CN116511716A - 一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，包括将两块热成形钢板去除表面污物放入拼焊卡具中并固定钢板，在惰性气体保护下进行钢板的激光拼焊，焊接过程中向焊缝添加焊丝，获得激光拼焊板；激光拼焊过程中所用焊丝的化学成份组成及其质量百分比为：C：0.04～0.15；Si：0.20～0.50；Mn：1.00～1.60；Cr：0.20～0.50；Mo：0.40～0.80；Ni：0.30～5.0；W：0.02～2.0；Cu：0.1～0.40；P：≤0.020；S：≤0.015。本发明焊丝和激光拼焊工艺配合，焊缝金属组织为马氏体，经过热成形模具淬火后焊缝抗拉强度≧1500MPa。
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1500MPa铝硅热成形钢的焊接方法，尤其涉及一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法。
背景技术
铝硅热成形钢在汽车的车身上得到了方法应用，在冲压成为汽车零部件前，需要将热成形钢钢板进行激光拼焊，焊接成需要的零部件冲压形状，然后在放入加热炉中加热及保温，之后将加热后的钢板放入热成形模具中，进行冲压成形和模具内淬火，使之成为具有高强度的汽车零部件形状。热成形钢板按照钢板表面的镀层情况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镀层热成形钢在进行激光拼焊时，镀层中的合金元素进入焊缝中促进δ-铁素体的形成，δ-铁素体在随后焊缝冷却过程中不发生相变而保留在焊缝中，严重弱化了焊缝的强度，影响AL-Si镀层热成形的生产和应用。
为了解决AL-Si镀层热成形钢的激光拼焊问题，在激光拼焊过程中向焊缝添加合金元素，改善或抑制δ-铁素体的形成是一个重要的解决方案。现有专利CN106475683一种具有Al-Si涂层热成形钢板的激光拼焊方法，该专利采用预先在焊缝中放置一定厚度的镍箔或铬箔，在激光拼焊后焊缝组织为马氏体组织。该专利最大的问题是无法实现工业批量生产应用，并且放置的镍箔或铬箔对激光拼焊焊缝成形性和熔透率影响较大，不同厚度的Al-Si涂层热成形钢板焊接采用的镍箔或铬箔也不同，因此该专利不具有工业化应用意义。
现有专利CN111390425B公开了热冲压成形Al-Si涂层板激光拼焊用焊丝及拼焊方法，该专利通过控制拼焊板的间隙，并向焊缝中添加合适直径的焊丝来实现Al-Si涂层热成形钢板不去除镀层直接焊接。该专利中焊丝成份中贵金属较多，焊丝成本高造成激光拼焊板的生产成本高。该专利针对不同厚度的Al-Si涂层热成形钢板需要选择不同直径的焊丝，在工业生产中需要储备不同直径的系列焊丝，生产运行成本高。在更换不同厚度板料进行焊接时，需要更换焊丝，影响生产节奏。
现有专利CN110666275A公开了一种铝或铝合金镀层热成型钢的拼焊制造方法，该专利通过去除热成形钢板表面的铝或者铝合金镀层和部分基板，并通过激光填丝焊的方案进行焊接。该专利去除钢板表面镀层和部分基板的工序要求精度高，工业生产难度大，所采用的焊丝成份和被焊接钢板成份有严格比例限制，对焊接不同成份的钢板需要制造不同成份焊丝，因此无法推广应用。
因此需要一种低成本铝及铝合金涂层热成形钢激光拼焊方法，能够消除铝及铝合金涂层热成形钢激光拼焊热成形后焊缝接头强度低的问题。
发明内容
根据上述技术问题，而提供一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，其解决了铝及铝合金涂层热成形钢在激光拼焊热成形后焊缝接头强度低的问题，且利用新的焊丝与激光焊接工艺相配合，实现了铝及铝合金涂层热成形钢激光焊接热成形后，焊接接头强度高于热成形钢板强度。
本发明具体方案如下：
一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，包括将两块热成形钢板去除表面污物放入拼焊卡具中并固定钢板，将激光拼焊用焊丝位置调整到焊缝中心并与钢板呈5°～35°角度，焊丝尖端位置处于激光束和钢板上表面交点的0～1mm距离，并且焊丝送丝方向和激光拼焊方向相反，在惰性气体保护下进行钢板的激光拼焊，焊接过程中向焊缝添加焊丝，获得激光拼焊板；焊丝被激光束熔化后以液态形式进入激光束在钢板上产生的熔池内，焊丝所熔化金属和钢板所熔化的金属熔合在一起形成焊缝金属；钢板为铝或铝合金涂层热成形钢，铝或铝合金涂层单面涂层重量为10～40g/m2。
激光拼焊过程中所用焊丝的化学成份组成及其质量百分比为：C：0.04～0.15％；Si：0.20～0.50％；Mn：1.00～1.60％；Cr：0.20～0.50％；Mo：0.40～0.80％；Ni：0.30～5.0％；W：0.02～2.0％；Cu：0.1～0.40％；P：≤0.020％；S：≤0.015％。所述焊丝还可能包括V：0～0.15％、Nb：0.01～0.20％、B：0.002～0.005％中的一种或多种，余量为Fe及不可避免杂质元素。
钢板经焊接后切除焊缝表面余高，使焊缝表面余高控制在钢板表面0～0.2mm。焊缝表面低于钢板表面，焊缝截面积小，热成形后焊缝强度不足。焊缝表面过高对热成形模具磨损严重，同时易造成焊缝热成形过程中冷却速度不足，强度降低。综合考虑焊缝表面余高控制在0～0.2mm。切除方式可采用铣刀，刮刀，打磨等方式。
焊缝经过热成形工艺后，焊缝拉伸强度≥1500MPa，焊缝组织为马氏体，且断裂位置在钢板。所述热成形工艺中的加热温度为950-970℃，保温5-8分钟，之后的冷却速率不小于30℃/s。
焊丝中各成分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，同时C是奥氏体区扩大元素，提高C含量能有效避免焊缝在高温区形成δ-铁素体。但是C含量提高对焊丝冶炼、拉拔不利。C含量过低焊缝强度低，对控制焊缝中高温铁素效果不显著。综合考虑，焊丝C含量设计为0.04～0.15％。
Si是一种脱氧元素，在焊缝金属中也具有固溶强化作用。焊丝中的Si含量低，脱氧不充分，焊丝的氧化物增加影响焊丝的拉拔和强度。Si含量过高会在焊缝中增加非金属夹杂物和焊缝表面的焊渣。综合考虑本发明焊丝Si含量控制在0.20～0.50％之间。
Mn元素既可以提高焊缝强度又可以起到脱氧的作用。Mn可以扩大奥氏体相区，有利于在焊接过程中形成更多的奥氏体组织，冷却后获得马氏体组织。随着Mn含量增加，钢板的强度增加，但是Mn含量过高，在钢中容易形成Mn的偏析造成成份分布不均衡。综合考虑，本发明焊丝中Mn含量控制在1.00～1.60％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≤0.020％；S≤0.015％。
Cr是能增加钢的淬透性，可提高焊缝金属的硬度、强度和耐腐蚀性。适量增加Cr元素对提高焊缝金属的淬透性具有积极作用，可保证焊缝金属在热成型过程中淬火形成马氏体组织。但是Cr是促进铁素体形成元素，含量高不利于控制焊缝中的高温铁素体。综合考虑Cr的含量控制在0.20～0.50％。
Mo固溶于铁素体和奥氏体中，显著提高钢的淬透性，同时可提高钢的回火稳定性。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。但是Mo量过多，易在焊缝中形成孪晶马氏体，造成焊缝硬度高塑性低，焊缝金属极容易开裂。本发明焊丝中Mo的含量在0.40～0.80％。
Ni是强烈的奥氏体化元素，可以显著扩大奥氏体相区。Ni和C、W保持一定含量对控制焊缝中形成高温铁素体具有积极的左右。但是Ni为贵金属元素，添加量太高焊丝成本增加，本发明限定其范围为Ni：0.3～5.0％。
Cu是扩大奥氏体区元素，促进焊缝金属由液态向固态转变过程中进入奥氏体区，避开高温铁素体区。Cu能提高钢板的强度增加韧性，提高焊缝的疲劳性能。同时其具有一定的耐腐蚀性，可提高焊缝的耐腐蚀性能。但是铜添加量不易过高，其在钢中的溶解度较低，含量较高时便会呈过饱和状态，对热变形加工不利，容易出现铜脆现象。本发明限定其范围为Cu：0.1～0.4％。
W在焊缝中改变焊缝金属冷却时的组织，避免形成铁素体。有效降低焊缝组织转变带来的应力集中，提高了焊缝的强度，同时钨有效抑制加热过程中焊缝晶粒长大，减小了粗大晶粒带来的焊缝性能下降。W属于贵金属元素，含量过高焊丝成本增加。综合考虑W含量在0.02～2.0％。
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。在钢中可与C、N形成析出相，抑制奥氏体晶粒长大，同时降低失效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。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。
Nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，有效提高焊缝的高温及低温强度。
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。B与O、N亲和力很强，易生非金属夹杂。
本发明焊丝与钢板角度设置为5°～35°，该角度可以保证焊缝具有一定的表面余高和焊缝成形性。角度过大时焊缝表面余高较小，背面余高较大，角度过小时焊缝表面余高较大，背面余高较小。同时该角度焊缝表面成型均匀，无咬边，隆起等焊接缺陷。经过测试将焊丝角度设置为5°～35°。
焊丝尖端位置在激光束和钢板上表面交点的距离是为了控制焊接飞溅和焊缝成形。当焊丝尖端位置小于0mm时，焊接飞溅较大，焊缝成形不均匀。当焊丝尖端位置大于1mm时，焊丝钢板接触后进入激光焊接区，焊丝的稳定性小，焊缝成形差。
本发明公开的方法对现有热成形工艺不做改变，钢板拼焊后经加热炉加热，热成形模具冲压成形、淬火，最终获得热成型零部件。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本方法可在不去除铝或铝合金涂层的条件下进行钢板激光拼焊，经热成形模具淬火后焊缝强度大于母材强度。
2、本发明激光拼焊用焊丝成份简单，成本低廉，在现有焊丝生产工艺下完全能够生产制造。
3、本发明焊丝和激光拼焊工艺配合，抑制焊缝中的高温铁素体对焊缝的不利影响，经过热成形模具淬火后焊缝组织为马氏体，获得了高质量的焊接接头。
基于上述理由本发明可在1500MPa铝硅热成形钢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1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，包括将两块热成形钢板去除表面污物放入拼焊卡具中并固定钢板，将激光拼焊用焊丝位置调整到焊缝中心并与钢板呈5°～35°角度，焊丝尖端位置处于激光束和钢板上表面交点的0～1mm距离，并且焊丝送丝方向和激光拼焊方向相反，焊丝送丝方向和激光拼焊方向相反，在纯度不低于99.9％纯度的氩气保护下进行钢板的激光拼焊，焊接过程中向焊缝添加焊丝，获得激光拼焊板；焊丝被激光束熔化后以液态形式进入激光束在钢板上产生的熔池内，焊丝所熔化金属和钢板所熔化的金属熔合在一起形成焊缝金属；采用焊后刮刀去除焊缝表面余高，使焊缝表面余高控制在钢板表面0～0.2mm。钢板为铝或铝合金涂层热成形钢，铝或铝合金涂层单面涂层重量为10～40g/m2。
激光拼焊过程中所用焊丝的化学成份组成及其质量百分比为：C：0.04～0.15％；Si：0.20～0.50％；Mn：1.00～1.60％；Cr：0.20～0.50％；Mo：0.40～0.80％；Ni：0.30～5.0％；W：0.02～2.0％；Cu：0.1～0.40％；P：≤0.020％；S：≤0.015％，所述焊丝还可能包括V：0～0.15％、Nb:0.002～0.20％、B：0.002～0.005％中的一种或多种，余量为Fe及不可避免杂质元素。
焊缝经过热成形工艺后，焊缝拉伸强度≥1500MPa，且断裂位置在钢板。所述热成形工艺中的加热温度为950-970℃，保温5-8分钟，之后的冷却速率不小于30℃/s。
本具体实施方式采用激光填丝工艺焊接1500MPa级别的22MnB5热成形钢板，用工业酒精对焊接试板表面进行擦洗。试验用焊丝直径1.2mm，福尼斯7000型送丝机，光纤激光器。焊接试验采用工业氩气保护，气体流量为20L/min。试验用焊丝成份如表1所示。焊接时焊丝角度和送丝速度等参数如表2所示。
表1焊丝的化学成分及对比例的化学成分(wt％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Cu | Ni | W | B | V | Nb | |
| 实施例1 | 0.04 | 0.25 | 1.54 | 0.014 | 0.007 | 0.20 | 0.80 | 0.14 | 4.05 | 0.17 | 0.002 | 0.05 | |
| 实施例2 | 0.15 | 0.35 | 1.00 | 0.015 | 0.006 | 0.36 | 0.65 | 0.22 | 0.30 | 0.02 | 0.08 | ||
| 实施例3 | 0.07 | 0.30 | 1.32 | 0.009 | 0.008 | 0.26 | 0.74 | 0.30 | 2.50 | 0.30 | 0.10 | 0.13 | |
| 实施例4 | 0.12 | 0.26 | 1.46 | 0.016 | 0.010 | 0.47 | 0.53 | 0.10 | 3.75 | 1.80 | 0.04 | ||
| 实施例5 | 0.06 | 0.28 | 1.30 | 0.017 | 0.009 | 0.28 | 0.47 | 0.40 | 1.20 | 1.05 | 0.003 | 0.15 | |
| 实施例6 | 0.12 | 0.50 | 1.25 | 0.014 | 0.010 | 0.50 | 0.40 | 0.22 | 5.00 | 0.98 | 0.19 | ||
| 实施例7 | 0.14 | 0.45 | 1.60 | 0.010 | 0.006 | 0.29 | 0.55 | 0.31 | 0.60 | 0.10 | 0.002 | ||
| 对比例1 | 0.07 | 0.50 | 1.85 | 0.015 | 0.006 | 0.30 | 0.35 | 0.07 | 2.00 | ||||
| 对比例2 | 0.12 | 0.45 | 1.78 | 0.012 | 0.007 | 0.21 | 0.60 | 0.07 | 1..45 | ||||
| 对比例3 | 0.05 | 0.35 | 1.60 | 0.011 | 0.008 | 0.19 | 0.86 | 0.11 | |||||
| 对比例4 | 0.07 | 0.38 | 1.18 | 0.012 | 0.010 | 0 | 0.77 | 0 | 3.30 |
表2激光拼焊参数
钢板经过激光拼焊后，放入加热炉中加热950℃～970℃，保温时间5～8min，热成形模具中成形、淬火(冷却速率为30℃/s)。经过淬火后，焊接接头性能如表3所示。由表3可以明显看出采用本方法及焊丝所形成的钢板的抗拉强度≧1500MPa，且断裂位置在母材位置，焊缝的组织为马氏体。
表3焊接接头性能
| 抗拉强度MPa | 断裂位置 | 焊缝组织 | |
| 实施例1 | 1510 | 母材 | 马氏体 |
| 实施例2 | 1560 | 母材 | 马氏体 |
| 实施例3 | 1525 | 母材 | 马氏体 |
| 实施例4 | 1540 | 母材 | 马氏体 |
| 实施例5 | 1532 | 母材 | 马氏体 |
| 实施例6 | 1550 | 母材 | 马氏体 |
| 实施例7 | 1545 | 母材 | 马氏体 |
| 对比例1 | 1020 | 焊缝 | 铁素体+马氏体 |
| 对比例2 | 985 | 焊缝 | 铁素体+马氏体 |
| 对比例3 | 978 | 焊缝 | 铁素体+马氏体 |
| 对比例4 | 1015 | 焊缝 | 铁素体+马氏体 |
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 (7)
1.一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，其特征在于，包括将钢板去除表面污物放入拼焊卡具中并固定钢板，在保护气条件下进行钢板的激光拼焊，焊接过程中向焊缝添加焊丝，获得激光拼焊板；焊丝被激光束熔化后以液态形式进入激光束在钢板上产生的熔池内，焊丝所熔化金属和钢板所熔化的金属熔合在一起形成焊缝金属；钢板经焊接后切除焊缝表面余高，使焊缝表面余高控制在钢板表面0～0.2mm；钢板为铝或铝合金涂层热成形钢，铝或铝合金涂层单面涂层重量为10～40g/m2；
激光拼焊过程中所用焊丝的化学成份组成及其质量百分比为：C：0.04～0.15％；Si：0.20～0.50％；Mn：1.00～1.60％；Cr：0.20～0.50％；Mo：0.40～0.80％；Ni：0.30～5.0％；W：0.02～2.0％；Cu：0.1～0.40％；P：≤0.020％；S：≤0.015％，余量为Fe及不可避免杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，其特征在于，所述焊丝还包括V：0～0.15％、Nb：0.01～0.20％、B：0.002～0.005％中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，其特征在于，焊缝金属的组织为马氏体组织。
4.根据权利要求1所述的一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，其特征在于，在激光拼焊过程中，将焊丝位置调整到焊缝中心并与钢板呈5°～35°的角度。
5.根据权利要求1所述的一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，其特征在于，焊丝尖端位置处于激光束和钢板上表面交点的0～1mm距离处。
6.根据权利要求1所述的一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，其特征在于，焊接板经过热成形工艺后，焊缝拉伸强度≥1500MPa，且断裂位置在母材。
7.根据权利要求7所述的一种1500MPa铝硅热成形钢激光拼焊方法，其特征在于，所述热成形工艺中的加热温度为950-970℃，保温5-8分钟，之后的冷却速率不小于30℃/s。
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