CN113736983A - 高强度钢的焊缝处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强度钢的焊缝处理方法及系统，其中，所述高强度钢的焊缝处理方法包括：提供待焊接的部件，其中所述部件的材料为高强度钢；对所述部件进行焊接；以及对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理，以获得回火马氏体组织。所述高强度钢的焊缝处理系统包括安装在同一机床上的保护气体装置、焊接装置和至少一个激光处理装置，其中，所述至少一个激光处理装置用于对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理。本发明可以实现高效、高精度、高质量的焊缝软化热处理技术方案，可降低焊缝断裂风险，避免因焊缝韧性过低、氢脆或焊缝硬度过高导致各种形式的焊缝断裂问题。

Description

高强度钢的焊缝处理方法及系统

技术领域

本发明涉及钢材焊缝处理技术领域，尤其涉及一种高强度钢的焊缝处理方法及系统。

背景技术

目前，对于含有较高合金元素的材料经过电阻点焊、电弧焊、氧弧焊、激光拼焊等方式焊接后，因焊缝在熔化的高温状态受到附近冷态基材的影响，焊缝会出现大量淬火组织。焊缝内的马氏体含量较高，会使得焊缝的塑性较差，进而引发焊缝的延迟开裂、焊缝区折断、疲劳断裂、微应力集中断裂等问题。一方面，在生产活动中，焊缝断裂会对企业生产节奏造成重大损失或安全事故；另一方面，在消费者的使用过程中，焊缝断裂可能造成伤亡。这类问题严重制约这部分材料的研发、生产和使用。以汽车零部件的激光拼焊为例，高强度钢在拼焊后，如果焊缝马氏体过多、硬度过高则会导致焊缝的氢致延迟开裂、疲劳断裂以及冲击断裂等不同形式的断裂问题。

为降低焊缝脆性提高焊缝塑性，目前已具有电磁感应热处理、火焰热处理及电辐射管热处理等技术方案。其中电磁感应热处理技术较为成熟，优点较多，包括可以实现大厚度部件的热处理、快速热处理和成本低等优点。激光表面淬火技术在零件的表面热处理较多，可出现零件表面淬火、背面回火的现象，同时激光的表面回火、退火等技术也有所应用。

但电磁感应热处理装置较大、热处理距离要求严格，在空间有限的情况下，电磁感应热处理装置不能正常安装、移动或在局部形成足够的热效应，同时因电磁感应热处理采用的磁感线会发散而不受控，对热处理的范围控制不精确，不适用于焊缝局部回火，电磁感应热处理的温度控制精度不够高，不适用于复杂零部件结构和分散分布的焊缝及焊点热处理。火焰热处理技术安全问题较大，热处理范围不易控制，不仅效率低、影响部件外观，还会损伤支持设备。电辐射管的工作效率不高，一般需将焊缝位置送入辐射炉内，不能局部控制。

现有的激光表面淬火技术不仅不能解决高强度钢内部马氏体回火要求，甚至加大了材料表面硬化程度，导致大大增加表面延迟开裂风险，且未有激光表面淬火技术应用于焊缝热处理的案例。而且仅采用激光表面淬火技术虽然部件内部有一定回火效果，但对于焊缝的质量要求远远不够。激光表面淬火技术多数应用于半导体材料，对焊缝的处理没有指导性意义。另外，激光表面淬火技术回火的热量过小，不能满足部件内部回火要求。总体而言激光表面淬火技术较为先进，但在激光表面淬火技术、利用激光表面淬火技术降低焊缝延迟开裂的工作中尚未开展深入的研究。

因此，急需提供一种高强度钢的焊缝处理方法及系统以解决以上技术问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种高强度钢的焊缝处理方法及系统，旨在解决因焊缝韧性过低、氢脆或焊缝硬度过高导致各种形式的焊缝断裂问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种高强度钢的焊缝处理方法，包括：提供待焊接的部件，其中所述部件的材料为高强度钢；对所述部件进行焊接；以及对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理，以获得回火马氏体组织。

优选地，所述高强度钢为经水冷淬火后抗拉强度≥900MPa的高强度钢。

优选地，所述焊接选自激光拼焊、电阻点焊、电弧焊中的一种。

优选地，所述激光热处理为分段式激光热处理，以实现对所述焊缝的金相组织转变的精确控制。

优选地，所述至少两次激光热处理中的第一次激光热处理在所述焊接完成后的0至2分钟开始。

优选地，所述至少两次激光热处理后的焊缝由表面至内部依次形成第一层回火马氏体组织、铁素体和马氏体双相组织、第二层回火马氏体组织。

优选地，所述第一层回火马氏体组织和所述铁素体和马氏体双相组织之间还可能形成有马氏体组织。以及其他少量的贝氏体、索氏体等。

为实现上述目的，本发明还提出一种高强度钢的焊缝处理系统，包括：保护气体装置，用于提供保护气体；焊接装置，用于在所述保护气体氛围下对待焊接的部件进行焊接，其中所述部件的材料为高强度钢；以及至少一个激光处理装置，用于对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理，以获得回火马氏体组织；其中，所述保护气体装置、所述焊接装置和所述至少一个激光处理装置安装在同一机床上。所述的保护气体为高纯氮气、氦气或混合气体等非氧化性气体，但至少满足保护气体的露点低于10℃，优选的露点应低于-10℃。

优选地，所述高强度钢的焊缝处理系统还包括：非接触测温装置和计算机，所述保护气体装置、所述焊接装置、所述至少一个激光处理装置和所述非接触测温装置分别连接所述计算机，所述非接触测温装置用于持续测量所述焊缝表面的温度，所述计算机用于根据所述焊缝表面的温度和所述激光热处理的工艺数据来实现对所述激光热处理的功率反馈控制。

优选地，所述焊接装置为激光焊接装置，所述激光焊接装置与所述至少一个激光处理装置共用激光源。

本发明技术方案的高强度钢的焊缝处理方法及系统，通过焊接后对焊缝进行至少两次激光热处理以获得回火马氏体组织，可以实现高效、高精度、高质量的焊缝软化热处理技术方案，可降低焊缝断裂风险。

所述的两次激光热处理即第一次对焊缝激光热处理后，焊缝风冷或空冷，因热处理温度较高，在材料成分的作用下出现空冷淬火现象，形成表面马氏体组织。第二次及之后对焊缝再次进行激光热处理，以对第一次空冷淬火组织进行回火处理，提高焊缝韧性，降低焊缝硬度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明的高强度钢的焊缝处理方法100的流程示意图；

图2为本发明的高强度钢的焊缝处理系统200的结构示意图；

图3为焊缝温度变化示意图；

图4为本发明一具体实施例的高强度钢的焊缝处理系统的结构示意图；

图5为本发明一具体实施例的激光加热装置的结构示意图；

图6为本发明一具体实施例的激光热处理的光斑扫描路径示意图；

图7为本发明一具体实施例的经1400℃激光热处理的焊缝的典型金相组织图；

图8为本发明一具体实施例的经1400℃+650℃激光热处理的焊缝的典型分层结构图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强度钢的焊缝激光处理系统及方法，实现高效、高精度、高质量的焊缝软化热处理技术方案，可降低焊缝断裂风险，避免因焊缝韧性过低、氢脆或焊缝硬度过高导致各种形式的焊缝断裂问题。

请参照图1，为实现上述目的，本发明提供一种高强度钢的焊缝激光处理方法100，主要包括以下步骤：

步骤S110：提供待焊接的部件，其中所述部件的材料为高强度钢。所述高强度钢例如可为经水冷淬火后抗拉强度≥900MPa的高强度钢。所述部件例如可为零件、板坯、带钢等形式的钢材。

步骤S130：对所述部件进行焊接。所述焊接例如选自激光拼焊、电阻点焊、电弧焊中的一种。

以及步骤S150：对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理，以获得回火马氏体组织。在一些具体实施例中，所述激光热处理例如可为分段式激光热处理，以实现对所述焊缝的金相组织转变的精确控制。所述至少两次激光热处理中的第一次激光热处理例如在所述焊接完成后的0至2分钟内开始，在30s内开始可以提高生产效率。在此值得一提的是，本发明的高强度钢的焊缝激光处理方法100，在对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理的同时例如还可以对所述焊缝的周边实施所述激光热处理。

具体地，所述至少两次激光热处理后的焊缝由表面至内部例如依次可形成第一层回火马氏体组织、铁素体和马氏体双相组织、第二层回火马氏体组织。

焊接基体材料为冷轧态材料，因此激光热处理的范围覆盖基体材料时，激光热处理材料向基体材料分布为第一层回火马氏体组织、铁素体和马氏体双相组织、第二层冷轧态变形组织。

更进一步地，所述第一层回火马氏体组织和所述铁素体和马氏体双相组织之间例如还可形成有马氏体组织。第一层马氏体组织、铁素体和马氏体双相组织为第一次激光热处理后所形成，激光热处理的表面温度超过727℃，形成了奥氏体，空冷淬火后形成含马氏体的组织。经第二次激光热处理后，第一层内的马氏体组织转变为回火马氏体。

发明人研究发现，采用一次激光热处理会出现上下表面的杯突值偏差较大的问题。一般的，当一次激光热处理的表面温度高于900℃，则上表面的焊缝杯突值较下表面的低，原因是第一次热处理的马氏体组织未得到充分回火；而当表面温度低于1000℃时，会出现下表面的杯突值较上表面低的情况，原因是下表面获得的能量较低，下表面焊缝内的马氏体未充分回火。对焊缝实施两次激光热处理则可以有效提高热处理的效果，使得第一次激光热处理的形成的表面马氏体得到充分回火。焊缝杯突值的测量方法采用的是直径3cm左右的圆头杯突机，焊缝周围出现肉眼可见的明显裂纹即停止测试，圆头上升顶出的高度为杯突值。

请参照图2，为实现上述目的，本发明还提供一种高强度钢的焊缝激光处理系统200，其例如用于执行前述高强度钢的焊缝激光处理方法100，高强度钢的焊缝激光处理方法100的工作原理和细节在此不再赘述，请参见前述描述。下面仅对其主要组成部分及各个主要组成部分的功能进行描述。

高强度钢的焊缝激光处理系统200例如可主要包括：保护气体装置210、焊接装置230和至少一个激光处理装置250。

其中，保护气体装置210例如用于提供保护气体。

焊接装置230例如用于在所述保护气体氛围下对待焊接的部件进行焊接，其中所述部件的材料为高强度钢。

至少一个激光处理装置250例如用于对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理，以获得回火马氏体组织。在此值得一提的是，本发明的高强度钢的焊缝激光处理系统200，至少一个激光处理装置250例如还可用于在对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理的同时对所述焊缝的周边实施所述激光热处理。

其中，保护气体装置210、焊接装置230和至少一个激光处理装置250例如安装在同一机床上。

进一步地，高强度钢的焊缝处理系统200例如还可包括：非接触测温装置270和计算机290。其中，保护气体装置210、焊接装置230、至少一个激光处理装置250和非接触测温装置270例如分别连接计算机290。非接触测温装置270例如用于持续测量所述焊缝表面的温度。计算机290例如用于根据所述焊缝表面的温度和所述激光热处理的工艺数据来实现对所述激光热处理的功率反馈控制。

具体地，焊接装置230例如为激光焊接装置230。激光焊接装置230例如与至少一个激光处理装置250共用激光源。

下面将详细阐述本发明前述的高强度钢的焊缝处理方法和高强度钢的焊缝处理系统的技术方案和原理：

通过在焊接之后，对焊缝实施激光热处理，利用焊缝的焊接余温，同时采用激光补热，降低冷却速度，获得大量回火马氏体组织。在第一次对焊缝激光热处理之后，对部件的焊缝再次或多次激光热处理，对激光表面淬火的马氏体进行回火，对焊缝内部的马氏体再次充分回火。最终可以改善焊缝韧性，以及降低焊缝的氢脆、应力腐蚀延迟开裂和疲劳断裂的风险。

当再次激光热处理的温度为奥氏体、铁素双相区时，焊缝冷却后，表面可形成铁素体和马氏体的双相组织。

通过安装多个激光处理装置还可进一步实现分段式激光热处理，从而能够实现对焊缝金相组织转变的精确控制。

本发明前述的高强度钢的焊缝处理方法和高强度钢的焊缝处理系统的技术方案主要适用于经水冷淬火后的抗拉强度≥900MPa的高强度钢，该类钢未经激光退火或回火的焊缝区最高硬度一般≥300HV。具有较高的氢脆、应力腐蚀延迟开裂和疲劳断裂的风险，实施激光热处理后，焊缝最高硬度一般可降低50HV以上改善焊缝韧性，降低焊缝的氢脆、应力腐蚀延迟开裂和疲劳断裂的风险。

激光热处理后的焊缝内至少存在激光热处理后的回火马氏体组织，由表面至内部例如依次可形成回火马氏体组织、马氏体组织(或无)、铁素体和马氏体双相组织、回火马氏体组织。部件较厚时，会残留原马氏体组织。

采用多次激光热处理，首先采用激光处理装置对焊缝进行第一次激光热处理，获得较高的表面温度(如≥900℃)；然后再采用激光处理装置对焊缝进行至少一次激光热处理，表面温度低于Ac3(≤900℃)。

如图3所示，其中，Q0为无激光热处理的焊缝温度T随时间t变化的曲线，Q1为第一次激光热处理的焊缝温度T随时间t变化的曲线，Q2为第二次激光热处理的焊缝温度T随时间t变化的曲线。焊接完毕后，焊缝温度会随着时间迅速下降，熔融的组织随后转变为大量的马氏体，甚至存在魏氏组织。在焊接之后及时对部件的焊缝施加激光热处理以对焊缝表面加热，利用焊缝的焊接余温，延长组织转变时间。为了获得良好的激光热处理效果，焊缝激光热处理的时机在焊接完后的一段时间内，激光热处理的时机一般控制在焊接完后30秒以内。焊接完后超过30秒，焊缝温度有可能降低到室温。延长降温速度可以减少马氏体形成，提高回火马氏体的比例，甚至会获得马氏体和铁素体双相组织，该组织具有极为优越的塑性，可有效降低焊缝延迟开裂、疲劳断裂的风险。此外，在焊缝余温的影响下，再次实施激光热处理可以有效实现对焊缝内的马氏体形成回火的效果，同样的再次实施激光热处理和首次激光热处理之间的间隔时间越短越好，分阶段、分步骤加热之间的间隔时间可影响马氏体回火效果。并且激光热处理的范围尺寸控制精度较高，温度控制精确。

如图4所示，在部件焊接后布置一种激光处理装置A3，若焊接采用激光拼焊方式，则焊接装置A2为激光焊接装置，则激光处理装置A3可以采用和焊接装置A2相同的激光源，当然，焊接装置A2和激光处理装置A3也可以分别单独使用激光源。其中，AA'为焊接方向。

具体可设计成将焊接后的部件送入激光处理工序单独进行激光热处理，如果焊接方式为电阻点焊，为增加激光热处理时间，激光处理装置A3可单独安装在另外一套机床上，电阻点焊后再采用激光处理装置A3，通过机械臂的运转实施激光热处理，激光热处理可实现手动控制，同步或异步于焊接装置A2，等焊接完毕后再进行激光退火或回火等形式的激光热处理，但这种方式会增加焊缝处理时间，降低生产效率。异步控制的优点是可以实现更长的时间加热、保温，或者实现二次、多次来回循环激光热处理。

为实现高效率生产，保护气体装置A1、焊接装置A2、激光处理装置A3和非接触测温装置A4(若包括)可安装在同一机床运动单元上，随着焊接装置A2一起运动。

如图5所示，激光处理装置A3具体可包括：激光传输光纤D1，光纤接头D2，光纤连接模组D3，准直模组D4，激光整形模组D5，聚焦镜模组D6和保护镜模组D7。在一些实施例中，例如还可进一步增加激光全反射模组，用于改变激光传输方向。

若采用非接触测温装置A4，如红外感应测温、激光反射测温等方式的测温仪，可安装多个测温仪，实现对焊缝温度的持续检测，采用非接触测温装置A4测量激光退火或回火等形式的激光热处理的焊缝表面的温度，通过计算机(图中未示出)处理温度数据和激光退火或回火等形式的激光热处理工艺数据后，可实现对激光处理装置A3的激光功率的反馈控制。对于退火或回火要求不高的钢种，也可根据焊缝质量需要，直接调节焊接速度、激光功率和扫射范围等参数，简化测量控制过程，而取消非接触测温装置A4。

如图6所示，激光聚焦后的激光点E1在激光整形模组D5处理后，可将激光点E1在X轴、Y轴上按照一定的运动要求E2进行扫射，如圆、正弦、螺线等。激光扫射在所需的范围E3内，如椭圆型范围、直方型范围，该范围称之为光斑。退火或回火激光扫描光斑大小一般满足：沿焊接方向AA’(X轴)扫描长度大于等于5mm。沿垂直于焊接方向AA’(Y轴)扫描宽度大于等于2mm。沿焊接方向(X轴)扫描长度根据焊接速度进行调整，沿垂直于焊缝方向(Y轴)扫描宽度根据焊缝宽度进行调整。扫描的整个区域的移动速度称之为热处理速度。

碳钢的激光拼焊的焊缝一般会存在马氏体组织，尤其是高强度钢，如汽车用DP钢、TRIP钢、热成型钢等，焊缝会形成全马氏体组织，该焊缝组织韧性过低，在材料生产或者使用中容易发送焊缝断裂。为了提高焊缝的韧性，可采用激光对焊缝进行退火、回火处理等热处理方式，降低焊缝区间的硬度，提高焊缝韧性。

因激光是对焊缝表面进行加热，热量是通过金属的热传递至焊缝中心或下表面，当焊缝表面温度较高时，由焊缝中心至表面可出现回火、退火、淬火等不同温度的组织结构。高强度钢的焊缝经过一次激光热处理，表面温度为1400℃时，焊缝由表面至下表面的结构在金相显微镜下可较为明显的看到的组织为：表面淬火组织、过渡区、回火马氏体，其中过渡区可见铁素体和马氏体双相组织等复杂金相组织。部件厚度较厚时，因下表面温度不高会有少量激光热处理前的组织残留。表面淬火组织即焊缝热处理时，表面高温导致原有焊缝组织奥氏体化后，经焊缝基体自有冷却效果形成的淬火马氏体组织，表面淬火组织的外侧通常会有氧化物残留，在保护气体氛围下进行激光热处理时氧化物厚度会降低甚至消失。

从材料学角度出发，焊缝内的马氏体组织发生回火后，其硬度会降低，即可达到焊缝软化效果。如对焊缝马氏体组织的目标回火温度范围为300℃～730℃，以500℃～730℃高温回火为例，当激光热处理速度较慢，或部件较薄时,部件表面温度可稍高于该温度，如对于0.8mm厚度的部件，激光热处理速度0.5米每分钟，表面温度可为600℃～1000℃。当激光热处理速度较快或部件较厚时，部件表面温度应进一步提高，以确保大部分马氏体组织得到回火处理，如对于3.0mm厚度的部件，激光热处理速度4米每分钟，部件表面温度可为1000℃～1500℃。若采用慢速激光热处理，可用较低的温度进行激光回火，如400℃～730℃以延长加热时间，从而避免表面形成淬火组织，同时又得到良好的焊缝韧性。采用快速激光热处理，为了得到良好的焊缝韧性，表面不可避免的会形成淬火组织，即马氏体组织，或马氏体和铁素体双相组织。这时为了降低表面淬火组织的硬度，可进行第二次激光热处理以实现回火处理，再次实施300℃～730℃温度或更高的温度的回火处理。如果因材料较厚或对最终形成的焊缝马氏体回火组织的均匀性的要求较高，可进行多次激光热处理以实现多次回火处理，激光热处理的温度范围可根据工艺要求进行合理分配，其目的是提高焊缝马氏体回火组织的均匀性。

对于回火形式的激光热处理而言，焊缝中的马氏体组织经回火处理后回火温度区域得到回火马氏体组织。以激光照射焊缝表面1400℃为例，回火温度较低时，如2.0mm厚度部件靠近下表面400℃左右的区域，回火马氏体组织上可见碳化物析出。回火温度较高时，如2.0mm厚度部件靠近上表面650℃左右的区域，可见马氏体组织发生分解。靠近激光照射表面存在铁素体和马氏体双相区，受冷却速率的影响，双相区的外侧可存在未发生自充分回火的马氏体组织，该组织的外侧可有发生自回火的马氏体组织。冷却速率足够时，最外侧不出现明显的自回火马氏体组织。总体上来看，快速激光热处理适用于高效的生产节奏，其双相区以外的厚度比例较小，对焊缝整体的韧性影响不大。

若对焊缝以退火为目标进行激光热处理，可形成较多的马氏体和铁素体双相组织，或形成铁素体、珠光体组织退火组织，退火后的焊缝韧性会得到更为明显的改善，因冷态基体材料的影响，奥氏体化后的焊缝会得到快速冷却，以双相钢组织较为常见。对焊缝以退火为目的需要延长激光退火时间，加热焊缝至获得足够多的部分奥氏体或全奥氏体组织，从而得到更多的退火显微组织。以焊缝退火温度范围740℃～850℃为例。部件表面温度可加热至稍高于该目标温度，如对于0.8mm厚度的部件，激光热处理速度0.5米每分钟，表面温度可为800℃～950℃。如对于2.0mm厚度的部件，热处理速度0.1米每分钟，表面温度可为800℃～1200℃。当速度足够低时，表面温度可设为临界区淬火温度，如表面温度为740℃～850℃。降低速度，主要是为了焊缝退火组织更为均匀。

当部件厚度较大时，为了满足快速对激光热处理表面远端的热处理，例如可缩短焊接和激光热处理之间的时间，实施双侧激光热处理的部件中心位置或单侧激光热处理头的另一个表面位置，激光照射的表面可达到熔点甚至沸点，如表面温度可达1500℃。因此，为了提高焊缝韧性，部件表面温度并没有某一固定的温度，应综合考虑焊缝的整体韧性，可采用反复弯曲疲劳测试、杯突测试、拉伸测试、硬度测试等方式综合评估。而激光照射表面的淬火硬化区可通过多次回火或退火实现整体焊缝的性能趋于一致。

通过激光热处理实现回火处理后，对于出现表面淬火的焊缝区而言，从激光照射表面开始至远端，硬度会出现首先较高然后突然降低，而后逐渐升高的现象。该现象和马氏体组织、双相区、高温回火马氏体组织、低温回火马氏体组织的分布有关。经过多次回火处理后，接近激光照射表面的硬度会下降，当然内部受到热传递影响，硬度也会下降，双相区则可能内推，马氏体组织的回火范围、程度加大。

激光热处理后焊缝最高硬度在激光退火处理后降低10HV以上时，热处理效果开始出现；当降低到50HV以上时，焊缝韧性改善开始显现；当降低到100HV以上时，焊缝韧性改善明显。

激光热处理是对焊缝表面进行加热，表层原子热传递至激光照射的远端，如焊缝中心、下表面，如果热处理速度较快、扫描光斑的X轴长度较短，则会导致表面得到改善的微观组织，而内部却没有得到充分改善，甚至由于表面温度过高而出现表面淬火现象，焊缝激光热处理时为避免表面激光淬火，较为合适的方法是增长X轴的扫描长度，降低热处理速度。

为进一步改进激光热处理实现的退火或回火处理效果，获得均匀的焊缝中心至表面的组织结构，可安装多个激光处理装置A3实现分段激光热处理和缓慢冷却，进而避免激光表面淬火现象，或提高焊缝的回火效率。也可在焊缝上下表面分别安装激光处理装置A3，降低上下表面的温度差。

激光热处理的目的是改善焊缝的韧性，容易发生焊缝断裂的钢种往往在焊缝内都会存在大量马氏体组织，甚至是全马氏体组织，这类钢通常情况在焊缝内最高硬度≥250HV，甚至可达700HV以上，本发明前述的高强度钢的焊缝处理方法及系统的技术方案可以很好地改善这一问题。因此，本发明主要适用于经水冷淬火后的抗拉强度≥900MPa的高强度钢，该类钢未经激光退火或回火的焊缝区最高硬度一般≥300HV。对于经水冷淬火后的抗拉强度≥1500MPa的超高强度钢，未经激光退火或回火的焊缝区最高硬度一般≥500HV，其延迟开裂、疲劳断裂的风险进一步提高。需退火生产时，焊接前的超高强度钢是冷轧态、热轧态，显微组织主要是铁素体和珠光体，激光焊接后焊缝内存在大量马氏体组织。成品材料，如DP钢、马氏体钢、热成型钢等，在焊缝区域同样存在大量马氏体组织。在零件点焊后，这类钢材点焊位置也是以马氏体组织为主的显微组织。采用激光快速扫描焊接位置，可达到回火目的。

更为重要的是，激光热处理可以降低焊缝延迟开裂的风险。抗拉强度≥1200MPa钢材会有延迟开裂的风险，应力腐蚀断裂风险也往往提高。激光热处理则给出了一些更为合适的解决方案。

第一种方案：首先采用激光热处理，获得较高的表面温度(如≥900℃)，通过热传递将焊缝表面以下的部分马氏体组织进行回火；然后再次采用激光热处理，表面温度低于Ac3(≤900℃)，焊缝表面进行退火或者回火。若二次激光热处理是在奥氏体、铁素体的双相区回火，焊缝表面则得到较多的马氏体和铁素体双相组织，若是在低于Ac3以下的温度回火，则表面为回火马氏体组织。

第二种方案：首次采用激光热处理，表面温度低于Ac3(≤900℃)，焊缝表面进行退火或者回火。自然的，因该方案表面温度低，对于较厚的零件来说，中心的马氏体组织回火程度比第一种低。但表面的显微组织改善明显的话，如得到双相组织，则裂纹敏感性会大大降低。表面的应力腐蚀、氢脆的延迟开裂风险会得到有效控制。

因此，对于焊缝整体韧性较差的材料，采用多次激光热处理实现部件心部回火和表面退火、回火的第一种方案较为合适。此外，如果焊缝在第一种方案仍然得不到改善时，可以考虑部件的焊缝上、下面同时实施激光热处理。但因部件结构、设备布置影响，双侧激光热处理可能存在一定的操作难度。部件包括汽车零部件、热轧带钢、板坯、冷轧带钢等形式的钢材。

在激光拼焊、电弧焊等过程中，采用激光对焊缝材料边部预热、焊接时两侧加热保温，形成焊接位置两侧、乃至焊前和焊后的大范围加热，可以进一步解决焊缝马氏体组织的回火问题。通过激光热处理控制焊接区域的冷却路径，实现组织转变路径的控制。如双相钢的组织控制，在焊缝冷却到奥氏体、铁素体的临界区温度后，采用激光热处理对焊缝补充热量，保持足够的铁素体转变时间，从而获得一部分铁素体组织，防止出现全马氏体组织。

高强度钢的化学成分及其质量百分含量一般满足：C％：0.08％～0.70％，Mn％：0.5％～3.0％，B％：0.0008％～0.008％。添加了其他用于强化或晶粒细化元素，如Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb等，这些元素可单独添加或复合添加。若添加这些合金元素应至少满足以下两条中的一条：Ni、Cr、Mo含量总和大于等于0.05％；V、Ti、Nb含量总和大于等于0.01％。

激光拼焊的两种材料可为同一种材料，也可以为两种不同的材料。但激光拼焊的两种材料中至少有一种材料的化学成分及其质量百分含量满足：C％：0.18％～0.60％，Mn％：0.3％～3.0％，B％：0.0008％～0.008％。添加了其他用于强化或晶粒细化的元素，如Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb等，这些元素可单独添加或复合添加。合金化元素应满足Ni、Cr、Mo含量总和大于等于0.05％，或者应满足V、Ti、Nb含量总和大于等于0.01％。

作为优选：拼焊用的其中一种材料的化学成分及其质量百分含量满足：C％：0.27％～0.47％，Mn％：0.3％～2.5％，B％：0.0008％～0.005％。添加了其他用于强化或晶粒细化的元素，如Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb等，这些元素可单独添加或复合添加。合金化元素应满足Ni、Cr、Mo含量总和大于等于0.05％，或者应满足V、Ti、Nb含量总和大于等于0.01％。

进一步的作为优选：拼焊用的其中一种材料的化学成分及其质量百分含量满足：C％：0.32％～0.37％，Mn％：0.3％～0.8％，B％：0.001％～0.005％。添加了其他用于强化或晶粒细化的元素，如Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb等，这些元素可单独添加或复合添加。合金化元素应满足Ni、Cr、Mo含量总和大于等于0.05％，或者应满足V、Ti、Nb含量总和大于等于0.01％。其中Cr％：0.1％～0.5％，Mo％：0.1％～0.5％，Ni％：0.1％～0.5％，Ti％：0.01％～0.06％，Nb％：0.01％～0.07％。

为了说明本发明的特点和效果，下面将通过具体实施例和实验数据进行对比说明，但本发明不限于以下说明内容：

如图4，在激光拼焊之后设置一个激光处理装置A3，该装置采用和激光焊接装置A2相同的激光源。保护气体装置A1、激光焊接装置A2、激光处理装置A3和非接触测温装置A4安装在同一机械臂上，随着激光焊接装置A2一起运动。

如图5，激光处理装置A3包括激光传输光纤D1，光纤接头D2，光纤连接模组D3，准直模组D4，激光整形模组D5，聚焦镜模组D6和保护镜模组D7等必要模组。

如图6，激光点E1在激光整形模组D5处理后，将激光点E1近似的在X轴、Y轴上按照正弦E2在焊缝位置扫描，形成近似的直方型范围E3。退火回火激光扫描光斑大小满足：沿焊接方向(X轴)扫描长度为20mm。沿垂直于焊接方向(Y轴)扫描宽度为3mm。

拼焊材料的主要化学成分及其质量百分含量如表1所示。

表1拼焊材料的主要化学成分及其质量百分含量

激光热处理工艺、激光热处理后，经过激光热处理的焊缝，硬度、延迟断裂、疲劳等性能得到明显改善。尤其是采用1400℃+650℃的工艺多次激光热处理后，焊缝硬度得到明显降低。实际应用中，应结合基体材料的服役要求，选择合适的激光热处理温度，避免焊缝过硬或者过软。

对试验的焊缝样品经过4％硝酸酒精腐蚀，观察得到的金相组织。如图7所示，为经1400℃激光热处理的焊缝的典型金相组织图。

如图8所示为1400℃+650℃激光热处理的焊缝的典型分层结构图，由表面至内部依次为回火马氏体组织L1、马氏体组织L3(该层可不存在)、铁素体和马氏体双相组织L5(或回火马氏体组织)、回火马氏体组织L7。部件较厚时，会残留原马氏体组织。

综上所述，本发明高强度钢的焊缝激光处理方法及系统的技术方案所采用的激光热处理温度精度高、热处理范围尺寸精确，对于空间有限、部件复杂的工况，电磁感应热处理无法实施时，激光热处理可以很好的解决这一问题，通过机械臂等机械结构，对部件的焊缝在三维结构上进行热处理。尤其是激光热处理可以实现表面双相区热处理，在保留焊缝内部足够高的强度时，可以缓解焊缝氢脆、应力腐蚀延迟开裂和疲劳断裂的风险。而因磁感线的穿透作用，电磁感应热处理不易于实现显微组织分层控制。相比于针对零件，如齿轮、半导体等的激光表面淬火、回火、退火技术，本发明突破了激光热处理应用范畴，并创造性的利用焊接余温、焊缝周边预热，延长冷却时间，降低冷却速度，获得大量回火马氏体组织，甚至是铁素体和马氏体双相组织，而采用针对焊缝的多次激光热处理，获得内部回火马氏体，表面或靠近表面的铁素体、马氏体的双相组织，极大改善焊缝韧性，避免焊缝的氢脆、应力腐蚀延迟开裂和疲劳断裂的风险。

在此值得说明的是，在其他一些实施例中，还可以存在如下替代技术方案：

1、通过激光对焊缝表面一次高温加热，形成表面淬火组织，即表面硬化。因热传递作用，实现焊缝内部的马氏体回火，但焊缝表面仍然存在激光表面淬火组织，可以在一定程度上改善焊缝质量。

2、通过激光对焊缝表面回火，可以在一定程度上减小焊缝表面马氏体硬度，提高焊缝质量。

3、分步骤进行激光热处理，如第一次加热至马氏体回火温度，保温一段时间；第二次加热至奥氏体、铁素体双相区，保温一段时间。并控制各个相变温度、时间，获得稳定的相组成比例。

4、焊缝冷却过程中，冷却至某一特定温度区间，采用激光热处理进行补热，控制相变时间，获得所需的相比例和相组成。采用激光、电磁感应、保温材料等多种辅助方式，对焊缝实施温度控制，获得所需焊缝显微组织。

5、焊缝的组织结构因采用多次激光热处理或控制激光热处理温度，焊缝内可能只有某几层组织，如：

(1)激光热处理后的焊缝由表面至内部依次为：回火马氏体组织、铁素体和马氏体双相组织(或回火马氏体组织)、回火马氏体。部件较厚时，会残留原马氏体组织。

(2)激光热处理后的焊缝由表面至内部依次为：铁素体和马氏体双相组织(或回火马氏体组织)、回火马氏体组织。部件较厚时，会残留原马氏体组织。

(3)激光热处理后的焊缝由表面至内部依次为：马氏体组织、铁素体和马氏体双相组织(或回火马氏体组织)、回火马氏体。部件较厚时，会残留原马氏体组织。

(4)激光热处理后的焊缝由表面至内部依次为：回火马氏体组织。部件较厚时，会残留原马氏体组织。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高强度钢的焊缝处理方法，其特征在于，包括：

提供待焊接的部件，其中所述部件的材料为高强度钢；

对所述部件进行焊接；以及

对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理，以获得回火马氏体组织。

2.如权利要求1所述的高强度钢的焊缝处理方法，其特征在于，所述高强度钢为经水冷淬火后抗拉强度≥900MPa的高强度钢。

3.如权利要求1所述的高强度钢的焊缝处理方法，其特征在于，所述焊接选自激光拼焊、电阻点焊、电弧焊中的一种。

4.如权利要求1所述的高强度钢的焊缝处理方法，其特征在于，所述激光热处理为分段式激光热处理，以实现对所述焊缝的金相组织转变的精确控制。

5.如权利要求1所述的高强度钢的焊缝处理方法，其特征在于，所述至少两次激光热处理中的第一次激光热处理在所述焊接完成后的0至2分钟内开始。

6.如权利要求1所述的高强度钢的焊缝处理方法，其特征在于，所述至少两次激光热处理后的焊缝由表面至内部依次形成第一层回火马氏体组织、铁素体和马氏体双相组织、第二层回火马氏体组织。

7.如权利要求6所述的高强度钢的焊缝处理方法，其特征在于，所述第一层回火马氏体组织和所述铁素体和马氏体双相组织之间还形成有马氏体组织。

8.一种高强度钢的焊缝处理系统，其特征在于，包括：

保护气体装置，用于提供保护气体；

焊接装置，用于在所述保护气体氛围下对待焊接的部件进行焊接，其中所述部件的材料为高强度钢；以及

至少一个激光处理装置，用于对所述部件的焊缝进行至少两次激光热处理，以获得回火马氏体组织；

其中，所述保护气体装置、所述焊接装置和所述至少一个激光处理装置安装在同一机床上。

9.如权利要求8所述的高强度钢的焊缝处理系统，其特征在于，还包括：非接触测温装置和计算机，所述保护气体装置、所述焊接装置、所述至少一个激光处理装置和所述非接触测温装置分别连接所述计算机，所述非接触测温装置用于持续测量所述焊缝表面的温度，所述计算机用于根据所述焊缝表面的温度和所述激光热处理的工艺数据来实现对所述激光热处理的功率反馈控制。

10.如权利要求8所述的高强度钢的焊缝处理系统，其特征在于，所述焊接装置为激光焊接装置，所述激光焊接装置与所述至少一个激光处理装置共用激光源。

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