CN113732499A - 一种基于可变光斑的振镜扫描激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于可变光斑的振镜扫描激光焊接方法，包括如下步骤：将两块待焊接的热成形钢材料以拼接或者搭接的方式固定，使两块所述热成形钢材料紧密接触；对待焊接固定处进行振镜扫描激光焊接，通过调节光斑大小和设定振镜扫描轨迹，使待焊接处熔化并凝固形成焊缝。其实现热成形钢的良好连接，提高焊接接头的力学性能，降低焊缝高温铁素体比例，提高焊接接头的力学性能，用于解决现有技术中增加设备成本、改变合金成分、降低生产效率、提高生产成本和质量不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种基于可变光斑的振镜扫描激光焊接方法。
背景技术
为实现汽车轻量化，超高强度钢正被广泛应用于国内外汽车制造中，其在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面具有明显的优势，能够满足减轻汽车重量和提高碰撞安全性能的双重需要。超高强度钢主要应用在车身外面板、车身内面板、保险杠的外面板和加强板、各种抗冲击结构件等。
热成形钢板作为一种典型的超高强汽车用钢，具有极高的强度及延展性。热成形钢板加热前抗拉强度为500～800MPa，延伸率为18～22％；加热成形后则提高至1300～1600MPa，延伸率达6～7％。为防止在900-950℃热成形过程中钢板被氧化，通常将热成形钢板镀以25-30μm的Al-Si镀层，达到防腐蚀、防氧化的效果。然而，由于Al-Si镀层的存在，在热成形钢板的焊接过程中Al-Si镀层熔化后进入焊缝，造成焊缝中Al元素的偏析而形成第二相即高温δ铁素体，从而严重降低焊接接头的力学性能。
为了解决这一问题，提高具有Al-Si镀层的热成形钢板焊缝质量，国内外提出了三种解决方案：(1)去除镀层；(2)填充材料；(3)工艺优化。
对于去除镀层，通常采用激光烧蚀或机械去除等方法去除表面的Al-Si镀层，其中激光烧蚀是最为有效的技术，也是目前工业化生产的唯一技术，但增加了设备投入，降低了生产效率。公开授权号为ZL201710013300.7“一种压缩空气辅助的激光熔融去除镀层的装置及方法”可以利用压缩空气高效去除熔融镀层，降低了激光器的要求。
对于填充材料，公开号CN108213711A“”一种用激光填丝焊工艺制造铝硅镀层热成形钢拼焊板的方法，公开号添加镍箔的方法，是通过添加奥氏体元素焊材抑制高温铁素体的形成，但是这些方法工序繁多，费时费力，大大降低了生产效率。
对于工艺优化，公开号CN110681997A“一种具有Al-Si镀层热成形钢板的脉冲激光拼焊方法”，公开号CN111215749A“具有Al-Si镀层热成形钢板的双光束激光拼焊方法”以及CN109877449A“一种镀层锰硼钢获得全马氏体焊接部件的方法”，CN111843214A“一种铝硅镀层钢/高强热成形钢复合钢制零部件的制造方法”，通过调整激光热源分布，改变焊缝形状或采用激光摆动焊接的方法，能小幅度提高激光焊缝强度，但还未能从根本上解决这一问题。
公开号CN1068392328B公开了一种采用激光焊接设备拼焊Al-Si镀层热成形钢板在保护气提的条件下焊接的方法，其中保护气包括氧气和二氧化碳的一种或两种与惰性气体的混和气体，通过采用氧化性气体提高了焊接熔池的氧分压，使进入焊接熔池的Al元素与O元素结合形成对焊缝强韧性影响不大的Al2O3，抑制Al与Fe元素形成金属间化合物，最终获得全板条马氏体组织的焊缝。该方法吸收消耗熔池Al的能力有限，也还不能从根本上解决这一问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于可变光斑的振镜扫描激光焊接方法，其能够在不去除热成形钢材料的含铝镀层或铝金属间化合物层的情况下，实现热成形钢的良好连接，提高焊接接头的力学性能，降低焊缝高温铁素体比例，用于解决现有技术中增加设备成本、改变合金成分、降低生产效率、提高生产成本和质量不稳定的问题，以直接提供相关零部件或为下一步进行热冲压成型提供强度基础。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。
本发明提供一种基于可变光斑的振镜扫描激光焊接方法，包括如下步骤：
将两块待焊接的热成形钢材料以拼接或者搭接的方式固定，使两块所述热成形钢材料紧密接触；
对待焊接固定处进行振镜扫描激光焊接，通过调节光斑大小和振镜扫描轨迹变化，使待焊接固定处熔化并凝固，形成焊缝。
优选地，在进行焊接前，还包括采用振镜扫描激光并通过调节光斑大小，对待焊接固定处的含铝镀层和/或铝金属间化合物层进行加热预处理。更优选地，加热预处理至所述含铝镀层和/或铝金属间化合物层成为α铁固溶相。优选地，加热预处理采用光斑大于振镜扫描激光焊接时的光斑。
优选地，调节光斑尺寸，对所述待焊接固定处进行振镜扫描重熔处理。
优选地，重熔处理后还包括热冲压成形。更优选地，所述热冲压温度为850～1050℃，加热时间为5～10min。优选地，所述热冲压冷却速度不低于27K/s。
优选地，在焊接工作区设有流动的压缩空气气墙。
优选地，振镜扫描激光焊接的激光功率为200W～30000W。
优选地，振镜扫描激光焊接速度为0.5～30m/min。
优选地，所述待焊接的热成形刚材料的厚度为0.8～4mm。
优选地，拼接的两块待焊接的热成形钢材料之间的间隙为不大于0.4t。而现有技术中普通激光韩线性焊缝的间隙要求是不大于0.1t。
优选地，搭接的两块待焊接的热成形钢材料之间的间隙为不大于0.5t。
优选地，所述含铝镀层或铝金属间化合物层的厚度为5～100μm。
优选地，所述含铝镀层和/或所述铝金属间化合物层中铝含量不低于50wt％。
本申请中，所述热成形钢材料可以是热成形钢板、零部件等。
优选地，所述热成形钢材料的抗拉强度为1400MPa以上。
优选地，所述激光光源为光纤、半导体或二氧化碳激光器光源。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.本发明无需再焊前去除高铝含量镀层或热成形处理后转变形成的Fe-Al金属间化合物层，只需要通过调节光斑尺寸、激光能量、扫描速度，按照特定振镜扫描轨迹(扫描幅度、扫描频率以及扫描形状等)，利用有规律的熔池震荡引起的搅拌作用和延长熔池流动时间，充分使镀层均匀分散到焊缝中，即可降低Al元素在焊缝中的偏析，消除焊缝中的δ铁素体，从而提高焊接接头的强度和塑性，使其达到母材强度和塑性水平。
2.对接或搭接的初始镀层分布存在差异，本发明可利用可变光斑调节激光能量密度分布，可随轨迹移动自适应调整光斑尺寸满足对不同接头形式对焊缝元素分布均匀化的需求。
3.本发明的振镜扫描利用光斑移动路径调节焊缝宽度，通过增加摆动幅度和频率增加焊缝宽度，降低了拼焊板和搭接板对装配间隙的精度要求，可以达到0.4t以下，因此降低了焊接的难度，从而降低焊接成本。
4.本发明的振镜扫描激光焊接，引入周期性的冷热变化，可以改善焊缝熔池内柱状晶的生长，促进等轴晶的形成，细化焊缝晶粒，提高焊缝的强韧性。
5.本发明的振镜扫描激光焊接，通过可变光斑可调节聚焦距离，实现远程焊接，同时可以减少惰性保护气的需求，利用空气氛围中的氮气、氧气，消耗熔池表面的铝镀层，降低焊缝铝元素含量，同时引入氧分压改变熔池表面张力温度梯度系数，改变熔池流动方向，排斥熔池Al元素向熔池内不的迁移，减少焊缝Al元素的偏析。
附图说明
图1显示为本发明实施例1中表面组织图。
图2显示为实施例1中板条马氏体。
图3显示为实施例1中接头性能强度图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本申请中申请人从材料学的基本原理出发，认为焊缝质量很大程度上与Al元素在焊缝及熔合线的偏析有关。为了提高焊接接头的强度，可从降低Al元素的偏析方向寻找解决方案。针对以上，申请人认为有必要设计一种激光焊接方法，其能够达到如下效果：1)无需在焊前去除镀层，可直接对具有高铝含量镀层的热成形钢板进行拼焊，拼焊板再进行热成形，能提高焊缝力学性能，使其热成形后的力学性能达到与母材强度水平相当；2)无需在焊前去除镀层，可直接对具有高铝含量镀层的热成形钢板进行搭接焊，补丁板再进行热成形，能提高焊缝力学性能，使其热成形后的力学性能达到或接近母材强度水平；3)无需再焊前去除镀层，也可直接对热成形后的具有高铝含量镀层的热成形钢板进行对接或搭接，同时能提高焊缝力学性能，使其焊接接头的力学性能达到与去除镀层焊接接头强度水平相当。
由此，本申请中申请人提供一种基于可变光斑的振镜扫描激光焊接方法，以适用于具有高铝含量镀层或高铝含量的铝金属间化合物层的热成形材料的直接焊接，如钢板零部件的直接焊接。尤其适用于含铝镀层和/或所述铝金属间化合物层中铝含量较高的高强热成形钢材料，其铝含量不低于50wt％，高强热成形钢材料的抗拉强度为1400MPa以上。其只需调节适当的光斑尺寸或形状，利用光斑尺寸和形状的变化，自适应调节激光能量密度，配合振镜扫描轨迹的运动，改善焊缝形状，降低熔化镀层面积占焊缝面积比例，抑制熔池的紊流，促进熔池的充分搅拌，既可降低焊缝中Al元素的含量，同时又降低了Al元素在焊缝中的偏析，消除焊缝中的δ铁素体，同时破坏柱状树枝晶生长，实现晶粒细化，根据接头形式调整焊缝宽度和熔化深度，从而提高焊缝接头的强度和韧性，使焊缝达到母材水平，提高了焊缝的力学性能和生产效率。细化δ铁素体组织，可直接成为焊接零部件或为下一步热冲压成形拼焊板或补丁板提供有利条件。
具体来说，本申请实施例中提供一种适用于直接对含铝镀层的热成形钢零部件的激光焊接方法，具体为一种基于可变光斑的振镜扫描激光焊接方法，包括如下步骤：将两块待焊接的热成形钢材料以拼接或者搭接的方式固定，使两块所述热成形钢材料紧密接触；对待焊接处进行振镜扫描激光焊接，通过调节光斑大小和设定振镜扫描轨迹，使待焊接固定处熔化并凝固形成焊缝。
在一个优选的实施方式中，在进行振镜扫描激光焊接前，还包括采用振镜扫描激光并通过调节光斑大小，对待焊接固定处的含铝镀层和/或铝金属间化合物层进行加热预处理。
在一个优选的实施方式中，加热预处理用于形成热扩散和/或熔池，使得所述含铝镀层或铝金属间化合物层中铝元素与基材铁元素的相互扩散和迁移，降低所述含铝镀层或铝金属间化合物层铝元素浓度梯度，缩小元素均匀分布的初始差距。
通过可变光斑的振镜扫描激光对两块所述待焊接热成形钢材料的含铝镀层或铝金属间化合物层的成分和组织形态进行调节，形成热扩散和小熔池基材熔化，实现所述含铝镀层或铝金属间化合物层中铝元素与基材铁元素的相互扩散和迁移，降低所述含铝镀层或铝金属间化合物层铝元素浓度梯度，缩小元素均匀分布的初始差距。
在一个更优选的实施方式中，加热预处理至所述含铝镀层和/或铝金属间化合物层成为α铁固溶相。
在一个优选的实施方式中，加热预处理采用光斑大于振镜扫描激光焊接时的光斑。
在一个优选的实施方式中，所述含铝镀层或铝金属间化合物层的厚度为5～100μm。
在一个优选的实施方式中，在焊缝形成后，调节光斑尺寸，对所述待焊接固定处进行振镜扫描重熔处理。进一步加强焊接牢固度和强度。优选地，重熔的次数与所述热成形钢材料的厚度成正比。
在一个优选的实施方式中，重熔处理后，还采用有热冲压成形处理。
在一个优选的实施方式中，所述热冲压温度为850～1050℃。
在一个优选的实施方式中，热冲压的加热时间为5～10min。
在一个优选的实施方式中，所述热冲压冷却速度不低于27K/s。
通过热冲压成形保证基材和焊缝组织主要是板条马氏体。
本申请中，对待焊接固定处进行振镜扫描激光焊接无需在保护气条件下进行，可以直接在空气中进行。
在一个优选的实施方式中，在焊接工作区设有流动的压缩空气气墙。由此能够减少飞溅和粉尘污染，隔绝污染，在焊接区上方补充稳定的慢速空气流，弥补氧的消耗，保持等离子体形态的稳定。
在一个优选的实施方式中，振镜扫描激光焊接的激光功率为200W～30000W。
在一个优选的实施方式中，振镜扫描激光焊接速度为0.5～30m/min。
在一个优选的实施方式中，所述待焊接的热成形刚材料的厚度为0.8～4mm。
在一个优选的实施方式中，拼接的两块待焊接的热成形钢材料之间的间隙为不大于0.4t。
在一个优选的实施方式中，搭接的两块待焊接的热成形钢材料之间的间隙为不大于0.5t。
振镜扫描激光焊接的扫描轨迹可以根据实际情况进行设定。如扫描轨迹可以是沿着有规律的图形循环进行，如按照“O”、“∞”、“←→”或“/\/\/\/\”；另外还可根据熔池和匙孔状态选择性的短脉冲停止输入激光，降低局部区域的紊流，具体地，扫描半径为0.1～5mm，扫描频率为5～1kHz。
通过以下具体实施例对本申请上述技术方案及其带来的技术效果进行进一步解释和说明。
实施例1
本实施例中铝硅镀层热成形钢可变光斑振镜扫描激光拼焊方法，包括以下步骤：
步骤(1)：选用两块1.5mm厚度铝硅镀层22MnB5，酒精去油污；镀层厚度25～35μm。
步骤(2)：将两块钢板以拼接的形式置于工作台上，并用专用的焊接夹具固定，保持紧密接触。
步骤(3)：选择光斑尺寸2mm，对对接焊缝边缘上表面进行处理，激光功率为3kW,焊接速度为5m/min，摆动频率为30Hz，无保护气，表面组织参见附图图1；
步骤(4)：选择光斑尺寸0.7mm，对待焊已处理试板进行焊接，激光功率为2kW，无摆动，焊接速度3.5m/min；
步骤(5)：所获激光拼焊板进行热成形处理，热成形工艺为950℃报文5min，水冷处理，最终获得淬火态的激光拼焊板。
参见附图图2，焊后焊缝组织全为板条马氏体，热成形后焊缝组织主要为板条马氏体，如附图图3，接头性能强度达到1500MPa，
实施例2
本实施例中铝硅镀层高强热成形钢可变光斑振镜扫描激光补丁焊方法，包括以下步骤：
步骤(1)：选用1.5mm厚度铝硅镀层高强热成形钢与0.8mm厚度铝硅镀层高强热成形钢，酒精去油污；镀层厚度在25～35μm；
步骤(2)：将两块钢板以搭接形式置于工作台上，并用专用的焊接夹具固定，保持搭接间隙为零；
步骤(3)：选择光斑尺寸为1mm，对搭接焊上板表面焊接区进行初道焊接，激光功率为3kW，摆动幅度0.5mm，摆动频率50Hz，焊接速度为6m/min，无保护气，熔深控制在恰好达到下表面，此时下板上表面镀层，即间隙镀层得到预热；
步骤(4)：选择光斑尺寸0.7mm，对搭接板再次进行焊接，激光功率为3kW，摆动幅度0.5mm，摆动频率为50Hz，焊接速度为4.5m/min，此时焊缝熔深增加，实现上下板的连接，接头拉剪强度能达到25kN。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于可变光斑的振镜扫描激光焊接方法，包括如下步骤：
将两块待焊接的热成形钢材料以拼接或者搭接的方式固定，使两块所述热成形钢材料紧密接触；
对待焊接固定处进行振镜扫描激光焊接，通过调节光斑大小和设定振镜扫描轨迹，使待焊接处熔化并凝固形成焊缝。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在进行振镜扫描激光焊接前，还包括采用振镜扫描激光并通过调节光斑大小，对待焊接固定处的含铝镀层和/或铝金属间化合物层进行加热预处理。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，加热预处理用于形成热扩散和/或熔池，使得所述含铝镀层或铝金属间化合物层中铝元素与基材铁元素的相互扩散和迁移，降低所述含铝镀层或铝金属间化合物层铝元素浓度梯度，缩小元素均匀分布的初始差距。
4.根据权利要求2或3所述的焊接方法，其特征在于，加热预处理至所述含铝镀层和/或铝金属间化合物层成为α铁固溶相。
5.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，加热预处理采用光斑大于振镜扫描激光焊接时的光斑；和/或，所述含铝镀层或铝金属间化合物层的厚度为5～100μm。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在焊缝形成后，调节光斑尺寸，对所述待焊接固定处进行振镜扫描重熔处理。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，重熔处理后，还采用有热冲压成形处理。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，所述热冲压温度为850～1050℃；和/或，热冲压的加热时间为5～10min；和/或，所述热冲压冷却速度不低于27K/s。
9.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在焊接工作区设有流动的压缩空气气墙。
10.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，振镜扫描激光焊接的激光功率为200W～30000W；和/或，振镜扫描激光焊接速度为0.5～30m/min；和/或，所述待焊接的热成形刚材料的厚度为0.8～4mm；和/或，拼接的两块待焊接的热成形钢材料之间的间隙为不大于0.4t；和/或，搭接的两块待焊接的热成形钢材料之间的间隙为不大于0.5t。
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