CN115582624A - 一种采用双激光束焊接超高强钢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料加工工程技术领域，具体涉及一种采用双激光束焊接超高强钢的方法，包括：以下步骤进行：S1、将待焊超高强钢板件进行清洗、打磨和预热处理；S2、将处理后的待焊超高强钢板件置于工作台上，用夹具固定夹紧，并将两块待焊超高强钢板件两端点焊固定，双激光束采用串联布置，激光器工作头垂直设置于两块待焊超高强钢板件对接处的上方，其中，前置激光束的峰值功率大于后置激光束的峰值功率，前置激光束设于后置激光束的前方；相比交叉激光束焊接具有更高的束间距，因而后置激光束令超高强钢板件焊后冷却速度有所降低，缓解了已凝固焊缝内残余应力的聚集，降低了应力水平，能够获得强度高、硬度适中的已凝固焊缝。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工工程技术领域，具体涉及一种采用双激光束焊接超高强钢的方法。
背景技术
轻量化是汽车以及交通运输行业"减重节能"的需要，采用高强度钢板不但可以实现汽车的轻量化，同时还能提高汽车的被动安全性，因此高强度钢板在汽车上的使用日益增多。而高强钢由于其强度和硬度较高，在焊缝冷却过程中会析出大量的淬硬性元素导致焊缝部位韧性较差；另外焊缝热输入过大、焊缝冷却速度过快又容易导致焊缝区残余应力水平较高而在使用时产生延时裂纹。因此，在对超高强钢进行焊接时，改善焊缝热输入及焊后冷却成为了降低残余应力，保证接头强度的重要思路。
现今，除了借助传统电弧焊焊接高强钢，激光焊接以及电子束焊凭借其热源集中、热输入容易控制以及可实现自动化的优点逐渐被广泛使用，包括激光焊、激光-MAG复合焊和其它激光复合焊接。其中，激光焊虽然能够得到强度高、变形小的接头，但其易使马氏体分解析出网状渗碳体，且存在气孔、不规则焊道、咬边、焊瘤及凝固开裂等焊接缺欠，焊后需要进一步热处理以改善接头韧性；而激光-电弧复合焊由于引入了弧焊设备，相较纯激光焊其焊缝热影响区增大，焊缝周边力学性能受影响，且焊接飞溅、电弧稳定性也是复合焊需要解决的问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的焊缝冷却过程中会析出大量的淬硬性元素导致焊缝部位韧性较差；另外焊缝热输入过大、焊缝冷却速度过快又容易导致焊缝区残余应力水平较高的问题，从而提供一种相比交叉激光束焊接具有更高的束间距，因而后置激光束令超高强钢板件焊后冷却速度有所降低，缓解了已凝固焊缝内残余应力的聚集，降低了应力水平，能够获得强度高、硬度适中的已凝固焊缝的采用双激光束焊接超高强钢的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种采用双激光束焊接超高强钢的方法，包括：以下步骤进行：S1、将待焊超高强钢板件进行清洗、打磨和预热处理；S2、将处理后的待焊超高强钢板件置于工作台上，用夹具固定夹紧，并将两块待焊超高强钢板件两端点焊固定，双激光束采用串联布置，激光器工作头垂直设置于两块待焊超高强钢板件对接处的上方，其中，前置激光束的峰值功率大于后置激光束的峰值功率，前置激光束设于后置激光束的前方；S3、激光束参数的设定：激光束采用平行双束系统，两激光束的入射角均为90°、两激光束离焦量均为-4mm～+4mm、激光束功率输出稳定性＜2％，保护气选择氩气保护，控制气体流量为15～20L/min；正面焊缝：前置激光束峰值功率为3.0kw～4.0kw，后置激光束峰值功率为1.5kw～2.0kw，束间距为4～12mm，焊接速度为0.5m/min～1.5m/min；背面焊缝：前置激光束峰值功率为1.5kw～3.0kw，后置激光束峰值功率为0.5kw～1.0kw，束间距为6～12mm，焊接速度为1.0m/min～2.0m/min；S4、将S3焊接后的超高强钢板件自然冷却，并对已凝固焊缝外观进行敲击及打磨处理。
进一步地，在S1中，对焊道两侧20mm的内表面进行打磨处理，使待焊超高强钢板件露出金属表面，并使用10％的丙酮溶液清除待焊区50mm范围内铁锈、油污，再冷却风干；预热温度为50～80℃。
进一步地，待焊超高强钢板件的板厚为8～12mm，抗拉强度为1750MPa。
进一步地，两块待焊超高强钢板件的间隙≤1.5mm。
进一步地，在S2中，激光器为连续光纤激光器，激光器激光头与待焊超高强钢板件平行放置。
进一步地，在S3中，前置激光束和后置激光束在焦点处形成的光斑直径为0.3～0.5mm。
进一步地，在S3中，保护气采用保护器侧吹装置输送，且保护器侧吹装置设于激光工作头的后方，保护方式为正面保护，保护器侧吹装置与激光入射方向呈20～35°夹角。
进一步地，在S3中，正面焊缝和背面焊缝时控制层间温度为100～150℃。
进一步地，连续光纤激光器的脉宽为2ms～8ms。
进一步地，对焊后的超高强钢板件打磨，并去除焊渣、焊点、毛刺，使已凝固焊缝光滑平整。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的采用双激光束焊接超高强钢的方法，包括：以下步骤进行：S1、将待焊超高强钢板件进行清洗、打磨和预热处理；S2、将处理后的待焊超高强钢板件置于工作台上，用夹具固定夹紧，并将两块待焊超高强钢板件两端点焊固定，双激光束采用串联布置，激光器工作头垂直设置于两块待焊超高强钢板件对接处的上方，其中，前置激光束的峰值功率大于后置激光束的峰值功率，前置激光束设于后置激光束的前方；S3、激光束参数的设定：激光束采用平行双束系统，两激光束的入射角均为90°、两激光束离焦量均为-4mm～+4mm、激光束功率输出稳定性＜2％，保护气选择氩气保护，控制气体流量为15～20L/min；正面焊缝：前置激光束峰值功率为3.0kw～4.0kw，后置激光束峰值功率为1.5kw～2.0kw，束间距为4～12mm，焊接速度为0.5m/min～1.5m/min；背面焊缝：前置激光束峰值功率为1.5kw～3.0kw，后置激光束峰值功率为0.5kw～1.0kw，束间距为6～12mm，焊接速度为1.0m/min～2.0m/min；S4、将S3焊接后的超高强钢板件自然冷却，并对已凝固焊缝外观进行敲击及打磨处理。
该采用双激光束焊接超高强钢的方法采用串联双束激光焊接超高强钢板件，相比交叉激光束焊接具有更高的束间距，因而后置激光束令超高强钢板件焊后冷却速度有所降低，缓解了已凝固焊缝内残余应力的聚集，降低了应力水平，能够获得强度高、硬度适中的已凝固焊缝；另通过调整两激光束间距，后置激光束可发挥不同的作用，减小束间距可形成单独钥孔，以增大激光焊接熔深，而增大束间距并调整后置激光束为散焦光束，在进一步降低冷却速度的同时，也省略了焊后热处理的步骤。
另外双束串联激光束可调的束间距，在面对不同厚度的超高强钢板件焊接时，可发挥不同的作用。当束间距较小时，两激光束作用于焊接熔池小范围内，形成一个钥孔，在厚板焊接时，可提供较大熔深，减少焊接道数，提高焊接效率；增加束间距，使两激光束仍作用于一个熔池的同时形成两个钥孔，增大熔池面积，使熔池内熔融金属的质量流动模式发生改变，均匀化熔池成分；继续增加束间距，同时减小后置激光束的热功率，必要时通过散焦减少其单位面积热输入，使后置激光束起到热处理、及减小冷却速率的作用，大束间距双束激光焊可用于焊接薄板以省去焊后热处理步骤以提高生产效率。
相比于单激光束产生的完全熔透的焊接接头，单束激光焊接所产生的已凝固焊缝粗糙而不规则。在单束激光焊接中，其高速下所产生的浅焊道的外表是可接受的，但在低速下较深的已凝固焊缝中则出现表面缺陷，其已凝固焊缝是不规则的。但是，双束工艺所产生的已凝固焊缝平滑，双束激光的已凝固焊缝始终是平滑的，获得了良好的已凝固焊缝质量。
2.本发明提供的采用双激光束焊接超高强钢的方法，在S1中，对焊道两侧20mm的内表面进行打磨处理，使待焊超高强钢板件露出金属表面，并使用10％的丙酮溶液清除待焊区50mm范围内铁锈、油污，再冷却风干，保证了待焊超高强钢板件露出金属表面，且金属表面光滑，从而便于双激光束将两块待焊超高强钢板件焊接呈一体件。
3.本发明提供的采用双激光束焊接超高强钢的方法，两块待焊超高强钢板件的间隙≤1.5mm。该间隙的设置，避免双激光束之间的间距过大或过小，使得双激光束之间的束间距基本处于恒定的状态，从而便于双激光束的焊接和加工。
4.本发明提供的采用双激光束焊接超高强钢的方法，在S2中，激光器为连续光纤激光器，激光器激光头与待焊超高强钢板件平行放置，保证了激光器输出的双激光束的焊接时的稳定性。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的采用双激光束焊接超高强钢的方法的工作示意图。
附图标记说明：
1、超高强钢板件；2、前置激光束；3、后置激光束；4、焊接熔池；5、束间距；6、已凝固焊缝。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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。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公开中的具体含义。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。
请参阅图1所示，本发明提供了一种采用双激光束焊接超高强钢的方法，包括以下步骤进行：S1、将待焊超高强钢板件1进行清洗、打磨和预热处理；S2、将处理后的待焊超高强钢板件1置于工作台上，用夹具固定夹紧，并将两块待焊超高强钢板件1两端点焊固定，双激光束采用串联布置，激光器工作头垂直设置于两块待焊超高强钢板件1对接处的上方，其中，前置激光束2的峰值功率大于后置激光束3的峰值功率，前置激光束2设于后置激光束3的前方；S3、激光束参数的设定：激光束采用平行双束系统，两激光束的入射角均为90°、两激光束离焦量均为-4mm～+4mm、激光束功率输出稳定性＜2％，保护气选择氩气保护，控制气体流量为15～20L/min；正面焊缝：前置激光束2峰值功率为3.0kw～4.0kw，后置激光束3峰值功率为1.5kw～2.0kw，束间距5为4～12mm，焊接速度为0.5m/min～1.5m/min；背面焊缝：前置激光束2峰值功率为1.5kw～3.0kw，后置激光束3峰值功率为0.5kw～1.0kw，束间距5为6～12mm，焊接速度为1.0m/min～2.0m/min；S4、将S3焊接后的超高强钢板件1自然冷却，并对已凝固焊缝6外观进行敲击及打磨处理。
该采用双激光束焊接超高强钢的方法采用串联双束激光焊接超高强钢板件1，相比交叉激光束焊接具有更高的束间距5，因而后置激光束3令超高强钢板件1焊后冷却速度有所降低，缓解了已凝固焊缝6内残余应力的聚集，降低了应力水平，能够获得强度高、硬度适中的已凝固焊缝6；另通过调整两激光束间距5，后置激光束3可发挥不同的作用，减小束间距5可形成单独钥孔，以增大激光焊接熔深，而增大束间距5并调整后置激光束3为散焦光束，在进一步降低冷却速度的同时，也省略了焊后热处理的步骤。
另外双束串联激光束可调的束间距5，在面对不同厚度的超高强钢板件1焊接时，可发挥不同的作用。当束间距5较小时，两激光束作用于焊接熔池4小范围内，形成一个钥孔，在厚板焊接时，可提供较大熔深，减少焊接道数，提高焊接效率；增加束间距5，使两激光束仍作用于一个熔池的同时形成两个钥孔，增大熔池面积，使熔池内熔融金属的质量流动模式发生改变，均匀化熔池成分；继续增加束间距5，同时减小后置激光束3的热功率，必要时通过散焦减少其单位面积热输入，使后置激光束3起到热处理、及减小冷却速率的作用，大束间距5双束激光焊可用于焊接薄板以省去焊后热处理步骤以提高生产效率。
相比于单激光束产生的完全熔透的焊接接头，单束激光焊接所产生的已凝固焊缝6粗糙而不规则。在单束激光焊接中，其高速下所产生的浅焊道的外表是可接受的，但在低速下较深的已凝固焊缝6中则出现表面缺陷，其已凝固焊缝6是不规则的。但是，双束工艺所产生的已凝固焊缝6平滑，双束激光的已凝固焊缝6始终是平滑的，获得了良好的已凝固焊缝6质量。
在一些可选的实施例中，在S1中，对焊道两侧20mm的内表面进行打磨处理，使待焊超高强钢板件1露出金属表面，并使用10％的丙酮溶液清除待焊区50mm范围内铁锈、油污，再冷却风干，保证了待焊超高强钢板件1露出金属表面，且金属表面光滑，从而便于双激光束将两块待焊超高强钢板件1焊接呈一体件。其中，预热温度为50～80℃。
在一些可选的实施例中，待焊超高强钢板件1的板厚为8～12mm，抗拉强度为1750MPa。具体地，待焊超高强钢板件1的型号为FD16。当然，也可以根据具体情况选择其他型号的待焊超高强钢板件1。
在一些可选的实施例中，两块待焊超高强钢板件1的间隙≤1.5mm。该间隙的设置，避免双激光束之间的间距过大或过小，使得双激光束之间的束间距5基本处于恒定的状态，从而便于双激光束的焊接和加工。
在一些可选的实施例中，在S2中，激光器为连续光纤激光器，激光器激光头与待焊超高强钢板件1平行放置，保证了激光器输出的双激光束的焊接时的稳定性。
在一些可选的实施例中，在S3中，前置激光束2和后置激光束3在焦点处形成的光斑直径为0.3～0.5mm。该前置激光束2和后置激光束3形成的光斑直径可以根据实际激光器距离超高强钢板件1之间的距离进行适应性调节。
在一些可选的实施例中，在S3中，保护气采用保护器侧吹装置输送，且保护器侧吹装置设于激光工作头的后方，保护方式为正面保护，保护器侧吹装置与激光入射方向呈20～35°夹角。
且正面焊缝和背面焊缝时控制层间温度为100～150℃，从而避免温度过高，而影响焊接质量。
在本实施例中，连续光纤激光器的脉宽为2ms～8ms。当然，可以根据焊接不同厚度的超高强钢板件1进行适应性的调节。
在一些可选的实施例中，对焊后的超高强钢板件1打磨，并去除焊渣、焊点、毛刺，使已凝固焊缝6光滑平整，即最后对超高强钢板件1进行处理，避免两个超高强钢板件1焊接后，并形成一体件，去除已凝固焊缝6处的焊渣、焊点、毛刺，使已凝固焊缝6光滑平整，提高了整体的美观性。
该采用双激光束焊接超高强钢的方法采用串联双束激光焊接超高强钢板件1，相比交叉激光束焊接具有更高的束间距5，因而后置激光束3令超高强钢板件1焊后冷却速度有所降低，缓解了已凝固焊缝6内残余应力的聚集，降低了应力水平，能够获得强度高、硬度适中的已凝固焊缝6；另通过调整两激光束间距5，后置激光束3可发挥不同的作用，减小束间距5可形成单独钥孔，以增大激光焊接熔深，而增大束间距5并调整后置激光束3为散焦光束，在进一步降低冷却速度的同时，也省略了焊后热处理的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种采用双激光束焊接超高强钢的方法，其特征在于，包括：以下步骤进行：
S1、将待焊超高强钢板件(1)进行清洗、打磨和预热处理；
S2、将处理后的待焊超高强钢板件(1)置于工作台上，用夹具固定夹紧，并将两块待焊超高强钢板件(1)两端点焊固定，双激光束采用串联布置，激光器工作头垂直设置于两块待焊超高强钢板件(1)对接处的上方，其中，前置激光束(2)的峰值功率大于后置激光束(3)的峰值功率，前置激光束(2)设于后置激光束(3)的前方；
S3、激光束参数的设定：激光束采用平行双束系统，两激光束的入射角均为90°、两激光束离焦量均为-4mm～+4mm、激光束功率输出稳定性＜2％，保护气选择氩气保护，控制气体流量为15～20L/min；
正面焊缝：前置激光束(2)峰值功率为3.0kw～4.0kw，后置激光束(3)峰值功率为1.5kw～2.0kw，束间距(5)为4～12mm，焊接速度为0.5m/min～1.5m/min；
背面焊缝：前置激光束(2)峰值功率为1.5kw～3.0kw，后置激光束(3)峰值功率为0.5kw～1.0kw，束间距(5)为6～12mm，焊接速度为1.0m/min～2.0m/min；
S4、将S3焊接后的超高强钢板件(1)自然冷却，并对已凝固焊缝(6)外观进行敲击及打磨处理。
2.根据权利要求1所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，在S1中，对焊道两侧20mm的内表面进行打磨处理，使待焊超高强钢板件(1)露出金属表面，并使用10％的丙酮溶液清除待焊区50mm范围内铁锈、油污，再冷却风干；
预热温度为50～80℃。
3.根据权利要求2所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，待焊超高强钢板件(1)的板厚为8～12mm，抗拉强度为1750MPa。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，两块待焊超高强钢板件(1)的间隙≤1.5mm。
5.根据权利要求4所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，在S2中，激光器为连续光纤激光器，激光器激光头与待焊超高强钢板件(1)平行放置。
6.根据权利要求5所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，在S3中，前置激光束(2)和后置激光束(3)在焦点处形成的光斑直径为0.3～0.5mm。
7.根据权利要求5或6所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，在S3中，保护气采用保护器侧吹装置输送，且保护器侧吹装置设于激光工作头的后方，保护方式为正面保护，保护器侧吹装置与激光入射方向呈20～35°夹角。
8.根据权利要求7所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，在S3中，正面焊缝和背面焊缝时控制层间温度为100～150℃。
9.根据权利要求8所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，连续光纤激光器的脉宽为2ms～8ms。
10.根据权利要求1所述的采用双激光束焊接超高强钢板的方法，其特征在于，对焊后的超高强钢板件(1)打磨，并去除焊渣、焊点、毛刺，使已凝固焊缝(6)光滑平整。
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2022
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