CN113747994B - 一种用于涂层钢板激光拼焊的焊料及激光拼焊方法 - Google Patents

Abstract

一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法，包括以下步骤：选择钼含量较高的焊丝；取两块具有铝硅涂层(4)的钢板(1,2)：实施对接激光填丝拼焊；焊后进行热冲压。该方法无需去除涂层，仅通过填充焊丝就能够实现铝硅涂层钢的拼接。经热冲压后，其焊接接头与母材强韧性一致，提高了产品的质量和生产效率，还涉及该方法使用的焊丝和形成的焊接区。

Description

一种用于涂层钢板激光拼焊的焊料及激光拼焊方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，具体为一种用于涂层钢板激光拼焊的焊料，以及使用该焊料的激光拼焊方法，通过该激光拼焊方法所获得的焊缝。

背景技术

随着汽车数量的不断增多，能源短缺、环境污染和温室效应等一系列问题日益突出。人们倡导绿色环保、节能减排的主题愈发强烈，同时也对汽车的安全性和能耗提出更高的要求。车辆设计既要保证汽车安全可靠，又要节能减排。实现这两个目标最重要的途径就是在保证车体的刚度和强度的前提下，对车身进行减重。据统计，若汽车重量降低10％，燃油效率能够提高6％～8％，油耗可降低7％。铝硅涂层钢经热冲压后的抗拉强度可达1500MPa及以上，成为车身轻量化材料主力军，广泛应用于车身的A柱、B柱、横梁等结构件的制造。

为避免在热冲压过程发生氧化，通常在热成型钢表面会预制涂层。铝硅涂层凭借其优异的抗腐蚀性能和抗高温氧化性能，成为涂层钢的常用涂层。由于铝硅涂层的存在，严重恶化焊接性能。传统的焊接方法很难保证焊接质量。激光焊接具有热影响区小，接合强度好，生产效率高等优点，成为铝硅涂层钢焊接的首选方法。但也存在不足，采用激光焊接时，涂层会入焊缝，在热冲压成形后产生较多的铁素体组织，使焊接接头在焊缝区域失效，降低焊接接头的力学性能，不能满足生产应用。尤其对于1500MPa级别及以上的铝硅涂层热成形钢，想要实现抗拉强度和延伸率达到母材水平是非常困难的。

在CN101426612 B中公布一种铝硅涂层钢的去除涂层的焊接方法，利用钢丝刷或激光去除涂层，避免涂层中的Al元素对焊缝的影响，获得良好的焊接质量。但是该方法是通过去除涂层来实现的，一般还需要进行去除涂层后的检测。对于实际生产当中，由于使用其他设备来进行去除涂层及检测，使得生产成本和工序显著增加。

在CN111050980 A中公布了一种震荡激光填丝焊接加压淬火锰硼钢的焊接方法，利用震荡激光束对基材和焊丝进行加热熔化，获得高质量的拼焊板。但是该方法是利用震荡焊接头的光学镜组实现激光束的震荡。震荡焊接头的价格昂贵，在激光震荡焊接过程中，熔池与焊丝间的作用的稳定性降低，易产生较大的飞溅。

在CN104023899 B中公布了一种拼焊板及其制造的方法，在激光焊接过程中，通过填充较高的C、Mn元素的焊丝，促进奥氏体的转换，达到提高焊接接头力学性能的目标。该方法在一定程度上改善了焊接的质量，但是较高的C、Mn元素会使焊缝易冷脆性和时效敏感性增大，还会降低焊缝的耐腐蚀性和拼焊板的使用寿命。

在CN111065486 A中公布了一种激光拼焊板的方法和装置，在激光焊接过程中，通过在焊丝表面上涂覆一层石墨颗粒，填充到熔池当中，提高焊接质量。在该方法中，由于焊接过程中有保护气体和压缩空气及其他因素的干扰，石墨颗粒很难均匀的填充到熔池中，焊缝的力学性能在一定程度下有影响。涂覆石墨颗粒的装置要求精度控制较高，焊接过程复杂。

在CN106457465 B中公布了一种激光焊接预涂覆片状金属的方法，通过两束激光组合对板材进行焊接。一束散射激光束作用对涂层进行烧熔，同时进行吹气，将熔融金属吹离；另外一束聚焦激光束进行加热熔化板材形成焊接接头，改善焊接接头的力学性能。在该方法中，由于采用散射激光束烧熔涂层和高压气体的吹送，显著增加了生产成本和工序，还降低了生产效率，焊接过程过于复杂。

在WO2015086781A1中公布一种双点激光焊，在激光焊接过程中通过填充金属粉末作为填充材料，金属粉末按重量百分比计具有以下组成：C：0-0.03％、Mo：2.0-3.0％、Ni：10-14％、Mn：1.0-2.0％、Cr：16-18％和Si：0-1.0％，其余为铁。填粉焊接工艺很难保证焊缝的成形的一致性和力学性能，而且在焊接过程中易受到其他条件干扰，不适用于大批量的生产。

在CN 106488824 B中公布了一种接合两个坯件的方法，通过填充焊丝焊接，焊丝由包括下列重量百分比的成分的不锈钢合金制成：0％-0.3％的碳，0％-1.3％的硅，0.5％-7％的锰，5％-22％的铬，6％-20％的镍，0％-0.4％的钼，0％-0.7％的铌以及余量的铁和不可避免的杂质。在该方法中，采用激光和弧焊混合焊接时，热输入增大，增加板材热变形的几率，不利于薄板的拼接。而且激光与弧焊混合焊接二者焊接速度受到限制，降低生产效率。

在CN 111432975 A中公布通过填充一种由下列重量百分比的成分的焊丝：0.03％的碳，0.5％的硅，1.8％的锰，20.5％的铬，25％的镍，4.7％的钼，小于0.05％的硫，小于0.05％的磷，1.6％的铜。使用该焊丝作为填充材料时，高含量的镍会导致经热冲压后拼焊板的焊缝区形成较多奥氏体，造成焊接接头的力学性能下降，无法保证产品的质量，存在较高的焊接接头的失效风险。较高含量的铜会增加焊缝的热脆性，不利于热冲压成形。尤其是热冲压后拼焊板的热影响区具有高失效风险。

在CN 112368105 A中公布一种利用填充丝对涂覆的钢坯件进行激光焊接，所述焊丝包括镍、铬、碳元素，按重量百分比分别为1.68-10.48％，0-2.70％，0.91-2.00％，该焊丝高含量的碳会导致拼焊区的碳含量过高，降低塑性和冲击性性能，且过高的碳含量会使焊缝易产生裂纹，还会降低焊缝的耐腐蚀性和拼焊板的使用寿命。且该拼焊板的焊接接头的淬透性和耐腐蚀性较差。

在CN 108025400 A中公布一种用于由具有铝基或铝硅基镀层的可淬火钢半成品板的激光焊接方法，在该方法中填充一种含有Cr和Mo之和的重量百分比为0.5至2.0，Ni的重量百分比为1至4，低含量的Cr元素导致拼焊板的焊接接头的耐腐蚀性能差，降低使用寿命，低含量的Mo元素导致拼焊淬透性较差，降低了拼焊板的质量和一致性。而且使用该种焊丝的激光功率需求较大，高于7kW，显著提高了焊接成本。

在CN 104994989 A中公布一种填充一种由下列重量百分比的成分的焊丝：0.05-0.15％的碳，0.5-2.0％的硅，1.0-2.5％的锰，0.5-2.0铬和钼，1.0-4.0％的镍，以及余量的铁和不可避免的杂质。该焊丝含有较低铬、钼元素，使用该焊丝作为填充焊丝获得的焊接接头的淬透性和抗腐蚀性能较差，且无法保证在高温热处理过程中完全抑制铁素体的影响，增加了焊接接头的在焊缝和热影响区的失效风险。

在CN 112548395 A中公布了一种激光填丝焊接用焊丝及制备方法和拼焊板工艺，该方法通过填充一种碳含量较高的焊丝，焊丝中的碳含量约为焊接母材的2.5～10倍，导致拼焊区的碳含量过高，降低塑性和冲击性性能，且过高的碳含量会使焊缝易产生裂纹，还会降低焊缝的耐腐蚀性和拼焊板的使用寿命。

在US 20210008665 A1中公布了一种涂覆钢板的焊接方法，该焊丝的碳含量的重量百分比为基材含碳量的0.80至2.28倍，过高的碳含量会使焊缝易产生裂纹，还会降低焊缝的耐腐蚀性和拼焊板的使用寿命，该焊丝中Mo和Ni重量百分比之和较低，在热冲压过程中，不能完全抑制Al对组织的影响，造成焊接接头的力学性能一致差，降低了产品质量，不适用于大批量的生产。

另外，在进行激光填丝拼焊时，所获得的拼焊焊缝的表面质量对后续热冲压成形过程影响较大，是保证最终产品强度的关键因素之一。而激光束与焊丝和待焊材料之间的作用稳定性也非常重要，这将影响拼焊板的焊缝成形质量和一致性。而且待焊材料表面存在铝硅涂层，涂层会提高对激光束的反射率，因此给激光拼焊带来极大的焊接工艺挑战。当激光束与焊丝和待焊材料作用不稳定时，极易产生焊接缺陷，包括严重的飞溅、拼焊板背面未熔透、焊缝烧穿、咬边、焊缝表面成形差、焊缝一致性差、焊缝的余高过大等。尤其对于A柱、B柱、门环等部件的焊缝长度超过200mm，焊接难度更大，为保证拼焊板后续冲压质量和产品使用性能，焊缝不允许存在上述焊接缺陷。因此，保证激光填丝焊接过程的稳定性是提高焊缝成形和一致性的关键。

在上述对比文件中，所述技术方案主要集中在对填充材料的描述，而对焊接工艺本身这一决定焊接质量的关键技术缺乏报道，从而导致已有对比文件多而杂，但是几乎未能获得实际生产应用，即现有技术未能解决1500MPa及以上的铝硅涂层热成型钢激光拼焊问题。

针对现有技术存在的问题，本发明所提供的技术方案致力于开发一种无需去除铝硅涂层，不仅能够保证焊缝的力学性能，还能够获得良好的焊缝成形和一致性，实现铝硅涂层钢的大批量的部件生产的拼焊方法。

发明内容

本发明提供了一种用于涂层钢板激光拼焊的焊料，以及使用该焊料的激光拼焊方法，焊前无需去除涂层，通过使用本发明所述的焊接方法，在焊接过程中填充钼含量较高的焊料，能够获得与母材抗拉强度和延伸率一致的焊接接头，焊缝成形优良，一致性好，且具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。还能够实现大批量的结构件的生产，满足实际生产需求。

本发明第一方面提出了一种用于涂层钢板激光拼焊的焊料，所述焊料含有Mo、Cr、Ni，其中Mo含量为0.5～12重量％，Mo、Cr、Ni含量满足数学式(1)：

Mo+Ni＜Cr (1)

上式中Mo、Ni、Cr分别为所述焊料中各元素的重量百分比。

优选地，Mo+Ni＞7，Cr＞9，Mo、Ni、Cr分别为所述焊料中各元素的重量百分比。

优选地，所述焊料中Mo含量为1～10重量％，进一步地，优选为2～8重量％。

优选地，所述焊料中碳含量的重量百分比为所述涂层钢板中碳含量的重量百分比的0.02～0.5倍。

优选地，所述焊料中碳含量的重量百分比为所述涂层钢板中碳含量的重量百分比的0.02～0.2倍。

优选地，所述焊料为金属丝焊接材料。

优选地，所述金属丝直径为0.4～2mm，拉伸强度为400～1200MPa。

优选地，所述金属丝拉伸强度为450～1000MPa。

本发明第二方面提出了一种涂层钢板激光拼焊方法，包括以下步骤：

S1：提供两块厚度分别为t₁、t₂的涂层钢板作为焊接母材，且t₁≥t₂；提供根据本发明第一方面所述的焊料作为填充焊料；

S2：将所述两块涂层钢板固定在焊接台上，形成待焊区域；

S3：采用激光束加热熔化所述待焊区域，形成熔池；同时送料装置向熔池输送焊料，所述焊料在所述激光束和熔池的热能共同作用下熔化，填充到熔池中；所述熔池冷却后形成焊缝；

S4：对焊接后形成的拼焊板进行热冲压。

优选地，所述焊料与具有t₁厚度的钢板的表面或与其共面的x-y平面接触时，所述焊料的轴线末端中心点在具有t₁厚度的钢板的表面或与其共面的x-y平面上具有投影点，所述投影点与激光束光斑的中心位置的距离为d₁，d₁满足数学式(2)：

0≤d₁≤r₁+r₂ (2)

上式中r₁为光斑的半径(mm)，r₂为焊料的半径(mm)。

优选地，当两块涂层钢板厚度相等，即t₁＝t₂时，激光束的入射方向和焊料的送料方向形成的平面与x-z平面平行。

优选地，当两块涂层钢板厚度t₁＞t₂时，激光束的入射方向和焊料的送料方向均由垂直钢板的表面向厚度为t2的钢板方向发生偏移，所述激光束的入射方向和焊料的送料方向所在的平面与x-z平面形成偏移夹角，所述偏移夹角为0～40°。

优选地，所述偏移夹角为5～15°。

优选地，所述焊料轴线末端的中心点在具有t₁厚度的钢板的表面或与其共面的x-y平面上具有投影点，所述投影点与具有t₁厚度的钢板的待焊边缘位置处的水平距离为d₂，d₂满足数学式(3)：

0≤d₂≤3·r₂ (3)

上式中r₂为焊料的半径(mm)。

优选地，所述焊料直径为0.4～2mm，所述焊料的送料方向与钢板表面或x-y平面形成的送料角度为20～70°，干伸长为2～30mm。

优选地，所述待焊区域具有小于焊料直径的50％的间隙宽度。

优选地，所述涂层钢板的涂层由金属合金层和金属间化合物合金层组成，所述金属间化合物合金层厚度小于20μm，涂层总厚度小于60μm，所述涂层钢板厚度为0.5～5mm。

优选地，所述金属合金层为铝硅层，所述金属间化合物合金层为铝合金层。

优选地，所述激光束可采用单束激光，或多束组合激光，光斑直径为0.2～1.6mm。

优选地，所述多束组合激光的光斑间距为0～3mm。

优选地，所述步骤S4进一步包括：所述热冲压的加热温度为830～1050℃，保温时间为1～20min；加热结束后，采用水冷模具或水冷淬火，冷却速度大于或等于27℃/s。

优选地，所述激光拼焊方法可以采用在氩气或氮气的保护气体中进行，也可以采用无保护气体，直接在空气中进行。

本发明第三方面提出了一种采用本发明第二方面所述的激光拼焊方法所形成的焊缝区，所述焊缝区的组织相变系数M_t满足1580≤M_t≤3000，M_t计算公式为数学式(4)：

M_t＝31.5Al-23.1C+405.6Si-10.9Mn-3.2Ni+323Cr-99.8Mo (4)

上式中Al、C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo分别为焊缝区中各元素的重量百分比。

优选地，当两块涂层钢板厚度相等，即t₁＝t₂时，所述焊缝区具有上熔宽、中间熔宽及下熔宽，所述上熔宽为所述焊缝区上表面对应的宽度；所述中间熔宽为所述焊缝区在厚度为t₁的钢板的1/2厚度处的宽度；所述下熔宽为所述焊缝区下表面对应的宽度；其中，所述上熔宽、中间熔宽及下熔宽的宽度分别为w_t、w_m、w_b，满足数学式(5)：

w_t＝t₁·p

w_m＝t₁·s

w_b＝t₁·k (5)

上式中p取值为0.7～2.5，s取值为0.4～2.4，k取值为0.4～2.5。

优选地，所述p取值为1～2，s取值为0.6～1.8，k取值为0.7～2。

优选地，当两块涂层钢板厚度不相等，即t₁＞t₂时，所述焊缝区(28)具有上熔宽(29)、中间熔宽(30)及下熔宽(31)，所述上熔宽(29)为所述焊缝区(28)在厚度为t₂的钢板的上表面所对应的宽度；所述中间熔宽(30)为所述焊缝区(28)在厚度为t₂的钢板的1/2厚度处的宽度；所述下熔宽(31)为所述焊缝区(28)在厚度为t₂的钢板的下表面所对应的宽度；其中，所述上熔宽(29)、中间熔宽(30)及下熔宽(31)的宽度分别为w_t'、w_m’、w_b’，满足数学式(6)：

w_t'＝t₂·p’

w_m’＝t₂·s’

w_b’＝t₂·k’ (6)

上式中p’取值为0.5～3，s’取值为0.2～2.5，k’取值为0.5～3。

优选地，所述p’取值为0.8～2.5，s’取值为0.5～2，k’取值为0.8～2.5。

参照附图，本发明所述x、y、z方向是指：x方向为平行于钢板表面的焊缝法线方向，Y方向为焊接切线方向，Z方向为钢板表面的法线方向。

用于激光拼焊的焊料中含有的元素和比例的作用原理、所述拼焊方法焊接工艺的特点、以及用所述焊料形成的焊缝区的特点如下：

(1)焊料中的碳元素的重量百分比为所述涂层钢板中碳含量的重量百分比的0.02～0.5倍，熔敷金属性能和可焊性好，能够提高焊接过程的稳定性，降低焊缝开裂风险，碳元素的重量百分比为所述涂层钢板中碳含量的重量百分比的0.02～0.2，效果更明显。

(2)焊料中的Ni能够扩大奥氏体相区，促进奥氏体转换，焊料中的Mo能够提高拼焊区的淬透性和热强度，以及细化晶粒。当Mo含量重量百分比大于2时，使用Ni和Mo组合，在热处理过程中，能够促进奥氏体的完全转换，并细化晶粒的尺寸，极大提高焊缝组织的一致性，提高产品的质量，当Ni+Mo＞7时，效果更明显。

(3)焊料中的Cr能够提高焊缝的抗腐蚀性能，当Cr的含量较低时，并不能提高焊缝的抗腐蚀性能；当Cr元素的重量百分比大于9时，焊缝的具有优异的抗腐蚀性能，且在高温热处理的过程中能够防止氧化，提高抗氧化性能，提高冲压的产品的使用寿命。

(4)当含量中的Ni+Mo＜Cr，能够避免Ni和Mo的过度作用，防止经热处理后拼焊板的拼焊区的组织残留大量的奥氏体，因为，大量的奥氏体残留会严重降低拼焊板的力学性能；同时，确保焊缝中存在少量残余奥氏体，有助于提升接头韧性。

(5)当焊料中的成分满足Mo＞2，Ni+Mo＜Cr，Ni+Mo＞7，Cr＞9，拼焊板的抗拉强度、延伸率、防止开裂的能力、抗腐蚀性能、抗高温氧化性能均能够显著提高，其力学性能达到母材水平，甚至优于母材，且形成的热冲压的产品的质量和一致性好，适用于大批量生产。

(6)通过控制激光束的光斑中心位置与焊丝的位置关系，避免激光束与焊丝的剧烈作用，确保焊接过程的稳定性，减少焊接过程的飞溅、焊缝的缺陷问题，获得良好的焊缝成形和一致性。

(7)控制拼焊板焊缝区的上、中、下熔宽能够降低焊缝的上下余高、提高拼焊板在热冲压成形过程中的质量，极大减少产品的次品率。

(8)控制拼焊板焊缝区的各元素的关系式，避免焊丝的过多浪费，以及保证焊缝区的组织的结构具有优良的力学性能。

与现有技术提到的技术方案相比，本发明的有益效果在于：

1)焊前无需去除涂层，能够实现高效率、高质量的焊接。

2)焊料中的碳元素的重量百分比为所述涂层钢板中碳含量的重量百分比的0.02～0.5倍，熔敷金属性能和可焊性好，能够提高焊接过程的稳定性，降低焊缝开裂风险。

3)焊料中较高含量的Mo元素能够细化焊缝区的晶粒尺寸和提高焊接接头的淬透性。

4)焊料中Ni和Mo的重量百分比含量之和低于Cr含量的重量百分比，降低了Ni元素和Mo的含量，降低了焊丝的成本。

5)焊料中的Ni、Cr、Mo的共同作用下，拼焊板的抗拉强度、延伸率、防止开裂的能力、抗腐蚀性能、抗高温氧化性能均能够显著提高，其力学性能达到母材水平，甚至优于母材，且形成的热冲压的产品的质量和一致性好，适用于大批量生产。

6)焊料的中心点在垂直厚板表面或水平方向的延长线上的投影点与激光束光斑的中心位置的距离d₁满足0≤d₁≤(r₁+r₂)，能够显著提高焊接过程的稳定性，获得良好的焊缝成形。

7)控制焊接接头的截面尺寸，能够降低激光束的功率的需求，降低激光器和焊接的成本，提高拼焊板的在热冲压过程的的质量和一致性。

8)焊缝区化学成分使焊缝区组织相变系数M_t满足1580≤M_t≤3000，焊缝区获得具有优良力学性能的微观结构，显著提高了焊接接头的拉伸强度和延伸率，强韧性与母材一致。

9)焊接过程无需使用保护气体，能够降低焊接成本。

10)焊缝具有极佳的耐腐蚀性、耐磨性、抗高温氧化性。

使用本发明所述技术方案，能够满足强度为1500MPa及以上强度级别的热成型钢激光拼焊板生产应用，对降低制造成本、提升车辆安全性、促进节能减排具有重要作用。

附图说明

本发明的以上内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1示出激光拼焊方法工艺流程的示意图；

图2示出激光拼焊方法产生熔池的示意图；

图3示出焊料投影点的示意图；

图4示出激光束入射方向和焊料送料方向的示意图；

图5示出等厚板中焊缝截面尺寸的示意图；

图6示出不等厚板中焊缝截面尺寸的示意图；

图7示出本发明实施例中典型的焊接接头1的断裂位置；

图8示出本发明实施例中典型的焊接接头2的断裂位置；

图9示出本发明实施例中典型的焊接接头3的断裂位置；

图10示出对比实施例10焊接接头的断裂位置；

图11示出对比实施例11焊接接头的断裂位置；

图12示出B柱焊接实施例的焊缝成形；

图13示对B柱焊接对比例的焊缝成形。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

在整个专利申请中，元素的含量以重量百分比(重量％)表示。

焊料

本发明提出了一种用于涂层钢板激光拼焊的焊料，该焊料含有0.5～12重量％的Mo，Mo含量优选为1～10重量％，进一步地，优选为2～8重量％，较高含量的Mo元素能够细化焊缝区的晶粒尺寸和提高焊接接头的淬透性。

焊料还含有Cr、Ni元素，其中Mo、Cr、Ni的含量满足数学式(1)：

Mo+Ni＜Cr (1)

上式中Mo、Ni、Cr分别为所述焊料中各元素的重量百分比。

优选地，Mo+Ni＞7，Cr＞9，Mo、Ni、Cr分别为所述焊料中各元素的重量百分比。

焊料中碳含量的重量百分比为所述涂层钢板中碳含量的重量百分比的0.02～0.5倍，优选为0.02～0.2倍。

焊料的形态可以为片状、块状、棒状、带状和丝状等多种形状，优选为直径0.4～2mm的金属丝焊接材料，拉伸强度为400～1200MPa，进一步地，拉伸强度为450～1000MPa。

激光拼焊方法

图1-4示出了采用上述焊料的激光拼焊方法的示意图，包括如下步骤：

S1：提供两块厚度分别为t₁、t₂的涂层钢板1和钢板2作为焊接母材，且t₁≥t₂；提供根据本发明的焊料6作为填充焊料；

S2：将所述两块涂层钢板固定在焊接台上，形成待焊区域7；

S3：激光焊接头10发射激光束11加热熔化待焊区域7，形成匙孔和熔池14；同时送料装置9向熔池14输送焊料6，焊料6在激光束11和熔池14的热能共同作用下熔化，填充到熔池14中；随着焊接的持续，钢板1和钢板2之间的所有间隙均被填充，熔池14冷却后形成焊缝5，箭头17指示了焊接方向；

S4：对焊接后形成的拼焊板进行热冲压。热冲压的加热温度为830～1050℃，保温时间为1～20min；加热结束后，采用水冷模具或水冷淬火，冷却速度大于或等于27℃/s。

上述焊料6优选采用直径为0.4～2mm的焊丝，送丝角度8为20～70°，干伸长为2～30mm。待焊区域7的间隙宽度小于焊料6直径的50％，为方便说明，在附图上建立x-y-z坐标系，t1厚度钢板的上表面在x-y平面上，z轴垂直于t1厚度钢板的上表面。

钢板1的涂层3和钢板2的涂层4由金属合金层15和金属间化合物合金层16组成，其中金属合金层15为铝硅层，金属间化合物合金层16为铝合金层。金属间化合物合金层16厚度小于20μm，涂层总厚度小于60μm，涂层钢板厚度为0.5～5mm。当钢板1和钢板2被焊接时，焊料6与钢板1和钢板2的部分涂层在激光束11的作用下混合，涂层中的铝允许存在于焊接区中，但在热冲压后不会影响焊接接头的力学性能。

激光束的行走轨迹可以为不摆动和摆动两种模式，摆动轨迹包括顺时针摆动、逆时针摆动、Z型摆动、无穷形状摆动。激光束可采用单束激光，或多束组合激光，光斑直径为0.2～1.6mm；当采用多束组合激光时，光斑间距为0～3mm。送料装置9可以置于激光束前面或后面，与激光焊接头进行同步焊接。

如图3所示，焊料6与具有t₁厚度的钢板的表面或x-y平面接触时，焊料轴线末端6的中心点在具有t₁厚度的钢板的表面或x-y平面上具有投影点19，该投影点19与激光束11的光斑13的中心位置18的距离为d₁。当采用多束组合激光时，上述光斑13指的是能量密度最大的光斑。d₁满足数学式(2)：

0≤d₁≤r₁+r₂ (2)

上式中r₁为光斑的半径(单位为mm)，r₂为焊料的半径(单位为mm)。

当两块涂层钢板厚度相等，即t₁＝t₂时，激光束11的入射方向和焊料6的送料方向形成的平面与x-z平面平行。如图4所示，当两块涂层钢板厚度t₁＞t₂时，激光束11的入射方向和焊料6的送料方向均由垂直钢板的表面向厚度为t2的钢板方向发生偏移，所述激光束11)入射方向和焊料6的送料方向所在的平面与x-z平面形成偏移夹角21，该偏移夹角21为0～40°，优选为5～15°。焊料6轴线末端的中心点在具有t₁厚度的钢板的表面或x-y平面上具有投影点32，所述投影点32与具有t₁厚度的钢板的待焊边缘位置22处的水平距离为d₂，d₂满足数学式(3)：

0≤d₂≤3·r₂ (3)

上式中r₂为焊料的半径(mm)。

上述激光拼焊方法可以采用在氩气或氮气的保护气体中进行，也可以采用无保护气体，直接在空气中进行。

可以使用MAG(金属活性气体)、MIG(金属惰性气体)、TIG(钨惰性气体)作为送料的装置替代。

焊缝区

如图5-6所示，实施上述激光拼焊后，钢板1和钢板2之间形成焊缝区24(钢板1和钢板2厚度相等)或28(钢板1和钢板2厚度不相等)，所述焊缝区的组织相变系数M_t满足1580≤M_t≤3000，M_t计算公式为数学式(4)：

M_t＝31.5Al-23.1C+405.6Si-10.9Mn-3.2Ni+323Cr-99.8Mo (4)

上式中Al、C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo分别为焊缝区中各元素的重量百分比。

上述焊缝区的截面尺寸满足如下关系：

如图5所示，当钢板1和钢板2的厚度相等时，即当t₁＝t₂时，拼焊板焊缝区24具有上熔宽25、中间熔宽26及下熔宽27，所述上熔宽25是指焊缝区24上表面对应的宽度；中间熔宽26是指焊缝区24在厚度为t₁的钢板的1/2厚度处的宽度；下熔宽27是指焊缝区24下表面对应的宽度。其中，所述上熔宽25、中间熔宽26及下熔宽27的宽度分别为w_t、w_m、w_b，满足：

w_t＝t₁·p，p的取值为0.7～2.5，p的取值优选为1～2；

w_m＝t₁·s，s的取值为0.4～2.4，s的取值优选为0.6～1.8；

w_b＝t₁·k，k的取值为0.4～2.5，k的取值优选为0.7～2。

如图6所示，当钢板1和钢板2的厚度不相等时，即当t₁＞t₂时，拼焊板焊缝区28具有上熔宽29、中间熔宽30及下熔宽31，所述上熔宽29是指焊缝区28在厚度为t₂的钢板的上表面所对应的宽度；中间熔宽30是指焊缝区28在厚度为t₂的钢板的1/2厚度处的宽度；下熔宽31是指焊缝区28在厚度为t₂的钢板的下表面所对应的宽度。

其中，所述上熔宽29、中间熔宽30及下熔宽31的宽度分别为w_t'、w_m’、w_b’，满足：

w_t'＝t₂·p’，p’的取值为0.5～3，p’的取值优选为0.8～2.5；

w_m’＝t₂·s’，s’的取值为0.2～2.5，s’的取值优选为0.5～2；

w_b’＝t₂·k’，k’的取值为0.5～3，k’的取值优选为0.8～2.5。

实施例

以下将通过具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细、完整的描述。

实施方式A：

一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法，包括以下步骤：

S1、取两块剪板机剪下的1.4mm厚的具有铝硅涂层的钢板，该钢板的微观组织为铁素体和珠光体。使用酒精对两块钢板进行油污清洗，作净化处理。

S2、将两块钢板通过夹具拼接固定在焊接台上，采用零间隙拼接。

S3、使用光纤激光器，并设定填丝焊接参数：激光功率5500W，激光扫描速度3.6m/min，激光光斑直径0.98mm，焊接过程中无保护气体，其中送丝速度为4m/min、送丝角度为45°。光纤激光器发射激光照射在两块钢的对接处，同时焊丝由送丝喷嘴向熔池进行送丝。熔化的焊丝与两块钢熔化的对接区域混合，凝固后形成焊缝。

S4、焊后进行热冲压。

通过填充钼含量较高的焊丝，直径为1mm，其中Mo的重量百分比为2.13％，焊丝拉伸强度为543MPa，所获得的焊接接头经热冲压后，其熔合区具有优良的力学性能的马氏体组织。测得其拉伸强度为1572.85MPa，断裂位置出现在母材，焊接接头拉伸强度和延伸率与母材一致，如图7所示。

实施方式B：

一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法，包括以下步骤：

S1、取两块剪板机剪下的1.4mm厚的具有铝硅涂层的钢板，该钢板的微观组织为铁素体和珠光体。使用酒精对两块钢板进行油污清洗，作净化处理。

S2、将两块钢板通过夹具拼接固定在焊接台上，采用零间隙拼接。

S3、使用光纤激光器，并设定焊接参数：激光功率5500W，激光扫描速度4.2m/min，激光光斑直径0.98mm，焊接过程中无保护气体。其中送丝速度为3m/min、送丝角度为45°。光纤激光器发射激光照射在两块钢的对接处，同时焊丝由送丝喷嘴向熔池进行送丝。熔化的焊丝与两块钢熔化的对接区域混合，凝固后形成焊缝。

S4、焊后进行热冲压。

通过填充钼含量较高的焊丝，直径为1mm，其中Mo的重量百分比为2.13％，焊丝拉伸强度为543MPa，所获得的焊接接头经热冲压后，其熔合区具有优良的力学性能的马氏体组织。测得其拉伸强度为1557.6MPa，断裂位置出现在母材，焊接接头拉伸强度和延伸率与母材一致，如图8所示。

如表1所示，发明人给出了更多实施例的具体细节，与实施方式A、B类似，所不同的是选用不同厚度组合的铝硅涂层钢板；使用不同参数的激光焊接工艺；选用不同成分或不同强度的填充焊料，使用本发明所述技术方案不同范围进行实施。

其中实施例1-9是根据本发明技术方案实施的，对比实施例10-12是相对于本发明较为劣化的技术方案实施的。

表1不同实施例中使用的焊丝的相关参数：直径、Mo含量、碳含量重量百分比为基材钢板碳含量重量百分比的倍数、拉伸强度、Mo和Ni与Cr的重量百分比之间的关系，以及使用的基材钢板的厚度。

表2不同实施例中使用的焊接参数和淬火的参数。

表3不同实施例的焊接接头的熔宽系数、焊缝区的化学成分系数M_t是否满足3000≥M_t≥1580、冲压后焊接接头的抗拉强度和延伸率。

以下是对比实施例10-12中实施条件和效果的说明。

对比实施例10

作为对比实施方式，选择完全相同的板料和相同的预处理方式作为拼焊板的对象材料。

选择普通激光自熔焊焊接方法，激光功率2500W，激光扫描速度6m/min，焊接过程中无保护气体，经过完全相同的热冲压工艺后，其焊缝区组织为δ铁素体和板条马氏体。测得其拉伸强度仅仅为1180.6MPa，延伸率0.85％，断裂位置为焊缝区，如图10所示。

对比实施例11

作为对比实施方式，选择完全相同的板料和相同的预处理方式作为拼焊板的对象材料。

选择填充ER50G型号的焊丝，该焊丝不含Mo元素，直径为1mm，激光功率5500W，激光扫描速度4.2m/min，焊接过程中无保护气体。其中送丝速度为3m/min、送丝角度为45°，焊接过程中无保护气体。所获得的拼焊接头拉伸强度1230MPa，延伸率1.15％，断裂在焊缝区，如图11所示。

对实施例12

采用专利号CN106488824 B中公布的方法，使用激光电弧复合焊接进行拼焊，填充的不锈钢焊丝的Mo的重量百分比为0％～0.4％。实施拼焊的板材为1.4mm厚的

板，填充的不锈钢焊丝中的Mo重量百分比为0.3％。该方法冲压后的焊接接头的拉伸强度仅为1409MPa，低于未涂覆22MnB5钢焊接的焊接接头的拉伸强度1527MPa。

在本领域的常规技术方案下，满足1000-1400MPa铝硅涂层热成型钢激光拼焊接头强度与延伸率接近母材相对比较容易，但是要实现1500MPa及以上强度级别铝硅涂层热成型钢激光焊接接头性能达标则比较困难。从表3可以看出，根据本发明技术方案的实施例1-9所获得的焊接接头强度均大于1500MPa，延伸率大于5％，满足生产使用需求，图7-9显示了在本技术方案不同条件下获得的焊接接头拉伸断裂位置，均在母材上。而不是根据本发明技术方案的对比实施例10-12所获得的焊接接头的抗拉强度和延伸率较低。

同时，拼焊工艺决定了拼焊板焊缝的成形质量以及热冲压产品的质量。当拼焊板的焊缝存在背面未熔透、焊缝烧穿、咬边、焊缝表面成形差、焊缝一致性差、焊缝的余高过大等焊接缺陷时，会严重降低焊接接接头的力学性能。而且在实际生产当中，是不允许有焊接飞溅和上述缺陷。尤其对于进行A柱、B柱、门环等部件的拼焊，如出现上述缺陷该部件将视为不合格产品，给生产带来了昂贵的成本。因此保证拼焊板优良的焊缝成形和一致性是极其重要的。

B柱焊接实施例

使用本发明技术方案的焊接工艺进行实际B柱汽车部件激光填丝焊接的效果如图12所示，B柱的焊缝总长超过300mm，使用本发明技术方案确保了焊缝成形和一致性良好，没有产生上述的焊接缺陷，满足实际生产需求，且冲压后所有拼焊板性满足使用要求，适合大批量生产。

B柱焊接对比例

使用非本发明的技术方案进行B柱激光填丝焊接(焊缝总长超过300mm)的实施效果如图13所示，存在焊接接缺陷，如焊缝背面未熔透、焊缝烧穿、焊缝表面成形一致性差等，为不合格产品。

因此，从上述实施例与对比例可以看出，本发明的技术方案可以满足1500MPa及以上强度级别铝硅涂层热成型钢激光拼焊接头性能，适用于产品制造，并且使用范围广、一致性高。

这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (23)

1.一种用于涂层钢板激光拼焊的焊料，其特征在于：所述焊料含有Mo、Cr、Ni，其中Mo、Cr、Ni含量的重量百分比满足如下条件：

2＜Mo≤12，7＜Ni+Mo＜Cr；

所述焊料中碳含量的重量百分比为所述涂层钢板中碳含量的重量百分比的0.02～0.5倍。

2.根据权利要求1所述的焊料，其特征在于：所述焊料为金属丝焊接材料。

3.根据权利要求2所述的焊料，其特征在于：所述金属丝直径为0.4～2mm，拉伸强度为400～1200MPa。

4.根据权利要求2所述的焊料，其特征在于：所述金属丝拉伸强度为450～1000MPa。

5.一种涂层钢板激光拼焊方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：提供两块厚度分别为t1、t2的涂层钢板作为焊接母材，且t1≥t2；提供根据权利要求1至4中任一项所述的焊料(6)作为填充焊料；

S2：将所述两块涂层钢板固定在焊接台上，形成待焊区域(7)；

S3：采用激光束(11)加热熔化所述待焊区域(7)，形成熔池(14)；同时送料装置(9)向熔池(14)输送焊料(6)，所述焊料(6)在所述激光束(11)和熔池(14)的热能共同作用下熔化，填充到熔池(14)中；所述熔池(14)冷却后形成焊缝(5)；

所述焊缝(5)区域的组织相变系数Mt满足1580≤Mt≤3000，Mt计算公式如下：

Mt＝31.5Al-23.1C+405.6Si-10.9Mn-3.2Ni+323Cr-99.8Mo

上式中Al、C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo分别为焊缝区中各元素的重量百分比；

S4：对焊接后形成的拼焊板进行热冲压。

6.根据权利要求5所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述焊料(6)与具有t1厚度的钢板的表面或与其共面的x-y平面接触时，所述焊料(6)的轴线末端中心点在具有t1厚度的钢板的表面或与其共面的x-y平面上具有投影点(19)，所述投影点(19)与激光束光斑(13)的中心位置(18)的距离为d1，d1满足数学式(1)：

0≤d1≤r1+r2 (1)

上式中r1为光斑的半径(mm)，r2为焊料的半径(mm)。

7.根据权利要求5所述的激光拼焊方法，其特征在于：当两块涂层钢板厚度相等，即t1＝t2时，激光束(11)的入射方向和焊料(6)的送料方向形成的平面与x-z平面平行。

8.根据权利要求5所述的激光拼焊方法，其特征在于：当两块涂层钢板厚度t1＞t2时，激光束(11)的入射方向和焊料(6)的送料方向均由垂直钢板的表面向厚度为t2的钢板方向发生偏移，所述激光束(11)的入射方向和焊料(6)的送料方向所在的平面与x-z平面形成偏移夹角(21)，所述偏移夹角(21)为0～40°。

9.根据权利要求8所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述偏移夹角(21)为5～15°。

10.根据权利要求8所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述焊料(6)的轴线末端中心点在具有t1厚度的钢板的表面或与其共面的x-y平面上具有投影点(32)，所述投影点(32)与具有t1厚度的钢板的待焊边缘位置(22)处的水平距离为d2，d2满足数学式(2)：

0≤d2≤3·r2 (2)

上式中r2为焊料的半径(mm)。

11.根据权利要求5所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述焊料(6)直径为0.4～2mm，所述焊料(6)的送料方向与钢板表面或x-y平面形成的送料角度(8)为20～70°，干伸长为2～30mm。

12.根据权利要求5所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述待焊区域(7)具有小于焊料(6)直径的50％的间隙宽度。

13.根据权利要求5所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述涂层钢板的涂层由金属合金层(15)和金属间化合物合金层(16)组成，所述金属间化合物合金层(16)厚度小于20μm，涂层总厚度小于60μm，所述涂层钢板厚度为0.5～5mm。

14.根据权利要求13所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述金属合金层(15)为铝硅层，所述金属间化合物合金层(16)为铝合金层。

15.根据权利要求5所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述激光束(11)可采用单束激光，或多束组合激光，光斑直径为0.2～1.6mm。

16.根据权利要求15所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述多束组合激光的光斑间距为0～3mm。

17.根据权利要求5所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述步骤S4进一步包括：所述热冲压的加热温度为830～1050℃，保温时间为1～20min；加热结束后，采用水冷模具或水冷淬火，冷却速度大于或等于27℃/s。

18.根据权利要求5至17中任一项所述的激光拼焊方法，其特征在于：所述激光拼焊方法可以采用在氩气或氮气的保护气体中进行，或采用无保护气体，直接在空气中进行。

19.一种采用权利要求5至17中任一项所述的激光拼焊方法所形成的焊缝区，其特征在于，所述焊缝区的组织相变系数Mt满足1580≤Mt≤3000，Mt计算公式如下：

Mt＝31.5Al-23.1C+405.6Si-10.9Mn-3.2Ni+323Cr-99.8Mo

上式中Al、C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo分别为焊缝区中各元素的重量百分比。

20.根据权利要求19所述的焊缝区，其特征在于：当两块涂层钢板厚度相等，即t1＝t2时，所述焊缝区(24)具有上熔宽(25)、中间熔宽(26)及下熔宽(27)，所述上熔宽(25)为所述焊缝区(24)上表面对应的宽度；所述中间熔宽(26)为所述焊缝区(24)在厚度为t1的钢板的1/2厚度处的宽度；所述下熔宽(27)为所述焊缝区(24)下表面对应的宽度；其中，所述上熔宽(25)、中间熔宽(26)及下熔宽(27)的宽度分别为wt、wm、wb，满足数学式(3)：

wt＝t1·p

wm＝t1·s

wb＝t1·k (3)

上式中p取值为0.7～2.5，s取值为0.4～2.4，k取值为0.4～2.5。

21.根据权利要求19所述的焊缝区，其特征在于：所述p取值为1～2，s取值为0.6～1.8，k取值为0.7～2。

22.根据权利要求19所述的焊缝区，其特征在于：当两块涂层钢板厚度不相等，即t1＞t2时，所述焊缝区(28)具有上熔宽(29)、中间熔宽(30)及下熔宽(31)，所述上熔宽(29)为所述焊缝区(28)在厚度为t2的钢板的上表面所对应的宽度；所述中间熔宽(30)为所述焊缝区(28)在厚度为t2的钢板的1/2厚度处的宽度；所述下熔宽(31)为所述焊缝区(28)在厚度为t2的钢板的下表面所对应的宽度；其中，所述上熔宽(29)、中间熔宽(30)及下熔宽(31)的宽度分别为wt'、wm’、wb’，满足数学式(4)：

wt'＝t2·p’

wm’＝t2·s’

wb’＝t2·k’ (4)

上式中p’取值为0.5～3，s’取值为0.2～2.5，k’取值为0.5～3。

23.根据权利要求22所述的焊缝区，其特征在于：所述p’取值为0.8～2.5，s’取值为0.5～2，k’取值为0.8～2.5。

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