CN112719598A - 一种Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al‑Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，包含第一摆动激光束、第二摆动激光束、Al‑Si涂层热压钢板、第一喷嘴和第二喷嘴和；第一摆动激光束横向摆动，形成前置微熔池；第一喷嘴向前置微熔池中送入氧化性粉末和氧化性气体；第二摆动激光束环形摆动，搅拌前置微熔池，形成焊接熔池；第二喷嘴向焊接熔池处吹出惰性气体；本方案将Al‑Si涂层打碎并预先反应生成强化相，可以在不去除涂层的条件下直接进行焊接；且部分强化相在焊后会上浮覆盖在熔池表面，成为保护层；利用细小的强化相可增强焊缝力学性能，并减少对其韧性的影响；基体背面涂层不会熔化与熔池混合，在滚轮碾压下结合后强度和抗腐蚀性较好，不需要焊后重新镀层处理。

Description

一种Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法
技术领域
本发明涉及一种Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，属于激光拼焊技术领域。
背景技术
随着近年来经济全球化高速发展，汽车行业呈快速发展趋势，汽车普及率越来越高。汽车的普及在让人们出行更加方便，但同时也给地球环境带来了巨大的影响，能源消耗引起危机、二氧化碳大量排放导致全球变暖等问题愈来愈严重，使得人们愈加认识到环境及资源的重要性，节能环保理念成为汽车行业未来发展的主流。而对于提高汽车节能减排方面，汽车轻量化是最有效最直接的一种方式，按汽车设计理论，汽车质量每减少10%，燃油便会较少8%-10%，废气排放可降低5%～6%，汽车每降重100kg可燃油效率提高1.3km/L。汽车轻量化能够减轻车身质量、减少行驶燃油并且节能环保，既能保证汽车的安全性，又能实现成本和效益的最优化。Al-Si涂层热压钢板，因在热成型后抗拉强度高、硬度高、能量吸收率高等优点成为了汽车制造结构件的重要材料。该材料热成型后强度达到1600MPa以上，在同等强度下，材料使用量会大幅度减少，达到汽车轻量化的目标。钢板表面的Al-Si涂层的存在又明显改善了材料的防腐性能，因此Al-Si涂层热压钢板的推广使用，成为了汽车制造业的发展重点。
激光焊接因其焊接质量高、效率快等优点成为了现代汽车制造的支撑技术。相比传统焊接，激光焊接深宽比大的特点能够实现单面焊接，省去了很多坡口加工、焊接空间的问题；焊缝热影响区小的特点使车身焊后基本没有电焊、弧焊后的扭曲、波浪等变形，同时能够保证焊件强度；能量密度高的特点使焊缝轻松熔透，提高了焊接速度，汽车生产效率提高。Al-Si涂层热压钢板在激光焊接时，涂层熔化随熔池流动进入焊缝，对焊接接头的组织性能造成了较大的影响。由于在铝和钢的热膨胀系数的差异，涂层的内侧易产生裂纹。铝-硅涂层中的铝和硅以固态固溶到焊缝，大部分与铁作用产生沿熔合线分布的金属间化合物，降低了接头的强度
目前通常采用先完全或部分去除铝硅涂层然后进行焊接的方法进行激光拼焊，如专利CN201820369269.0采用一定方法去除钢板表面进行焊接操作区域的铝硅涂层，减少焊缝金属中铝残留物造成的负面影响。但此类方法会增加生产成本，且焊缝处会成为耐腐蚀性能薄弱点，还需要其他工序补充加工等。因此亟需开发合适的焊接材料和焊接方法对Al-Si涂层热压钢板进行直接焊接。基于此，本发明提出了一种添加合金元素的Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接技术。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，包含第一摆动激光束、第二摆动激光束、Al-Si涂层热压钢板、第一喷嘴和第二喷嘴；所述第一摆动激光束在两块待焊的Al-Si涂层热压钢板的焊缝处横向摆动，形成前置微熔池；第一喷嘴向前置微熔池中送入氧化性粉末和氧化性气体；所述第二摆动激光束位于第一摆动激光束的后侧，第二摆动激光束环形摆动，搅拌前置微熔池，形成焊接熔池；第二喷嘴向焊接熔池处吹出惰性气体。
优选的，所述第二摆动激光束的焊接位置与第一摆动激光束的焊接位置相距2-10mm。
优选的，所述第二喷嘴的气体流量不低于20L/min。
优选的，所述第二喷嘴同时向焊接熔池中送入强化元素。
优选的，所述第二摆动激光束的下游设置有碾压滚轮组，碾压滚轮组从焊缝的上下两侧碾压焊缝。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
①将Al-Si涂层打碎并预先反应生成强化相，可以在不去除涂层的条件下直接进行焊接，减少生产工序和成本；且部分强化相在焊后会上浮覆盖在熔池表面，成为具有一定耐腐蚀作用的保护层。
②利用细小的强化相可增强焊缝力学性能，并减少对其韧性的影响；也可在后方采用强化元素添加以进一步增强焊缝的韧性和耐腐蚀性能。
③基体背面涂层不会熔化与熔池混合，在滚轮碾压下结合后强度和抗腐蚀性较好，不需要焊后重新镀层处理。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明所述的一种Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
如附图1所示，本发明所述的一种Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，包含第一摆动激光束1、第二摆动激光束2、Al-Si涂层热压钢板3、第一喷嘴4、第二喷嘴5和碾压滚轮组6。
本焊接方法的工作原理如下：
板材与激光束持续相对移动，图中箭头为焊接方向，实际焊接时，一般以板材移动，板材移动方向与图中箭头方向相反。
焊接时通过第一摆动激光束1横向摆动，形成前置微熔池，通过调制波形得到带状热源，随着持续相对移动，获得熔深一致的前置微熔池，前置微熔池的熔深与板材的Al-Si涂层厚度相近，视板材焊接需要采用略大于涂层厚度的熔池，或者略小于熔池厚度的熔池；同时由第一喷嘴4向微熔池送进氧化性粉末及氧化性气体，第一喷嘴4横向放置，与焊接移动方向垂直，氧化性粉末包括但不限于Fe2O3等，通过将涂层重熔并氧化，使其生成微米甚至纳米级的氧化铝等强化颗粒。
前置微熔池可以起到预热作用，在冷却结束前使用摆动激光束2进行焊接，第二摆动激光束2放置于第一摆动激光束1后方2-10mm，第二摆动激光束2采用环形摆动模式进行焊接；环形摆动有利于进一步搅拌熔池，将较大的颗粒相进一步打碎，防止形成大尺寸的脆性相。
第二喷嘴5沿着焊接方向放置，第二喷嘴5采用惰性气体保护，且流量不低于20L/min，为了防止两束保护气产生干涉，保护气流量取决于激光束距离；第二喷嘴5的保护气用于保护焊接熔池，利用较大气流直接清理前置熔池的残留粉末，防止过多氧化物进入焊接熔池；同时第二喷嘴5也可以设置为送粉，向熔池中添加锰、铬、硼、氮等强化元素，以提高焊缝的力学性能。
环形摆动激光形成的熔池深度控制在微熔透程度，即熔池底端接触背面Al-Si涂层，但不将其熔化并卷入熔池中，依靠热传导使涂层软化或处于半熔化状态，在后侧的碾压滚轮组6的碾压下实现结合。
其中，激光器可以采用CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器；送粉器可采用国产或进口送粉器，粉末粒径10-200μm；焊接过程中工艺参数的调整通过KUKA机器人编程实现。
具体焊接工作步骤如下：
步骤一:将板材工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗。
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，紧密对接，间隙为0，不开坡口或V型坡口。
步骤三:设置焊接参数，激光离焦量为﹣5～﹢5mm，前置激光束功率为300～1500W，后置激光束功率为1000～5000W，焊接速度为1～8m/min，双光束中心间距为2～10mm，前置激光摆动频率为50～300Hz，后置激光摆动频率为100～250Hz；前置保护气采用氧化性气体，包括但不限于Ar+O2、Ar+CO2等，流量为5-15L/min，前置送粉粉末为氧化物颗粒，包括但不限于Fe2O3等，送粉量为0.1～5g/min；后置保护气采用Ar气或Ar/He混合气体等，流量为20～60L/min；后置送粉粉末可采用Mn、Cr、B等单质或化合物粉末，粉末粒径为10-40μm，送粉量为3～15g/min；滚轮直径为30～80mm，滚轮压力为400N～3kN。
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先通入保护气和粉末，滚轮预置压力，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得焊接头运动完成焊接过程。
以下将两种常规焊接方式与本方案的技术效果进行对比：
①常规激光焊焊接2mm厚带涂层的Al-Si涂层热压钢板对接接头：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗。
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，紧密对接，间隙为0，不开坡口。
步骤三:设置焊接参数，激光离焦量为0mm，激光功率为1800W，焊接速度为1.5m/min。保护气采用Ar气，流量为25L/min。
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先控制发出激光，然后控制机器人使得焊接头运动完成焊接过程。
②常规激光焊焊接2mm厚完全去除涂层的Al-Si涂层热压钢板对接接头：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗。
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，紧密对接，间隙为0，不开坡口。
步骤三:设置焊接参数，激光离焦量为0mm，激光功率为1600W，焊接速度为1.5m/min。保护气采用Ar气，流量为25L/min。
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先控制发出激光，然后控制机器人使得焊接头运动完成焊接过程。
③本方法焊接2mm厚带涂层的Al-Si涂层热压钢板对接接头：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗。
步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，紧密对接，间隙为0，不开坡口。
步骤三:设置焊接参数，激光离焦量为0mm，激光束1功率为600W，激光束2功率为1600W，焊接速度为1.5m/min，双光束中心间距为4mm，前置激光摆动频率为200Hz，后置激光摆动频率为100Hz；前置保护气采用80%Ar+20%CO2混合气，流量为10L/min，前置送粉粉末为Fe2O3；后置保护气采用Ar气或Ar/He混合气体等，流量为25L/min；后置送粉粉末为Mn、B单质混合物，粉末粒径均为20μm。滚轮直径为40mm，滚轮压力为600N。
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先通入保护气和粉末，滚轮预置压力，然后激光器控制发出激光，最后控制机器人使得焊接头运动完成焊接过程。
对三种条件下焊接获得的试样分别测试力学性能，结果如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由测试结果可知，采用常规激光焊接后试样抗拉强度降低，但同样满足使用要求，而由于延伸率既塑性下降，杯突试验合格率仅为74%；采用本方法焊接后，抗拉强度接近现有技术采用的完全去除涂层后进行常规激光焊接的结果，延伸率明显高于常规激光焊接，杯突试验合格率也达到了100%，说明涂层元素经处理后融入焊缝中造成的影响可控，试样性能达到合格标准。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，其特征在于：包含第一摆动激光束（1）、第二摆动激光束（2）、Al-Si涂层热压钢板（3）、第一喷嘴（4）和第二喷嘴（5）；
所述第一摆动激光束（1）在两块待焊的Al-Si涂层热压钢板（3）的焊缝处横向摆动，形成前置微熔池；第一喷嘴（4）向前置微熔池中送入氧化性粉末和氧化性气体；
所述第二摆动激光束（2）位于第一摆动激光束（1）的后侧，第二摆动激光束（2）环形摆动，搅拌前置微熔池，形成焊接熔池；第二喷嘴（5）向焊接熔池处吹出惰性气体。
2.根据权利要求1所述的Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，其特征在于：所述第二摆动激光束（2）的焊接位置与第一摆动激光束（1）的焊接位置相距2-10mm。
3.根据权利要求1所述的Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，其特征在于：所述第二喷嘴（5）的气体流量不低于20L/min。
4.据权利要求1所述的Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，其特征在于：所述第二喷嘴（5）同时向焊接熔池中送入强化元素。
5.据权利要求1所述的Al-Si涂层热成型钢双摆动激光焊接方法，其特征在于：所述第二摆动激光束（2）的下游设置有碾压滚轮组（6），碾压滚轮组（6）从焊缝的上下两侧碾压焊缝。
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