CN213888669U - 一种超高强度钢的焊缝激光处理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种超高强度钢的焊缝激光处理系统，它包括有保护气体装置、激光焊接装置、激光处理装置、非接触测温装置、激光发生传输装置，其中，保护气体装置、激光焊接装置、激光处理装置和非接触测温装置安装在同一机床运动单元上，激光焊接装置与激光处理装置之间通过激光发生传输装置连接。采用本实用新型可以扩大焊接窗口，提高韧性，避免断带。所谓焊接窗口即相应材料的焊接功率、速度范围。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属材料的热处理技术领域，尤其是指一种超高强度钢的焊缝激光处理系统。
背景技术
在带钢连续退火生产线上，一般采用激光焊接实现带钢头尾相连，达到连续退火的目的。对于含有较高合金元素的材料，激光焊接后的焊缝会出现淬火组织，焊缝内的马氏体含量较高时，会使得焊缝的塑性较差，进而引发断带事故，严重制约这部分材料的生产。目前已具有电磁感应退火回火技术、焊缝搭接焊、离线退火回火等技术。但这类技术在冷轧焊缝的处理上中都不够理想，比如电磁感应退火回火容易造成夹具的热损伤，焊缝搭接焊会对带钢支撑设备造成损害，如带钢夹送辊，而离线退火回火的工作效率较低。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超高强度钢的焊缝激光处理系统，本实用新型扩大了焊接工艺窗口，降低带钢断带风险，甚至可避免因焊缝韧性过低而导致带钢断带，从而实现冷轧超高强度带钢的激光焊接连续退火生产。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种超高强度钢的焊缝激光处理系统，它包括有保护气体装置、激光焊接装置、激光处理装置、非接触测温装置、激光发生传输装置，其中，保护气体装置、激光焊接装置、激光处理装置和非接触测温装置安装在同一机床运动单元上，激光焊接装置与激光处理装置之间通过激光发生传输装置连接。保护气体装置、激光焊接装置、激光处理装置和非接触测温装置随着激光焊接装置一起运动。为增加激光退火回火时间，激光处理装置可单独按照在另外一套机床上，等激光焊接完毕后在进行激光退火回火，但这种方式会增加焊缝处理时间，降低生产效率。
所述的激光处理装置包括有激光传输光纤、光纤接头、光纤连接模组、准直模组、激光整形模组、聚焦镜模组、保护镜模组，其中，聚焦镜模组内设有光纤接头，聚焦镜模组其中一端安装有保护镜模组，另一端依次设有激光整形模组、准直模组、光纤连接模组；激光传输光纤依次穿过光纤连接模组、准直模组、激光整形模组与光纤接头连接。可增加激光全反射模组，用于改变激光传输方向。激光处理装置采用的功率根据带钢焊缝温度进行调节。
采用非接触测温装置，如红外感应测温度，可安装多个测温仪，实现焊缝持续温度检测，采用非接触测温装置测量激光退火或回火焊的缝表面的温度，通过计算机处理温度数据和激光退火回火工艺数据后，可实现激光功率反馈控制。对于退火回火不高的钢种，也可根据焊缝质量需要，直接调节激光功率、焊接速度、扫射范围等参数，简化测量控制过程，而取消非接触测温装置。
激光聚焦后的激光点在激光整形模组处理后，可将激光点在X轴、Y轴上按照一定的运动要求进行扫射，如圆、正弦、螺线等。激光扫射在所需的范围内，如椭圆、直方范围，该范围称之为光斑。退火回火激光扫描光斑大小满足：沿焊缝方向（X轴）扫描长度大于等于5mm。沿垂直于焊缝方向（Y轴）扫描宽度大于等于2mm。沿焊缝方向（X轴）扫描长度根据焊接速度进行调整，沿垂直于焊缝方向（Y轴）扫描宽度根据焊缝宽度进行调整。
为了提高焊缝的韧性，采用激光退火回火对焊缝进行处理。根据焊缝质量要求对焊缝进行退火或回火，激光回火时带钢温度范围为300℃～740℃，激光退火时带钢温度范围为740℃～900℃。作为优选回火：激光回火时带钢温度范围为500℃～730℃，激光退火时带钢温度范围为730℃～850℃。进一步的作为优选回火：激光回火时带钢温度范围为550℃～730℃，激光退火时带钢温度范围为730℃～800℃。在高温区退火或正火时，如850℃～1200℃，应注意降低速度，防止出现表面淬火，生产中应尽量避免高温退火。
因激光对焊缝表面加热，热量是通过金属的热传递至焊缝中心，当焊缝表面温度较高时，由焊缝中心至表面可出现回火、退火、正火不同温度的组织结构，一般的，激光回火温度范围为300℃～740℃。激光退火时，带钢焊缝温度范围为740℃～800℃。正火时，钢焊缝表面温度范围为800℃～950℃。为提高生产效率，可降低激光处理时的焊缝表面温度，焊缝表面温度可为回火、退火温度区间，即回火温度范围为300℃～740℃，退火温度范围为740℃～800℃。
焊缝中的马氏体经激光回火处理后得到回火马氏体。回火温度较低时，如400℃,回火马氏体上可见碳化物析出。回火温度较高时，如650℃，可见马氏体发生分解。
对于焊缝熔融区，激光退火处理后的焊缝显微组织主要为铁素体、珠光体。经激光高温处理（900℃～1200℃）的焊缝可能会发生表面淬火现象，这时的显微组织可出现马氏体，但焊缝最高硬度在激光退火处理后至少降低10HV，也可以满足焊缝在生产中不断带的要求。
激光处理加热速度和冷却速度较快，焊缝的周围金属会加快激光处理的位置冷却，同时超高强度钢添加了大量淬火元素，因此激光处理后可存在少量马氏体和贝氏体，或不是典型的退微观组织，为正火组织。因此在740℃以上激光焊缝处理时，可为退火或正火。
激光处理是对焊缝表面进行加热，有表层原子热传递高焊缝中心位置，如果焊接速度较快、扫描光斑的X轴长度较短，则会导致表面得到改善的微观组织，而内部却没有得到充分改善，微观组织有表面像心部呈渐变。或者由于表面温度过高而出现表面淬火现象，焊缝处理时因避免表面激光淬火，较为合适的方法是增长X轴，降低焊接速度。
为进一步改进激光退火、正火、回火处理效果，均匀焊缝心部至表面的组织结构，可安装多个激光回火装置实现分段激光退火和缓慢冷却，进而避免激光退火后的焊缝在空气中发生过度淬火。也可在焊缝上下面安装激光处理装置，降低上下表面的温度差。
超高强度钢经淬火后的抗拉强度≥1300MPa。未经激光退火或回火的焊缝区最高硬度至少为400HV。一般的，焊接前的超高强度钢是冷轧态，显微组织主要是变形的铁素体和珠光体，极高焊接后焊缝内存在马氏体。焊缝经过退火或回火得到相应的显微组织。
超高强度钢的化学成分满足C%：0.20%～0.40%，Mn%：0.5%～3.0%，B%：0.0008%～0.008%。添加了其他用于强化或晶粒细化元素，如Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb等，这些元素可单独添加或复合添加。添加这些合金元素应至少满足以下两条中的一条：Ni、Cr、Mo含量总和大于等于0.05%；V、Ti、Nb含量总和大于等于0.01%。超高强度钢可以和其他材质的带钢焊接，采用本实用新型可以扩大焊接窗口，提高韧性，避免断带。所谓焊接窗口即相应材料的焊接功率、速度范围。
附图说明
图1为本实用新型的装置布置示意图。
图2为本实用新型退火回火装置意图。
图3为本实用新型退火回火光斑扫描路径示意图。
图4为未经激光退火回火处理的焊缝。
图5为未经激光退火回火处理的焊缝熔融区马氏体组织。
图6为经激光回火处理的焊缝。
图7为经激光回火处理的焊缝熔融区回火马氏体组织。
图8为经激光退火处理的焊缝。
图9为经激光退火处理的焊缝熔融区组织结构。
图10为超高强钢的成分。
图11为经退火回火处理的焊缝最高硬度。
具体实施方式
下面结合所有附图对本实用新型作进一步说明，本实用新型的较佳实施例为：参见附图1至附图11。
本实施例所述的超高强度钢的焊缝激光处理系统包括有保护气体装置A1、激光焊接装置A2、激光处理装置A3、非接触测温装置A4、激光发生传输装置A5，其中，保护气体装置A1、激光焊接装置A2、激光处理装置A3和非接触测温装置A4安装在同一机床运动单元上，激光焊接装置A2与激光处理装置A3之间通过激光发生传输装置A5连接；所述的激光处理装置A3包括有激光传输光纤D1、光纤接头D2、光纤连接模组D3、准直模组D4、激光整形模组D5、聚焦镜模组D6、保护镜模组D7，其中，聚焦镜模组D6内设有光纤接头D2，聚焦镜模组D6其中一端安装有保护镜模组D7，另一端依次设有激光整形模组D5、准直模组D4、光纤连接模组D3；激光传输光纤D1依次穿过光纤连接模组D3、准直模组D4、激光整形模组D5与光纤接头D2连接。
如图1，上述系统的激光处理装置A3，该装置的激光可以采用和激光焊接装置A2相同的激光源。保护气体装置A1、激光焊接装置A2、激光处理装置A3和非接触测温装置A4安装在同一机床运动单元上，随着激光焊接装置A2一起运动。
如图2，激光处理装置A3包括激光传输光纤D1，光纤接头D2，光纤连接模组D3，准直模组D4，激光整形模组D5，聚焦镜模组D6和保护镜模组D7等必要模组。
如图3，激光点E1在激光整形模组D5处理后，将激光点近似的在X轴、Y轴上按照正弦E2在焊缝位置扫射，形成近似的直方型范围E3。退火回火激光扫描光斑大小满足：沿焊缝方向（X轴）扫描长度为20mm。沿垂直于焊缝方向（Y轴）扫描宽度为3mm。
采用非接触测温装置A4，如红外感应测温度，可安装多个测温仪，实现焊缝持续温度检测，采用非接触测温装置A4测量激光退火或回火焊的缝表面的温度，通过计算机处理温度数据和激光退火回火工艺数据后，可实现激光功率反馈控制。对于退火回火不高的钢种，也可根据焊缝质量需要，直接调节激光功率、焊接速度、扫射范围等参数，简化测量控制过程，而取消非接触测温装置。
激光聚焦后的激光点在激光整形模组D5处理后，可将激光点在X轴、Y轴上按照一定的运动要求进行扫射，如圆、正弦、螺线等。激光扫射在所需的范围内，如椭圆、直方范围，该范围称之为光斑。退火回火激光扫描光斑大小满足：沿焊缝方向（X轴）扫描长度大于等于5mm。沿垂直于焊缝方向（Y轴）扫描宽度大于等于2mm。沿焊缝方向（X轴）扫描长度根据焊接速度进行调整，沿垂直于焊缝方向（Y轴）扫描宽度根据焊缝宽度进行调整。
为了提高焊缝的韧性，采用激光退火回火对焊缝进行处理。根据焊缝质量要求对焊缝进行退火或回火，激光回火时带钢温度范围为300℃～740℃，激光退火时带钢温度范围为740℃～900℃。作为优选回火：激光回火时带钢温度范围为500℃～730℃，激光退火时带钢温度范围为730℃～850℃。进一步的作为优选回火：激光回火时带钢温度范围为550℃～730℃，激光退火时带钢温度范围为730℃～800℃。在高温区退火或正火时，如850℃～1200℃，应注意降低速度，防止出现表面淬火，生产中应尽量避免高温退火。
因激光对焊缝表面加热，热量是通过金属的热传递至焊缝中心，当焊缝表面温度较高时，由焊缝中心至表面可出现回火、退火、正火不同温度的组织结构，一般的，激光回火温度范围为300℃～740℃。激光退火时，带钢焊缝温度范围为740℃～800℃。正火时，钢焊缝表面温度范围为800℃～950℃。为提高生产效率，可降低激光处理时的焊缝表面温度，焊缝表面温度可为回火、退火温度区间，即回火温度范围为300℃～740℃，退火温度范围为740℃～800℃。
焊缝B2中的马氏体经激光回火处理后B3得到回火马氏体。回火温度较低时，如400℃,回火马氏体上可见碳化物析出。回火温度较高时，如650℃，可见马氏体发生分解。
对于焊缝熔融区，激光退火处理后的焊缝B3显微组织主要为铁素体、珠光体。经激光高温处理（900℃～1200℃）的焊缝B3可能会发生表面淬火现象，这时的显微组织可出现马氏体，但焊缝最高硬度在激光退火处理后至少降低10HV，也可以满足焊缝在生产中不断带的要求。
激光处理加热速度和冷却速度较快，焊缝的周围金属会加快激光处理的位置冷却，同时超高强度钢添加了大量淬火元素，因此激光处理后可存在少量马氏体和贝氏体，或不是典型的退微观组织，为正火组织。因此在740℃以上激光焊缝处理时，可为退火或正火。
激光处理是对焊缝表面进行加热，有表层原子热传递高焊缝中心位置，如果焊接速度较快、扫描光斑的X轴长度较短，则会导致表面得到改善的微观组织，而内部却没有得到充分改善，微观组织有表面像心部呈渐变。或者由于表面温度过高而出现表面淬火现象，焊缝处理时因避免表面激光淬火，较为合适的方法是增长X轴，降低焊接速度。
为进一步改进激光退火、正火、回火处理效果，均匀焊缝心部至表面的组织结构，可安装多个激光回火装置实现分段激光退火和缓慢冷却，进而避免激光退火后的焊缝在空气中发生过度淬火。也可在焊缝上下面安装激光处理装置，降低上下表面的温度差。
超高强度钢经淬火后的抗拉强度≥1300MPa。未经激光退火或回火的焊缝区最高硬度至少为400HV。一般的，焊接前的超高强度钢是冷轧态，显微组织主要是变形的铁素体和珠光体，极高焊接后焊缝内存在马氏体。焊缝经过退火或回火得到相应的显微组织。
超高强度钢的化学成分满足C%：0.20%～0.40%，Mn%：0.5%～3.0%，B%：0.0008%～0.008%。添加了其他用于强化或晶粒细化元素，如Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb等，这些元素可单独添加或复合添加。添加这些合金元素应至少满足以下两条中的一条：Ni、Cr、Mo含量总和大于等于0.05%；V、Ti、Nb含量总和大于等于0.01%。超高强度钢可以和其他材质的带钢焊接，采用本实用新型可以扩大焊接窗口，提高韧性，避免断带。所谓焊接窗口即相应材料的焊接功率、速度范围。
采用满足如图10成分的超高强高进行激光焊接和激光回火、退火处理，带钢厚度1.5mm。处理后的性能如图11所示。
对试验的焊缝样品经过4%硝酸酒精腐蚀，观察金相组织。分析如下：
如图4所示，焊接后未经激光退火回火处理的焊缝组织复杂，变化剧烈，焊缝处将有大量马氏体出现，如图5，马氏体呈淡黄色。在热影响区硬度较高，塑性较差，经过反复弯曲在该处容易出现断裂。
如图6所示，焊缝经过600℃的激光回火，组织得到改善，得到暗色的回火马氏体，如图7，马氏体部分分解，电镜下可见大量碳化物析出物。
如图8所示，焊缝经850℃的激光退火处理，组织发生了明显变化，即由马氏体为主的变为铁素体、珠光组织，硬度下降明显。
以上所述之实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (2)
1.一种超高强度钢的焊缝激光处理系统，其特征包括：它包括有保护气体装置（A1）、激光焊接装置（A2）、激光处理装置（A3）、非接触测温装置（A4）、激光发生传输装置（A5），其中，保护气体装置（A1）、激光焊接装置（A2）、激光处理装置（A3）和非接触测温装置（A4）安装在同一机床运动单元上，激光焊接装置（A2）与激光处理装置（A3）之间通过激光发生传输装置（A5）连接。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度钢的焊缝激光处理系统，其特征包括：所述的激光处理装置（A3）包括有激光传输光纤（D1）、光纤接头（D2）、光纤连接模组（D3）、准直模组（D4）、激光整形模组（D5）、聚焦镜模组（D6）、保护镜模组（D7），其中，聚焦镜模组（D6）内设有光纤接头（D2），聚焦镜模组（D6）其中一端安装有保护镜模组（D7），另一端依次设有激光整形模组（D5）、准直模组（D4）、光纤连接模组（D3）；激光传输光纤（D1）依次穿过光纤连接模组（D3）、准直模组（D4）、激光整形模组（D5）与光纤接头（D2）连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN113736983A (zh) * | 2021-10-18 | 2021-12-03 | 华菱安赛乐米塔尔汽车板有限公司 | 高强度钢的焊缝处理方法及系统 |
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- 2020-11-25 CN CN202022762048.XU patent/CN213888669U/zh active Active
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