属镍可为镍箔或镍丝,其镍的百分含量为90~99.99%;所述金属铬可为铬箔或铬丝,其铬的百分含量为90~99.99%。
优选的,所述步骤S2中的间隙距离小于等于所填充镍丝或铬丝的直径,或小于等于所填充镍箔或铬箔的厚度。
优选的,所述镍箔和铬箔的厚度为0.03~0.5mm,长度和宽度与热成形钢板的尺寸相同;所述镍丝和铬丝的直径为0.01~1mm,由送丝机送至两块热成形钢板间的间隙中。
优选的,所述送丝机的送丝速度为1.0~6.0m·min-1。
优选的,所述步骤S4中,激光器为光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器的其中一种,激光参数设定为:激光功率500~6000W,激光扫描速度1.25~10m·min-1,激光光斑直径0.03~0.05mm。
优选的,所述步骤S5中,激光器处于氩气氛围中对两块热成形钢板的对接处进行照射;所述氩气的通入流量为10~20L·min-1。
一种根据如上所述的拼焊方法制得的具有Al-Si镀层热成形钢板的焊缝接头,所述焊缝接头的显微组织结构为板条马氏体。
与现有技术相比,本发明提供的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,利用激光器将具有Al-Si镀层热成形钢板进行拼焊,无需在焊前去除热成形钢板的Al-Si镀层,只需要在焊接处加入极少量的金属镍或金属铬,调整合适的激光参数,使金属镍或金属铬在高温中熔化进入焊接熔池内,在焊缝内部与液态混合金属中的铝元素发生冶金反应形成的韧性的Al-Ni金属间化合物或韧性的Al-Cr金属间化合物,抑制脆性的Al-Fe金属间化合物的形成,也将减少了铝元素对奥氏体相变的影响,提高了焊缝的力学强度,同时也大大提高了生产效率,降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的激光拼焊方法的流程图;
图2为未添加镍箔的拼焊方法所得的焊缝接头的显微组织电镜图;
图3为采用本发明添加镍箔的拼焊方法所得的焊缝接头的显微组织电镜图。
具体实施方式
由于热成形钢板上Al-Si镀层的存在,在激光焊接过程中,Al-Si镀层熔化后会进入焊缝,Al元素与Fe元素形成脆性的Al-Fe金属间化合物,同时也会影响焊缝相变规律导致铁素体的形成,显著降低了焊缝接头的力学性能。所以具有Al-Si镀层的热成形钢板进行拼焊是否成功,取决于热成形钢板之间的焊缝质量高低。
从材料学的基本原理出发,焊缝的质量高低很大程度上与脆性的Al-Fe金属间化合物有关,为了提高焊缝接头的强度,只需加入一种元素能够抑制脆性的Al-Fe金属间化合物的形成即可。
基于上述原理,本发明提供一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,包括以下步骤:
S1、取两块具有Al-Si镀层的热成形钢板,使用丙酮对两块热成形钢板的表面进行油污清洗,然后冷却风干,准备焊接夹具,待备用。
S2、将步骤S1中经过净化处理的两块热成形钢板对接放置于工作台上并用焊接夹具固定,两块热成形钢板间存在间隙,该间隙距离小于等于所填充镍丝或铬丝的直径,或小于等于所填充镍箔或铬箔的厚度。
S3、在步骤S2中两块热成形钢板间的间隙中填充金属镍或金属铬。
在此,为了适应激光拼焊的设备及工作环境的要求,金属镍优先选择为镍箔或镍丝,其镍的百分含量为90~99.99%。金属铬优先选择为铬箔或铬丝,其铬的百分含量为90~99.99%。其中,镍箔和铬箔的厚度为0.03~0.5mm,长度和宽度与热成形钢板的尺寸相同,镍丝和铬丝的直径为0.01~1mm,经由送丝机送至两块热成形钢板间的间隙中,送丝机的送丝速度为1.0~6.0m·min-1。
S4、选择使用光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器的其中一种激光器,优选光纤激光器和半导体激光器,并设定激光器加工参数:激光功率500~6000W,激光扫描速度1.25~10m·min-1,激光光斑直径0.03~0.05mm。
S5、采用步骤S4中的激光器处于氩气氛围中照射两块热成形钢板的对接处,使对接处熔化、凝固及冷却形成高质量的焊缝,实现两块热成形钢板的拼接,氩气的通入流量为10~20L·min-1。
同时,根据上所述的拼焊方法制得的具有Al-Si镀层热成形钢板的焊缝接头,所得的焊缝接头的显微组织结构为板条马氏体。
该方法是利用Ni元素和Cr元素与Al元素的亲和力较高,极易形成高强度的韧性的Al-Ni金属间化合物或韧性的Al-Cr金属间化合物的属性,在激光拼焊的过程中通过在焊接熔池内加入金属镍或金属铬,使其高温融化后与熔池内液态混合金属中的Al元素发生冶金反应形成韧性的Al-Ni金属间化合物或韧性的Al-Cr金属间化合物,从而抑制了Al元素与热成形钢板中的Fe元素形成脆性的Al-Fe金属间化合物,也杜绝了Al元素对奥氏体相变的影响,最终获得的焊缝接头的显微组织为全板条马氏体组织,具有较高的力学性能,强度达到母材的水平。
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一:
一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,包括以下步骤:
S1、取两块1.5mm厚的具有Al-Si镀层的热成形钢板,该热成形钢板的内部显微组织结构为板条马氏体。使用丙酮对两块热成形钢板的表面进行油污清洗,然后冷却风干,准备焊接夹具,待备用。
S2、将步骤S1中经过净化处理的两块热成形钢板对接放置于工作台上并用焊接夹具固定,两块热成形钢板间存在间隙,该间隙距离为0.03mm。
S3、在步骤S2中两块热成形钢板间的间隙中填充镍箔。填充的镍箔厚度为0.03mm,长度和宽度与热成形钢板的尺寸相同。
S4、选择使用光纤激光器,并设定激光器加工参数:激光功率2000W,激光扫描速度5m·min-1,激光光斑直径0.03mm。
S5、采用光纤激光器处于氩气氛围中照射两块热成形钢板的对接处,使对接处熔化、凝固及冷却形成高质量的焊缝,实现两块热成形钢板的拼接。
参见图2所示,采用相同的激光加工参数,但未加入镍箔直接进行拼焊所得的焊接接头的显微组织为δ铁素体和板条马氏体,测得其拉伸强度仅仅为800MPa,断裂位置出现在熔合区。
而参见图3所示,采用本实施例中的拼焊方法,加入镍箔后,拼焊所得的焊接接头的显微组织为纯马氏体,测得其拉伸强度可达到1350MPa,断裂位置出现在焊接热影响区。
实施例二:
本实施例与实施例一不同之处在于,具有Al-Si镀层的两块热成形钢板的厚度为2.0mm,两者之间的间隙距离为0.5mm。采用送丝机送入直径为0.5mm的铬丝至两块热成形钢板的间隙中,送丝速度为3m·min-1。激光器加工参数设定为:激光功率3000W,激光扫描速度3m·min-1,激光光斑直径0.05mm。
同样的,采用相同的激光加工参数,但未加入铬丝直接进行拼焊所得的焊接接头的显微组织为δ铁素体和板条马氏体,测得其拉伸强度仅仅为790MPa,断裂位置出现在熔合区。
采用本实施例中的拼焊方法,加入铬丝后,拼焊所得的焊接接头的显微组织为纯马氏体,测得其拉伸强度可达到1320MPa,断裂位置出现在焊接热影响区。
综上所述,本发明提供的拼焊方法在焊接前不需要去除Al-Si镀层,仅需要加入适量的金属镍或金属铬,无需对热成形刚进行去镀层处理,即可实现两块热成形钢板的拼接,且焊缝接头的显微组织为全板条马氏体组织,具有较高的力学性能,强度和韧性达到母材的水平,大大提高了生产效率和产品质量,同时也降低了生产成本。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、取两块具有Al-Si镀层的热成形钢板,对其进行净化处理,准备焊接夹具,待备用;
S2、将步骤S1中经过净化处理的两块热成形钢板对接放置于工作台上并用焊接夹具固定,两块热成形钢板间存在间隙;
S3、在步骤S2中两块热成形钢板间的间隙中填充金属镍或金属铬;
S4、选择激光器,并设定激光器加工参数;
S5、采用步骤S4中的激光器照射两块热成形钢板的对接处,使对接处熔化、凝固及冷却形成高质量的焊缝,完成两块热成形钢板的拼接。
2.根据权利要求1所述的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,其特征在于:所述步骤S1中,使用丙酮对两块具有Al-Si镀层的热成形钢板的表面进行油污清洗,然后冷却风干。
3.根据权利要求1所述的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,其特征在于:所述步骤S3中,所述金属镍可为镍箔或镍丝,其镍的百分含量为90~99.99%;所述金属铬可为铬箔或铬丝,其铬的百分含量为90~99.99%。
4.根据权利要求3所述的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,其特征在于:所述步骤S2中的间隙距离小于等于所填充镍丝或铬丝的直径,或小于等于所填充镍箔或铬箔的厚度。
5.根据权利要求4所述的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,其特征在于:所述镍箔和铬箔的厚度为0.03~0.5mm,长度和宽度与热成形钢板的尺寸相同;所述镍丝和铬丝的直径为0.01~1mm,由送丝机送至两块热成形钢板间的间隙中。
6.根据权利要求5所述的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,其特征在于:所述送丝机的送丝速度为1.0~6.0m·min-1。
7.根据权利要求1所述的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,其特征在于:所述步骤S4中,激光器为光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器的其中一种,激光参数设定为:激光功率500~6000W,激光扫描速度1.25~10m·min-1,激光光斑直径0.03~0.05mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法,其特征在于:所述步骤S5中,激光器处于氩气氛围中对两块热成形钢板的对接处进行照射;所述氩气的通入流量为10~20L·min-1。
9.一种根据权利要求1~8所述的拼焊方法制得的具有Al-Si镀层热成形钢板的焊缝接头,其特征在于:所述焊缝接头的显微组织结构为板条马氏体。
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