CN113399834A - 一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备方法 - Google Patents

一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例公开一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备方法，属于高强度汽车钢深加工技术领域的技术领域。所述制备方法包括1000MPa级及以上的汽车用高强钢板的选择、清洗打磨处理、待焊接汽车用高强钢板的焊接面对接、激光器和焊接面的相对位置设置、保护气侧吹装置的设置、以及激光焊接工艺参数的选择和汽车用高强钢板激光焊接接头的制备。本发明不同工艺参数下Q&P钢激光焊接头的抗拉强度相比于母材略有降低，屈服强度强度相比于母材提高了约70(±30)MPa，由于接头中硬化区的存在，接头的伸长率相比母材略有减小，而应力应变曲线都没有观察到明显的屈服平台，各工艺参数下接头都断裂在母材区。

Description

一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备 方法
技术领域
本发明属于高强度汽车钢深加工技术领域的技术领域，涉及一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备方法。
背景技术
目前，汽车部件中有20％以上的构件会采用800MPa以上的钢材，在轻量化的发展背景下，高强钢在汽车工业领域得以广泛应用。而汽车用高强钢是通过更轻、更薄、更高强度钢的开发，从而减轻车体重量，减少尾气排放，保证汽车安全。
研究发现，现有的汽车用高强钢中较为常用的是双相钢、马氏体钢、TWIP钢和TRIP钢等。然而，虽然这些钢种具有高的碰撞吸收能和高成形性等优点，但是其仍然不能满足未来汽车的轻量化和安全性要求。
淬火-配分(Quenching and partitioning，Q&P)钢，作为第三代先进高强钢的代表，组织为贫碳的板条马氏体和富碳的残余奥氏体，强度可以高达1500MPa、塑性为20％～40％、强塑积达到30～40GPa％的级别，故而可将其应用于汽车用高强钢。
而高强钢合金元素复杂，高强钢在汽车中的应用需要焊接技术的参与，由于焊接技术是高强度钢能否在汽车车身广泛应用的关键技术之一，焊接工艺不当时易出现淬硬组织，影响焊接接头性能。
其中的激光焊接是材料加工技术应用中的重要方法之一，因其具有能量集中、热影响区小、热变形小、焊接速度快、适于精密焊以及易于实现自动焊接等优于传统焊接方法的诸多特点，受到广泛关注。激光焊接的热变形区域很窄，因此焊接变形很小。由于激光焊是一种非接触工艺，因此电阻点焊中伴有的机械扭曲和波浪边缘在激光焊接中不会产生。同时，这种非接触特性也消除了易损件和高频率维护部件，例如电极帽、电极杆和电缆等。由于激光焊接能够使钢板之间的连接处于晶体结构之间的相互连接，所以不仅能提高车身的抗疲劳性、抗冲击性以及抗腐蚀性能，而且也使车身的密封性有极大的提高。
本发明采用1000MPa级及以上热轧板作为母材，采用合适的激光焊工艺制备焊接接头，得到高强度汽车钢的激光焊焊接接头，以期满足目前车身焊接中涉及同种或异种高强钢连接件的制备要求，具备工业推广应用的潜力。
发明内容
本发明解决的技术问题是目前的汽车用高强钢焊接接头焊缝成形性差，有明显缺陷，例如：未焊透、焊穿、气孔、错边、咬边、热裂纹等，强度和接头系数低，自动化程度低，焊接效率低，焊缝尺寸大，热影响区大，不均匀性相高，对接头整体强韧性的影响大。
为解决上述技术问题，本发明提出一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备方法，所述制备方法包括1000MPa级及以上的汽车用高强钢板的选择、清洗打磨处理、待焊接汽车用高强钢板的焊接面对接、激光器和焊接面的相对位置设置、保护气侧吹装置的设置、以及激光焊接工艺参数的选择和汽车用高强钢板激光焊接接头的制备；具体如下所示：
步骤1：选取一种1000MPa级及以上的汽车用高强钢板，对汽车用高强钢板表面进行清洗打磨处理；
步骤2：将两块经过处理的汽车用高强钢板放置于工作台上，用夹具夹紧，使得两块经过处理的汽车用高强钢板对接截面间隙≤0.2mm；
步骤3：将激光器的工作头设置在垂直于两平板对接处的上方，激光束保护气体为氮气，气体流量为20L/min；
步骤4：激光器的工作头后方设置有保护气侧吹装置，保护方式为正面保护，保护气体为氩气，保护气体流量为30L/min，与激光入射方向成30°夹角；
步骤5：根据钢板成分与厚度组合调整激光焊接工艺参数，焊接方向为沿轧制方向的一个方向，通过激光器的工作头和保护气体在对接处产生的等离子体形成焊接熔池来焊接两块钢板，最终对接处形成组织均匀宽度窄的焊缝，完成1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接接头的制备。
优选地，所述清洗打磨处理包括：首先用10％丙酮溶液清洗，然后清水冲洗，其次使用酒精溶液清洗，再冷却风干；最后使用200目砂纸对焊接区域进行打磨，确保装配精度。
优选地，所述激光器为德国IPG制造的YSL-6000型光纤激光器，辅助KUKA机器人，其波长为1.07μm，最大输出功率为6000W，频率为0～500Hz，波长精度为±10nm，操作光纤长度为20m。
优选地，所述焊接工艺参数包括：
激光入射角度为90°；
激光束焦点处光斑直径为300μm；
激光输出功率为0kW～2.0KW；
焊接速度为0.5m/min～2.5m/min；
离焦量为-4mm～+4mm；
功率输出稳定性<2％。
优选地，所述汽车用高强钢板的厚度为1.0mm～2.2mm。
优选地，所述1000MPa级及以上的汽车用高强钢板为Q&P980热轧板或Q&P1180热轧板。
优选地，所述焊接接头的硬度分布规律为以焊缝中心线沿两侧呈“W”形对称分布，硬度最高值出现在毗邻焊缝区的粗晶区，随着到焊缝中心距离的进一步增加，硬度值逐渐降低，硬度最低值出现在临界热影响区，之后硬度值缓慢回升，逐渐达到母材水平。
优选地，所述焊接接头的组织结构包括接头硬化区和接头软化区；接头硬化区的组织均为马氏体板条，粗晶区的马氏体相比于焊缝区较为粗大；接头软化区的组织均为马氏体、铁素体和残余奥氏体的混合组织，在亚临界热影响区马氏体发生分解并析出碳化物；接头硬化区包括接头的粗晶区和接头的细晶区，接头软化区包括接头的临界热影响区和接头的亚临界热影响区。
优选地，所述焊接接头的抗拉强度比母材低，屈服强度强度比母材提高了70(±30)MPa，接头的伸长率比母材小，所述焊接接头都断裂在母材区。
优选地，所述焊接接头的抗拉强度Rm≥900MPa，屈服强度Rp0.2≥800MPa。
本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：
本发明焊接成形良好，未出现明显的宏观和微观缺陷，如未焊透、焊穿、气孔、错边、咬边、热裂纹等。
与传统焊接方法相比，本发明的激光焊接效率高、焊缝尺寸小，自动化程度高，因而能够高效获得热影响区较窄的焊接接头，不均匀性相对于传统熔化焊方法明显降低，进而减小对接头整体强韧性的影响。
本发明不同工艺参数下Q&P钢激光焊接头的抗拉强度相比于母材略有降低，屈服强度强度相比于母材提高了约70(±30)MPa，由于接头中硬化区的存在，接头的伸长率相比母材略有减小，而应力应变曲线都没有观察到明显的屈服平台，各工艺参数下接头都断裂在母材区。
综上，使用本发明所提供的方法，能够使得制备的汽车用高强钢的激光焊接接头的焊缝成形良好，无明显缺陷，强度和接头系数较高，利于工业大规模推广和使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备方法的结构示意图；
图2为本发明的实施例1和实施例2的热轧态母材的激光焊接接头焊缝区金相组织图，其中：a是Q&P980-Q&P980焊接接头，b是Q&P1180-Q&P1180焊接接头；
图3为本发明的实施例1的热轧态母材的焊接接头热影响区金相组织，其中：a为粗晶区，b为细晶区，c为临界热影响区，d为亚临界热影响区；
图4为本发明的实施例2的热轧态母材的焊接接头热影响区金相组织，其中：a为粗晶区，b为细晶区，c为临界热影响区，d为亚临界热影响区；
图5为本发明的实施例1和实施例2的热轧态母材的焊接接头母材区金相组织，其中：a为Q&P980热轧态母材，b为Q&P1180热轧态母材；
图6为本发明的实施例1和实施例2的接头横截面的显微硬度分布，其中：a为Q&P980-Q&P980热轧态母材的焊接接头，b为Q&P1180-Q&P1180热轧态母材的焊接接头。
附图标记说明如下：
1-第一钢板；
2-第二钢板；
3-激光器的工作头；
4-保护气侧吹装置；
5-等离子体；
6-焊接熔池；
7-焊缝；
a-轧制方向；
b-焊接方向；
α-工作头与钢板的夹角；
β-工作头与保护气侧吹装置的夹角。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备方法，所述制备方法包括1000MPa级及以上的汽车用高强钢板的选择、清洗打磨处理、待焊接汽车用高强钢板的焊接面对接、激光器和焊接面的相对位置设置、保护气侧吹装置的设置、以及激光焊接工艺参数的选择和汽车用高强钢板激光焊接接头的制备；具体如下所示：
步骤1：选取一种1000MPa级及以上的汽车用高强钢板，对汽车用高强钢板表面进行清洗打磨处理；
步骤2：将两块经过处理的汽车用高强第一钢板1和第二钢板2放置于工作台上，用夹具夹紧，使得两块经过处理的汽车用高强钢板对接截面间隙≤0.2mm；
步骤3：将激光器的工作头3设置在与第一钢板1和第二钢板2的对接处成α夹角的上方，α夹角为90°，激光束保护气体为氮气，气体流量为20L/min；
步骤4：激光器的工作头3后方设置有保护气侧吹装置4，保护方式为正面保护，保护气体为氩气，保护气体流量为30L/min，与激光入射方向成β夹角，β夹角为30°；
步骤5：根据钢板成分与厚度组合调整激光焊接工艺参数，焊接方向b为沿轧制方向a的一个方向，通过激光器的工作头3和保护气体在对接处产生的等离子体5形成焊接熔池6来焊接第一钢板1和第二钢板2，最终对接处形成组织均匀宽度窄的焊缝7，完成1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接接头的制备。
其中，所述清洗打磨处理包括：首先用10％丙酮溶液清洗，然后清水冲洗，其次使用酒精溶液清洗，再冷却风干；最后使用200目砂纸对焊接区域进行打磨，确保装配精度。
特别地，所述激光器为德国IPG制造的YSL-6000型光纤激光器，辅助KUKA机器人，其波长为1.07μm，最大输出功率为6000W，频率为0～500Hz，波长精度为±10nm，操作光纤长度为20m。
特别地，所述焊接工艺参数包括：
激光入射角度为90°；
激光束焦点处光斑直径为300μm；
激光输出功率为0kW～2.0KW；
焊接速度为0.5m/min～2.5m/min；
离焦量为-4mm～+4mm；
功率输出稳定性<2％。
其中，所述汽车用高强钢板的厚度为1.0mm～2.2mm。
特别地，所述1000MPa级及以上的汽车用高强钢板为Q&P980热轧板或Q&P1180热轧板。
其中，所述焊接接头的硬度分布规律为以焊缝中心线沿两侧呈“W”形对称分布，硬度最高值出现在毗邻焊缝区的粗晶区，随着到焊缝中心距离的进一步增加，硬度值逐渐降低，硬度最低值出现在临界热影响区，之后硬度值缓慢回升，逐渐达到母材水平。
其中，所述焊接接头的组织结构包括接头硬化区和接头软化区；接头硬化区的组织均为马氏体板条，粗晶区的马氏体相比于焊缝区较为粗大；接头软化区的组织均为马氏体、铁素体和残余奥氏体的混合组织，在亚临界热影响区马氏体发生分解并析出碳化物；接头硬化区包括接头的粗晶区和接头的细晶区，接头软化区包括接头的临界热影响区和接头的亚临界热影响区。
特别地，所述焊接接头的抗拉强度比母材低，屈服强度强度比母材提高了70(±30)MPa，接头的伸长率比母材小，所述焊接接头都断裂在母材区。
特别地，所述焊接接头的抗拉强度Rm≥900MPa，屈服强度Rp0.2≥800MPa。
实施例1
对1.4mm厚Q&P980热轧板进行半自动激光焊
(1)将Q&P980热轧板线切割为200mm×100mm大小，其中的200mm长度方向为轧制方向，并将200mm一侧侧面进行铣光，对焊接侧面进行清洗，依次采用10％丙酮溶液清洗→清水冲洗→酒精溶液清洗→风干的步骤进行，焊前使用200目砂纸对焊接区域进行打磨，确保装配精度。
(2)焊接采用YSL-6000激光器，辅助KUKA机器人，Q&P980热轧板采用平板对接方法，其中的铣光侧面为对接面，焊接方向为沿轧制方向，激光垂直入射，激光保护气为N2，激光功率为1.5KW，焊接速度为1.0m/min，离焦量为0mm，光斑直径为300μm，焊接熔池使用正面保护，保护气体为氩气，保护气体流量为30L/min，焊接过程如图1所示。
实施例2：
对1.4mm厚Q&P1180热轧板进行半自动激光焊
(1)将Q&P1180热轧板线切割为200mm×100mm的大小，，其中的200mm长度方向为轧制方向，并将200mm一侧侧面进行铣光，对焊接侧面进行清洗，依次采用10％丙酮溶液清洗→清水冲洗→酒精溶液清洗→风干的步骤进行，焊前使用200目砂纸对焊接区域进行打磨，确保装配精度。
(2)焊接采用YSL-6000激光器，辅助KUKA机器人，Q&P1180热轧板采用平板对接方法，其中的铣光侧面为对接面，焊接方向为沿轧制方向，激光垂直入射，激光保护气为N2，激光功率为1.5KW，焊接速度为1.5m/min，离焦量为1mm，光斑直径为300μm，焊接熔池使用正面保护，保护气体为氩气，保护气体流量为30L/min，焊接过程如图1所示。
实施例3：
对实施例1和实施例2得到的焊接接头进行金相组织分析和力学性能测试
(1)对Q&P980和Q&P1180热轧态的焊接接头垂直于焊缝截取金相试样，经机械打磨并抛光后使用4％硝酸+酒精溶液进行腐蚀，采用型号为Quanta FEI450和ZEISS场发射扫描电镜观察焊缝微观组织。
图2a、b分别为Q&P980、Q&P1180焊接接头焊缝区金相组织，其形态为粗大的板条马氏体，马氏体板条间距分别为2.0μm和0.8μm。
图3、4分别为Q&P980、Q&P1180焊接接头热影响区金相组织，热影响区分为硬化区和软化区。图3a、b和图4a、b分别为对应接头的粗晶区和细晶区，即接头硬化区，其组织均为马氏体板条，粗晶区的马氏体相比于焊缝区较为粗大；图3c、d和图4c、d分别为对应接头的临界热影响区和亚临界热影响区，即接头软化区，其组织均为马氏体、铁素体和残余奥氏体的混合组织，在亚临界热影响区马氏体发生分解并析出碳化物。
图5a、b分别为Q&P980、Q&P1180热轧态母材组织，其均为马氏体和残余奥氏体的混合组织，相比于Q&P980，Q&P1180母材组织更为细小均匀。
(2)分别对实施例1和实施例2的焊接接头横截面进行显微硬度测试，测试载荷为500gf，加载时间15s，测点间距为0.2mm，如图6所示，实施例1和实施例2的两种接头具有相似的硬度分布规律，均以焊缝中心线沿两侧呈“W”形对称分布，焊缝宽度约4mm，平均硬度值分别为461HV和464HV；其热影响区宽度分别为1.5mm和2mm，硬度最高值出现在毗邻焊缝区的粗晶区，分别为505HV和521HV，随着到焊缝中心距离的进一步增加，硬度值逐渐降低，硬度最低值出现在临界热影响区，分别为266HV和314HV，之后硬度值缓慢回升，逐渐达到母材水平，硬度值分别为310HV和356HV。
(3)分别对a(实施例1的焊接接头)、b(实施例2的焊接接头)、c(Q&P980母材)和d(Q&P1180母材)进行拉伸力学性能试验，拉伸试样尺寸和拉伸过程按照GB/T228.1-2010和GB/T2651-2008进行，拉伸试验机型号为CMT5606。
四种试样的抗拉强度如下表1所示，实施例1的母材焊接接头抗拉强度达到981MPa，为Q&P980(Fe-0.18C-1.71Si-2.29Mn-0.012Cr-0.029Al)母材的97.8％，实施例2的母材焊接接头抗拉强度达到1217MPa，为Q&P1180(Fe-0.19C-1.58Si-2.76Mn-0.016Cr-0.030Al)母材的98.8％。
表1焊接接头和母材的拉伸性能
Figure BDA0003131535010000091
综上可见，本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：
本发明焊接成形良好，未出现明显的宏观和微观缺陷，如未焊透、焊穿、气孔、错边、咬边、热裂纹等。
与传统焊接方法相比，本发明的激光焊接效率高、焊缝尺寸小，自动化程度高，因而能够高效获得热影响区较窄的焊接接头，不均匀性相对于传统熔化焊方法明显降低，进而减小对接头整体强韧性的影响。
本发明不同工艺参数下Q&P钢激光焊接头的抗拉强度相比于母材略有降低，屈服强度强度相比于母材提高了约70(±30)MPa，由于接头中硬化区的存在，接头的伸长率相比母材略有减小，而应力应变曲线都没有观察到明显的屈服平台，各工艺参数下接头都断裂在母材区。
综上，使用本发明所提供的方法，能够使得制备的汽车用高强钢的激光焊接接头的焊缝成形良好，无明显缺陷，强度和接头系数较高，利于工业大规模推广和使用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种1000MPa级及以上汽车用高强钢板激光焊接接头的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括1000MPa级及以上的汽车用高强钢板的选择、清洗打磨处理、待焊接汽车用高强钢板的焊接面对接、激光器和焊接面的相对位置设置、保护气侧吹装置的设置、以及激光焊接工艺参数的选择和汽车用高强钢板激光焊接接头的制备；具体如下所示：
步骤1：选取一种1000MPa级及以上的汽车用高强钢板，对汽车用高强钢板表面进行清洗打磨处理；
步骤2：将两块经过处理的汽车用高强钢板放置于工作台上，用夹具夹紧，使得两块经过处理的汽车用高强钢板对接截面间隙≤0.2mm；
步骤3：将激光器的工作头设置在垂直于两平板对接处的上方，激光束保护气体为氮气，气体流量为20L/min；
步骤4：激光器的工作头后方设置有保护气侧吹装置，保护方式为正面保护，保护气体为氩气，保护气体流量为30L/min，与激光入射方向成30°夹角；
步骤5：根据钢板成分与厚度组合调整激光焊接工艺参数，焊接方向为沿轧制方向的一个方向，通过激光器的工作头和保护气体在对接处产生的等离子体形成焊接熔池来焊接两块钢板，最终对接处形成组织均匀宽度窄的焊缝，完成1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接接头的制备。
2.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述清洗打磨处理包括：首先用10％丙酮溶液清洗，然后清水冲洗，其次使用酒精溶液清洗，再冷却风干；最后使用200目砂纸对焊接区域进行打磨，确保装配精度。
3.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述激光器为德国IPG制造的YSL-6000型光纤激光器，辅助KUKA机器人，其波长为1.07μm，最大输出功率为6000W，频率为0～500Hz，波长精度为±10nm，操作光纤长度为20m。
4.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述焊接工艺参数包括：
激光入射角度为90°；
激光束焦点处光斑直径为300μm；
激光输出功率为0kW～2.0KW；
焊接速度为0.5m/min～2.5m/min；
离焦量为-4mm～+4mm；
功率输出稳定性<2％。
5.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述汽车用高强钢板的厚度为1.0mm～2.2mm。
6.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述1000MPa级及以上的汽车用高强钢板为Q&P980热轧板或Q&P1180热轧板。
7.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述焊接接头的硬度分布规律为以焊缝中心线沿两侧呈“W”形对称分布，硬度最高值出现在毗邻焊缝区的粗晶区，随着到焊缝中心距离的进一步增加，硬度值逐渐降低，硬度最低值出现在临界热影响区，之后硬度值缓慢回升，逐渐达到母材水平。
8.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述焊接接头的组织结构包括接头硬化区和接头软化区；接头硬化区的组织均为马氏体板条，粗晶区的马氏体相比于焊缝区较为粗大；接头软化区的组织均为马氏体、铁素体和残余奥氏体的混合组织，在亚临界热影响区马氏体发生分解并析出碳化物；接头硬化区包括接头的粗晶区和接头的细晶区，接头软化区包括接头的临界热影响区和接头的亚临界热影响区。
9.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述焊接接头的抗拉强度比母材低，屈服强度强度比母材提高了70(±30)MPa，接头的伸长率比母材小，所述焊接接头都断裂在母材区。
10.根据权利要求1所述的1000MPa级及以上的汽车用高强钢板激光焊接方法，其特征在于，所述焊接接头的抗拉强度Rm≥900MPa，屈服强度Rp0.2≥800MPa。
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