CN112355479B - 一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法：母材性能：钢板厚度10~20mm，抗拉强度650~700MPa，HV₁₀硬度205~23；坡口形式为双面U型；采用激光+气保焊复合焊接方式；焊接条件：保护气体为78~82%Ar与18~22%CO₂混合，焊接电流210~280A，焊接电压17~28V，焊接速度0.4~0.8m/min；气保焊能量E_g 2.6~10kW，激光焊接功率E₁1.5~4.5kW，复合焊接线能量6~12kJ/cm；焊接特征温度冷速在220~500kK/h；确定焊丝成分；焊接。本发明得到表面焊缝宽9~15mm，余高2.0~2.5mm，根缝宽(1/2厚处)1~3mm；焊接接头硬度波动不超8%，其中热影响区硬度波动不超5%。

Description

一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合 焊接方法

技术领域

本发明涉及一种桥壳钢的焊接接头，确切地说，是一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法。

背景技术

随着中、重型卡车车桥制造技术的发展和汽车节能减重的需要，特别是对于支撑车架和后驱动桥，已大量使用10～20mm厚度的热轧钢板制作冲焊桥壳体，取代了制作工艺复杂、生产效率偏低、笨重、成本较高的铸造桥壳体。目前国内已在热连轧生产线上开发出590/600QK等专用钢牌号。为适应减量化发展趋势，桥壳钢强度级别不断提高。对于抗拉强度达到680MPa的桥壳钢。传统工艺制造的钢碳当量一般达到0.40％以上。近年来为了实现资源节约，降低合金含量，则超快冷技术成为趋势。这种厚度规格的桥壳钢比较适应较大压下量及快速冷技术，碳当量可以低至0.30％。相对于传统TMCP钢，钢的焊接性能在某些方面有所改善，但焊接热影响区性能对焊接线能量比较敏感，力学性能波动有增加，其中问题比较突出的是焊接热影响区软化程度随焊接线能量增加而增加，但对传统电弧焊来说，降低焊接线能量会减少焊接效率。这给此类钢的焊接应用带来很大阻力。

刊登于《东北大学学报》(1999.2)名称为“厚规格汽车桥壳用钢的焊接性能”的文献，采用08Mn2Si焊丝对510MPa级桥壳钢进行了CO₂气保焊，钢的主要化学成分(wt％)为C0.05～0.11,Si0.12～0.18,Mn1.33～1.66,Mo0～0.21,及Nb-Ti-B微合金化，碳当量CE0.33～0.40，焊接接头实际强度只达到430～600MPa,远低于本技术钢板强度680MPa，显然其焊接技术不能应用于本发明所述钢板。

对于较薄的钢板，可以采用单一激光焊接；然而对于厚度较大钢板，单一激光焊接熔深难以达到，开坡口后填丝较为困难，也难以对焊缝性能进行控制。采用这些方法焊接完成后，焊接接头硬度一般存在20％以上的波动，难以满足使用要求。

激光焊是一种能量密度高、焊缝窄、快速加热和快速冷却、穿透力较强的焊接方法；熔化级气体保护焊则具有填充率高的特点，但穿透力差。

气保焊及激光焊两种焊接方法都易于实现自动化。如果能将两种焊接方法进行有机结合，则可充分利用两者的优点，达到快速焊透+填充焊满的焊接效果。但从对现有技术的分析来看，则难得到硬度较为均匀的焊接接头。

中国专利申请号为CN200810042792.3的文献，公开了一种“低合金高强钢激光复合焊缝硬度控制方法”，其在熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之前，控制熔化极电弧与激光焦点的距离，使激光的光致等离子体与熔化极电弧等离子体保持交互作用，共同形成一个熔池，熔池在熔化极电弧笼罩区域浅，而在光致等离子体区域深；非熔化极电弧沿焊接方向置于激光焦点之后，控制非熔化极电弧与激光焦点的距离，使光致等离子体与非熔化极电弧等离子无显著交互作用，同时非熔化极电弧在光致等离子体的协助下维持稳定燃烧。该文献虽能提高工件对激光功率的吸收能力，改善了激光焊接的搭桥能力，而且降低了焊缝的冷却速度和接头显微硬度，改善了焊缝机械性能，即接头硬度HV母材为195，焊缝224及248，焊接热影响区243及246。但其多用了一个非熔化极电弧，导致设备复杂，且焊接热影响区硬度明显高于母材约20％。焊接硬度显著增加容易导致脆化及疲劳性能下降。

为了解决这些问题，本发明采用激光-MAG焊复合焊技术焊接超快冷高强桥壳，在对焊接硬度预估的基础上，选配合适的焊丝及焊接工艺并进行焊接，得到硬度较为均匀的焊接接头(焊缝、热影响区)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在而不足，提供一种通过采用激光-MAG复合焊双面焊技术，根据硬度选配焊丝及焊接工艺，得到表面焊缝宽在9～15mm，余高在2.0～2.5mm，在厚度1/2处根缝宽在1～3mm，较窄焊缝及硬度均均匀，且焊接接头硬度波动低于8％，其中热影响区硬度波动低于5％的超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法。实现上述目的的措施：

一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法，其步骤：

1)母材性能：钢板厚度在10～20mm，抗拉强度在650～700MPa，HV₁₀硬度在205～230,为C-Si--Mn系钢，且为Nb+Ti微合金化；碳当量CE在0.29～0.33，敏感裂纹系数Pcm在0.13～0.15；

2)焊缝坡口形式，为双面U型，底部弧度半径R在1.5～2.5mm，钝边在6.0～7.5mm，坡口角度在10～15°；

3)焊接采用激光+气保焊复合焊接方式：激光束在先，气保电弧在后；

4)焊接工艺条件：保护气体为78～82％Ar与18～22％CO₂混合气，焊接电流在210～280A，焊接电压在17～28V，焊接速度在0.4～0.8m/min；气保焊能量E_g在2.6～10kW，激光焊接功率E₁在1.5～4.5kW，复合焊接线能量在6～12kJ/cm；焊接特征温度冷速在220～500kK/h；

按下式控制焊接热影响区硬度：

Hv＝-348+185C+330Si+153Mn+66Ni+144Cr+191Mo+

log v_r(89+54C-55Si-22Mn-10Ni-20Cr-33Mo)

式中：Hv—为焊缝的维氏硬度，其在设定与母材维氏硬度相同的条件下，根据式中各元素将拟定值代入公式进行计算；当计算焊接热影响区或焊缝硬度时，各元素分别取值为母材或焊缝成分；

Vr—为特征温度的冷却速度，单位为K/h；特征温度是指焊接冷却时发生主要的组织转变的温度；本式中特征温度为700℃；

式中：未将Nb及Ti加入，是由于母材中这两种元素为微合金化元素，在本发明焊接工艺条件下，其含量对焊接硬度的影响可忽略不计；

5)焊丝成分的确定按照上述公式进行：式中各元素为焊缝成分，其由焊丝及母材共同决定：

焊丝各元素重量百分比取值：C≤0.09,Mn1.20～1.50,Si0.40～0.7,Ni0.6～1.0,Cu0.10～0.25,Ti0.04～0.10,Cr+Mo≤0.15,S≤0.015,P≤0.020；根据所确定的元素及含量常规制备的焊丝直径在Φ0.8～1.0mm；

6)进行焊接

在整个焊接过程中，始终采用激光束在前，气保电弧在后的复合方式进行焊接，并控制激光束与焊丝之间的间距在1.8～2.2mm；为双面焊接；

先进行一道次打底焊接，控制打底焊接时的E₁/E_g在0.7～1.5；

后进行充填焊接直至焊缝达到要求，控制充填焊接时的E₁/E_g在0.2～0.3；

需要说明的是：E₁及E_g均不能为0。

其在于：所述母材的组分及重量百分比含量在：C：0.05～0.08％，Si：0.10～0.30％，Mn：1.35～1.70％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb+Ti不超过0.1％，Cu、Cr、Ni为残余元素，其余为Fe及不可避免的其它元素。

优选地：打底焊接时的E₁/E_g在0.78～1.35。

优选地：充填焊接时的E₁/E_g在0.23～0.28。

优选地：激光束与焊丝之间的间距在1.9～2.1mm。

本发明中主要工艺的机理及作用

本发明之所以采用如下式控制焊接热影响区硬度：

Hv＝-348+185C+330Si+153Mn+66Ni+144Cr+191Mo+

log v_r(89+54C-55Si-22Mn-10Ni-20Cr-33Mo)

是由于焊接热影响区硬度主要受钢的成分及冷却速度的影响，而每个元素的影响程度是不同的，因此如果想要控制好焊接硬度，必须有一个统一调控关系式；实验证明，上式很好地表达了各元素对硬度的影响，同时也与特征温度冷速相关联。

式中：未将Nb及Ti加入，是由于母材中这两种元素为微合金化元素，在本发明焊接工艺条件下，其含量对焊接硬度的影响可忽略不计。

本发明之所以控制激光束与焊丝之间的间距在1.8～2.2mm，优选地在1.9～2.1mm。是由于只有在激光束与电弧保持适当的距离时，它们的作用才能既有一定的独特性，又相互影响，实现优势互补及放大。即激光束能有效照射到工件上，同时电弧在激光等离子体的协助下更为稳定地燃烧。

本发明之所以控制焊接特征温度冷速在220～500kK/h，是由于对于本技术中的超快冷桥壳钢及激光－电弧复合焊工艺，该冷速范围能使焊接热影响区产生以贝氏体为主的组织。

本发明之所以采用焊缝坡口形式为双面U型，底部弧度半径R在1.5～2.5mm，钝边在6.0～7.5mm，坡口角度在10～15°，由于钢厚较大，需开坡口进行根焊。U形坡口相比V形坡口能更好地将等离子体抑制在坡口内，焊接熔深更大、焊接过程更稳定，同时U形坡口根部为圆弧过渡，钝边的熔透性和坡口间隙适应性更好。

激光焊最大的特点是具有“小孔效应”，在激光焊接过程中，激光束通过孔壁的多次反射几乎完全被吸收，显著提高材料对激光能量的吸收率。

激光－MAG复合焊是一种新型高效焊接方法，热输入小、熔深大，可减少焊道数，提高焊接效率。激光－MAG复合焊总能量E_t＝E_l+E_g,其中E_l及E_g分别为激光能量和气保焊能量。当一定E_t时，焊缝面积差不多，但熔深随E_l/E_g增加而增加。当E_l＝0时，就是单一气保焊；当E_l逐渐增加时，焊缝熔深快速增加，形成上宽下窄的“钉”形焊缝。这是因为激光功能达到一定阀值时后，钢板表面发生汽化、蒸发，蒸气压力使熔池表面下凹，形成“匙孔”，激光由“热导焊”模式转变，使焊缝成为窄而深的“深熔焊”模式。

打底焊时，为获得大熔深应采用较大E_l/E_g能量配比；填充焊时为保证焊接过程的稳定性及焊缝成形良好，应选用较小能量配比。对接焊缝无明显缺陷，焊缝正反面成形良好。

焊接硬度主要受化学成分焊接热循环的影响，各元素作用分析如下：

C：随着C含量增高，焊缝及热影响区硬度增加，为兼顾焊缝韧性，焊缝中C含量范围为0.04～0.08％较佳。当焊丝中C含量≤0.09％时，在采用较小线能量进行富Ar气保焊时，焊缝中C含量会有少量变化。

Si：随着Si含量增高，焊缝及热影响区硬度增加，为兼顾焊缝韧性，焊缝中Si含量一般为0.30～0.50％。焊丝中Si含量0.40～0.70％。在采用较小线能量进行富Ar气保焊时，焊缝中Si含量会有一定变化。

Mn：对焊缝有强韧化作用，能防止引起热裂纹的铁硫化物的形成。随着Mn含量增高，焊缝及热影响区硬度增加，焊丝中Mn含量为1.20～1.50％。

Ni：是焊缝韧化的有效元素，也有一定的强化效果。Ni较为贵重，一般在保证焊丝性能的情况下尽量少加。焊丝中Ni含量为0.60～1.00％。

Cu：适量Cu有固溶强化作用，同时，在多道焊时后续焊道对前道焊缝产生回火作用诱导Cu粒子相析出，提高焊缝强度和韧性。焊丝中Cu含量0.10～0.25％。

本发明与现有技术相比，其能得到硬度较为均匀的超快冷高强桥壳钢焊接接头，表面焊缝宽9～15mm，余高2.0～2.5mm，根缝宽(1/2厚处)1～3mm；焊接接头硬度均匀，波动不超8％，其中热影响区硬度波动不超5％。

附图说明

图1为本发明焊接坡口示意图；

图2为本发明焊缝形状示意图；

图中：t—为板厚，b—为坡口深度，c—为钝边，R—为圆弧半径，а—为坡口角度，Wf—为表面缝宽，Wr—为根部缝宽。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的母材即快速冷桥壳钢的化学成分列表(wt％)；

表2为本发明各实施例焊丝化学成分列表；

表3为本发明各实施例及对比例焊接工艺取值列表；

表4为本发明各实施例及对比例焊缝尺寸列表；

表5为本发明各实施例焊接接头硬度列表。

各实施例均按一下步骤进行焊接：

1)母材性能：钢板厚度在10～20mm，抗拉强度在650～700MPa，HV₁₀硬度在205～230,为C-Si--Mn系钢，且为Nb+Ti微合金化；碳当量CE在0.29～0.33，敏感裂纹系数Pcm在0.13～0.15；

2)焊缝坡口形式，为双面U型，底部弧度半径R在1.5～2.5mm，钝边在6.0～7.5mm，坡口角度在10～15°；

3)焊接采用激光+气保焊复合焊接方式：激光束在先，气保电弧在后；

4)焊接工艺条件：保护气体为78～82％Ar与18～22％CO₂混合气，焊接电流在210～280A，焊接电压在17～28V，焊接速度在0.4～0.8m/min；气保焊能量E_g在2.6～10kW，激光焊接功率E₁在1.5～4.5kW，复合焊接线能量在6～12kJ/cm；焊接特征温度冷速在220～500kK/h；

按下式控制焊接热影响区硬度：

Hv＝-348+185C+330Si+153Mn+66Ni+144Cr+191Mo+

log v_r(89+54C-55Si-22Mn-10Ni-20Cr-33Mo)

式中：Hv—为维氏硬度，其在设定与母材维氏硬度相同的条件下，根据式中各元素将拟定值代入公式进行计算；当计算焊接热影响区或焊缝硬度时，各元素分别取值为母材或焊缝成分；

Vr—为特征温度的冷却速度，单位为K/h，它是焊接工艺及热循环的主要指标；

说明：式中未将Nb及Ti加入，是由于母材中这两种元素为微合金化元素，在本技术焊接工艺条件下，其含量对焊接硬度的影响可忽略不计；

5)焊丝成分的确定按照上述公式进行：式中各元素为焊缝成分，其由焊丝及母材共同决定：

焊丝各元素重量百分比取值：C≤0.09,Mn1.20～1.50,Si0.40～0.7,Ni0.6～1.0,Cu0.10～0.25,Ti0.04～0.10,Cr+Mo≤0.15,S≤0.015,P≤0.020；根据所确定的元素及含量范围制备的焊丝直径在Φ0.8～1.0mm；

6)进行焊接

在整个焊接过程中，始终采用激光束在前，气保电弧在后的复合方式进行焊接，并控制激光束与焊丝之间的间距在1.8～2.2mm；为双面焊接；

先进行一道次打底焊接，控制打底焊接时的E₁/E_g在0.7～1.5；

后进行充填焊接直至焊缝达到要求，控制充填焊接时的E₁/E_g在0.2～0.3；

需要说明的是：E₁及E_g均不能为0。

表1本发明各实施例及对比例母材化学成分列表(wt％))

注：钢采用了Nb、Ti微合金化。

表2本发明各实施例焊丝化学成分列表(wt％)

注：实施例焊丝Cr+Mo≤0.15，Ti微合金化。

表3本发明各实施例及对比例焊接工艺取值列表

注：P≤0.020％,S≤0.015％

表4本发明各实施例及对比例焊缝尺寸列表(mm)

实施例1～6表面焊缝宽9～15mm，余高1.5～2.5mm，根缝宽(1/2厚处)1～3mm。

表5本发明各实施例焊接接头硬度列表

说明：

实施例1～6针对相应钢板(表1)采用了不同焊丝(表2)、及焊接工艺(表3)，其焊缝成形良好无缺陷，典型焊缝宏观形貌如图2所示，焊缝尺寸如表4所示，处于正常范围；焊接接头硬度都较为均匀。为了控制焊接接头硬度，实施例须保持焊丝、焊接工艺与母材相匹配。总体上讲，焊接硬度随线能量减少、合金元素含量(或碳当量)增加及板厚增加而增加；进一步的，这些因素的影响由前所述的关系式作综合表述，可全部通过计算得到预测，操作性较强。

1#、2#、3#、4#、5#及6#实施例钢板成分及厚度、焊丝成分、焊接坡口尺寸、焊接参数等均在本发明规定的范围内。

1及5号实施例钢板厚度为下限10mm，钝边取值偏下限，焊接速度偏上限。正式确定各参数前，采用前述公式计算进行整体预控，计算的焊缝及热影响区硬度分别与母材硬度(1#HV₁₀为225，5#为221)相比分别不超出±8％及±5％就可以进行焊接。实际焊得的焊接硬度分别如表5所示，未超出波动范围。

4#钢板厚度为上限20mm，为提高焊接效率减少填充量，钝边偏上限，坡口角度偏下限，激光功率及MAG线能量偏上限，焊接速度偏下限；6#钢板厚度虽也为上限20mm，钝边偏下限也是可行的。2#及3#钢板厚度为中限，各参数也取中限。要点是按上述方法综合各参数进行计算，结合符合硬度要求。将参数用之于焊接试验，实际焊得的焊接硬度分别如表5所示，焊接热影响区硬度波动未超出±5％波动范围，而焊缝硬度波动未超过8％。

对比例1的MAG焊应用了C-Mn-Ni-Cr-Cu焊丝，合金元素含量超出范围，焊前计算焊缝硬度过高。实际上，对与实施例相同的母材采用激光+MAG复合焊后，焊缝尺寸正常，但焊缝硬度HV₁₀达到265～270，高于母材硬度216达22％以上，说明焊材匹配不当时，难以得到匀硬接头。

对比例2激光功率为0，相当于单一MAG焊，应用了与实施例相同的焊丝。因为无激光束，单一MAG焊穿透性差，钝边只留2mm，需要填充的金属多。焊前计算热影响区硬度过低。实际上，对与实施例相同的母材焊接后，热影响区硬度HV₁₀降到182～186，低于母材硬度(216)15％,说明焊接工艺不当时，也难以得到匀硬接头。焊缝根部尺寸及表面缝宽也都超出范围。

至于焊接效率方面，以实施例2#与对比例2作比较，实施例2需要填焊的面积为80～90mm²，反面不需清根；而对比例2则为140～160mm²，反而还需清根；故本发明焊接效率明显提高。

可见，本发明成功得到了超快冷桥壳钢匀硬焊接接头。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (5)

1.一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法，其步骤：

1) 母材性能：钢板厚度在10~20mm，抗拉强度在650~700MPa，HV₁₀硬度在205~230,为C-Si--Mn系钢，且为Nb+Ti微合金化；碳当量CE在0.29~0.33，敏感裂纹系数Pcm在0.13~0.15；

2) 焊缝坡口形式，为双面U型，底部弧度半径R在1.5~2.5mm，钝边在6.0~7.5mm，坡口角度在10~15º；

3）焊接采用激光+气保焊复合焊接方式：激光束在先，气保电弧在后；

4） 焊接工艺条件：保护气体为78~82%Ar与18~22%CO₂混合气，焊接电流在210~280A，焊接电压在17~28V，焊接速度在0.4~0.8m/min；气保焊能量E_g在2.6~10kW，激光焊接功率E₁在1.5~4.5KW，复合焊接线能量在6~12kJ/cm；焊接特征温度冷速在220~500K/h；

按下式控制焊接硬度：

式中：Hv—为维氏硬度，其在设定与母材维氏硬度相同的条件下，根据式中各元素将拟定值代入公式进行计算；当计算焊接热影响区或焊缝硬度时，各元素分别取值为母材或焊缝成分；

Vr—为特征温度的冷却速度，单位为kK/h，它是焊接工艺及热循环的主要指标；

说明：式中未将Nb及Ti加入，是由于母材中这两种元素为微合金化元素，在本技术焊接工艺条件下，其含量对焊接硬度的影响可忽略不计；

5）焊丝成分的确定按照上述公式进行：式中各元素为焊缝成分，其由焊丝及母材共同决定；焊丝各元素重量百分比取值：C≤0.09, Mn1.20～1.50, Si0.40～0.7, Ni0.6～1.0,Cu0.10～0.25, Ti0.04~0.10, Cr+Mo≤0.15, S≤0.015, P ≤0.020；根据所确定的元素及含量范围制备的焊丝直径在Φ0.8~1.0mm；

6）进行焊接

在整个焊接过程中，始终采用激光束在前，气保电弧在后的复合方式进行焊接，并控制激光束与焊丝之间的间距在1.8~2.2mm；为双面焊接；

先进行一道次打底焊接，控制打底焊接时的E₁/E_g在0.7~1.5；

后进行充填焊接直至焊缝达到要求，控制充填焊接时的E₁/E_g在0.2~0.3；

需要说明的是：E₁及E_g均不能为0。

2.如权利要求1所述的一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法，其特征在于：所述母材的组分及重量百分比含量在：C：0.05~0.08%，Si：0.10~0.30%，Mn：1.35~1.70%，P≤0.015%， S≤0.005%，Nb+Ti不超过0.1%，Cu、Cr、Ni为残余元素，其余为Fe及不可避免的其它元素。

3.如权利要求1所述的一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法，其特征在于：打底焊接时的E₁/E_g在0.78~1.35。

4.如权利要求1所述的一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法，其特征在于：充填焊接时的E₁/E_g在0.23~0.28。

5.如权利要求1所述的一种能使超快冷高强桥壳钢焊接接头硬度匹配并均匀的复合焊接方法，其特征在于：激光束与焊丝之间的间距在1.9~2.1mm。

Images