CN114734144A - 一种基于高熵合金中间层的twip钢激光焊接方法 - Google Patents

一种基于高熵合金中间层的twip钢激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，以高熵合金作为中间层，采用激光焊接方法对TWIP钢进行连接，包括如下步骤：制备高熵合金材料，并切割成薄片，其中高熵合金材料为CoCrFeNiMn及其子合金体系中的至少一种；TWIP钢热处理，将待焊接的TWIP钢置于电热炉中进行退火处理，然后进行水淬处理；将热处理后的TWIP钢进行表面处理，去除其表面氧化层；将高熵合金薄片置于无水乙醇中进行超声清洗15‑40min，然后取出烘干；将高熵合金薄片置于两块TWIP钢之间，使其贴合于待焊面，在保护气体氛围下，采用激光焊接，得到TWIP钢焊接接头。本发明提供的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，可提高TWIP钢焊接接头强度，保证整体焊接质量。

Description

一种基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法。
背景技术
汽车的轻量化设计已经成为当今汽车行业研究的主要趋势，其旨在减少汽车车身质量，降低能源消耗，使得相应的尾气排放量也降低。因此，迫切需要具有优秀成形性能的薄规格超高强度汽车板来减轻汽车自重。目前，在众多的新型钢铁材料中，拥有低层错能的高锰奥氏体钢(TWIP钢)最具潜力，其良好的强度和塑性匹配和优异的撞击能量吸收能力及成形性能使其迅速成为汽车用钢焦点。
TWIP钢又被称为孪晶诱导塑性变形钢，其通常具有较低的层错能，因而，其临界孪生应力较低，在塑性变形开始阶段，甚至弹性变形阶段容易出现变形孪晶。而变形孪晶能够有效地阻碍位错运动，缩短位错平均自由程，从而提高合金的加工硬化能力。因此，TWIP钢兼具高的抗拉强度和良好的塑性以及高的能量吸收能力。因而，使用TWIP钢作为汽车用钢可以在保证车身强度和安全性的同时减轻车辆自重，从而有效的达到节能减排的目的。
焊接是汽车制造工艺中最重要的一个环节，焊接接头的性能将直接影响汽车的寿命和可靠性。在一般焊接技术中，激光焊接技术由于激光束光斑小，能量集中，使得其焊接热影响区小，焊后残余应力小，极大的确保了焊接质量与焊接效率。因而，目前，激光焊接已经广泛的在汽车、造船、核电、航天等国民经济重要行业领域中得到了应用。
但对TWIP钢而言，其在焊接过程中，焊缝元素烧损偏析严重，晶界处易存在MnS，Al2O3等偏析颗粒，使得焊接后伸长率仅为母材的50％左右，其力学性能大为下降，极大的限制了其在汽车用钢中的使用。
鉴于此，有必要提供一种新的工艺解决TWIP钢的焊接问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，可提高TWIP钢焊接接头强度，保证整体焊接质量。
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，以高熵合金作为中间层，采用激光焊接方法对TWIP钢进行连接，包括如下步骤：
步骤S1，制备高熵合金材料，并切割成薄片，其中高熵合金材料为CoCrFeNiMn及其子合金体系中的至少一种；
步骤S2，TWIP钢热处理，将待焊接的TWIP钢置于电热炉中进行退火处理，然后进行水淬处理，其中退火工艺为：加热速率8-12℃/min，保温温度为950-1100℃，保温时间为0.5-2h；
步骤S3，将热处理后的TWIP钢进行表面处理，去除其表面氧化层；
步骤S4，将步骤S1的高熵合金薄片置于无水乙醇中进行超声清洗15-40min，然后取出烘干；
步骤S5，将步骤S4的高熵合金薄片置于两块TWIP钢之间，使其贴合于待焊面，在保护气体氛围下，采用激光焊接，得到TWIP钢焊接接头，其中焊接工艺为：焊接功率为2-3KW，焊接速度为50-400mm/min，光斑大小为600um。
进一步地，步骤S1中，高熵合金薄片的厚度为0.1-0.5mm。
进一步地，CoCrFeNiMn的子合金体系为CoCrFeNi或CoCrNi。
进一步地，步骤S1中，高熵合金薄片的制备工艺包括如下步骤：
将金属原料颗粒按照高熵合金材料的原子比进行配比、称重，利用电弧熔炼炉反复熔炼4-6次，吸铸得到方形铸锭；
在氩气保护下，铸锭在1150-1250℃均匀化热处理20-30h，水淬；
利用线切割技术将高熵合金铸锭切割成厚度为0.1-0.5mm，形状尺寸与待焊面一致的金属薄片；
将高熵合金薄片依次按照400#，600#，800#打磨至表面光亮且无明显氧化层。
进一步地，步骤S3中，依次按照400#，600#，800#打磨TWIP钢表面至其光亮且无明显氧化层。
进一步地，步骤S4中，采用冷风干燥。
进一步地，步骤S5中，保护气体为氩气，其流量为10-30L/min。
与现有技术相比，本发明提供的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，有益效果在于：
本发明提供的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，采用高熵合金作为中间层，高熵合金具有一系列“特异”效应：热力学上的高熵效应、动力学上的迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应、性能上的鸡尾酒效应。其中，其特有的高熵效应会使得合金组织容易得到简单的无序固溶体结构，避免复杂的金属间化合物生成，同时，其在动力学上的迟滞扩散效应可以有效减少晶粒大小，提高合金强度。因而，在TWIP钢的焊接过程中，通过高熵合金作为中间层，可以充分利用高熵合金的高熵值，极大的提高TWIP钢焊缝的合金熵，充分利用高熵效应使得焊缝处合金形成简单有序的固溶体，减少甚至避免TWIP钢焊接过程中焊缝区域Fe、Mn等元素的偏析，同时高熵值本身所带有的原子动力学上的迟滞扩散效应，进一步限制了焊缝凝固过程中原子的扩散，从而进一步减小焊缝金属的晶粒尺寸，有效的提高TWIP钢焊接焊缝的强度。
因此，本发明提供的焊接方法，在焊接过程中，激光器发出的激光束均匀的覆盖住高熵合金中间层，在熔化高熵合金中间层薄片的同时均匀熔化两侧待焊母材，使其焊缝合金化，高熵化，避免焊缝的中脆硬相的形成，有效的提高焊接接头性能，保证整体的焊接质量。
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TWIP钢退火过程的热处理工艺图；
图2为激光焊接过程示意图，其中1-激光器焊接头，2-待焊TWIP钢，3-高熵合金薄片，4-保护气；
图3为实施例1与对比例所得焊接接头的应力-应变曲线；
图4为实施例2与对比例所得焊接接头的应力-应变曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。
一种基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，以高熵合金作为中间层，采用激光焊接方法对TWIP钢进行连接，包括如下步骤：
步骤S1，制备高熵合金材料，并切割成薄片，其中高熵合金材料为CoCrFeNiMn及其子合金体系中的至少一种；
本发明中，为进一步保证TWIP钢的焊接质量，应当考虑减少焊接过程中的残余应力分布以及由于成分元素差异带来的焊缝熔融区与热影响区的物理性质差异，因而需要降低焊缝区域与母材之间的化学梯度，因此，高熵合金成分的选择应基于母材成分的框架内，所以本发明高熵合金材料为CoCrFeNiMn及其子合金体系中的至少一种；优选地，CoCrFeNiMn的子合金体系为CoCrFeNi或CoCrNi。
具体的，包括如下步骤：
将金属原料颗粒(纯度为99.99％)按照高熵合金材料的原子比进行配比、称重，利用电弧熔炼炉反复熔炼4-6次，吸铸得到方形铸锭；
在氩气保护下，铸锭在1150-1250℃均匀化热处理20-30h，水淬；其中，热处理温度可以是1150℃、1180℃、1200℃、1225℃或1250℃，也可以为该范围内的其他温度值；热处理时间可以为20h、22h、24h、28h或30h，也可以为该范围内的其他值；
利用线切割技术将高熵合金铸锭切割成厚度为0.1-0.5mm，形状尺寸与待焊面一致的金属薄片；
将高熵合金薄片依次按照400#，600#，800#打磨至表面光亮且无明显氧化层。
步骤S2，TWIP钢热处理，将待焊接的TWIP钢置于电热炉中进行退火处理，然后进行水淬处理，其中退火工艺为：加热速率8-12℃/min，保温温度为950-1100℃，保温时间为0.5-2h；
具体的，加热速率可以为8℃/min、9℃/min、10℃/min、11℃/min或12℃/min，还可以为该范围内的其他值；保温温度可以为950℃、980℃、1000℃、1020℃、1050℃、1080℃或1100℃，也可以为该范围内的其他值；保温时间为0.5h、1h、1.5h或2h，也可以为该范围内的其他时间值。
步骤S3，将热处理后的TWIP钢进行表面处理，去除其表面氧化层；
具体的，同高熵合金薄片的表面处理工艺相同，依次按照400#，600#，800#打磨TWIP钢表面至其光亮且无明显氧化层。
步骤S4，将步骤S1的高熵合金薄片置于无水乙醇中进行超声清洗15-40min，然后取出烘干；
具体的，超声清洗时间可以为15min、20min、25min、30min、35min或40min，也可以为该范围内的其他值；
清洗后采用冷风干燥。
步骤S5，将步骤S4的高熵合金薄片置于两块TWIP钢之间，使其贴合于待焊面，在保护气体氛围下，采用激光焊接，得到TWIP钢焊接接头，其中焊接工艺为：焊接功率为2-3KW，焊接速度为50-400mm/min，光斑大小为600um。
具体的，使用光纤激光器进行激光焊接，焊接功率可以为2KW、2.5KW或3KW，也可以为该范围内的其他值；焊接速度可以为50mm/min、100mm/min、150mm/min、200mm/min、250mm/min、300mm/min、350mm/min或400mm/min，也可以为该范围内的其他值；
保护气体选择氩气，且保护气体的流量为10-30L/min，如可以是10L/min、15L/min、18L/min、20L/min、25L/min或30L/min，也可以为该范围内的其他值。
以下通过具体的实施例对本发明提供的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法进行详细阐述。
实施例1
本实施例所选用的中间层成分为CoCrFeNi高熵合金，其原子比为Co:Cr:Fe:Ni＝1:1:1:1。
一种基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，具体步骤如下：
将金属原料颗粒(纯度为99.99％)的Co，Cr，Fe，Ni按照1:1:1:1的原子比进行配比，称重，利用电弧熔炼炉反复熔炼5次，吸铸得到方形铸锭。在氩气保护下，铸锭在1200℃均匀化热处理24h，水淬。然后，利用线切割技术将高熵合金切割成厚度为0.5mm，其余尺寸与待焊面尺寸相同的金属薄片，最后，将金属薄片依次按照400#，600#，800#打磨至表面光亮且无明显氧化层；
将待焊接的TWIP钢放入电热炉中进行退火处理，加热速率为10℃/min，保温温度为1000℃，保温时间为1h，退火后进行水淬处理，请参阅图1，为TWIP钢退火过程的热处理工艺图；然后，依次按照400#，600#，800#打磨至表面光亮且无明显氧化层，并将其与CoCrFeNi高熵合金中间层薄片置于无水乙醇中进行超声波清洗20min，然后取出烘干；并将高熵合金中间层放置于两块TWIP钢中间，使其贴合于待焊面，接着在氩气保护下，采用光纤激光器进行焊接，焊接功率为3KW，焊接速度为200mm/min，光斑大小为600um。
请结合参阅图2，为激光焊接过程示意图，其中1-激光器焊接头，2-待焊TWIP钢，3-高熵合金薄片，4-保护气。
对焊接后的焊接接头的拉伸强度进行测试，所得应力-应变曲线如图3所示。
为进一步对比焊接效果，通过控制母材的成分、预处理方式以及焊接方法与实施例1相同，但不加入中间层直接进行激光焊接，从而得到TWIP钢焊接接头，所得焊接接头的拉伸强度测试结果如图3所示。
由图3可以看出，未加入高熵合金中间层直接进行激光焊接的焊接接头的拉伸强度为382.6MPa，延伸率为4.74％；而实施例1中加入CoCrFeNi高熵合金中间层进行激光焊接的焊接接头的拉伸强度为444.1MPa，延伸率为12.23％。因此，本实例中所使用CoCrFeNi高熵合金薄片作为TWIP钢的焊接中间层，所得的焊接接头具有更高的强度和更好的延伸率。
实施例2
本实施例与实施例1的焊接方法基本相同，不同点在于：所用高熵合金成分为CoCrNi，其原子比为Co:Cr:Ni＝1:1:1。
对加CoCrNi为中间层的TWIP钢焊接接头与对比样TWIP钢直接焊接的焊接接头进行测试，所得应力-应变曲线如图4所示。
由图4可以看出，未加入中间层直接进行激光焊接的焊接接头的拉伸强度为382.6MPa，延伸率为4.74％，而实施例2加入CoCrNi高熵合金进行激光焊接的焊接接头的拉伸强度为384.7MPa，延伸率为6.83％。可见，本实例中所使用CoCrNi高熵合金薄片作为TWIP钢的焊接中间层，所得的焊接接头具有更高的强度和更好的延伸率。
本发明提供的焊接方法，在焊接过程中，激光器发出的激光束均匀的覆盖住高熵合金中间层，在熔化高熵合金中间层薄片的同时均匀熔化两侧待焊母材，使其焊缝合金化，高熵化，避免焊缝的中脆硬相的形成，有效的提高焊接接头性能，保证整体的焊接质量。
以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，其特征在于，以高熵合金作为中间层，采用激光焊接方法对TWIP钢进行连接，包括如下步骤：
步骤S1，制备高熵合金材料，并切割成薄片，其中高熵合金材料为CoCrFeNiMn及其子合金体系中的至少一种；
步骤S2，TWIP钢热处理，将待焊接的TWIP钢置于电热炉中进行退火处理，然后进行水淬处理，其中退火工艺为：加热速率8-12℃/min，保温温度为950-1100℃，保温时间为0.5-2h；
步骤S3，将热处理后的TWIP钢进行表面处理，去除其表面氧化层；
步骤S4，将步骤S1的高熵合金薄片置于无水乙醇中进行超声清洗15-40min，然后取出烘干；
步骤S5，将步骤S4的高熵合金薄片置于两块TWIP钢之间，使其贴合于待焊面，在保护气体氛围下，采用激光焊接，得到TWIP钢焊接接头，其中焊接工艺为：焊接功率为2-3KW，焊接速度为50-400mm/min，光斑大小为600um。
2.根据权利要求1所述的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，其特征在于，步骤S1中，高熵合金薄片的厚度为0.1-0.5mm。
3.根据权利要求1所述的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，其特征在于，CoCrFeNiMn的子合金体系为CoCrFeNi或CoCrNi。
4.根据权利要求1所述的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，其特征在于，步骤S1中，高熵合金薄片的制备工艺包括如下步骤：
将金属原料颗粒按照高熵合金材料的原子比进行配比、称重，利用电弧熔炼炉反复熔炼4-6次，吸铸得到方形铸锭；
在氩气保护下，铸锭在1150-1250℃均匀化热处理20-30h，水淬；
利用线切割技术将高熵合金铸锭切割成厚度为0.1-0.5mm，形状尺寸与待焊面一致的金属薄片；
将高熵合金薄片依次按照400#，600#，800#打磨至表面光亮且无明显氧化层。
5.根据权利要求1所述的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，其特征在于，步骤S3中，依次按照400#，600#，800#打磨TWIP钢表面至其光亮且无明显氧化层。
6.根据权利要求1所述的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，其特征在于，步骤S4中，采用冷风干燥。
7.根据权利要求1所述的基于高熵合金中间层的TWIP钢激光焊接方法，其特征在于，步骤S5中，保护气体为氩气，其流量为10-30L/min。
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