CN107931835B - 一种高速激光填丝焊接高强双相钢薄板的工艺 - Google Patents

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Abstract

一种高速激光填丝焊接高强双相钢薄板的工艺，本发明焊接的主要工艺参数为：用光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，焊缝预制对接间隙为0.2～0.4mm，聚光镜焦距为15cm，离焦距离为‑3～3 mm，激光功率控制在1.8～6kW，焊接速度为24～60mms‑1，焊丝直径为0.6～1.0mm，送丝速度为20～240 mms‑1。本发明焊缝焊接区域很窄，少于0.65 mm，余高很小；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，含有少量铁素体。焊接接头部分硬度在350～450HV0.1，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大提高。

Description

一种高速激光填丝焊接高强双相钢薄板的工艺
技术领域
本发明采用高速激光填丝焊对高强度双相钢进行热传导焊接，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)，必须采用气体保护的熔化焊进行焊接。气体保护焊是指在焊接过程中，对焊接件通以惰性保护气体，使焊接形成的熔池与空气中的氧气相隔绝，以避免高温熔池和热影响区被氧化的焊接工艺。传统气体保护焊是一种具有电弧可见性高、密封性好和操作方便等特点的重要制造技术，但其存在残余应力和变形很大，以及焊缝组织和性能不均匀等问题。如图1和图2所示，传统的熔化极惰性气体保护(MIG)焊，以填充焊丝为电极，焊接1.1 mm厚的双相钢板的焊缝区的宽度为2.6mm，余高很大，抗拉强度仅为母材的70～75%。
而与MIG相比，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，部分基体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。焊接的同时加入填充金属（即焊丝）有利于避免出现热裂纹、咬边等缺陷，提高焊缝的连续性。
国内外学者对双相钢薄板(0.8～5 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，发现采用激光焊接双相钢会产生明显热影响区软化现象，导致焊后断裂发生在热影响区，而降低软化区尺寸和控制显微硬度降幅可以有效提高焊接接头强度。
Narasimhan采用CO2激光器对1.2mm 厚的双相钢进行了激光拼焊，发现软化区宽度在2～4mm 之间，显微硬度较母材下降22%，拉伸试验和成形试验中断裂均发生在软化区；王金凤采用Nd:YAG激光器对 1.5mm厚DP1000钢进行焊接，试验发现软化区的宽度在1.2～2.0mm之间，显微硬度较母材下降20%，拉伸试验断裂也发生在软化区；W. Xu利用光纤和二极管传输两种激光器对比研究了DP980双相钢的组织力学性能，通过研究发现光纤激光焊接的DP980双相钢的热影响区及软化宽度比二极管激光焊窄，硬度值较高；贾强利用光纤激光器焊接1.2mm厚DP980钢，焊接接头软化区变窄，其宽度在1mm以下，显微硬度降幅小，约为15%。
发明内容
针对采用传统焊接方法连接双相钢时，易造成焊接区出现的软化问题，本发明采用一种含Cu、Mo、V等元素的焊丝和高能快速激光焊接技术，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，从而满足该钢材在汽车、轨道交通、海洋运输等应用要求，实现结构轻量化的节能降耗意义。
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Cu、Mo、V等强化元素，焊丝直径为0.6～1.0mm。
表1 实用化焊接用焊丝和双相钢母材的化学成分范围（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 1.4~1.60 ≤0.03 ≤0.03 ≤0.15 ≤0.15 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 ≤0.04 0.3~0.8 0.1~0.5 - - - 0.02~0.07 余量
本发明主要针对0.6～5mm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0.2～0.4mm，聚光镜焦距为15cm，离焦距离为-3～3 mm，激光功率控制在1.8～6kW，焊接速度控制在24～60mms-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。
高能快速激光焊接的具体步骤如下：
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6%，HV0.1不小于320。钢板的厚度为0.6～5mm。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0.2～0.4mm。
3. 高能快速激光焊接
用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊，聚光镜焦距为15cm，离焦距离为-3～3 mm，激光功率控制在1.8～6kW，焊接速度控制在24～60 mm·s-1。
焊丝直径为0.6～1.0mm，送丝速度为20～240 mm·s-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，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。
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。
采用本激光工艺参数焊接薄双相钢形成的所示，其焊接区域很窄，小于0.65 mm，余高很小；焊缝区组织如图4所示，为粗大马氏体组织；焊接热影响区如图5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350～450HV0.1，焊接接头拉伸强度接近甚至超过母材，即拉伸强度测试时断裂主要发生在母材区域，如图6所示。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为氩气保护电弧焊双相钢的金相图；
图2为氩气保护电弧焊双相钢的工程应力-应变图；
图3为实施例2得到的光纤焊接接头的金相图；
图4为实施例2得到的焊接件焊缝区的金相图；
图5为实施例2得到的焊接件热影响区的金相图；
图6为实施例2得到的焊接拉伸断裂位置图；
图7为实施例2得到的激光焊双相钢工程拉伸应力应变图。
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0.8mm，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0.22mm。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1.8kW，焊接速度为24 mm·s-1。焊丝直径为0.6mm，送丝速度为30 mm·s-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。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。
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<sup>-1</sup> 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 0.8 75 0.22 908 4.44 0.52 441 413
实施例2 1.3 92.31 0.25 927 4.68 0.41 436 408
实施例3 1.7 110.71 0.28 956 4.89 0.34 445 416
实施例4 2.2 126.67 0.30 947 5.13 0.45 467 425
实施例5 3.0 140.63 0.33 931 5.88 0.26 471 432
实施例6 3.6 148.57 0.35 911 5.65 0.24 483 445
实施例7 4.2 145 0.38 935 5.97 0.18 478 440
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1.3 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0.25 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2.4 kW，焊接速度为26 mm·s-1。焊丝直径为0.65 mm，送丝速度为45 mm·s-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，焊接接头应力-应变曲线见图7，光纤焊接接头的金相图如图3所示，图4为焊接件焊缝区的金相图；图5为得到的焊接件热影响区的金相图；图6为焊接拉伸断裂位置图，其中1为焊缝，2为断裂位置。
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1.7 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0.28 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40 mm·s-1。焊丝直径为0.65 mm，送丝速度为55 mm·s-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2.2 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0.3 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3.8 kW，焊接速度为45 mm·s-1。焊丝直径为0.7 mm，送丝速度为70 mm·s-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3 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0.33 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4.5 kW，焊接速度为50 mm·s-1。焊丝直径为0.7 mm，送丝速度为80 mm·s-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3.6 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0.35 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5.2 kW，焊接速度为35 mm·s-1。焊丝直径为0.75 mm，送丝速度为85 mm·s-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4.2 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0.38 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5.8 kW，焊接速度为40 mm·s-1。焊丝直径为0.8 mm，送丝速度为90mm·s-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 (4)

1.一种高速激光填丝焊接高强双相钢薄板的工艺，其特征在于：包括以下步骤
A.焊前钢板准备
采用的钢板为双相钢，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6%，HV0.1不小于320，钢板的厚度为0.6～5mm；
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0.2～0.4mm；
C. 高能快速激光焊接
用激光器填丝对接焊，聚光镜焦距为15cm，离焦距离为-3～3 mm，激光功率控制在1.8～6kW，焊接速度控制在24～60 mm /s；
焊丝直径为0.6～1.0mm，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，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所述的高速激光填丝焊接高强双相钢薄板的工艺，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, Cu 0.2~0.5， Mo0.2~0.4，V0.02~0.04,余量为Fe。
3.如权利要求1所述的高速激光填丝焊接高强双相钢薄板的工艺，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所述的高速激光填丝焊接高强双相钢薄板的工艺，其特征在于：所述的激光器为IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG。
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