CN111215749A - 具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有Al‑Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，首先将两块具有Al‑Si镀层的热成形钢板进行净化处理后放置于工作台上并用焊接夹具固定，两块热成形钢板间保持零间隙；选择双光束激光器并分别设定每个激光束的工艺参数；以预定的焊接速度完成热成形钢板的拼焊。本发明无需在焊前去除Al‑Si镀层，只需调节适当的双光束激光参数，利用前光束将Al‑Si镀层转化为Fe‑Al金属间化合物，后光束进行焊接，既可降低镀层中Al元素的含量，同时又降低了Al元素在焊缝中的偏析，消除焊缝中的δ铁素体，从而提高焊缝接头的强度和韧性，使焊缝达到母材水平，提高了焊缝的力学性能和生产效率。

Description

具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法
技术领域
本发明涉及带有镀层的高强度钢板拼焊技术领域，具体地，涉及一种具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法。
背景技术
为实现汽车轻量化，超高强度钢正被广泛应用于国内外汽车制造中，其在抗碰撞性能、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。超高强度钢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，具有极高的强度及延展性。热成形钢板加热前抗拉强度为500～800MPa，延伸率为18～22％；加热成形后则提高至1300～1600MPa，延伸率达6～7％。为防止在900-950℃热成形过程中钢板被氧化，通常将热成形钢板镀以25-30μm的Al-Si镀层，达到防腐蚀、防氧化的效果。然而，由于Al-Si镀层的存在，在热成形钢板的焊接过程中Al-Si镀层熔化后进入焊缝，造成焊缝中Al元素的偏析而形成第二相即高温δ铁素体，从而严重降低焊接接头的力学性能。
为提高具有Al-Si镀层的热成形钢板焊缝质量，在现阶段实际生产过程中，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，或采用激光填丝焊(添加镍箔等)，但这些方法工序繁多，费时费力，大大降低了生产效率。
从材料学的基本原理出发，焊缝质量很大程度上与Al元素在焊缝及熔合线的偏析有关。为了提高焊接接头的强度，可从降低Al元素的偏析方向寻找解决方案。
针对以上，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，同时又能提高焊缝力学性能，使其热成形后的力学性能达到与母材强度水平相当的激光拼焊方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法。
根据本发明提供的一种具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，包括以下步骤：
步骤1：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；
步骤2：将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，两块热成形钢板间保持零间隙；
步骤3：选择双光束激光器，并分别设定每个激光束的工艺参数；
步骤4：按照步骤3中预设的焊接工艺参数，以预定的焊接速度完成热成形钢板的拼焊。
优选地，所述具有Al-Si镀层的热成形钢板厚度为1.0～2.5mm。
优选地，所述净化处理为使用无水乙醇或丙酮对两块具有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。
优选地，所述双光束激光器采用具有双光束焊接头的光纤激光器、半导体激光器、二氧化碳激光器中的任一种或任两种激光器。
优选地，所述工艺参数包括：
双光束激光采用串行模式；
前光束为散焦，作为焊接预处理热源，其离焦量+20～+60mm，确保到达工件表面的激光束斑直径为2～4mm；
后光束为焊接主热源，其离焦量为-2～+2mm，使得到达工件表面的激光束斑直径为0.3～1.0mm；
前后激光束的功率比为1:1；
前后激光束功率为500～6000w；
前后激光束光斑间距3～6mm；
预定的焊接速度为v，则v为0.5～6m/min。
优选地，所述激光器处于氩气氛围中对两块热成形钢板的对接处进行焊接。
优选地，所述氩气的通入流量为15～25L/min。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明无需在焊前去除Al-Si镀层，只需要调节适当的双光束激光参数，利用前光束将Al-Si镀层转化为Fe-Al金属间化合物，后光束进行焊接，即可降低镀层中Al元素的含量，同时降低Al元素在焊缝中的偏析，消除焊缝中的δ铁素体，从而提高焊缝接头的强度和韧性，使其达到母材水平，提高了焊缝的力学性能
2、提高了焊接的质量，提高了生产效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为为本发明提供的双光束激光焊接示意图；
图2为采用单光束激光拼焊所得的焊缝金相图；
图3为采用本发明双光束激光焊接方法所得的焊缝金相图；
图4为采用本发明所得的焊接接头热成形之后的拉伸性能与采用单光束激光焊的对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
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元素的偏析会严重影响焊缝相变规律导致高温铁素体的形成，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，焊缝质量很大程度上与Al元素在焊缝及熔合线的偏析有关。为了提高焊接接头的强度，可从降低表面镀层中Al含量以及Al元素在焊缝中的偏析等方向寻找解决方案。
基于上述原理，如图1所示，本发明提供了一种具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，包括以下步骤：
步骤1：取两块具有Al-Si镀层的热成形钢板，使用无水乙醇或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。
步骤2：将步骤1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，两块热成形钢板间保持零间隙。
步骤3：选择双光束激光器，并设定双光束激光器加工参数。激光器为带有双光束焊接头的光纤激光器或半导体激光器，或者光纤激光器、半导体激光器、二氧化碳激光器中任两种激光器的组合。双光束激光的参数设定为：双光束激光采用串行模式；前光束为散焦，作为辅助热源，其离焦量+20～+60mm，保证预处理焊缝的宽度大于后一道光束焊接的宽度；后光束为焊接主热源，其离焦量为-2～+2mm；前后激光束的功率比为1:1；前后激光束功率为500～5000w；预定的焊接速度为v，则v为0.5～6m/min。
步骤4：按照步骤3中预设的焊接工艺参数，以预定的焊接速度v完成热成形钢板的拼焊。激光器处于氩气氛围中对两块热成形钢板的对接处进行焊接，所述氩气的通入流量为15～25L/min。
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全板条马氏体，几乎无高温δ铁素体形成。
该方法设计发明了一种特殊的双光束激光工艺，利用前光束将Al-Si镀层转化为Fe-Al金属间化合物，降低镀层中Al元素的含量，后光束进行焊接，使得Al元素在焊缝中分布更加均匀，降低Al元素的偏析。当前光束的离焦量为+20～+60mm时，可使得光斑直径2～3mm范围内的Al-Si镀层完全转化为Fe-Al金属间化合物，后光束在转化的Fe-Al金属间化合物区域内完成焊接，可使焊缝形成全马氏体组织，从而提高焊缝的力学性能。
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1
本实例提供了一种具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法。
在本实施案例中，试验材料为1.5mm厚的具有Al-Si镀层热成形钢板，其中Al-Si镀层厚度约30um，该材料在热成形前的组织为珠光体加铁素体，热成形后组织为板条马氏体。双光束激光焊接采取在热成形之前。
步骤1：取两块1.5mm厚的具有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，准备焊接工装夹具，待备用。
步骤2：将步骤1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，两块热成形钢板间保持零间隙。
步骤3：选择使用具有双光束焊接头的光纤激光器，并设定双光束激光器加工参数。双光束激光的参数设定为：双光束激光采用串行模式；前光束为散焦，作为辅助热源将Al-Si镀层转化为金属间化合物，激光束离焦量+50mm，照射到工件上的光斑尺寸为直径2mm；后光束为焊接主热源，其离焦量为0mm，，照射到工件上的光斑尺寸为直径1mm；前后激光束功率均为3000w；预定的焊接速度v为3m/min。
步骤4：按照步骤3中预设的焊接工艺参数，以预定的焊接速度v完成热成形钢板的拼焊。激光器处于氩气氛围中对两块热成形钢板的对接处进行焊接，所述氩气的通入流量为20L/min。
步骤5：将焊接完成后的热成形钢板，在930℃保温5min，然后直接在室温水中淬火。
参见图2所示，采用相同的激光焊接速度和功率，焊接完成后经过淬火，单光束激光焊直接进行拼焊所得的焊接接头的显微组织为条带状δ铁素体、板条马氏体和α铁素体。参见图4所示，焊接完成后经过淬火，测得其热成形后抗拉强度仅为1350MPa，延伸率为1.1％，断裂位置出现在焊缝内靠熔合线附近。
而参见图3所示，采用本实施例中的双光束激光拼焊方法，所得的焊缝显微组织几乎为全马氏体。参见图4所示，测得其热成形后抗拉强度可达到1600MPa，延伸率为2.7％，断裂位置出现在焊接热影响区。
实施例2
本实例提供了一种具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法。
在本实施案例中，试验材料为2mm厚的具有Al-Si镀层热成形钢板，该材料在热成形前的组织为珠光体加铁素体，热成形后组织为板条马氏体。双光束激光焊接采取在热成形之前。
步骤1：取两块2mm厚的具有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，准备焊接工装夹具，待备用。
步骤2：将步骤1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，两块热成形钢板间保持零间隙。
步骤3：选择使用双光束光纤激光器，并设定双光束激光器加工参数。双光束激光的参数设定为：双光束激光采用串行模式；前光束为散焦，作为辅助热源，其离焦量+60mm；后光束为焊接主热源，其离焦量为+2mm；前后激光束的功率比为1:1；前后激光束功率均为5000w；预定的焊接速度v为4m/min。
步骤4：按照步骤3中预设的焊接工艺参数，以预定的焊接速度v完成热成形钢板的拼焊。激光器处于氩气氛围中对两块热成形钢板的对接处进行焊接，所述氩气的通入流量为25L/min。
步骤5：将焊接完成后的热成形钢板，在930℃保温5min，然后直接在室温水中淬火。
采用相同的激光焊接速度和功率，焊接完成后经过淬火，单光束激光焊直接进行拼焊所得的焊接接头的显微组织为条带状δ铁素体、板条马氏体和α铁素体，测得其热成形后抗拉强度仅为1320MPa，延伸率为1％，断裂位置出现在焊缝靠熔合线附近。
采用本实施例中的双光束激光拼焊方法，所得的焊缝显微组织几乎为全马氏体，焊接完成后经过淬火，测得其热成形后抗拉强度可达到1550MPa，延伸率为3.2％，断裂位置出现在焊接热影响区,提高焊缝接头的强度和韧性，提高了焊缝的力学性能，提高了产品质量和生产效率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：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；
步骤2：将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，两块热成形钢板间保持零间隙；
步骤3：选择双光束激光器，并分别设定每个激光束的工艺参数；
步骤4：按照步骤3中预设的焊接工艺参数，以预定的焊接速度完成热成形钢板的拼焊。
2.根据权利要求1所述的具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，其特征在于，所述具有Al-Si镀层的热成形钢板厚度为1.0～2.5mm。
3.根据权利要求1所述的具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，其特征在于，所述净化处理为使用无水乙醇或丙酮对两块具有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。
4.根据权利要求1所述的具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，其特征在于，所述双光束激光器采用具有双光束焊接头的光纤激光器、半导体激光器、二氧化碳激光器中的任一种或任两种激光器。
5.根据权利要求1所述的具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，其特征在于，所述工艺参数包括：
双光束激光采用串行模式；
前光束为散焦，作为焊接预处理热源，其离焦量+20～+60mm，确保到达工件表面的激光束斑直径为2～4mm；
后光束为焊接主热源，其离焦量为-2～+2mm，使得到达工件表面的激光束斑直径为0.3～1.0mm；
前后激光束的功率比为1:1；
前后激光束功率为500～6000w；
前后激光束光斑间距3～6mm；
预定的焊接速度为v，则v为0.5～6m/min。
6.根据权利要求1所述的具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，其特征在于，所述激光器处于氩气氛围中对两块热成形钢板的对接处进行焊接。
7.根据权利要求6所述的具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法，其特征在于，所述氩气的通入流量为15～25L/min。
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