CN112139667A - 一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，属于焊接方法领域。本发明解决了目前使用22MnB5钢在焊接时增加了企业使用该钢种的生产成本的问题。本发明具体包括以下步骤；步骤一：将待焊母材表面清洗；步骤二：待焊钢母材的装夹，采用焊接夹具将待焊钢母材进行准确的对接与装夹；步骤三：确定焊接方案；步骤四：打开超声波发生器对待焊钢母材输入振动能量，待超声波稳定后，同时打开激光器与行走装置进行焊接，完成焊接过程后，保持超声振动1分钟，关闭超声波发生器，完成热冲压成形钢的焊接。通过本发明的焊接方法对22MnB5钢焊接有效提高了生产效率，促进了其在工业生产中的实际应用。

Description

一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，属于焊接方法领域。
背景技术
近年来，对汽车减重的新要求促使汽车制造商不断开发轻质材料与降低资源消耗和温室气体排放。据报道，汽车重量每降低100kg，油耗可降低0.7L/km，燃油效率可提高6％～8％。第三代先进高强度钢拥有更高的比强度，在保证强度的同时大幅减薄结构件的尺寸及厚度。其中，以22MnB5钢为代表热冲压成形钢在淬火后形成全马氏体组织，其抗拉强度可达1500MPa，22MnB5以其优越的承载性能得到了汽车制造业的广泛关注；
22MnB5在使用前需要进行热冲压以获得更高的强度。为了避免钢材在冲压过程中发现氧化及脱碳，需要预先在钢板表面制备预镀层。经过探索，人们发现Al-Si镀层相比与其他镀层如Zn镀层等具有更加卓越的保护效果，镀层与钢母材界面生成的Al-Fe相熔点超过950℃，可以实现在高温条件下的母材表面保护，Al-Si镀层的出现为22MnB5钢的使用和发展提供了基础。然而，Al-Si镀层的存在影响着22MnB5钢焊接接头的力学性能与组织演变。镀层中的Al元素在焊接时会进入到熔池中与Fe元素反应而形成脆性相，导致了接头从该位置开裂失效；Al元素会在接头熔合线处偏析，该位置Al元素含量的升高促进了铁素体的形成，相比于马氏体结构，铁素体结构性能的大幅下降导致了接头整体性能的降低。目前，在使用22MnB5钢焊接前，需要采用打磨等方法以去除表面Al-Si镀层的不利影响，这无疑增加了企业使用该钢种的生产成本。为了解决上述问题，亟需设计一种适用于焊接热冲压成形钢22MnB5的方法以消除Al-Si镀层对于焊接接头的不利影响，提升接头的整体性能。
发明内容
本发明解决了目前使用22MnB5钢焊接前，需要采用打磨等方法取出表面Al-Si镀层的不利影响，增加了企业使用该钢种的生产成本的问题，本发明公开了“一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法”。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：将待焊母材表面清洗；
步骤二：待焊钢母材的装夹，采用焊接夹具将待焊钢母材进行准确的对接与装夹，焊接夹具置于行走装置上方，保持焊接方向与行走装置运动方向一致；
步骤三：确定焊接方案，完整待焊钢母材的装夹和放置后，采用气缸作为夹紧装置，从待焊位置下方施加夹紧力以夹紧工件，激光头位于待焊母材上方，与下方的变幅杆同轴放置，通过调节激光束输出功率、摆动频率、摆动幅度、激光离焦量、超声输出功率、振动频率、振动幅度、施加压力、焊接速度、保护气流量等参数控制激光束与超声的能量输入；
步骤四：完成上述准备工作后，打开超声波发生器对待焊钢母材输入振动能量，待超声波稳定后，同时打开激光器与行走装置进行焊接，完成焊接过程后，保持超声振动1分钟，关闭超声波发生器，完成热冲压成形钢的焊接。
进一步的，所述步骤一中，对待焊母材进行焊前清理具体为，采用丙酮擦洗待焊母材的表面以去除油污。
进一步的，所述步骤二中，选用的待焊钢母材厚度为0.5～5mm，其包面带有预先制备Al-Si镀层，其厚度为10～80μm。
进一步的，所述步骤三中，气缸夹紧力为0.1～1MPa，气缸作用与变幅杆使变幅杆紧密接触与焊接夹具，通过变幅杆将振动能量传递至工件中。
进一步的，所述步骤四中，采用的激光器包括光线激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。
进一步的，所述步骤四中，行走装置带动待焊工件进行移动，激光束与变幅杆不沿焊接方向位移以保持激光热源与超声能量输入稳定。
进一步的，所述步骤三中，激光束通过内部扫描振镜系统后发生摆动，其扫描形状包括垂直直线型、水平直线型、“8”字形、圆形。
进一步的，所述步骤三中，激光功率的范围在1000～5000W，离焦量的范围在0±10mm，焊接速度的范围在0.3～3m/min，激光摆动频率的范围在0～300Hz，激光摆动幅度的范围在0～5mm，超声输出功率的范围在50～300W，振动频率属于超声波范围、振幅为2～30μm，施加压力为0.1-1MPa，保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气在激光束后方对焊缝进行保护。
本发明的有益效果：
本发明的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，通过在激光头中添加扫描振镜系统以产生摆动激光。通过调整激光束的行走模式、摆动幅度、摆动频率等控制熔池热场分布；超声波发生器产生超声波后通过变幅杆传递至工件及熔池内部，通过调整超声输出功率、振动频率、振动幅度、施加压力等因素控制熔池内部流场分布；摆动激光的引入增大了金属的熔化面积，扩大液相的流动区域以降低Al元素的相对含量；超声振动的引入有效的促进熔池内部的合金元素流动，抑制元素的偏析，改善熔池凝固结晶行为，提高组织均匀性，消除由于铁素体的大量聚集造成的焊缝性能损失；声-热复合调控作用有效的降低了焊接热输入、改善了接头的温度分布、减弱了由于热影响区软化造成的性能损失；该声-热复合调控的热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法不再需要对热冲压成形钢进行焊前的去镀层处理，直接通过焊接过程能场的辅助作用消除Al-Si镀层对焊接接头的不利影响，大大的提高了生产效率，促进了其在工业生产中的实际应用。
附图说明
图1为一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法原理示意图；
图2为超声辅助的摆动激光焊接平台；
图3为振镜扫描原理示意图；
图4为待焊母材装配示意图；
图5为图4的侧视图；
图6为激光摆动模式示意图。
图7为激光水平直线型摆动情况下的示意图；
图8为激光垂直直线型摆动情况下的示意图；
图9为激光进行圆形摆动情况下的示意图；
图10为激光进行“8”字形摆动情况下的示意图；
图11为行走装置的整体结构示意图；
图12为焊接夹具的整体结构示意图。
图中1-电机，2-丝杆，3-丝母，4-支撑台，5-平台，6-固定片，7-螺钉，8-固定件
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概念
具体实施方式一：结合图1-图10说明本实施方式，本实施方式的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：将待焊母材表面清洗；
步骤二：待焊钢母材的装夹，采用焊接夹具将待焊钢母材进行准确的对接与装夹，焊接夹具置于行走装置上方，保持焊接方向与行走装置运动方向一致；
步骤三：确定焊接方案，完整待焊钢母材的装夹和放置后，采用气缸作为夹紧装置，从待焊位置下方施加夹紧力以夹紧工件，激光头位于待焊母材上方，与下方的变幅杆同轴放置，通过调节激光束输出功率、摆动频率、摆动幅度、激光离焦量、超声输出功率、振动频率、振动幅度、施加压力、焊接速度、保护气流量等参数控制激光束与超声的能量输入；
步骤四：完成上述准备工作后，打开超声波发生器对待焊钢母材输入振动能量，待超声波稳定后，同时打开激光器与行走装置进行焊接，完成焊接过程后，保持超声振动1分钟，关闭超声波发生器，完成热冲压成形钢的焊接；
本发明的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法的主要技术原理：采用对接的接头形式将待焊母材装配并清洗。采用装有扫描振镜系统的激光器产生的摆动激光对焊缝进行焊接，同时，通过超声发生器、变幅杆、冲击头等装置在焊接位置下方引入超声振动。其中，通过调整激光束的行走模式、摆动幅度、摆动频率等控制熔池热场分布；通过调整超声输出功率、振动频率、振动幅度、施加压力等因素控制熔池内部流场分布；
具体的，所述步骤一中，对待焊母材进行焊前清理具体为，采用丙酮擦洗待焊母材的表面以去除油污；
具体的，所述步骤二中，选用的待焊钢母材厚度为0.5～5mm，其包面带有预先制备Al-Si镀层，其厚度为10～80μm；
具体的，所述步骤三中，气缸夹紧力为0.1～1MPa，气缸作用与变幅杆使变幅杆紧密接触与焊接夹具，通过变幅杆将振动能量传递至工件中，采用焊接夹具将待焊钢母材进行准确的对接与装夹，对接接头对装配精度要求较高，装夹时应避免间隙过大、错边等问题，完成试样的装夹与放置后，采用气缸作为夹紧装置，从待焊位置下方施加夹紧力以夹紧工件。气缸夹紧力0.1-1MPa。气缸作用与变幅杆使变幅杆紧密接触与焊接夹具，通过变幅杆将振动能量传递至工件中；
具体的，所述步骤四中，采用的激光器包括光线激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器；
具体的，所述步骤四中，行走装置带动待焊工件进行移动，激光束与变幅杆不沿焊接方向位移以保持激光热源与超声能量输入稳定；
具体的，所述步骤三中，激光束通过内部扫描振镜系统后发生摆动，其扫描形状包括垂直直线型、水平直线型、“8”字形、圆形，在焊接过程中，行走装置带动待焊工件进行移动，激光头位于试样上方，与下方的变幅杆同轴放置。激光束与变幅杆不沿焊接方向位移以保持激光热源与超声能量输入稳定。激光束通过内部扫描振镜系统后发生摆动，其扫描形状包括：垂直/水平直线形、“8”字形、圆形等；
具体的，所述步骤三中，激光功率的范围在1000～5000W，离焦量的范围在0±10mm，焊接速度的范围在0.3～3m/min，激光摆动频率的范围在0～300Hz，激光摆动幅度的范围在0～5mm，超声输出功率的范围在50～300W，振动频率属于超声波范围、振幅为2～30μm，保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气在激光束后方对焊缝进行保护，在本方法中，超声振动作为一种声波与激光共同向焊接系统内部输入能量，故超声的加入可以在一定程度上降低激光的热影响，减弱由于钢热影响区的软化而带来的接头性能损失。考虑以上因素，选用的具体工艺参数为：激光功率为1000～5000W，离焦量为0±10mm，焊接速度为0.3～3m/min，激光摆动频率为0～300Hz，摆动幅度为0～5mm；超声输出功率为50～300W，振动频率为属于超声波范围,振幅为2～30μm；施加压力为0.1-1MPa，保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气在激光束后方对焊缝进行保护。完成上述准备工作后，先打开超声波发生器对试样输入振动能量，待超声波稳定后，同时打开激光器与行走装置进行焊接。完成焊接过程后，保持超声振动约1分钟，关闭超声波发生器，完成热冲压成形钢的焊接。
具体实施方式二：结合图1-图10说明本实施方式，本实施方式的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，以1.5mm厚的22MnB5钢为例：
步骤一：选用1.5mm厚的22MnB5钢，其表面带有40μm厚的Al-Si镀层，按上述方法进行板材的清洗与装夹；
步骤二：采用超声辅助下的摆动激光进行对接接头的焊接，采用IPG-6kW光纤激光器，激光功率为2.5kW，焊接速度3m/min，激光离焦量为+5mm，激光摆动采用垂直焊缝方向的直线摆动，频率为100Hz，摆动幅度为2mm；超声输出功率为200W，振幅为10μm；保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min；
采用上述的焊接参数得到的22MnB5对接接头成型良好，无明显的未熔合缺陷及咬边缺陷。焊缝宽度为3-4mm，熔合区内部组织细小均匀，呈全马氏体组织。对接头进行拉伸测试，接头沿钢侧热影响区断裂，强度为1280MPa。
所述行走装置包括电机1、丝杆2、丝母3和支撑台4，电机1的输出端与丝杆2连接，丝杆2上套装有丝母3，支撑台4固定安装在丝母3上(如图11所示)；所述焊接夹具包括平台5、固定片6和螺钉7，固定件8放置在平台5上，固定片6放置在固定件8上，固定片6上安装有螺钉7，固定片6通过螺钉7固定在平台5上，通过旋拧螺钉7将固定件8夹紧，固定件8为待焊母材(如图2所示)，在焊接之前，将待焊母材通过固定片6固定在平台5上，在将平台5防止在行走装置的支撑台4上，由电机1带动支撑台4移动进而实现焊接。
对比例1：
与具体实施方式二相比，选用的母材的规格对镀层的厚度一致，选用的焊接参数一致，而在焊接过程中，未加入激光的摆动与超声波的振动。区别在于，接头熔合线边缘存在明显的白色铁素体组织，对于该位置元素分布测量发现Al元素含量相比于熔池内部明显升高，，熔池内部晶粒尺寸增加。对接头进行拉伸测试，强度沿焊缝断裂，强度为1050MPa；
对比例2：
与具体实施方式二相比，选用的母材的规格一致，选用的焊接参数一致。在焊接过程中，未加入激光的摆动与超声波的振动，另外，在焊接前首先采用角磨机对Al-Si镀层进行打磨去除。未带镀层的22MnB5对接接头熔池内部为全马氏体接头，组织较为均匀。对接头进行拉伸测试，接头断裂于钢的热影响区，强度为1200MPa。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待焊母材表面清洗；
步骤二：待焊钢母材的装夹，采用焊接夹具将待焊钢母材进行准确的对接与装夹，焊接夹具置于行走装置上方，保持焊接方向与行走装置运动方向一致；
步骤三：确定焊接方案，完整待焊钢母材的装夹和放置后，采用气缸作为夹紧装置，从待焊位置下方施加夹紧力以夹紧工件，激光头位于待焊母材上方，与下方的变幅杆同轴放置，通过调节激光束输出功率、摆动频率、摆动幅度、激光离焦量、超声输出功率、振动频率、振动幅度、施加压力、焊接速度、保护气流量的参数控制激光束与超声的能量输入；
步骤四：完成上述准备工作后，打开超声波发生器对待焊钢母材输入振动能量，待超声波稳定后，同时打开激光器与行走装置进行焊接，完成焊接过程后，保持超声振动1分钟，关闭超声波发生器，完成热冲压成形钢的焊接。
2.根据权利要求1所述的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，对待焊母材进行焊前清理具体为，采用丙酮擦洗待焊母材的表面以去除油污。
3.根据权利要求1所述的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，其特征在于：所述步骤二中，选用的待焊钢母材厚度为0.5～5mm，其包面带有预先制备Al-Si镀层，其厚度为10～80μm。
4.根据权利要求1所述的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，气缸夹紧力为0.1～1MPa，气缸作用与变幅杆使变幅杆紧密接触与焊接夹具，通过变幅杆将振动能量传递至工件中。
5.根据权利要求1所述的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，采用的激光器包括光线激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器。
6.根据权利要求1所述的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，其特征在于：所述步骤四中，行走装置带动待焊工件进行移动，激光束与变幅杆不沿焊接方向位移以保持激光热源与超声能量输入稳定。
7.根据权利要求1所述的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，激光束通过内部扫描振镜系统后发生摆动，其扫描形状包括垂直直线型、水平直线型、“8”字形或圆形。
8.根据权利要求1所述的一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，激光功率的范围在1000～5000W，离焦量的范围在0±10mm，焊接速度的范围在0.3～3m/min，激光摆动频率的范围在0～300Hz，激光摆动幅度的范围在0～5mm，超声输出功率的范围在50～300W，振动频率属于超声波范围、振幅为2～30μm，施加压力为0.1-1MPa，保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气在激光束后方对焊缝进行保护。
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