法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-11-19
授权
授权
2018-05-08
实质审查的生效 IPC(主分类):B23K26/211 申请日:20171123
实质审查的生效
2018-04-13
公开
公开
技术领域
本发明采用高速激光填丝对高强度双相钢进行深熔焊接,进而改善焊接件力学性能的方法,属于特种焊接领域。
技术背景
双相钢作为以相变为基础的先进高强钢,是通过控制冷却速度获得铁素体软相和马氏体(或贝氏体)硬相的双相组织,其具有良好的强度和塑性综合性能,符合汽车的轻量化要求,已广泛应用于汽车制造业中,车身结构采用双相钢不仅可以减轻车身质量、降低油耗,而且能增大车身结构的抗凹陷能力;非车身结构采用双相钢明显提升悬挂件以及车轮的强度和疲劳性能。汽车零部件一般需要通过焊接方式进行连接。目前汽车生产中应用最多的焊接方法是电阻点焊,但在某些点焊焊钳无法到达的部位(如车身大拐角处),必须采用激光焊方法进行焊接。激光焊是以高能量密度的激光束作为热源,直线照射到一个很小的点从而引发金属基体熔化的焊接方式。焊接过程中,部分母材汽化后在基体表面产生气流波,对焊接部位起到清洁作用。同时,熔池中心形成一个小凹形空腔(匙孔),当激光束向前焊接移动时,熔池中的熔体迅速流向凹形空腔,同时由于表面张力的作用,随着焊接的进行,空腔得到连续不断的填补,从而形成均匀的焊缝。
国内外学者对钢材厚板(4~15 mm)的焊接技术展开了大量的研究工作,包括焊接工艺和焊接性,研究的侧重点在于焊接工艺参数对于组织和性能的影响,发现采用激光焊接可能无法穿透双相钢厚板,并且会产生无法接受的大变形。
Alcock利用二极管激光焊接304L不锈钢合金,发现只有当热输入量高于600J/mm时,熔深可以达到10 mm以上。Elmesalamy通过应用1kW光纤激光器,焊接20mm厚的不锈钢对接接头,间隙达1.5mm,显示出该焊接方法的可行性。但在厚板激光焊接中易出现接头变形情况,焊接接头上表面会出现明显凹陷而下表面凸起等形状缺陷,从而影响材料的使用。为了获得无缺陷的接头,可以采用背板和激励工具生成向上的电磁力以调节熔池形状。Ferabi研究双相钢激光焊接接头的组织和力学性能情况,通过对DP600钢进行焊接发现,焊接后在焊缝区域出现了明显的硬化现象,而热影响区存在软化现象;Tae-KyoHan对DP600、DP800双相钢等先进高强钢进行CO2激光焊接,研究焊接接头的硬化行为发现,在DP600双相钢、DP800双相钢中,焊接接头的最高硬度出现在焊缝金属以及HAZ靠近熔合线一侧,而从热影响区到母材侧硬度是逐渐降低的。
发明内容
针对采用普通焊接方法连接高强度双相钢时,易造成焊接区出现的软化问题,本发明采用一种含Ni、Cu、Mo、V等元素的焊丝和高能快速激光焊接技术,并提供优化的激光焊接工艺参数,以改善双相钢接头力学性能,目的是获得不低于双相钢母材的焊接接头强度和硬度,从而满足该钢材在压力容器、轨道交通、海洋运输、桥梁等应用要求。
本发明采用的焊丝的主要成分列于表1,焊丝中含有少量的Ni、Cu、Mo、V等强化元素,焊丝直径为1.2~2.0mm。
表1 实用化焊接用双相钢和焊丝的化学成分范围(质量分数,%)
本发明主要针对4~15 mm厚的双相钢板材,其高能快速激光焊接的主要工艺参数为:用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,焊缝预制对接间隙为1.0~1.6 mm,聚光镜焦距为15 cm,离焦距离为-10~3 mm,激光功率控制在1.8~6 kW,焊接速度控制在10~60mm·s-1,焊接过程中保持通风良好,焊完后进行风冷处理,以促使焊缝快速冷却。
高能快速激光深熔焊的具体步骤如下:
1. 焊前钢板准备
采用的钢板为双相钢,其成分列于表1。该钢材经过热处理后为铁素体、马氏体双相组织,力学性能符合:抗拉强度不小于920MPa,屈服强度不小于790MPa,延伸率不小于5%,HV0.1不小于320。钢板的厚度为4~15 mm。钢板平直、表面清洁,无油污、水渍等污染物。
2. 焊接预制对接间隙调整
将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上,再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置,平行移动钢板,使焊缝预制对接间隙为1.0~1.6 mm。
3. 高能快速激光深熔焊
用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,离焦距离为-10~3 mm,激光功率控制在1.8~6 kW,焊接速度控制在10~60 mm·s-1。焊丝直径为1.2~2.0>-1,根据焊缝的熔池体积补充量需求来确定。采用99.99%的高纯氩气作为保护气体,送气软管固定在激光头上。
焊接过程中保持通风良好,以促使焊缝快速冷却。当环境温度超过30℃时,应采取电风扇强制风冷处理。当环境温度超过50℃时,应停止作业。
通保护气体氩气时,送气软管固定在激光头上,流量为15L/min,与焊接方向呈45°的角度将保护气体均匀稳定的送入到焊接区域。
采用本激光工艺参数焊接薄双相钢形成的焊缝,其焊接区域的热影响区宽度小于0.6 mm;焊缝区组织为粗大马氏体组织;焊接热影响区如图3所示,以细小马氏体组织为主,含有少量铁素体。焊接接头部分硬度在370~450HV0.1,焊接接头拉伸强度接近甚至超过母材。本发明所采用的高能快速激光焊接技术,焊接区和焊接热影响区很窄,焊接熔化迅速升高到熔化温度,焊后由于周围环境空气对流散热和焊接钢板自身传导散热的作用,能使焊接区产生类似于淬火的作用,形成马氏体;焊丝中添加了Ni、Cu、Mo、V等元素,起到了稳定奥氏体,促进马氏体相变的作用,并起到合金强化、硬化作用。由于快速冷却马氏体强化和合金强化的作用,使得焊接接头硬度和强度得以提高。
附图说明
图1为典型高功率激光深熔焊形貌金相图;
图2为双相钢厚板深熔焊接头的焊缝区马氏体组织形态;
图3为双相钢厚板深熔焊接头的热处理区金相图;
图4为实施例1接头拉伸断裂形貌图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
具体实施方式
实施例1
焊前采用的钢板为双相钢,其成分列于表1。钢板的厚度为4.6 mm,钢板平直、表面清洁,无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上,再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置,平行移动钢板,使焊缝预制对接间隙为1.02 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,离焦距离为+3 mm,激光功率控制在1.8 kW,焊接速度为10 mm·s-1。焊丝直径为1.2>-1。采用高纯氩气作为保护气体,送气软管固定在激光头上,流量为15>
表2实施例双相钢的焊接工艺参数及接头力学性能
实施例2
焊前采用的钢板为双相钢,其成分列于表1。钢板的厚度为6 mm,钢板平直、表面清洁,无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上,再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置,平行移动钢板,使焊缝预制对接间隙为1.15 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,离焦距离为+2 mm,激光功率控制在2.4 kW,焊接速度为12 mm·s-1。焊丝直径为1.4>-1。采用高纯氩气作为保护气体,送气软管固定在激光头上,流量为15>
实施例3
焊前采用的钢板为双相钢,其成分列于表1。钢板的厚度为7.5 mm,钢板平直、表面清洁,无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上,再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置,平行移动钢板,使焊缝预制对接间隙为1.28 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,离焦距离为+1 mm,激光功率控制在3.1 kW,焊接速度为14 mm·s-1。焊丝直径为1.6>-1。采用高纯氩气作为保护气体,送气软管固定在激光头上,流量为15>
实施例4
焊前采用的钢板为双相钢,其成分列于表1。钢板的厚度为8.7 mm,钢板平直、表面清洁,无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上,再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置,平行移动钢板,使焊缝预制对接间隙为1.50 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,离焦距离为0 mm,激光功率控制在3.8 kW,焊接速度为15 mm·s-1。焊丝直径为1.8>-1。采用高纯氩气作为保护气体,送气软管固定在激光头上,流量为15>
实施例5
焊前采用的钢板为双相钢,其成分列于表1。钢板的厚度为9.5 mm,钢板平直、表面清洁,无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上,再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置,平行移动钢板,使焊缝预制对接间隙为1.52 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,离焦距离为-1 mm,激光功率控制在4.5 kW,焊接速度为18 mm·s-1。焊丝直径为1.8>-1。采用高纯氩气作为保护气体,送气软管固定在激光头上,流量为15>
实施例6
焊前采用的钢板为双相钢,其成分列于表1。钢板的厚度为11 mm,钢板平直、表面清洁,无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上,再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置,平行移动钢板,使焊缝预制对接间隙为1.60 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,离焦距离为-3 mm,激光功率控制在5.2 kW,焊接速度为20 mm·s-1。焊丝直径为1.8>-1。采用高纯氩气作为保护气体,送气软管固定在激光头上,流量为15>
实施例7
焊前采用的钢板为双相钢,其成分列于表1。钢板的厚度为13 mm,钢板平直、表面清洁,无油污、水渍等污染物。将同样长度的两块双相钢板用焊接夹具固定在激光焊接工装台上,再用激光切割方法将两块钢板的对接面切出相互平行的端面。借助焊接工装台距离调整装置,平行移动钢板,使焊缝预制对接间隙为1.57 mm。用IPG YLS-6000型光纤Nd:YAG激光器填丝对接焊,离焦距离为-3 mm,激光功率控制在5.8 kW,焊接速度为22 mm·s-1。焊丝直径为2.0>-1。采用高纯氩气作为保护气体,送气软管固定在激光头上,流量为15>
机译: 具有激光焊接件良好性能的双相不锈钢薄激光焊接件及生产双相不锈钢激光焊接件的方法
机译: 包含双相不锈钢的焊接结构,由双相不锈钢改性的改性结构,以双相不锈钢为基础材料的焊接方法以及双相不锈钢的改性方法。
机译: 双相不锈钢的焊接接头,双相不锈钢的焊接方法和双相不锈钢的焊接接头的制造方法