CN111390425B

CN111390425B - 热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝及拼焊方法

Info

Publication number: CN111390425B
Application number: CN202010191741.8A
Authority: CN
Inventors: 夏明生; 张洪波; 谭文振; 王云阁; 刘春雨; 张静; 杨峰; 李桂兰
Original assignee: Tangshan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Tangshan Branch
Current assignee: Tangshan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Tangshan Branch
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: CN111390425A

Abstract

一种热冲压成形Al‑Si涂层板激光拼焊用焊丝及拼焊方法，所述焊丝化学成分组成及其质量百分含量为：C≤0.30%，Mn：1.0～1.5%，S≤0.005%，P≤0.010%，Als：0.030～0.050%，Si≤0.010%，Ni：5.0～9.0%，Cr：0.21～0.50%，Nb：0.010～0.020%，Ti：0.010～0.020%，N≤0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质。拼焊方法为：两块Al‑Si涂层板用焊接夹具固定后，之间形成间隙，根据间隙的尺寸确定焊丝直径，并进行激光拼焊，之后进行热冲压成形。本发明焊丝无需进行涂层预处理，激光拼焊方法简单，同时焊缝具有比母材更优的性能。

Description

热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝及拼焊方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝及拼焊方法。

背景技术

汽车轻量化作为有效的节能手段，已成为汽车工业重要发展方向之一，热冲压高强度钢以其兼顾轻量化与安全性的双重优势在汽车工业界受到普遍关注，目前在汽车结构件和安全件中使用广泛，如B柱、中通道等，产品的强度级别也达到了1800MPa以上。一般采用热冲压成形钢制作零件的流程为：下料→炉中加热(一般900℃以上，加热时间不低于5min) →板料从炉中转移到压机→模具冲压成形。而对于无涂层保护的热成形板由于高温状态下在空气中停留时间较长，会产生大量的氧化铁皮，在冲压过程中这些氧化铁皮一方面会降低传热系数，不利于淬火，同时在冲压过程中氧化铁皮剥落会滞留在模具型腔内，需要定期进行清理，降低了生产效率。同时为了满足后续涂装要求，需要对成型件进行喷丸处理，而且表层氧化导致脱碳也会降低基板的机械性能，尤其是强度等。针对上述情况，采用Al-Si或Zn成分涂层的热冲压板应运而生，尤其是Al-Si涂层板，已经被绝大部分汽车主机厂接受并大量使用，而且不会出现Zn涂层板的液化裂纹等应用问题，可以采用直接热冲压工艺完成零件的制造。同时，为了充分发挥材料性能在结构设计中的最大作用，汽车构件中越来越多地采用激光拼焊技术，该技术同样适用于热冲压成形用钢的结构设计，如一体化门环的设计与制造。

与Zn合金化涂层板和裸板的热冲压成形用钢不同，Al-Si涂层板涂层中的AlSi成分的存在给焊接带来了诸多问题，如在自熔焊时，涂层中的Al和Si会过渡到熔池中去，在熔池凝固后，促使熔池中形成高温铁素体，这些高温铁素体即便在热成形加工后仍然存在，显著地弱化了接头的强度，故无法直接进行应用。

因此为了解决Al-Si成分的涂层板在应用中的诸多问题，目前主要有以下几种方式：

CN 106475683 A，一种具有Al-Si涂层热成形钢板的激光拼焊方法的发明专利申请中公开了通过在对接焊缝中预先放置一定厚度的Ni或Cr箔实现激光焊后焊缝组织的完全马氏体，但是对于工业生产以及不等厚拼焊板则很难实现，且成本高生产效率低，而且对不同涂层厚度所采用的Ni或Cr箔的厚度不易控制，也无法在工业化生产中应用。

CN 106392328 A，一种带Al-Si涂层热成形钢的激光拼焊方法的发明专利申请中公开了采用调整激光焊接中保护气体的成分和比例以实现涂层中Al烧损形成Al₂O₃过渡焊缝中去，进而避免了高温铁素体在焊缝中形成，但是氧化性气体不仅会氧化涂层中的金属Al，也会对氧化熔池中的Fe元素，最终导致焊缝含有很多夹渣或夹杂，即焊缝的洁净度差，不利于焊缝或构件的疲劳性能以及其动态力学性能。

公开号为CN106232285A的发明专利申请公开了一种带铝或者铝合金镀层的钢制焊接部件及其制造方法，该方法提供了剥离了表面100%的铝层，并保留了100%的金属间化合物层，该种剥离方法不仅要投资兴建设备，而且效率低，不利在工业化生产中使用。

申请号为201380001259的发明专利申请公开了一种拼焊板及其制造方法、以及使用拼焊板的热冲压部件，其利用填充焊丝（C含量比基材高0.1-0.8wt%，Mn含量比基材高1.5-7.0 wt %）来抑制焊缝区的铁素体相变的发生，实现了无需去除Al-Si涂层就直接进行激光拼焊，并且能够获得高质量的不同材料和厚度的拼焊板，上述成分可以获得到马氏体组织焊缝，但是焊缝的韧性不好，尤其是应用在高速碰撞情况下的汽车结构件中。

除此之外，也有在施焊之前采用机械去除的方法进行处理，但是效率太低，无法在工业生产中采用；也有采用激光法在施焊前将Al-Si涂层烧损后施焊等等，这些方法费事费力，效率低，不宜推广。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝及拼焊方法。本发明工艺简单，效率高且成本低，同时激光拼焊的焊缝具有比母材更优的性能。

本发明所采取的技术方案是：一种热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝，其化学成分组成及其质量百分含量为：C≤0.30%，Mn：1.0～1.5%，S≤0.005%，P≤0.010%，Als：0.030～0.050%，Si≤0.010%，Ni：5.0～9.0%，Cr：0.21～0.50%，Nb：0.010～0.020%，Ti：0.010～0.020%，N≤0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述焊丝化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.22～0.25%，Mn：1.3～1.5%，S≤0.005%，P≤0.010%，Als：0.030～0.050%，Si≤0.010%，Ni：6.0～8.0%，Cr：0.21～0.50%，Nb：0.010～0.020%，Ti：0.010～0.020%，N≤0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述焊丝直径d为0.6～1.0mm。

一种使用上述焊丝进行热冲压成形Al-Si涂层板的激光拼焊方法，包括如下步骤：取两块表面去污处理后的热冲压成形Al-Si涂层板，用焊接夹具固定后，两块Al-Si涂层板间形成间隙，根据间隙的尺寸确定焊丝直径，并进行激光拼焊，得到的拼焊板进行热冲压成形。

本发明所述Al-Si涂层板中钢板基体的厚度为1.0～2.0mm，其成分及质量百分含量为：C：0.21～0.25%，Mn：1.2～1.4%，Si：0.18～0.35%，S≤0.006%，P≤0.020%，N≤0.006%，Als：0.030～0.050%，Ti：0.030～0.050%，B：0.0008～0.0012%，Cr：0.10～0.50%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述Al-Si涂层单面的厚度为25±5um，其成分及质量百分含量为：Al≥85%，Si：5～11%，Fe：2～4%，余下为其他不可避免的杂质元素。

本发明所述Al-Si涂层板间的间隙h为0.2～0.4mm，其与涂层板厚度t之间关系为：h=0.20*(t₁+t₂)/2，所述t₁、t₂分别为两块涂层板的厚度；计算过程中Al-Si涂层的厚度忽略不计。所述焊丝直径d与间隙h之间为线性关系：当h为0.2mm时，焊丝直径d为0.6mm；当h为0.4mm时，焊丝直径d为1.0mm；当0.2mm＜h＜0.4mm时，焊丝直径d可根据线性方程计算得出。

本发明所述激光拼焊可采用光纤激光器、二氧化碳激光器或半导体激光器，激光功率为1.0～3.0kW；激光拼焊过程中的焊接速度为1.0～2.0m/min，送丝速度为0.6～1.5m/min；激光拼焊过程中采用氩气保护，氩气纯度≥99.99%，流量为15～25 L/min。

本发明所述热冲压成形步骤为：将拼焊板放入加热炉中加热250～350s，加热温度为900～950℃，随后将其快速转移至平面模具中淬火，转移时间8～15s，当温度冷却至150℃以下时，移除模具并在空气中冷却至室温。

所述Al-Si涂层板中钢板基体淬火后的屈服强度：950～1250MPa，抗拉强度：1350～1650MPa，断后伸长率A₅₀≥5%，显微硬度：410～520Hv。

本发明焊丝成分的设计思路如下：

C：是钢中最基本的强化元素，也是奥氏体化元素，钢中碳含量越高，则转变形成马氏体的强度也就越高，但是随着碳含量的增加，马氏体的塑形也会越来越不好，尤其是高碳马氏体，极易形成裂纹，所以为了形成板条状马氏体，碳含量质量百分比控制在0.30%以下，优选为0.22～0.25%。

Mn：为钢中不可避免元素，也是显著的固溶强化元素，扩大奥氏体相区，有利于增强高温奥氏体的淬透性，Mn太低对淬火性不利，太高则不利于冶炼，综合考虑Mn含量为1.0～1.5%，优选为1.3～1.5%。

Als：在钢中起脱氧作用，应保证焊丝在冶炼时钢中有一定量的酸溶铝，否则不能发挥其效果。Al含量过高，易产生氧化铝等夹杂物，降低钢板性能。因此，本发明将其含量限制在0.030％～0.050％

Si:在基体中固溶可以起到强化作用，为铁素体化元素，而且对增加高温奥氏体的淬透性没有太大作用，因此，Si含量控制越低越好，本发明将其含量限制在0.10%以下。

Cr：能显著提高钢板的淬透性，能够保证钢板在淬火过程中快速形成马氏体组织，从而有助于提高焊缝的强度和硬度。Cr含量低于0.21％，淬透性不好，淬火时易形成贝氏体组织。Cr含量高于0.50％，无明显的有益作用。但是综合考虑到Cr为铁素体化形成元素，不易添加过多。综合考虑本发明将其含量限制在0.21％～0.50％

Ni：是强烈的奥氏体化元素，扩大奥氏体相区，Ni含量需要平衡考虑与铁素体化元素之间的比例，Ni太高会增加成本，本发明限定其范围为Ni：5.0～9.0%，优选6.0～8.0%。

Nb：容易与C和N形成析出物的微合金化元素，在加热过程中，这些析出物会抑制奥氏体晶粒长大，从而有利于在室温下细化马氏体板条尺寸，增强焊缝韧性，本发明Nb含量控制在0.010～0.020%。

Ti：容易与C和N形成析出物的微合金化元素，在凝固过程中会形成TiN有利于钉轧奥氏体温度等温加热时晶粒尺寸长大，氮含量不能太高，否则尺寸太大，不利于韧性，本发明Ti含量控制在0.010～0.020%。

S和P为杂质元素，对焊缝的组织和凝固过程不利，因此二者含量控制越低越好。

本发明所设计的焊丝在焊前无需进行涂层预处理，根据对接板料厚度优化边部间隙，实现母材及涂层中的合金成分向焊缝稳定过渡，采用激光添丝焊接的方式，实现母材和焊丝充分熔化形成熔池，以获得稳定的组织构成。在加热和保温过程中，焊缝成分进一步均匀化，转变成单一的奥氏体组织，并在随后淬火冷却后完全转变成马氏体，具有与母材相近的强度。通过在焊丝中添加适当的微合金化元素，阻止加热过程中奥氏体晶粒尺寸长大，以改善焊缝韧性。焊后热冲压成形后具有优异的力学性能。

附图说明

图1为本发明实施例6焊缝的微观组织图；

图2为本发明实施例6的对比例焊缝的微观组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明各实施例热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝的化学成分组成及其质量百分含量为：C≤0.30%，优选0.22～0.25%；Mn：1.0～1.5%，优选1.3～1.5%；S≤0.005%；P≤0.010%；Als：0.030～0.050%；Si≤0.010%；Ni：5.0～9.0%，优选6.0～8.0%；Cr：0.21～0.50%；Nb：0.010～0.020%；Ti：0.010～0.020%；N≤0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质。焊丝直径d为0.6～1.0mm。

使用上述焊丝进行热冲压成形Al-Si涂层板的激光拼焊方法包括如下步骤：

（1）取两块表面去污处理后的Al-Si涂层板：Al-Si涂层板中钢板基体的厚度为1.0～2.0mm，其成分及质量百分含量为：C：0.21～0.25%，Mn：1.2～1.4%，Si：0.18～0.35%，S≤0.006%，P≤0.020%，N≤0.006%，Als：0.030～0.050%，Ti：0.030～0.050%，B：0.0008～0.0012%，Cr：0.10～0.50%，余量为Fe和不可避免的杂质。Al-Si涂层单面的厚度为25±5um，其成分及质量百分含量为：Al≥85%，Si：5～11%，Fe：2～4%，余下为其他不可避免的杂质元素。

（2）用焊接夹具固定Al-Si涂层板后，两块Al-Si涂层板间形成间隙，根据间隙的尺寸确定焊丝直径：Al-Si涂层板间的间隙h为0.2～0.4mm，其与涂层板厚度t之间关系为：h=0.20*(t₁+t₂)/2，所述t₁、t₂分别为两块涂层板的厚度；计算过程中Al-Si涂层的厚度忽略不计。焊丝直径d与间隙h之间为线性关系，当h为0.2mm时，焊丝直径d为0.6mm；当h为0.4mm时，焊丝直径d为1.0mm；当0.2mm＜h＜0.4mm时，焊丝直径d可根据线性方程计算得出。

（3）激光拼焊：激光拼焊可采用光纤激光器、二氧化碳激光器或半导体激光器，激光功率为1.0～3.0kW；激光拼焊过程中的焊接速度为1.0～2.0m/min，送丝速度为0.6～1.5m/min。激光拼焊过程中采用氩气保护，氩气纯度≥99.99%，流量为15～25 L/min。

（4）热冲压成形：将拼焊板放入加热炉中加热250～350s，加热温度为900～950℃，随后将其快速转移至平面模具中淬火，转移时间8～15s，当温度冷却至150℃以下时，移除模具并在空气中冷却至室温。所述Al-Si涂层板中钢板基体淬火后的屈服强度：950～1250MPa，抗拉强度：1350～1650MPa，断后伸长率A₅₀≥5%，显微硬度：410～520Hv。

本发明各实施例焊丝的化学成分及重量百分含量见表1，Al-Si涂层板的涂层成分见表2，拼焊用2块Al-Si涂层板的钢板基体成分见表3、表4，Al-Si涂层板的厚度、焊接间隙及焊丝直径见表5，激光拼焊和热冲压成形步骤中控制参数见表6，拼焊板热冲压成形后的焊缝组织构成、显微硬度及断裂位置见表7。

同时，本发明提供实施例6的对比例，其采用自熔焊方法，即焊接过程不添丝，由激光照射熔化母材形成焊缝。

断裂位置的测试步骤：将淬火后的拼焊板制作拉伸试样，执行JIS Z2201中No.5试样尺寸，试样的拉伸方向垂直于焊缝，焊缝位于拉伸试样的中间位置，每个实施例制作三个平行样，在室温下拉伸，拉伸速率为10⁻³s，并观察拉伸试样的断裂位置。

显微硬度的测试步骤：从淬火后的拼焊板中切取、制作金相试样，开展显微组织观察，测试焊缝区和母材的显微硬度，硬度测试值取5个点的平均值，显微硬度测试加载载荷为1000g，加载时间为15s。

表1. 实施例及对比例焊丝的化学成分及重量百分含量（%）

表1中的余量为铁和不可避免的杂质。

表2. 实施例及对比例 Al-Si涂层板的涂层成分及重量百分含量（%）

表3. 实施例及对比例1#Al-Si涂层板的钢板基体成分及重量百分含量（%）

表4. 实施例及对比例2#Al-Si涂层板的钢板基体成分及重量百分含量（%）

表3、4中的余量为铁和不可避免的杂质。

表5. 实施例及对比例 Al-Si涂层板的厚度、焊接间隙及焊丝直径

表6. 实施例及对比例激光拼焊和热冲压成形步骤参数

表7 拼焊板热冲压成形后的焊缝组织、显微硬度及断裂位置

由表7可知，本发明实施例的焊缝具有与比母材更高的硬度。

Claims

1.一种热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝，其特征在于，所述焊丝化学成分组成及其质量百分含量为：C≤0.30%，Mn：1.0～1.5%，S≤0.005%，P≤0.010%，Als：0.030～0.050%，Si≤0.010%，Ni：5.0～9.0%，Cr：0.21～0.50%，Nb：0.010～0.020%，Ti：0.010～0.020%，N≤0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝，其特征在于，所述焊丝化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.22～0.25%，Mn：1.3～1.5%，S≤0.005%，P≤0.010%，Als：0.030～0.050%，Si≤0.010%，Ni：6.0～8.0%，Cr：0.21～0.50%，Nb：0.010～0.020%，Ti：0.010～0.020%，N≤0.0030%，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝，其特征在于，所述焊丝直径d为0.6～1.0mm。

4.一种使用权利要求1-3任一项所述的焊丝进行热冲压成形Al-Si涂层板的激光拼焊方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：取两块表面去污处理后的热冲压成形Al-Si涂层板，用焊接夹具固定后，两块Al-Si涂层板间形成间隙，根据间隙的尺寸确定焊丝直径，并进行激光拼焊，得到的拼焊板进行热冲压成形；

所述Al-Si涂层板间的间隙h为0.2～0.4mm，其与涂层板厚度t之间关系为：h=0.20*(t₁+t₂)/2，所述t₁、t₂分别为两块涂层板的厚度，计算过程中Al-Si涂层的厚度忽略不计；所述焊丝直径d与间隙h之间为线性关系：当h为0.2mm时，焊丝直径d为0.6mm；当h为0.4mm时，焊丝直径d为1.0mm；当0.2mm＜h＜0.4mm时，焊丝直径d可根据线性方程计算得出。

5.根据权利要求4所述的热冲压成形Al-Si涂层板的激光拼焊方法，其特征在于，所述Al-Si涂层板中钢板基体的厚度为1.0～2.0mm，其成分及质量百分含量为：C：0.21～0.25%，Mn：1.2～1.4%，Si：0.18～0.35%，S≤0.006%，P≤0.020%，N≤0.006%，Als：0.030～0.050%，Ti：0.030～0.050%，B：0.0008～0.0012%，Cr：0.10～0.50%，余量为Fe和不可避免的杂质。

6.根据权利要求5所述的热冲压成形Al-Si涂层板的激光拼焊方法，其特征在于，所述Al-Si涂层单面的厚度为25±5um，其成分及质量百分含量为：Al≥85%，Si：5～11%，Fe：2～4%，余下为其他不可避免的杂质元素。

7.根据权利要求6所述的热冲压成形Al-Si涂层板的激光拼焊方法，其特征在于，所述激光拼焊可采用光纤激光器、二氧化碳激光器或半导体激光器，激光功率为1.0～3.0kW；激光拼焊过程中的焊接速度为1.0～2.0m/min，送丝速度为0.6～1.5m/min；激光拼焊过程中采用氩气保护，氩气纯度≥99.99%，流量为15～25 L/min。

8.根据权利要求4-7任一项所述的热冲压成形Al-Si涂层板的激光拼焊方法，其特征在于，所述热冲压成形步骤为：将拼焊板放入加热炉中加热250～350s，加热温度为900～950℃，随后将其快速转移至平面模具中淬火，转移时间8～15s，当温度冷却至150℃以下时，移除模具并在空气中冷却至室温。

9.根据权利要求8所述的热冲压成形Al-Si涂层板的激光拼焊方法，其特征在于，所述Al-Si涂层板中钢板基体淬火后的屈服强度：950～1250MPa，抗拉强度：1350～1650MPa，断后伸长率A₅₀≥5%，显微硬度：410～520Hv。