CN107900518B

CN107900518B - 一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接方法

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Publication number: CN107900518B
Application number: CN201711179024.8A
Authority: CN
Inventors: 罗丰华; 周海铭; 姚谷; 李柘林; 李自刚
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-11-19
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: CN107900518A

Abstract

一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接的方法，焊接的主要工艺参数为：用光纤Nd:YAG激光器填丝对接深熔焊，焊缝预制对接间隙为1.0～1.6mm，聚光镜焦距为15cm，离焦距离为‑10～3mm，激光功率控制在1.8～6kW，焊接速度控制在10～60mms^‑1，焊丝直径为1.2～2.0 mm，送丝速度为20～240mms^‑1。本发明所得焊缝焊接热影响区宽度小于0.6mm；焊缝区为粗大马氏体组织；焊接热影响区以细小马氏体组织为主，焊接接头部分硬度在370～450HV0.1，焊接接头拉伸强度接近甚至超过母材。由于快速冷却马氏体强化和合金强化的作用，使得焊接接头硬度和强度大幅提高。

Description

一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接方法

技术领域

本发明采用高速激光填丝对高强度双相钢进行深熔焊接，进而改善焊接件力学性能的方法，属于特种焊接领域。

技术背景

双相钢作为以相变为基础的先进高强钢，是通过控制冷却速度获得铁素体软相和马氏体（或贝氏体）硬相的双相组织，其具有良好的强度和塑性综合性能，符合汽车的轻量化要求，已广泛应用于汽车制造业中，车身结构采用双相钢不仅可以减轻车身质量、降低油耗，而且能增大车身结构的抗凹陷能力；非车身结构采用双相钢明显提升悬挂件以及车轮的强度和疲劳性能。汽车零部件一般需要通过焊接方式进行连接。目前汽车生产中应用最多的焊接方法是电阻点焊，但在某些点焊焊钳无法到达的部位(如车身大拐角处)，必须采用激光焊方法进行焊接。激光焊是以高能量密度的激光束作为热源，直线照射到一个很小的点从而引发金属基体熔化的焊接方式。焊接过程中，部分母材汽化后在基体表面产生气流波，对焊接部位起到清洁作用。同时，熔池中心形成一个小凹形空腔（匙孔），当激光束向前焊接移动时，熔池中的熔体迅速流向凹形空腔，同时由于表面张力的作用，随着焊接的进行，空腔得到连续不断的填补，从而形成均匀的焊缝。

国内外学者对钢材厚板(4~15 mm)的焊接技术展开了大量的研究工作，包括焊接工艺和焊接性，研究的侧重点在于焊接工艺参数对于组织和性能的影响，发现采用激光焊接可能无法穿透双相钢厚板，并且会产生无法接受的大变形。

Alcock利用二极管激光焊接304L不锈钢合金，发现只有当热输入量高于600J/mm时，熔深可以达到10 mm以上。Elmesalamy通过应用1kW光纤激光器，焊接20mm厚的不锈钢对接接头，间隙达1.5mm，显示出该焊接方法的可行性。但在厚板激光焊接中易出现接头变形情况，焊接接头上表面会出现明显凹陷而下表面凸起等形状缺陷，从而影响材料的使用。为了获得无缺陷的接头，可以采用背板和激励工具生成向上的电磁力以调节熔池形状。Ferabi研究双相钢激光焊接接头的组织和力学性能情况，通过对DP600钢进行焊接发现，焊接后在焊缝区域出现了明显的硬化现象，而热影响区存在软化现象；Tae-KyoHan对DP600、DP800双相钢等先进高强钢进行CO₂激光焊接，研究焊接接头的硬化行为发现，在DP600双相钢、DP800双相钢中，焊接接头的最高硬度出现在焊缝金属以及HAZ靠近熔合线一侧，而从热影响区到母材侧硬度是逐渐降低的。

发明内容

针对采用普通焊接方法连接高强度双相钢时，易造成焊接区出现的软化问题，本发明采用一种含Ni、Cu、Mo、V等元素的焊丝和高能快速激光焊接技术，并提供优化的激光焊接工艺参数，以改善双相钢接头力学性能，目的是获得不低于双相钢母材的焊接接头强度和硬度，从而满足该钢材在压力容器、轨道交通、海洋运输、桥梁等应用要求。

本发明采用的焊丝的主要成分列于表1，焊丝中含有少量的Ni、Cu、Mo、V等强化元素，焊丝直径为1.2～2.0mm。

表1 实用化焊接用双相钢和焊丝的化学成分范围（质量分数，%）

合金

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

Mo

V

Ti

Fe

焊丝

0.06~0.15

0.8~1.15

1.4~1.6

≤0.03

≤0.15

0.1~0.3

0.2~0.5

0.2~0.4

0.02~0.04

-

余量

双相钢母材

0.06~0.15

0.1~0.64

1.2~2.0

≤0.04

0.3~0.8

-

0.02~0.07

余量

本发明主要针对4～15 mm厚的双相钢板材，其高能快速激光焊接的主要工艺参数为：用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，焊缝预制对接间隙为1.0～1.6 mm，聚光镜焦距为15 cm，离焦距离为-10～3 mm，激光功率控制在1.8～6 kW，焊接速度控制在10～60mms^-1，焊接过程中保持通风良好，焊完后进行风冷处理，以促使焊缝快速冷却。

高能快速激光深熔焊的具体步骤如下：

1. 焊前钢板准备

采用的钢板为双相钢，其成分列于表1。该钢材经过热处理后为铁素体、马氏体双相组织，力学性能符合：抗拉强度不小于920MPa,屈服强度不小于790MPa,延伸率不小于5%，HV0.1不小于320。钢板的厚度为4～15 mm。钢板平直、表面清洁，无油污、水渍等污染物。

2. 焊接预制对接间隙调整

将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.0～1.6 mm。

3. 高能快速激光深熔焊

用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，离焦距离为-10～3 mm，激光功率控制在1.8～6 kW，焊接速度控制在10～60 mms^-1。焊丝直径为1.2～2.0 mm，送丝速度为20～240 mms^-1，根据焊缝的熔池体积补充量需求来确定。采用99.99%的高纯氩气作为保护气体，送气软管固定在激光头上。

焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30℃时，应采取电风扇强制风冷处理。当环境温度超过50℃时，应停止作业。

通保护气体氩气时，送气软管固定在激光头上，流量为15L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。

采用本激光工艺参数焊接薄双相钢形成的焊缝，其焊接区域的热影响区宽度小于0.6 mm；焊缝区组织为粗大马氏体组织；焊接热影响区如图3所示，以细小马氏体组织为主，含有少量铁素体。焊接接头部分硬度在370～450HV0.1，焊接接头拉伸强度接近甚至超过母材。本发明所采用的高能快速激光焊接技术，焊接区和焊接热影响区很窄，焊接熔化迅速升高到熔化温度，焊后由于周围环境空气对流散热和焊接钢板自身传导散热的作用，能使焊接区产生类似于淬火的作用，形成马氏体；焊丝中添加了Ni、Cu、Mo、V等元素，起到了稳定奥氏体，促进马氏体相变的作用，并起到合金强化、硬化作用。由于快速冷却马氏体强化和合金强化的作用，使得焊接接头硬度和强度得以提高。

附图说明

图1为典型高功率激光深熔焊形貌金相图；

图2为双相钢厚板深熔焊接头的焊缝区马氏体组织形态；

图3为双相钢厚板深熔焊接头的热处理区金相图；

图4为实施例1接头拉伸断裂形貌图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例1

焊前采用的钢板为双相钢，其成分列于表1。钢板的厚度为4.6 mm，钢板平直、表面清洁，无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.02 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，离焦距离为+3 mm，激光功率控制在1.8 kW，焊接速度为10 mms^-1。焊丝直径为1.2 mm，送丝速度为30 mms^-1。采用高纯氩气作为保护气体，送气软管固定在激光头上，流量为15 L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30 ℃时，应采取电风扇强制风冷处理。采用的上述焊接工艺参数及所得焊接接头的力学性能列于表2。图2为本发明双相钢厚板深熔焊接头的焊缝区马氏体组织形态；图3为双相钢厚板深熔焊接头的热处理区金相图；焊接接头拉伸断裂的形貌图见图4，材料存在大量韧窝，属于典型韧性断裂。图1为典型高功率激光深熔焊形貌金相图。

表2实施例双相钢的焊接工艺参数及接头力学性能

	板厚/mm	热输入量/Jmm^-1	焊接间距/mm	抗拉强度/MPa	延伸率/%	热影响区宽度/mm	焊接区硬度/HV0.1	热影响区硬度/HV0.1
									实施例1	4.6	180	1.02	912	3.68	0.26/0.28	411	393
实施例2	6	200	1.15	918	3.44	0.32/0.34	425	378
									实施例3	7.5	221.43	1.28	937	3.89	0.35/0.36	428	386
实施例4	8.7	253.33	1.50	946	4.88	0.42/0.44	427	376
									实施例5	9.5	250	1.52	911	4.15	0.54/0.55	445	392
实施例6	11	260	1.60	931	4.97	0.52/0.51	441	405
									实施例7	13	263.64	1.57	945	4.56	0.6/0.59	438	400

实施例2

焊前采用的钢板为双相钢，其成分列于表1。钢板的厚度为6 mm，钢板平直、表面清洁，无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.15 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，离焦距离为+2 mm，激光功率控制在2.4 kW，焊接速度为12 mms^-1。焊丝直径为1.4 mm，送丝速度为30 mms^-1。采用高纯氩气作为保护气体，送气软管固定在激光头上，流量为15 L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30 ℃时，应采取电风扇强制风冷处理。采用的上述焊接工艺参数及所得焊接接头的力学性能列于表2。

实施例3

焊前采用的钢板为双相钢，其成分列于表1。钢板的厚度为7.5 mm，钢板平直、表面清洁，无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.28 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，离焦距离为+1 mm，激光功率控制在3.1 kW，焊接速度为14 mms^-1。焊丝直径为1.6 mm，送丝速度为30 mms^-1。采用高纯氩气作为保护气体，送气软管固定在激光头上，流量为15 L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30 ℃时，应采取电风扇强制风冷处理。采用的上述焊接工艺参数及所得焊接接头的力学性能列于表2。

实施例4

焊前采用的钢板为双相钢，其成分列于表1。钢板的厚度为8.7 mm，钢板平直、表面清洁，无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.50 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，离焦距离为0 mm，激光功率控制在3.8 kW，焊接速度为15 mms^-1。焊丝直径为1.8 mm，送丝速度为30 mms^-1。采用高纯氩气作为保护气体，送气软管固定在激光头上，流量为15 L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30 ℃时，应采取电风扇强制风冷处理。采用的上述焊接工艺参数及所得焊接接头的力学性能列于表2。

实施例5

焊前采用的钢板为双相钢，其成分列于表1。钢板的厚度为9.5 mm，钢板平直、表面清洁，无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.52 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，离焦距离为-1 mm，激光功率控制在4.5 kW，焊接速度为18 mms^-1。焊丝直径为1.8 mm，送丝速度为30 mms^-1。采用高纯氩气作为保护气体，送气软管固定在激光头上，流量为15 L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30 ℃时，应采取电风扇强制风冷处理。采用的上述焊接工艺参数及所得焊接接头的力学性能列于表2。

实施例6

焊前采用的钢板为双相钢，其成分列于表1。钢板的厚度为11 mm，钢板平直、表面清洁，无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.60 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，离焦距离为-3 mm，激光功率控制在5.2 kW，焊接速度为20 mms^-1。焊丝直径为1.8 mm，送丝速度为30 mms^-1。采用高纯氩气作为保护气体，送气软管固定在激光头上，流量为15 L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30 ℃时，应采取电风扇强制风冷处理。采用的上述焊接工艺参数及所得焊接接头的力学性能列于表2。

实施例7

焊前采用的钢板为双相钢，其成分列于表1。钢板的厚度为13 mm，钢板平直、表面清洁，无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.57 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，离焦距离为-3 mm，激光功率控制在5.8 kW，焊接速度为22 mms^-1。焊丝直径为2.0 mm，送丝速度为30 mms^-1。采用高纯氩气作为保护气体，送气软管固定在激光头上，流量为15 L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30 ℃时，应采取电风扇强制风冷处理。采用的上述焊接工艺参数及所得焊接接头的力学性能列于表2。

Claims

1.一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接方法，其特征在于包括以下具体步骤：

A. 焊前钢板准备

采用的钢板为双相钢，双相钢各元素的质量百分含量为：C0.06~0.15 ，Si0.1~0.64，Mn1.2~2.0 ，P≤0.04， S≤0.04， Cr0.3~0.8， Ti0.02~0.07，余量为Fe，钢材经过热处理后为铁素体、马氏体双相组织，力学性能符合：抗拉强度不小于920MPa,屈服强度不小于790MPa,延伸率不小于5%，HV0.1不小于320，钢板的厚度为4～15 mm；

B. 焊接预制对接间隙调整

将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上，再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面，通过焊接工装台距离调整装置，平行移动钢板，使焊缝预制对接间隙为1.0～1.6 mm；

C. 高能快速激光深熔焊

用激光器填丝对接焊，离焦距离为-10～3 mm，激光功率控制在1.8～6 kW，焊接速度控制在10～60 mm /s，焊丝直径为1.2～2.0 mm，送丝速度为20～240 mm/s，采用99.99%的高纯氩气作为保护气体；

焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却，当环境温度超过30℃时，采取电风扇强制风冷处理。

2.如权利要求1所述的一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接方法，其特征在于C步骤所述的焊丝中各元素的质量百分含量为：C0.06~0.15 ，Si0.8~1.15， Mn1.4~1.6，P≤0.03， S≤0.03， Cr≤0.15， Ni0.1~0.3， Cu0.2~0.5， Mo0.2~0.4， V0.02~0.04余量为Fe。

3.如权利要求1所述的一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接方法，其特征在于：步骤C氩气保护气体采用送气软管固定在激光头上的方式，流量为15L/min，与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。

4.如权利要求1所述的一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接方法，其特征在于：所述的激光器为IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG。