CN116493756A - 铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，包括将待焊接钢板焊接边对接并用卡具固定，进行激光焊接，同时向焊接熔池中添加焊丝，焊丝添加速度V1和激光焊接速度V2的比例为V1：V2≥0.65，焊接熔池采用惰性气体保护；所述焊丝成份组成及质量百分比为：C0.05～0.20；Si0.30～0.50；Mn1.50～2.00；Cr0.40～0.70；Mo0.40～0.70；Ni0.5～10；Zr：0.001～0.05％；P≤0.015；S≤0.010，稀土0.01～0.30余量为Fe及不可避免的杂质元素。本发明解决了铝硅热成形钢激光拼焊焊缝强度低及焊缝抗延迟开裂性能差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，具体而言是铝硅镀层热成形钢激光焊接方法，尤其涉及一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法。
背景技术
热成形钢在汽车的车身中得到广泛的应用，其既可以减轻车身重量，有能够增加车身强度增加车身安全性，是当前提高汽车碰撞安全性最为有效，成本最低的手段。在汽车的车身中应用的热成形零部件有门环，中通道，防撞梁等。热成形钢按照表面是否有镀层分为无镀层热成形钢、AL-Si镀层热成形钢和Zn镀层热成形钢。AL-Si镀层热成形钢在热成形过程中可以防止钢板氧化，热成形后无需对钢板表面进行处理既可以应用，因此获得了主机厂的认可并得到广泛的应用。目前存在的问题是钢板表面的AL-Si镀层在激光焊接过程中进入焊缝，促进了δ-铁素体的形成，进而降低了焊接接头的强度。形成了钢板强度高而焊缝强度低的搭配，焊缝强度和质量成为制约产品应用的障碍。为了解决该问题，出现了不同的解决方案。如去除钢板表面的AL-Si镀层的方案、激光填丝方案等等。目前，这些方案只是解决了钢板的焊接问题，随着钢板强度的提高，钢板经过焊接后，焊缝的延迟开裂问题也随之出现。因此，对于这个高强的钢的焊接，既要保证焊接接头强度满足要求，也要考虑焊缝在服役过程中的延迟开裂问题。大量的研究证实，焊缝中的氢聚集是造成焊接接头延迟开裂的主因，并且延迟开裂具有滞后性，因此具有较大的危害和严重的后果。
现有专利CN101426612B公开一种以铝硅镀层钢板为原料制造只含金属间化合物为预涂层的焊接坯件制造方法。具体为去除镀层中的铝合金层，避免过多铝合金熔入焊缝，保留镀层中的金属间化合物层。然后进行焊接获得焊接件。该专利需要专业设备去除钢板表面镀层，实施难度大，稳定性差。
专利CN106029292B公开一种用于在对接接头处激光焊接由可硬化钢构成的一个或多个工件的方法。该专利通过向焊缝填充焊丝来改善焊缝性能，并且该专利要求所焊接钢板一个或多个工件没有涂层或者部分去涂层。该专利实施难度大，并且需要去除钢板表面镀层，焊丝和钢板要有合金成分的比例关系。
以上两件专利针对铝硅镀层热成形钢问题进行了说明，但是对焊缝的延迟开裂问题没有关注，因此焊缝的延迟开裂问题在该专利没有得到解决。
专利CN107354386B公开了一种抗氢致延迟开裂的高强钢及制备方法。其向钢中添加大量微合金元素，设计了氢陷阱抑制了氢的扩散，提高了钢板的研制开裂能力。
专利CN107502824A公开了一种降低1500MPa级热成形钢氢致滞后开裂敏感性的热处理方法。该专利通过工艺处理，在钢板中形成马氏体和残余奥氏体，提高了钢板的抗氢致开裂性能。
以上两件专利针对无镀层热成形钢板的氢致延迟开裂进行的成份或工艺设计，但是对于钢板经过激光拼焊后，焊缝组织和母材组织产生了较大的差别，焊缝的氢致延迟开裂问题无有效的控制手段。因此焊缝的延迟开裂问题在该专利没有得到解决。
因此需要一种新的焊接工艺及此焊接工艺所搭配的焊丝，来解决铝硅镀层热成形钢激光拼焊接头强度低及焊接后延迟开裂问题。
发明内容
根据上述技术问题，而提供一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，包括：
将待焊接钢板焊接边对接并用卡具固定，进行激光焊接，同时向焊接熔池中添加焊丝，焊丝添加速度V1和激光焊接速度V2的比例为V1：V2≥0.30，焊接熔池采用惰性气体保护；焊丝被激光束熔化后以液态形式进入熔池内，焊丝所熔化金属和待焊接钢板所熔化的金属熔合在一起形成焊缝金属，所述焊缝金属组织为马氏体组织；本发明所述的铝硅镀层热成形钢，其镀层为铝或者铝合金镀层，单面镀层质量≤80g/m2。
所述焊丝成份组成及质量百分比为：C：0.05～0.20％；Si：0.30～0.50％；Mn：1.50～2.00％；Cr：0.40～0.70％；Mo：0.40～0.70％；Ni：0.5～10.0％；Zr：0.001～0.05％；P：≤0.015％；S：≤0.010％，稀土0.01～0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。所述焊丝成分还可以包括V：0.2～0.4％、B：0.005～0.008％中的一种或两种。
所述焊丝直径为0.8mm～1.2mm，所述焊丝表面镀铜。
待焊接钢板焊接、加热形成奥氏体后，进行热成形冲压，并以不小于30℃/s的冷却速度冷却淬火后，焊缝的抗拉强度≥1500MPa。
本发明还公开了一种焊丝的制备方法，将含有上述成分的钢水进行冶炼、浇铸、盘条轧制、焊丝拉拔、表面镀铜制作成所述焊丝。焊丝表面镀铜可以增加焊丝在空气中的耐腐蚀性。
焊丝中各成份设计的作用及目的如下：
C是提高焊缝强度和增加焊缝金属淬透性的重要元素，C含量越高钢的强度越高，但是，C元素含量提高后焊缝金属的氢致裂纹敏感性增加。因此，需综合平衡焊缝强度和焊缝抗氢致延迟开裂水平，C元素的质量百分含量设计为0.05～0.20％。
Si、Mn是既可以提高焊缝强度又可以起到脱氧的作用。焊缝金属充分脱氧可有效减少二相粒子析出，降低了焊丝拉拔断丝概率。综合考虑本发明焊丝Si含量控制在0.30～0.50％之间，Mn含量控制在1.50～2.00％之间。
P、S元素是有害元素，在焊丝中含量越低越好，但是深度脱P、脱S冶炼成本较高，综合考虑本发明焊丝P：≤0.015％；S：≤0.010％。
Cr、Mo是能增加钢的淬透性，提高焊缝强度的元素。Cr含量越高，焊丝的强度和硬度越高，同时增加了焊缝的回火脆性。Mo在高温时能够具有较高的强度和抗蠕变能力，具有降低回火脆性的作用，添加量过多，造成焊缝金属淬火能力大，在焊缝中易于形成孪晶亚结构，这种微观亚结构易于形成微裂纹，造成焊缝质量缺陷。综合考虑Cr的含量控制在0.40～0.70％，Mo的含量在0.40～0.70％。
Ni是形成和稳定奥氏体的元素，可扩大奥氏体相区，消除焊缝中高温铁素体的形成。与铬、钼等元素配合使用，提高焊缝塑性和韧性，可增加焊缝的抗腐蚀能力。Ni属于贵金属元素，其含量直接影响焊丝成本。综合考虑本发明焊丝Ni：0.50～10.0％。
Zr具有强烈的脱气、净化和细化晶粒的作用。Zr可强烈的吸氢作用，与稀土联合作用可有效一致氢的扩散，提高焊接接头的抗延迟开裂性能。但是锆含量添加量太高会形成大量碳化物，影响焊缝强度。综合考虑，Zr：0.001～0.05％。
V在焊丝中均具有细化晶粒，提高强度而不降低焊缝的韧性的作用。在钢中可与C、N形成析出相，抑制奥氏体晶粒长大，析出物可作为氢陷阱，阻值氢的扩散和迁移，提高焊缝的抗氢致裂纹敏感性。大量的析出相直接影响了焊丝的拉拔性能，造成焊丝拉拔断丝，因此需适当添加，本发明采用0.2～0.4％。
B是强烈提高钢的淬透性元素，微量的B即可明显的提高钢板的淬透能力。适量添加可保证焊缝金属在热成形过程中形成马氏体组织。当B含量过高，焊缝易出现大量孪晶缺陷，降低焊缝强度和塑性，所以本发明采用0.005～0.008％。
稀土：可使焊缝中氧化物和硫化物夹杂物变成细小分散的球状夹杂物从而消除MnS等夹杂的危害性。稀土元素能降低氢在奥氏体中的扩散系数，减少氢在裂纹尖端塑性区的富集，并且稀土可以在钢中形成氢陷阱，捕捉氢原子，可以改善延迟开裂现象。稀土也可以有效降低高温铁素体的形成，间接提高了焊缝的强度。但是，大量的稀土可增加焊缝中稀土夹杂物的数量，造成焊缝夹杂物过多，焊缝强度和塑性下降，故采用0.01～0.30％。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明所述焊丝具有强度高，易淬火的特点。焊丝金属加热形成奥氏体后，以不小于30℃/s的冷却速度冷却后，可获得完全马氏体组织。本发明向焊接熔池添加焊丝，可提高焊接线能量，增加熔池流动时间提高焊缝金属中氢的逸出时间。同时焊丝中的合金元素在焊缝凝固后，形成可以为氢提供停止溢出的质点，减少焊缝中氢的流动和聚集。增加焊缝的抗氢致开裂能力。焊丝合金元素同时可抑制焊缝中高温铁素体生成，焊接后焊缝金属经热成形工艺后形成马氏体组织，接头强度不小于1500MPa。
2、本发明焊接方法能够实现1500MPa铝硅镀层热成形钢激光焊接，接头强度不低于1500MPa，焊缝经热成形工艺后可形成马氏体组织。解决了铝硅热成形钢激光拼焊焊缝强度低及焊接接头抗延迟开裂性能差的问题。
3、本发明通过焊丝向焊缝中添加了提高焊缝抗延迟开裂的元素，提高了焊缝的耐延迟开裂性能。
基于上述理由本发明可在铝硅镀层热成形钢激光焊接方法等领域广泛推广。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性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。
一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，包括：
将待焊接钢板焊接边对接并用卡具固定，进行激光焊接，同时向焊接熔池中添加焊丝，焊丝添加速度V1和激光焊接速度V2的比例为V1：V2≥0.30，焊接熔池采用惰性气体保护；焊丝被激光束熔化后以液态形式进入熔池内，焊丝所熔化金属和待焊接钢板所熔化的金属熔合在一起形成焊缝金属，所述焊缝金属组织为马氏体组织；本发明所述的薄铝硅镀层热成形钢，其镀层为铝或者铝合金镀层，单面镀层质量≤80g/m2。
所述焊丝成份组成及质量百分比为：C：0.05～0.20％；Si：0.30～0.50％；Mn：1.50～2.00％；Cr：0.40～0.70％；Mo：0.40～0.70％；Ni：0.5～10.0％；Zr：0.001～0.05％；P：≤0.015％；S：≤0.010％，稀土：0.01％～0.30％，所述焊丝成分还可以包括V：0.2～0.4％、B：0.005～0.008％中的一种或两种，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
所述焊丝直径为0.8mm～1.2mm，所述焊丝表面镀铜。
待焊接钢板焊接后，焊缝加热形成奥氏体后(加热温度为950～970℃)，进行热成形冲压，并以不小于30℃/s的冷却速度冷却淬火后，焊缝的抗拉强度≥1500MPa。
本发明还公开了一种焊丝的制备方法，将含有上述成分的钢水进行冶炼、浇铸、盘条轧制、焊丝拉拔、表面镀铜制作成所述焊丝。焊丝表面镀铜可以增加焊丝在空气中的耐腐蚀性。
以下将结合具体实施案例具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚的呈现，但是它们不对本发明构成限定。
选择厚度为1.5mm的铝硅镀层22MnB5热成形钢作为拼焊板的对象材料。采用表1中的焊丝进行焊接，焊丝直径1.0mm。激光器采用光纤激光器，离焦量0mm，激光功率调整为4kW，焊接速度调整为0.06m/s，填丝速度调整为0.05m/s，用Ar气作为保护气进行激光填丝焊。焊接板在电热炉内加热至950℃保温5分钟，取出放入热成形模具内冲压并淬火，淬火后的焊缝强度如表2，将本发明铝硅镀层热成形钢焊接接头与未采用本发明焊接的铝硅镀层热成形钢接头进行氢致滞后开裂性能对比，在0.1mol/L的HCl中进行SSRT慢拉伸试验，拉伸应变速率1.0×10-5/s通过计算延伸率损失(氢脆指数Iε)来评价抗氢致滞后开裂性能，Iε值越小代表抗氢致滞后开裂性能越好。其中：εA—试样空气中拉伸时延伸率、εE—试样酸性介质中拉伸时延伸率。氢致滞后开裂敏感性如表3所示。
表1焊丝的化学成分(wt％)
表2焊接接头强度
| 抗拉强度MPa | 断裂位置 | |
| 实施例1 | 1520 | 母材 |
| 实施例2 | 1550 | 母材 |
| 实施例3 | 1527 | 母材 |
| 实施例4 | 1535 | 母材 |
| 对比例1 | 960 | 焊缝 |
| 对比例2 | 845 | 焊缝 |
表3实施例和对比实施例对应的氢致滞后开裂敏感性
通过表2和表3可以明显看出，通过本方法加工出的焊缝的强度不小于1500MPa，断裂位置处于母材而非焊缝。空气中慢拉伸延伸率为8～10％，0.1mol/L的HCL中慢拉伸延伸率为6～7％，氢脆指数为20～30％，抗氢致开裂性能良好。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，其特征在于，包括：
将待焊接钢板焊接边对接并用卡具固定，进行激光焊接，同时向焊接熔池中添加焊丝，焊丝添加速度V1和激光焊接速度V2的比例为V1：V2≥0.30，焊接熔池采用惰性气体保护；焊丝被激光束熔化后以液态形式进入熔池内，焊丝所熔化金属和待焊接钢板所熔化的金属熔合在一起形成焊缝金属，所述焊缝金属组织为马氏体组织；
所述焊丝成份组成及质量百分比为：C：0.05～0.20％；Si：0.30～0.50％；Mn：1.50～2.00％；Cr：0.40～0.70％；Mo：0.40～0.70％；Ni：0.5～10.0％；Zr：0.001～0.05％；P：≤0.015％；S：≤0.010％，稀土：0.01％～0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，其特征在于，所述焊丝成分还包括V：0.2～0.4％、B：0.005～0.008％中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，其特征在于，所述焊丝直径为0.8mm～1.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，其特征在于，所述焊丝表面具有铜镀层。
5.根据权利要求1所述的一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，其特征在于，待焊接钢板焊接后，焊缝加热形成奥氏体后，进行热成形冲压，并以不小于30℃/s的冷却速度冷却淬火后，焊缝的抗拉强度≥1500MPa。
6.根据权利要求1所述的一种铝硅镀层热成形钢抗氢致开裂激光焊接接头的制造方法，其特征在于，所述待焊接钢板，其镀层为铝或铝合金镀层，单面镀层质量≤80g/m2。
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|---|---|---|---|---|
| CN117259972A (zh) * | 2023-09-11 | 2023-12-22 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种热成形钢拼焊部件热压处理方法 |
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- 2023-05-09 CN CN202310512572.7A patent/CN116493756A/zh active Pending
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