CN113967789A - 一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法，包括以下步骤：选择钼含量较高的不锈钢焊丝；取两块具有铝硅涂层的钢板；实施对接激光填丝拼焊；焊后进行热冲压。本发明无需去除涂层，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，其焊焊接头与母材强韧性一致，提高了产品的质量和生产效率。

Description

一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法

技术领域

本发明涉及一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法，用于拼焊铝硅涂层钢及焊后热冲压，能够获得与母材拉伸强度和延伸率一致的焊接接头，且具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。

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，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，通常其表面会预制涂层。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，涂层会熔化进入焊缝，产生较多的铁素体，降低焊接接头的力学性能。

在CN 101426612 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CN 111050980 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CN 104023899 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CN 111065486 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CN 106457465 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CN 106488824 B中公布了一种接合两个坯件的方法，通过填充奥氏体稳定填料，提高了焊接接头的拉伸性能。在该方法中，采用激光电弧复合焊接时，热输入增大，增加板材热变形的几率，不利于薄板的拼接。而且其焊接接头的抗拉强度低于1500MPa。

针对现有技术存在的问题，本领域的技术人员致力于开发一种无需去除铝硅涂层，就能够实现铝硅涂层钢的等强韧性的拼焊方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法，焊前无需去除涂层，通过在焊接过程中填充钼含量较高的不锈钢焊丝，其中Mo的重量百分比为0.5％～12％，焊丝拉伸强度为400～1200MPa，经热冲压后，能够获得与母材抗拉强度和延伸率一致的焊接接头，且具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特点在于：选择含有钼的不锈钢焊丝作为填充焊丝；采用激光束对两块具有铝硅涂层的钢板实施拼焊；焊后进行热冲压；

所述的含有钼的不锈钢焊丝中Mo的重量百分比为0.5％～12％，焊丝拉伸强度为400～1200MPa。

优选的，所述的含有钼的不锈钢焊丝中Mo的重量百分比为1％～10％重量，焊丝拉伸强度为450～1000MPa。

优选的，所述的铝硅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，所述钢板厚度为0.5～5mm。

优选的，焊接过程中使用激光束对两块钢板进行拼焊，同时送丝喷嘴向熔池进行送丝。

优选的，所述焊丝直径为0.4～2mm，送丝角度为20～70°，所述焊丝与激光束的间距小于焊丝的直径，干伸长为2～30mm。

优选的，所述两块钢板拼接最大间隙的宽度小于焊丝直径的50％。

优选的，所述的热冲压是指对接合后的两块钢板进行加热，并采用水冷模具或水冷淬火。

优选的，所述的热冲压的加热温度为830～1050℃，保温时间为1～20min，冷却速度大于等于27℃/s。

与现有技术提到的焊接方法相比，本发明的有益效果是：

1)焊前无需去除铝硅涂层，能够实现高效率、高质量的焊接。

2)冲压后的焊接接头的拉伸强度和延伸率与母材一致。

3)焊缝具有极佳的耐腐蚀性和耐磨性。

附图说明

通过下文参考附图给出的说明可以更好地理解本发明，该说明仅作为举例给出并且不具有限制性。在附图中：

图1示出激光填丝焊接方法的示意图；

图2示出激光填丝焊接工艺过程的示意图；

图3示出本发明实施例填充高钼不锈钢焊丝的激光焊接接头的断裂位置；

图4示出本发明实施例填充高钼不锈钢焊丝的激光焊接接头的断裂位置；

图5示出对比例一激光自熔焊的焊接接头的断裂位置；

图6示出对比例二填充ER50G焊丝的激光焊接接头的断裂位置；

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下接合附图对本发明的具体实施的方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽的理解。

图1示出激光填丝焊接的方法的示意图，钢板1和钢板2对接组成待焊区域12。焊接接头10发射激光束11用来加热熔化待焊区域12，形成熔池14。同时焊丝6通过送丝喷嘴9向熔池14进行输送。其中焊丝6由激光束11和熔池14的热能共同作用熔化，填充到熔池14中。

图2示出激光填丝焊接工艺过程示意图。钢板1和钢板2对接组成待焊区域12。在该实例中，两块钢板将被拼接，即边对边焊接。

钢板1和钢板2都可以是具有铝硅涂层的钢板。铝硅涂层3和铝硅涂层4由铝硅层15和铝合金层16组成。当钢板1和钢板2被焊接时，焊丝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。在这些实施例中，箭头17指示焊接方向。

激光束11从焊接头10射出，焊丝6作为填材。在激光束11的作用下，钢板1和钢板2组成的待焊区域12熔化，焊丝6由送丝喷嘴9向熔池14填充，与此同时熔化的焊丝与钢板1和钢板2熔化区域12混合。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，熔池冷却后形成焊缝5。

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。焊丝中具有较高含量的Mo元素能够细化焊缝中的组织。在热冲压后，能够形成具有优良的力学性能的马氏体微结构。

可以使用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。

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

可以采用无保护气体，直接在空气中进行焊接。

激光束可以使用一束或两束组合，光斑直径为0.2～1.6mm，双光斑间距为0～3mm。

送丝喷嘴可以置于激光束前面或后面，与焊接头进行同步焊接。

上述各种方法可以用于接合两块钢板。至少一块钢板具有铝和硅及其他元素组成的涂层。具体地，可以使用Al-Si涂层。

该方法利用焊丝中具有较高含量的Mo元素能够细化焊缝中的组织。在热冲压后，能够具有优良的力学性能的马氏体微结构。

可以看出，在这种情况下，不需要在焊接前去除钢基材的涂层，能够减少工序，提高生产效率，显著降低成本。

下面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。显然所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有作出创造性的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。

实施例一：

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°。

S5、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。

S6、焊后进行热冲压。

通过填充钼含量较高的不锈钢焊丝，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3所示。

实施例二：

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°。

S5、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。

S6、焊后进行热冲压。

通过填充钼含量较高的不锈钢焊丝，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4所示。

对比例一：

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，光斑直径为0.5mm，焊接过程中无保护气体，经过完全相同的热冲压工艺后，其熔合区组织为δ铁素体和板条马氏体。测得其拉伸强度仅仅为1180.6MPa，断裂位置为熔合区，如图5所示。

对比例二：

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，直径为1mm，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°，焊接过程中无保护气体。

焊后经过完全相同的热冲压工艺后，焊接接头的抗拉强度仅为1229.73MPa，断裂位置为熔合区，如图6所示。

对比例三：

专利号CN 106488824 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Usibor

板，填充的不锈钢焊丝中的Mo重量百分比为0.3％。

实施效果：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。

经试验发现，本发明提供的拼焊方法无需在焊接前去除涂层，通过填充钼含量较高的不锈钢焊丝，其中Mo的重量百分比为2.13％，焊丝拉伸强度为543MPa，经热冲压后，能够获得与母材强韧性一致的焊接接头。显著提高了产品的焊接质量和生产效率，同时也降低了生产成本。

尽管这里仅披露了若干实例，但是其他替代方案、修改、使用和/或其等效也是可能的。此外，还覆盖了所描述的实例的所有可能的组合。因此，本披露的范围不应由具体实例限制，而是应当仅通过正确解读所附权利要求书来确定。

Claims (8)

1.一种铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特征在于：选择含有钼的不锈钢焊丝作为填充焊丝；采用激光束对两块具有铝硅涂层的钢板实施拼焊；焊后进行热冲压；

所述的含有钼的不锈钢焊丝中Mo的重量百分比为0.5％～12％，焊丝拉伸强度为400～1200MPa。

2.根据权利要求1所述的铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特征在于，所述的含有钼的不锈钢焊丝中Mo的重量百分比为1％～10％重量，焊丝拉伸强度为450～1000MPa。

3.根据权利要求1所述的铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特征在于：所述的铝硅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，所述钢板厚度为0.5～5mm。

4.根据权利要求1所述的铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特征在于：焊接过程中使用激光束对两块钢板进行拼焊，同时送丝喷嘴向熔池进行送丝。

5.根据权利要求4所述的铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特征在于：所述焊丝直径为0.4～2mm，送丝角度为20～70°，所述焊丝与激光束的间距小于焊丝的直径，干伸长为2～30mm。

6.根据权利要求1-4任一所述的铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特征在于：所述两块钢板拼接最大间隙的宽度小于焊丝直径的50％。

7.根据权利要求1所述的铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特征在于：所述的热冲压是指对接合后的两块钢板进行加热，并采用水冷模具或水冷淬火。

8.根据权利要求7所述的铝硅涂层钢的激光拼焊方法，其特征在于：所述的热冲压的加热温度为830～1050℃，保温时间为1～20min，冷却速度大于等于27℃/s。

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