CN114986014A

CN114986014A - 一种用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝、拼焊板及其制造方法

Info

Publication number: CN114986014A
Application number: CN202210694844.5A
Authority: CN
Inventors: 成昌晶; 计遥遥; 王伟峰; 崔磊; 周世龙; 邓宗吉; 代朋虎
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2022-09-02

Abstract

本发明公开了一种用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝、拼焊板及其制造方法。该激光拼焊用焊丝包括若干外围丝，若干外围丝绞合方向为左捻或右捻；所述外围丝成分按重量百分比为：C：0.30～0.60％，Mn：2.0～4.0％，Si≤0.10％，S≤0.005％，P≤0.020％，Als：0.020～0.070％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：5.0～9.0％，Cr：0.30～0.60％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。利用由若干外围丝构成的焊丝，采用激光填丝焊的方式进行焊接，降低Al元素在焊缝中的偏析，减少焊缝中Al与Fe金属间化合物的产生。

Description

一种用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝、拼焊板及其制造方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，更具体地说，涉及一种用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝、拼焊板及其制造方法。

背景技术

随着汽车行业对汽车的安全性能、节能减排的要求越来越高，国内外越来越多开始关注超高强度钢，特别是热成形钢，既可减轻车身重量、实现节能和减排，又可提高汽车的安全性，其市场需求正逐步扩大。无涂层热成形钢由于热成形过程中高温产生大量氧化铁皮，需定期清理成形模具的模腔，降低了生产效率；同时增加抛丸处理工序，表层氧化导致脱碳也会降低材料性能。经过大量的试验研究，含铝镀层热成形钢尤其是铝硅镀层热成形钢可有效解决上述问题，因此正越来越广泛被接受使用。

激光拼焊是汽车制造中常用的一种连接方法，能够显著提升材料利用率，在汽车轻量化中发挥重要作用。然而上述的含铝镀层热成形钢尤其是铝硅镀层热成形钢激光拼焊过程中，铝硅镀层中的Al与Fe形成金属间化合物，这些化合物热冲压成形后具有较大脆性；同时，焊缝中过高的Al也会影响焊缝成分组织的相变，导致焊缝成分组织中铁素体的产生，铁素体的存在降低了焊缝力学性能。

为了解决上述问题，经检索，中国专利CN106232285A公开了用于制备旨在用于焊接随后在压力下硬化的涂覆有铝的钢板的方法和装置，对应的焊接坯件专利，采用部分剥离表面涂层的方法来改善焊缝性能。但是这种通过机械或烧蚀等手段剥离涂层方法，不仅要新增设备，而且对母材的厚度公差、平直度，涂层的厚度、宽度要求极高，生产难度大，效率低，不利于工业生产。

再如，中国专利CN112139667A公开了一种热冲压成形钢超声辅助摆动激光焊接方法，通过在激光头中添加扫描振镜系统以产生摆动激光，通过调整激光束和超声波控制熔池内热场分布和流场分布，降低Al元素的相对含量，提高组织均匀性，消除由于铁素体的大量聚集造成的焊缝性能损失。但是这种方法需要对激光焊接设备进行升级改造，成本高，不易控制。

再如，中国专利CN112455024A公开了一种激光拼焊预镀层钢板及其热冲压成形构件，通过控制基体钢板的成分和厚度及其预镀层厚度来控制焊缝的成分，使得在激光焊接期间不需要利用额外的辅助手段。但是对镀层厚度和基体成分厚度有严格要求，超过该范围无法实施。

再如，中国专利CN111390425A公开了热冲压成形Al-Si涂层板用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝及拼焊方法，该专利开发一种焊丝，采用激光添丝焊接的方式来获得优质焊缝性能。但是Al-Si涂层单面的厚度仅限于25±5um，并没有对范围外其他涂层厚度进行焊丝设计上的变化说明。

此外，中国专利CN108213711A公开了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，在焊丝中添加富奥氏体贫铁素体元素，通过稀释和元素过渡的综合方式，抑制铝硅镀层的影响；以及中国专利CN106475683A公开了一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法，该方法是在两块热成形钢板间的间隙中填充金属镍或金属铬，从而提高焊缝接头的强度和韧性，使其达到母材水平。然而在实际使用过程中，上述专利公开的技术，仍会有Al进入到焊缝能中，且在焊缝中发生偏析造成成分不均匀，使得焊缝的强度降低。

发明内容

1.要解决的问题

针对上述焊接过程中含铝镀层含有的Al进入焊缝，Al在焊缝中的易发生偏析造成成分不均匀，降低焊缝强度的问题，本发明提供一种用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，降低Al在焊缝中的偏析现象，从而提升焊缝性能。

本发明的另一目的是提供一种含铝镀层热成形钢拼焊板及其制造方法，通过激光填丝焊接，在热冲压成形后使焊缝获得具有不低于基材的机械性能。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

由于含铝镀层热成形钢表面镀层的存在，焊接过程中镀层含有的Al进入焊缝，形成金属间化合物，在热成形后具有较大脆性，影响焊缝性能。同时，过多的Al存在会提高奥氏体化温度，造成焊缝不能完全奥氏体化，热成形后焊缝存在部分铁素体组织，降低焊缝强度。同时，Al在焊缝中的易发生偏析，与其他组分反应也会造成成分不均匀，尤其是铝氧化后生成孔状三氧化二铝，进一步增加了焊缝的气孔率。

本发明的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，包括若干外围丝，所述若干外围丝绞合方向为左捻或右捻，因其具有螺旋结构，在激光焊接过程中对焊缝具有一定的旋转搅拌作用，有助于降低Al在焊缝中的偏析，从而提升焊缝性能。所述外围丝的直径为0.1～1.0mm，所述外围丝成分按重量百分比为：C：0.30～0.60％，Mn：2.0～4.0％，Si≤0.10％，S≤0.005％，P≤0.020％，Als：0.020～0.070％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：5.0～9.0％，Cr：0.30～0.60％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的外围丝成分中加入比基材更多的奥氏体稳定元素C、Mn、Ni等，降低了奥氏体化温度，确保焊缝热成形过程中能够大部分或完全奥氏体化，这里的大部分表示为99％以上的含量。

需要说明的是：本发明的含铝镀层热成形钢拼焊板焊缝中Al的含量一方面取决于镀层厚度t1，即镀层中的Al含量，另一方面也与焊接基体厚度t2有关。镀层厚度t1大，焊缝中Al的含量相对高；基体厚度t2大，焊缝中Al的含量相对低。因此t1/t2基本上决定着焊缝中Al的相对含量，t1/t2的值变化时，需要不同要求的焊丝来匹配。特别是当t1/t2相对较大时，对焊丝的成分要求也变的更高，单一成分焊丝无法满足。根据t1/t2值，使用不同成分的单个外围丝机械绞合，满足不同焊缝性能要求，无需重新炼钢制丝。

在本发明中，所述含铝镀层包括铝硅镀层、纯铝镀层或铝合金镀层，优选的，所述用于钢板涂覆铝硅镀层的热浸镀液的成分重量百分比为Al：≥60％，Fe：≤20％，Si：≥4％及不可避免杂质。

本发明的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝包括中心丝和外围丝，所述中心丝的直径为0.1～1.0mm；所述外围丝围绕中心丝绞合方向为左捻或右捻；所述中心丝成分按重量百分比含有：C：0.10～0.40％，Mn：1.0～3.0％，Si≤0.10％，S≤0.005％，P≤0.020％，Als：0.020～0.070％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：3.0～6.0％，Cr：0.10～0.40％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

如上述，特别是当t1/t2相对较大时，对焊丝的成分要求也变的更高，单一成分焊丝无法满足。根据t1/t2值，使用不同成分的单个外围丝和中心丝机械绞合，满足不同焊缝性能要求，无需重新炼钢制丝。

于本发明一种可能的实施方式中，所述铝硅镀层热成形钢镀层单侧厚度为6～30um。

于本发明一种可能的实施方式中，所述铝硅镀层热成形钢基体厚度为0.5～2.5mm。

本发明还提供了一种含铝镀层热成形钢拼焊板的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据不同含铝镀层热成形钢镀层和基体状态，设计选择上述用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝；

步骤(2)：将含铝镀层热成形钢板进行激光填丝焊接得到激光拼焊板；

步骤(3)：将步骤(2)激光拼焊板进行热冲压成形，并激光切除多余边料。形成含铝镀层热成形钢拼焊板。

所述步骤(1)中，优选的铝硅镀层热成形钢基体成分为：C：0.20～0.35％，Mn：1.0～1.5％，Si：0.18～0.45％，S≤0.005％，P≤0.020％，Als：0.010～0.080％，Ti：0.020～0.050％，B：0.0010～0.0050％，Cr：0.10～0.50％，Nb：0.020～0.050％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。基体厚度范围为0.5～2.5mm。

于本发明一种可能的实施方式中，所述激光填丝焊接功率为1000～10000W，焊接速度为2～18m/min，送丝速度为1～12m/min，焊丝垂直夹角为30°～70°，保护气体为氩气，保护气体流量为10～30L/min。

于本发明一种可能的实施方式中，所述含铝镀层热成形钢板的焊缝装配宽度为0.1～1.0mm。

于本发明一种可能的实施方式中，所述热冲压成形的加热温度为800～950℃，加热时间为180～500s，冷却速度为大于25℃/s。

本发明还提供了一种由上述含铝镀层热成形钢拼焊板的制造方法得到的含铝镀层热成形钢拼焊板，焊缝的金相组织大部分或全部为马氏体；拼焊板的屈服强度为≥950MPa，抗拉强度：≥1300MPa，断后延伸率A50≥5％。这里的大部分表示为99％以上的金相组织为马氏体，还含有少量的铁素体。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，利用由若干外围丝构成的焊丝，采用激光填丝焊的方式进行焊接，降低Al元素在焊缝中的偏析，减少焊缝中Al与Fe金属间化合物的产生，焊缝在热成形后大部分或全部转变成马氏体组织，使焊缝强度与韧性得到提升，具有不低于基材的机械性能；

(2)本发明的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，针对不同的镀层与基材状态可采用不同结构的多股复合焊丝，无需重新炼钢制丝即可实现焊丝成分与直径的变化，显著降低了成本，提升效率，并且可焊接的镀层与基体范围广。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明三种实施例的复合焊丝结构示意图；

图2为本发明一种实施例的复合焊丝立体结构示意图；

图3为本发明含铝镀层热成形钢拼焊板焊缝的金相图。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

含铝镀层热成形钢尤其是铝硅镀层热成形钢激光拼焊的焊缝质量，除了激光拼焊工艺影响，还与镀层成分、镀层厚度、基体成分、基体厚度等因素密切相关，很难有一种焊丝能够同时满足不同镀层、基体状态下焊缝性能要求。这就需要针对不同镀层、基体状态等强相关因素，开发出满足不同条件的焊丝及拼焊方法，获取不低于基材的焊缝性能。

基于此，本发明提供了一种含铝镀层热成形钢拼焊板的制造方法，包括以下步骤：

步骤(3)：将步骤(2)激光拼焊板进行热冲压成形，并激光切除多余边料，形成含铝镀层热成形钢拼焊板。

下面以具体实施例来详细描述本发明的实施方式。

所述步骤(1)中，铝硅镀层热成形钢镀层成分见表1。

表1镀层化学成分

所述步骤(1)中，铝硅镀层热成形钢基体成分见表2。

表2基体化学成分

实施例采用表3所示4组不同基体与镀层参数的铝硅镀层热成形钢板。

表3基体与镀层相关参数

所述步骤(1)中，焊丝为多股复合结构，如图1和图2所示，由0～10个中心丝和1～20个外围丝组成，单个焊丝直径为0.1～1.0mm。焊丝绞合方向为左捻或者右捻，因其具有螺旋结构，在激光焊接过程中对焊缝具有一定的旋转搅拌作用，有助于降低Al在焊缝中的偏析，提升焊缝成分均匀性，从而提升焊缝性能。焊丝设计参数见表4。

表4焊丝参数设计

表4中，设计中心丝成分按重量百分比含有：C：0.10～0.40％，Mn：1.0～3.0％，Si≤0.10％，S≤0.005％，P≤0.020％，Als：0.020～0.070％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：3.0～6.0％，Cr：0.10～0.40％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

在本实施例中，优选的，设计中心丝成分按重量百分比含有：C：0.40％，Mn：3.0％，Si：0.10％，S：0.005％，P：0.020％，Als：0.070％，Nb：0.050％，Ti：0.050％，Ni：6.0％，Cr：0.40％，N：0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

表4中，设计外围丝成分按重量百分比含有：C：0.30～0.60％，Mn：2.0～4.0％，Si≤0.10％，S≤0.005％，P≤0.020％，Als：0.020～0.070％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：5.0～9.0％，Cr：0.30～0.60％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

在本实施例中，优选的，设计外围丝成分按重量百分比含有：C：0.60％，Mn：4.0％，Si：0.10％，S：0.005％，P：0.020％，Als：0.070％，Nb：0.050％，Ti：0.050％，Ni：9.0％，Cr：0.60％，N：0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步的，所述步骤(2)中，激光拼焊功率为10000W，焊接速度为18m/min，送丝速度为12m/min，焊丝垂直夹角为70°，保护气体为氩气，保护气体流量为30L/min。

进一步的，所述步骤(2)中，焊缝装配宽度为1.0mm。

进一步的，所述步骤(3)中，所述热冲压成形的加热温度为950℃，加热时间为500s，冷却速度为30℃/s。

将各实施例中激光拼焊板制成拉伸试样，使焊缝位于试样中间位置，进行拉伸实验，结果见表5。

表5激光拼焊板性能参数

如图3所示，实施例1、实施例2、实施例3采用本发明所设计的焊丝及焊接方法，激光拼焊板热冲压成形后焊缝为几乎全部为马氏体组织，机械性能优于基体性能；而对比例1为无添加焊丝直接激光焊接，激光拼焊板热冲压成形后焊缝组织为马氏体+铁素体，其中铁素体含量为13％，力学性能显著降低。

本发明无需在焊前去除镀层，利用上述焊丝，采用激光填丝焊的方式进行焊接，焊缝强度与韧性得到提升，具有不低于基材的机械性能。同时，针对不同的镀层与基材状态可采用不同结构的焊丝，无需重新炼钢制丝即可实现焊丝成分与直径的变化，显著降低了成本，提升效率，并且可焊接的镀层与基材范围广。

上述说明仅对本发明进行了具体的示例性描述，需要说明的是本发明具体的实现并不受上述具体方式的限制，只要采用了本发明的技术构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的技术构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，其特征在于，包括若干外围丝，所述若干外围丝绞合方向为左捻或右捻；所述外围丝成分按重量百分比为：C：0.30～0.60％，Mn：2.0～4.0％，Si≤0.10％，S≤0.005％，P≤0.020％，Als：0.020～0.070％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：5.0～9.0％，Cr：0.30～0.60％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，其特征在于，还包括若干中心丝，所述外围丝围绕中心丝绞合方向为左捻或右捻；所述中心丝成分按重量百分比为：C：0.10～0.40％，Mn：1.0～3.0％，Si≤0.10％，S≤0.005％，P≤0.020％，Als：0.020～0.070％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：3.0～6.0％，Cr：0.10～0.40％，N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，其特征在于，所述外围丝的直径为0.1～1.0mm；所述中心丝的直径为0.1～1.0mm。

4.根据权利要求3所述的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，其特征在于，所述含铝镀层热成形钢镀层单侧厚度为6～30um；所述含铝镀层热成形钢基体厚度为0.5～2.5mm。

5.根据权利要求4所述的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝，其特征在于，所述外围丝的成分相同或不同；所述中心丝的成分相同或不同。

6.一种含铝镀层热成形钢拼焊板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：根据不同含铝镀层热成形钢镀层和基体状态，设计选择权利要求1至5任一项所述的用于含铝镀层热成形钢激光拼焊用焊丝；

7.根据权利要求6所述的含铝镀层热成形钢拼焊板的制造方法，其特征在于，所述激光填丝焊接功率为1000～10000W，焊接速度为2～18m/min，送丝速度为1～12m/min，焊丝垂直夹角为30°～70°，保护气体为氩气，保护气体流量为10～30L/min。

8.根据权利要求7所述的含铝镀层热成形钢拼焊板的制造方法，其特征在于，所述含铝镀层热成形钢板的焊缝装配宽度为0.1～1.0mm。

9.根据权利要求8所述的含铝镀层热成形钢拼焊板的制造方法，其特征在于，所述热冲压成形的加热温度为800～950℃，加热时间为180～500s，冷却速度为大于25℃/s。

10.一种由权利要求6至9任一项所述含铝镀层热成形钢拼焊板的制造方法得到的含铝镀层热成形钢拼焊板，焊缝的金相组织大部分或全部为马氏体；拼焊板的屈服强度为≥950MPa，抗拉强度：≥1300MPa，断后延伸率A50≥5％。