CN116921862A - 一种用于带涂层热成形钢的焊料、及其激光焊接方法与焊缝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于带涂层热成形钢的焊料、及其激光焊接方法与焊缝，提供至少含有B、V、Nb中两种元素的Fe基焊料，且焊料中的B、V、Nb的重量百分比之和小于2％。采用激光焊接带涂层热成形钢板时，将该焊料填充至熔池中，待熔池冷却后形成焊缝，再对焊后的钢板进行热冲压成形。本发明能够有效的降低涂层对焊缝成形和接头强度的负面影响，并提高焊接质量和效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接领域，具体为一种用于带涂层热成形钢的焊料、及其激光焊接方法与焊缝。
背景技术
随着科技的发展，当前的市场需求对汽车工业的要求越来越高，汽车既要保证安全性能，又要节能减排，以满足各国制定的越来越严格的排放标准。汽车轻量化是节能减排和提高安全性能的最有效的方法之一。在汽车车身上应用大量的超高强钢不仅能够提高汽车的安全性，还能降低车重，从而实现节能减排的目的。热成形钢是一种超高强钢，经热冲压成形后强度可达1500MPa，广泛应用于汽车的A柱、B柱、门环等安全结构部件的制造。
为防止热成形钢在热冲压过程中发生脱碳和氧化，通常表面会预制铝合金和锌合金涂层。由于涂层的存在，采用激光焊接时，涂层会熔化扩散到焊缝中，导致焊缝的成形变差和接头的力学性能严重下降。尤其对于1500MPa级别以上的热成形钢，要想获得良好的焊缝成形，以及接头的抗拉强度和延伸率满足应用要求是非常困难的。
在CN114603255A中公布了一种利用填充丝对涂覆的钢坯件进行激光焊接方法，通过填充含量镍和铬的焊丝，能够减少焊缝中脆性金属间化合物的形成。但是，该焊丝的镍元素含量较高，成本较大。此外，在焊接过程中，镍元素可能会在焊缝中形成偏析，导致接头的力学性能稳定性变差。
在CN106687248B中公布了一种通过添加合金元素对涂覆钢板进行激光焊接的方法，该焊接方法采用散焦的激光束进行焊接，同时向散焦激光束照射的区域送入粉末合金材料形成熔覆层，再实施聚焦的激光束焊接，该方法在一定程度上减少涂层对焊缝的负面影响。但是，该方法操作复杂，焊接效率低。而且焊缝的成形和均匀性较差。
CN106475683B中公布了一种具有Al-Si镀层热成形钢板的激光拼焊方法，通过在焊前的两块钢板的间隙中填充金属镍或金属铬，提高了焊接接头的力学性能。但是，该方法操作较为复杂，成本高、效率低。此外，间隙中的金属镍或金属铬在焊接过程中会形成偏析，导致接头的力学性能一致性较差。
在CN 106488824B中公布了一种用于接合两个坯件的方法，通过采用激光电弧复合的焊接工艺，填充含有5～22重量％的Cr和6～20重量％Ni的焊丝，提高了接头的抗拉强度。但是，该方法的热输入过大，易造成薄板在焊接过程中发生变形。另外合金成分过高的焊丝对于20μm厚度及以下的涂层的钢板焊接，易造成在焊接接头的熔合线失效，导致接头力学性能变差。
在CN108367386B中公布了用于结合两个坯件的方法及获得的坯件和产品，采用激光束焊接两次，第一次使用激光束将两块钢板的焊接区域部分熔化，同时填充焊丝，第二次在第一次的基础上实施焊接，在一定程度上改善了焊接质量。但是，该方法焊接效率低，且焊缝成形较差，不利于后续的热冲压成形。
因此，本领域亟需开发一种能够抑制涂层对焊缝的负面影响的焊料和激光焊接方法，以改善焊缝成形，提高焊缝的冲压成形精度和焊接接头的力学性能，实现高效和高质量的焊接。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于带涂层热成形钢的焊料、及其激光焊接方法与焊缝，用于激光焊接带涂层热成形钢，以避免涂层带来的焊缝成形差和接头力学性能下降的问题。本发明的激光焊接过程稳定，焊缝成形良好，焊缝的成形精度高，且接头的力学性能能够满足应用要求。
本发明第一方面提出了一种用于带涂层热成形钢激光焊接的焊料，所述焊料为Fe基材料，所述焊料中至少含有B、V、Nb中两种元素，所述焊料中的B、V、Nb的重量百分比之和小于2％。
优选地，所述焊料中的B、V、Nb的重量百分比之和小于1.5％。
优选地，所述焊料中的B、V、Nb的重量百分比之和小于1％。
优选地，所述焊料中含有B、V、Nb中三种元素时，所述B、V、Nb的重量百分比满足如下公式：B≤(V+Nb)·10。
优选地，所述焊料中含有B、V、Nb中三种元素时，所述B、V、Nb的重量百分比满足如下公式：B≤(V+Nb)·6。
优选地，按重量比计：B为0.001％-0.09％，V为0.01％-0.5％，Nb为0.01％-0.5％。
优选地，B为0.005％-0.05％。
优选地，B为0.005％-0.01％。
优选地，V为0.05％-0.45％。
优选地，V为0.1％-0.4％。
优选地，Nb为0.05％-0.45％。
优选地，Nb为0.15％-0.4％。
优选地，按重量百分比计，所述焊料还包括0.01-0.5％的C，0.5-3.5％的Mn，0.1-1.5％的Si，0-12％的Ni，0-3％的Cr，0-2％的Mo，0-1％的Cu。
优选地，所述焊料含有0.01-0.2％的C。
优选地，所述焊料含有1.5-2.5％的Mn。
优选地，所述焊料含有0.2-0.8％的Si。
优选地，所述焊料含有2-10％的Ni。
优选地，所述焊料含有2-8％的Ni。
优选地，所述焊料含有0.5-2.5％的Cr。
优选地，所述焊料含有0-1％的Mo。
优选地，所述焊料含有0-0.5％的Cu。
优选地，所述焊料除B、V、Nb、Fe元素之外的其他合金元素的重量百分比之和大于2％且小于11％。
优选地，所述焊料除B、V、Nb、Fe元素之外的其他合金元素的重量百分比之和大于2.5％且小于10％。
优选地，焊料的形状包括丝状、条状或粉末。
优选地，焊料的形状为丝状。
本发明第二方面提出了一种使用本发明的焊料进行带涂层热成形钢激光焊接的方法，包括以下步骤：采用本发明的焊料向激光束对两块热成形钢的待焊区加热而形成的熔池进行填充，使所述焊料与所述待焊区熔化的金属混合、冷却形成焊缝后，进行热冲压处理。
优选地，所述激光束的光斑直径ds(mm)和焊接速度V1(m/min)满足如下公式：0.5≤ds≤3，1≤V1≤10。
优选地，所述激光束的光斑直径ds(mm)和焊接速度V1(m/min)满足如下公式：0.5≤ds≤2，2≤V1≤7。
优选地，焊接速度V1(m/min)、送料速度V2(m/min)、焊接间隙dg(mm)满足如下公式：0≤dg≤0.5，0.3≤V1/V2＜1.2。
优选地，焊接速度V1(m/min)、送料速度V2(m/min)、焊接间隙dg(mm)满足如下公式：0≤dg≤0.5，0.5≤V1/V2≤1.1。
优选地，所述两块钢板的接合方式为对接或搭接。
优选地，所述钢板的厚度为0.5～3mm。
优选地，所述钢板基材在热冲压后的抗拉强度为1300～2000MPa，延伸率大于等于5％。
优选地，所述热冲压是指将拼焊后的坯料，通过人工或机械转移的方式放入800～1000℃的高温炉进行加热，并保温2～7分钟，随后利用机械转移的方式将高温的拼焊板转移进行淬火。
本发明第三方面提出了一种采用本发明的第一方面所述的焊料和第二方面所述的激光焊接方法所形成的焊缝，所述光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足如下公式：1.2≤dm/ds≤3。
优选地，所述光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足如下公式：1.5≤dm/ds≤2.5。
优选地，所述焊缝中B、V、Nb元素按重量百分比计满足，B≤0.05％，0.01％≤V+Nb≤0.5％。
用于激光焊接带涂层热成形钢的焊料的作用原理如下：
(1)焊料中的微量的B元素能够显著极大的提高钢的淬透性，还能抑制铁素体在奥氏体晶界形核。
(2)焊料中的V元素能够提高焊料的可焊性，细化焊缝的组织和晶粒，提高焊缝的耐磨性。
(3)焊料中的Nb元素能够提高焊缝的淬透性，细化焊缝的组织和晶粒，提高焊缝的强度。
(4)焊料中的仅少量B、V、Nb元素能够减少焊料中其他合金元素的成分含量，提高焊料的可焊性能。
(5)焊料中的B、V、Nb元素配合使用能够提高焊接过程的稳定性，改善焊缝成形，提高焊接接头的力学性能。
(6)焊料中的Mn元素能够促进奥氏体转换，Si元素能够加速焊接熔池的流动性，提高焊缝的均匀性。
(7)焊料中的Ni能够抑制铁素体的形成，扩大奥氏体相区。焊料中的Cr元素能够提高焊缝的淬透性和耐腐蚀性能。焊料中的Mo元素细化焊缝的组织和晶粒。焊料中的Cu元素能够提高焊料的耐腐蚀性能。
与现有技术提到的焊接方法相比，本发明的有益效果在于：
1)焊前无需对涂层进行预处理，减少因涂层预处理所带来的工序和成本。
2)在原有产线有常规激光焊接和送丝设备基础上，无需增加其他设备，即可实现带涂层热成形钢的高效和高质量焊接，能够降低生产成本。
3)焊料中少量的B、V、Nb元素能够降低焊料中其他的合金元素的含量，降低焊料的成本，提高焊料的可焊性。
4)焊料中的B元素能够显著极大的提高钢的淬透性，还能抑制铁素体在奥氏体晶界形核；V元素能够提高焊料的可焊性，细化焊缝的组织和晶粒，提高焊缝的耐磨性；Nb元素能够提高焊缝的淬透性，细化焊缝的组织和晶粒，提高焊缝的强度。
5)焊料中的B、V、Nb元素配合使用能够提高焊接过程的稳定性，显著改善焊缝成形，提高焊接接头的力学性能。
6)焊料能够在焊接过程中与母材混合更均匀，减少焊缝中形成元素偏析，提高焊接接头的力学性能的稳定性。
7)对接间隙dg(mm)，焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式0≤dg≤0.5，0.3≤V1/V2＜1.2，能显著提高焊缝的成形，减少焊接飞溅的形成。
8)光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足数学式：1.2≤dm/ds≤3，能够显著提高焊缝的成形。
9)焊缝中B、V、Nb元素按重量百分比计满足元素含量满足B≤0.05％，0.01％≤V+Nb≤0.5％，能够获得全马上体的焊缝，大幅提升焊接接头的抗拉强度和延伸率。
10)焊接过程中无需使用保护气，降低了焊接成本。
使用本发明的技术方案，能够满足1500MPa级别及以上带涂层的热成形钢的激光焊接接头的力学性能的应用要求，且激光焊接过程稳定，焊缝成形良好。该方案能够提高焊接质量和汽车的安全性能，降低生产成本，实现汽车的节能减排的目的。
附图说明
本发明的以上内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。
图1示出本发明实施例中典型的焊接接头1、焊接接头2和对比实施例的焊接接头的应力应变曲线。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合实施例对本发明做进一步详细说明。实施例仅用来说明本发明的特征和技术优势，并不限制本发明的范围。
热成形钢零件的主要生产流程包括，首先裁剪零件所需的尺寸，然后采用激光焊接不同厚度或强度的热成形钢板，再进行热冲压成形，最终获得目标形状的零部件。通常经过热冲压成形后的零件的抗拉强度超过1500MPa，延伸率大于5％。热成形钢零件凭借强度高，延展性好等优点，在车身上的应用比例迅速增加。然而，热成形钢通常表面会涂覆涂层以防止在热冲压过程中发生脱碳和氧化，给激光焊接带来许多负面影响，如焊接飞溅、成形差、接头的抗拉强度和延伸率均较低，无法满足应用标准。
为解决上述问题，本发明提供一种焊料，焊料至少含有B、V、Nb中两种元素，所述焊料中的B、V、Nb的重量百分比之和小于2％。焊料中的微量的B元素能够显著极大的提高钢的淬透性，还能抑制铁素体在奥氏体晶界形核。焊料中的V元素能够提高焊料的可焊性，细化焊缝的组织和晶粒，提高焊缝的耐磨性。焊料中的Nb元素能够提高焊缝的淬透性，细化焊缝的组织和晶粒，提高焊缝的强度。焊料中的仅少量B、V、Nb元素能够减少焊料中其他合金元素的成分含量，提高焊料的可焊性能。焊料中的B、V、Nb元素配合使用能够提高焊接过程的稳定性，改善焊缝成形，提高焊接接头的力学性能。焊料中的Mn元素能够促进奥氏体转换，Si元素能够加速焊接熔池的流动性，提高焊缝的均匀性。焊料中的Ni能够抑制铁素体的形成，扩大奥氏体相区。焊料中的Cr元素能够提高焊缝的淬透性和耐腐蚀性能。焊料中的Mo元素细化焊缝的组织和晶粒。焊料中的Cu元素能够提高焊料的耐腐蚀性能。
为提高焊接过程的稳定性和焊缝成形质量，对接间隙dg(mm)，焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式0≤dg≤0.5，0.3≤V1/V2＜1.2，能显著提高焊缝的成形，减少焊接飞溅的形成。光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足数学式：1.2≤dm/ds≤3，能够显著提高焊缝的成形。为确保热冲压后的焊接接头的抗拉强度和延伸率能够满足应用标准，焊缝中B、V、Nb元素按重量百分比计满足元素含量满足B≤0.05％，0.01％≤V+Nb≤0.5％，能够获得全马上体的焊缝，大幅提升焊接接头的抗拉强度和延伸率。
具体实施步骤：
S1：提供两块热成形钢，所述两块钢板表面至少有一个面涂覆有铝或锌合金涂层，所述两块钢板的焊接间隙为0-0.5mm；
S2：采用激光束对所述两块钢板的待焊区进行加热形成熔池，同时送料装置向熔池填充焊料，所述填充焊料与所述待焊区的熔化的金属混合，冷却后形成焊缝；
S3：焊接结束后，将接合后的钢板进行热冲压，热冲压的温度为900～950℃。
实施例1：
热成形钢板的厚度为1.5mm，涂层为铝合金涂层，对接间隙为0mm，焊料含有0.005％的B、0.21％的Nb、不含V，除B、V、Nb、Fe元素之外的合金元素的重量百分比之和大于2％且小于3％。焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式0.8≤V1/V2≤1。光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足数学式1.2≤dm/ds≤3。热冲压后的接头的抗拉强度大于母材的90％，延伸率≥5％。
实施例2：
热成形钢板的厚度为1.5mm，涂层为铝合金涂层，对接间隙为0.3mm，焊料含有0.005％的B、0.21％的Nb、不含V，除B、V、Nb、Fe元素之外的合金元素的重量百分比之和大于2％且小于3％。焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式0.8≤V1/V2≤1。光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足数学式1.2≤dm/ds≤3。热冲压后的接头的抗拉强度大于母材的90％，延伸率≥5％。
实施例3：
热成形钢板的厚度为1.5mm，涂层为铝合金涂层，对接间隙为0mm，焊料含有0.02％的B、0.33％的Nb、0.12％V，除B、V、Nb、Fe元素之外的合金元素的重量百分比之和大于3％且小于5％。焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式V1/V2＝1。光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足数学式1.2≤dm/ds≤3。热冲压后的接头的抗拉强度大于母材的90％，延伸率≥5％。
实施例4：
热成形钢板的厚度为1.5mm，涂层为铝合金涂层，对接间隙为0mm，焊料含有0.005％的B、0.4％的V、不含Nb，除B、V、Nb、Fe元素之外的合金元素的重量百分比之和大于5％且小于7％。焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式V1/V2＝0.8。光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足数学式1.2≤dm/ds≤3。热冲压后的接头的抗拉强度大于母材的90％，延伸率≥5％。
实施例5：
热成形钢板的厚度为1.5mm，涂层为铝合金涂层，对接间隙为0mm，焊料含有0.05％的B、0.18％的Nb、0.12％的V、不含Nb，除B、V、Nb、Fe元素之外的合金元素的重量百分比之和大于8％且小于10％。焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式V1/V2＝1。光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足数学式1.2≤dm/ds≤3。热冲压后的接头的抗拉强度大于母材的90％，延伸率≥5％。
对比例1：
热成形钢板的厚度为1.5mm，涂层为铝合金涂层，对接间隙为0mm，焊料不含B、V、Nb元素，除Fe元素之外的合金元素的重量百分比之和大于2％且小于3％。焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式1.2≤V1/V2≤1.4。热冲压后的接头的抗拉强度低于母材的90％，延伸率＜5％。
对比例2：
热成形钢板的厚度为1.5mm，涂层为铝合金涂层，对接间隙为0.2mm，焊料不含B、V、Nb元素，除Fe元素之外的合金元素的重量百分比之和大于2％且小于3％。焊接速度(m/min)V1，送丝速度(m/min)V2满足数学式V1/V2＝1。光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足数学式dm/ds≤1。热冲压后的接头的抗拉强度低于母材的90％，延伸率＜5％。
对于1500MPa及以上级别的带涂层热成形钢来说，本领域的常规技术方案，热冲压后的接头在拉伸测试中，在焊缝处发生断裂，焊接接头的延伸率＜5％，无法满足应用标准。因此，想要实现其激光焊接接头的力学性能满足要求是比较困难的。在本领域的常规技术方案下，焊缝成形优良。热冲压后的接头的抗拉强度大于母材的90％，延伸率≥5％，如附图1所示。从本发明技术方案的技术效果来看，在不同的焊接速度下，使用本发明的焊料可以获得力学性能优异的焊接接头，且满足应用标准。因此，根据本发明的实施例和对比例可以看出，本发明的技术方案可以满足1500MPa及以上级别的带涂层热成形钢高效、高质量的焊接，且使用性广、一致性高。
这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种用于带涂层热成形钢激光焊接的焊料，其特征在于：所述焊料为Fe基材料，所述焊料中至少含有B、V、Nb中两种元素，所述焊料中的B、V、Nb的重量百分比之和小于2％。
2.根据权利要求1所述的焊料，其特征在于：所述焊料中含有B、V、Nb中三种元素时，所述B、V、Nb的重量百分比满足如下公式：
B≤(V+Nb)·10。
3.根据权利要求1或2所述的焊料，其特征在于：按重量比计：B为0.001％-0.09％，V为0.01％-0.5％，Nb为0.01％-0.5％。
4.根据权利要求1至3任一项所述的焊料，其特征在于：按重量百分比计，所述焊料还包括0.01-0.5％的C，0.5-3.5％的Mn，0.1-1.5％的Si，0-12％的Ni，0-3％的Cr，0-2％的Mo，0-1％的Cu。
5.根据权利要求4所述的焊料，其特征在于：所述焊料除B、V、Nb、Fe元素之外的其他合金元素的重量百分比之和大于2％且小于11％。
6.一种带涂层热成形钢激光焊接的方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的焊料向激光束对两块热成形钢的待焊区加热而形成的熔池进行填充，使所述焊料与所述待焊区熔化的金属混合、冷却形成焊缝后，进行热冲压处理。
7.根据权利要求6所述的带涂层热成形钢激光焊接的方法，其特征在于：所述激光束的光斑直径ds(mm)和焊接速度V1(m/min)满足如下公式：
0.5≤ds≤3，1≤V1≤10。
8.根据权利要求6或7所述的带涂层热成形钢激光焊接的方法，其特征在于：焊接速度V1(m/min)、送料速度V2(m/min)、焊接间隙dg(mm)满足如下公式：
0≤dg≤0.5，0.3≤V1/V2＜1.2。
9.一种采用权利要求6至8中任一项所述的激光焊接方法所形成的焊缝，其特征在于：所述光斑直径ds(mm)和焊缝的中间熔宽dm(mm)满足如下公式：
1.2≤dm/ds≤3。
10.一种采用权利要求1至5中任一项用于带涂层热成形钢激光焊接的焊料形成的焊缝，其特征在于：所述焊缝中B、V、Nb元素按重量百分比计满足，B≤0.05％，0.01％≤V+Nb≤0.5％。
Priority Applications (1)
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| CN202311095334.7A CN116921862A (zh) | 2023-08-28 | 2023-08-28 | 一种用于带涂层热成形钢的焊料、及其激光焊接方法与焊缝 |
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