一种激光填丝焊接用焊丝及制备方法和拼焊板制造工艺

摘要

本发明提供一种激光填丝焊接用焊丝及制备方法和拼焊板制造工艺，通过填充焊丝来调控激光拼焊板拼焊区的C、Ni、Cr和Mo含量，来增强拼焊区的抗氧化性、耐腐蚀性能，并通过引入或提高C、Mo来增强拼焊区的热强度和高温塑性成形性，获得耐高温氧化、抗腐蚀和机械性能优异的拼焊板，并消除过量的Al对拼焊区组织和性能的影响。本发明激光拼焊板具有拼焊区晶粒细化、拼焊区抗氧化且淬透性大等特点，可以在无保护气氛条件下800‑950℃完成奥氏体化。

说明书

技术领域

本发明主要涉及激光焊接加工技术领域，尤其涉及一种抗高温氧化、耐腐蚀的激光填丝焊接用焊丝及制备方法和拼焊板制造工艺。

背景技术

近年来，汽车轻量化技术蓬勃发展，激光拼焊技术在汽车车身结构件领域受到关注。所谓激光拼焊技术，是以激光作为加热热源，将若干不同材质、不同厚度或不同涂层的金属进行对接和焊接，制造成一体化的板材或卷料等。采用激光拼焊具有以下优势：(1)拓宽材料轻量化设计的空间。基于材料的服役要求，对板料厚度、性能进行分区域定向控制，拓宽了材料结构拓扑优化设计的空间。(2)更高的材料利用率。以车身门环为例，将材料利用率由50％提高至75％，减少了原材料的资源浪费，降低生产成本。

随着热冲压技术的发展，人们将激光拼焊技术应用于热冲压板料的制备，用于解决高强钢热冲压延伸率只有5-7％、塑韧性欠缺的问题。基于汽车结构件的服役性能，将不同厚度、镀层和材质的硼钢、DP钢、TRIP钢和QP钢进行对接焊接，拓宽了热冲压零部件的设计空间，实现车身结构件碰撞吸能与整体刚性的统一。但是，镀层板由于存在着铝硅涂层，在拼焊过程中引入母材造成奥氏体化相区封闭，且残留大量的高温铁素体，造成激光拼焊板热冲压零部件性能无法满足要求。

安塞尔提出采用局部剥除涂层法+母材自熔焊接，既能减少过多的铝引入拼焊区造成性能恶化，又能使拼焊区具有一定的耐腐蚀性，见已公开发明专利《用于制备旨在用于焊接随后在压力下硬化的涂覆有铝的钢板的方法和装置，对应的焊接坯件》，专利号CN106232285B。但是，采用机械、激光等手段对涂层进行局部剥除，来保证材料的耐腐蚀性和抗拉强度，需要对去除镀层的厚度和宽度进行精准控制，也就是说对板料的平整度和厚度公差、母材的对接状态要求极高，造成工艺控制难度大、产品成品率较低，且拼焊区的强韧性相比母材也明显降低。

现代制铁针对此问题，通过激光填丝焊接来扩大奥氏体化相区，消除Al对拼焊区组织和性能的影响，而无需额外去除涂层，见已公开发明专利《拼焊板及其制造方法、以及使用拼焊板的热冲压部件》，专利号CN104023899B。但是，该专利仅仅考虑拼焊区的强度，拼焊区的耐腐蚀性能较差，激光拼焊板料需要进行涂防护油处理，且在热成形奥氏体化阶段氧化严重，增加了质量管控的难度和风险。

已公开发明专利《一种抗高温氧化的非镀层热冲压成形用钢》，专利号CN103614640B，提出一种抗高温氧化的热冲压高强钢成分，将Cr含量提高到0.5-1.5％，使得钢板在奥氏体加热时获得致密的氧化膜而阻止进一步氧化。在此技术基础上，研究人员对激光拼焊板拼焊区的成分进行优化设计和调控，以提高激光拼焊板的抗高温氧化、强韧性能。

综上所述，开发一种抗高温氧化、且耐腐蚀的激光填丝用焊丝，调控激光拼焊板的成分比例与组织，消除因过量Al进入镀层导致的拼焊区性能恶化，也就成了本领域需要解决的难题。

发明内容

针对现有技术中激光拼焊板制备过程中局部去除镀层，工艺控制困难的难题，且现有拼焊板在奥氏体化阶段拼焊区发生氧化，产品在空气中搁置易于腐蚀的难题。

本发明通过填充焊丝来调控拼激光拼焊板拼焊区的C、Ni、Cr和Mo含量，增强激光拼焊板的抗氧化性、耐腐蚀性能，并通过引入或提高C、Mo来增强拼焊区的强度和高温塑性成形性，获得耐高温氧化、抗腐蚀和机械性能优异的激光拼焊板，并消除母材Al对热冲压后拼焊区组织和性能的影响。本发明采用该焊丝制备的激光拼焊板具有拼焊区组织均匀细小、抗氧化等特点，可以在无保护气氛条件下在800-950℃进行完全奥氏体化退火，满足激光拼焊板抗氧化性和耐腐蚀性能要求。

本发明提供一种抗高温氧化、耐腐蚀的激光填丝焊接用焊丝，所述焊丝直径为0.5-2.0mm，适用于镀有铝及其化合物、锌及其化合物的汽车结构用钢板或钢卷的激光填丝拼焊，也可用于不带涂层的汽车结构用钢板或钢卷的激光填丝拼焊；

所述焊丝按重量百分比计，包括如下组分：C 0.50-0.90％,Mn 0.8-2.0％，Ni8.0-15.0％，Cr 3.0-6.0％，Mo 0.5-1.5％，B 0-0.008％，Nb+V+Ti 0.20-0.80％，余量为Fe和杂质。

用于激光拼焊板制备的填充焊丝设计原理，如下：

(1)扩大拼焊区的奥氏体相区：将拼焊区的Ni+Mn含量提高至2.0-4.0％，扩大奥氏体化相区，消除过量的Al进入拼焊区导致奥氏体相区缩小和高温铁素体残留，避免拼焊区的强度和韧性恶化，并保证拼焊区在850-950℃能够完全奥氏体化；

(2)增强拼焊区的抗高温氧化性：将拼焊区的Cr含量提升至0.5-1.5％，在奥氏体化加热时拼焊区表面形成致密的Cr2O3氧化膜，阻止拼焊区的进一步氧化。采用该焊丝进制备的激光拼焊板，无需进行N2等惰性、还原性气氛保护。此外，对接母材的部分或全部镀层到拼焊区，进一步增强拼焊区的抗高温氧化性。

(3)增强拼焊区的抗腐蚀性：将拼焊区的Cr含量提升至0.5-1.5％，拼焊区表面形成富铬的氧化膜/钝化膜，增强材料的耐蚀性。此外，将Ni含量提升至1.5-4.0％，进一步提高钝化膜的稳定性；制备的激光拼焊板无需涂防护油保护，简化了后续的产品保养；

(4)增强拼焊区的强韧性和抗氢脆性能：在拼焊过程中，微量的Nb+V+Ti能够细化拼焊区的晶粒组织，并在奥氏体化加热过程中弥散析出，提高了拼焊区的室温强度和抗氢脆性能；

(5)增强拼焊区的高温塑性成形性：将拼焊区的Mo含量提升至0.1-0.3％，且C含量高于母材15-50％，有效提高拼焊区的热强度和加工硬化率，避免拼焊焊缝在冲压过程中局部减薄过早或撕裂；

(6)增强拼焊区的淬透性：引入拼焊区的Ni、Mn、Mo和Cr，均可提高拼焊区的淬透性，拼焊区冷速在＞20℃/s，拼焊区能够获得全马氏体；也就是说，模具在拼焊区进行避让设计时(避让宽度<25mm)，不会造成拼焊区强度降低。

本发明还提供一种抗高温氧化、耐腐蚀的激光填丝焊接用焊丝的制备方法，包括如下步骤：

S1、真空铸造：在真空熔炼炉内对焊材原材料进行冶炼，制得符合焊材目标成分的钢锭；

S2、均匀化退火和锻造：将钢锭进行均匀化退火，加热温度1000-1250℃，随后，将钢锭锻造为方形或圆形截面的锻件，锻压温度为800-1150℃；

S3、线材热轧：将锻件加热至950-1150℃，通过热轧轧机将锻件轧制成直径为5-15mm的盘条；

S4、退火酸洗：将盘条进行退火，退火温度700-900℃，随后对退火后的盘条进行酸洗或机械抛光，去除盘条表面的氧化物；

S5、冷拔和退火：将盘条进行多道次冷拔加工，根据工艺需要，在拉拔过程中，可以在还原气氛下进行退火，退火温度为700-1000℃，最终获得直径0.5-2.0mm的焊丝。

本发明还提供一种抗高温氧化、耐腐蚀的拼焊板制造工艺，使用以上抗高温氧化、耐腐蚀的激光填丝用焊丝，其拼焊板制造工艺包括如下步骤：

S1：母材准备：焊接母材至少有一个为带有镀层的板件或卷料，根据工艺需要，确定是否去除拼焊区附近的涂层，若去除涂层需要确定去除的比例；

根据工艺需要，当母材熔化比例控制为10-50％，无需对母材进行涂层去除，将拼焊区的Al含量控制在0.5-2.0％，并利用填充焊丝消除Al对拼焊区组织和性能的影响。当母材熔化比例控制为50-100％时，需要局部或全部去除涂层，将拼焊区的Al含量控制在0-1.5％。去除涂层可采用激光清洗、机械去除等方法，去除深度为镀层厚度的50-100％，去除宽度为母材熔深宽度的50-100％；

S2：拼焊加工：使用激光、电弧等热源对对接的母材进行填丝焊接，母材对接的间隙控制为0-1.5mm，母材熔化比例控制为拼焊区总体积的25-95％，拼焊区焊核尺寸控制在0.5-4mm；

根据工艺需要，在送丝阶段选择对焊丝进行预热处理，预热温度为200-600℃。

优选的，在S1:母材准备步骤中，所准备的焊接母材至少有一个能够进行热压硬化，所述焊接母材的表面覆盖有铝及其金属间化合物、锌及其金属间化合物的涂层，且所述焊接母材的厚度差异<2.0mm。

优选的，在S1:母材准备步骤中，所准备的焊接母材至少有一个按重量百分比计，包括如下组分：C 0.10％～0.35％，Mn 0.5％～2.0％，Si 0.1％～2.0％，Cr＜1.0％，Mo+Ti+Nb+V＜0.3％，B＜0.001％，余量为Fe和杂质。

优选的，在S2：均匀化退火和锻造中，拼焊板的激光拼焊工艺如下：激光功率为1.0-6.0KW，光斑直径为0.2mm-2mm，扫描速度为2-10m/min，送丝速度为0.2-5m/min，焊丝与激光光束之间的夹角为30°-60°。根据填充焊丝的实际成分，拼焊工艺可选择建议数值的上限或下限。

本发明的有益效果：

(1)拼焊区抗高温氧化：本发明通过填充焊丝来提高拼焊板拼焊区的Cr含量，拼焊区在高温下形成致密的的Cr2O3。在热冲压阶段，奥氏体化加热无需进行惰性或还原性气氛保护，氧化试验证明，拼焊区的氧化程度和镀层板相当；

(2)拼焊区耐腐蚀性能优越：本发明通过填充焊丝来提高拼焊板拼焊区的Cr、Ni含量，在拼焊区表面形成了钝化膜，提高了拼焊区的抗腐蚀性能，拼焊区获得媲美于镀层板的耐腐蚀性能；

(3)更高的工艺稳定性：本发明通过填充焊丝来引入C、Ni和Mn，扩大奥氏体相区并减少高温铁素体的形成，使得拼焊区在800-950℃能够完全奥氏体化。结合母材熔化比例的控制，可以进行去除涂层及其比例，扩大了拼焊工艺窗口和产品稳定性；

(4)拼焊板高温成形性好：本发明通过填充焊丝来提高拼焊区的C、Mo含量，其拼焊区具有比母材更高的热强度和加工硬化率，降低热冲压过程中拼焊区发生撕裂、起皱的风险。

附图说明

图1为本发明中关于激光拼焊母材的示意图；

图2为本发明中关于激光拼焊加工的示意图；

图3为本发明中关于B柱拼焊板的示意图；

图4为本发明中关于拼焊板拼焊区的组织图；

图5为本发明中关于B柱零部件的示意图；

图6为本发明中关于B柱零部件拼焊区的组织图；

图中，

1、激光热源；2、填充焊丝；3、对接母材1；4、拼焊焊缝；5、对接母材2。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

以激光拼焊板B柱为例，对所述填充焊丝的成分与拼焊板的制造工艺进行阐述。如图1所示，该激光拼焊板由厚度1.6mm的22MnB5钢和厚度2.0mm的DP980钢拼焊对接而成，且两种板料均镀有铝硅涂层。

一、激光填充用焊丝的成分设计

本发明通过填充焊丝来调控激光拼焊板拼焊区的成分，使得激光拼焊板拼焊区的C含量达到0.26-0.30％，Cr含量达到0.8-1.2％，Ni含量达到2.5-4.0％，其它元素含量高于母材10％以上。如表1所示，给出了制造该激光拼焊板的对接母材和拼焊区的化学成分。其中，用于激光焊接的填充焊丝成分为：0.75％C，1.2％Mn，12.0％Ni，5.0％Cr，0.8％Mo，0.005％B，0.40％V，余量为Fe和不可避免的杂质。

表1：本发明激光拼焊板的对接母材和拼焊区成分

本发明填充焊丝及其激光拼焊板的设计原理，如下：

碳C通过马氏体强化来提高激光拼焊板拼焊区的强度，为保证拼焊区强度高于母材且无孪晶马氏体的形成，拼焊区碳含量要比22MnB5母材高0.05-0.1％。锰Mn+Ni用于扩大拼焊区的奥氏体相区并减少高温铁素体的形成，消除镀层板中的过量的Al进入拼焊区造成的强韧性恶化；本发明用Ni来取代Mn来提拼焊区的抗氧化性。

铬Cr用于提高拼焊区的抗氧化性和耐腐蚀性，在高温下拼焊区形成致密的Cr2O3氧化膜，阻止钢的进一步氧化，该激光拼焊板在奥氏体化加热无需进行N2保护；除此之外，Cr具有一定的钝化性，能够抑制拼焊区的腐蚀，使得拼焊区获得媲美于镀层板的耐腐蚀性能。钼Mo用于提高拼焊区的热强度，避免拼焊区在热冲压过程中发生撕裂、起皱。硼B用于提高淬透性的关键元素，加入微量就会对钢的淬透性产生明显影响，保证模具在拼焊区附近可以进行避空设计,依旧获得全马氏体组织。V用于细化奥氏体化晶粒，提高激光拼焊板拼焊区的抗氢脆性能。

二、激光拼焊板的制备工艺

根据母材、焊丝和拼焊区成分之间的关系，采用填丝焊接完成激光拼焊板的制造。母材对接间隙控制为0.1-0.5mm，拼焊区焊核尺寸控制在1.0-2.5mm。具体制备工艺如下：

S1、母材准备。所述焊接母材为带有铝硅镀层的厚度1.6mm的22MnB5和厚度2.0mm的DP980。根据激光拼焊工艺和母材熔化比例，确定对接母材在拼焊区附近的涂层是否去除，以及涂层去除的比例；将母材进行对接，见图1。

S2、焊接加工。使用激光热源对对接的母材进行拼焊，激光功率为1.5-4.0KW，光斑直径为0.5-2mm，扫描速度为3-6m/min，焊丝与热源光束间的夹角为45-55°，见图2。

下面将本发明制备的激光拼焊板B柱，与同类专利产品进行性能对比，见图3和4。如表2所示，给出了本发明B柱与同类专利产品的抗高温氧化、淬火敏感性、盐雾试验、硬度和强度等材料性能。

表2：本发明的拼焊板与同类专利产品的性能对比表

与安赛洛专利产品相比，本发明的激光拼焊板拼焊区具有优良的抗氧化性，在奥氏体化阶段无需通入N2进行气氛保护，盐雾试验性能约等同于22MnB5镀层板，降低了热冲压环节的工艺成本。与现代制铁专利产品相比，本发明的激光拼焊板拼焊区具有更高的耐腐蚀性，盐雾试验约等同于22MnB5镀层板，无需进行涂防护油防护。

除此之外，本发明激光拼焊板拼焊区的热强度比母材高10-25％，降低了热冲压过程中拼焊焊缝的开裂风险；本发明激光拼焊板的拼焊区具有更高的淬火敏感性，模具在拼焊区附近进行<20mm的避让设计，不影响拼焊区的性能。三、激光拼焊板零部件的热冲压工艺

本发明激光拼焊板的拼焊区具有抗氧化性，该激光拼焊板在热冲压阶段，奥氏体化加热无需进行气氛保护。其热冲压工艺如下：

S1、奥氏体化加热。将拼焊板在850-950℃进行奥氏体化退火，退火时间为3-10min，无需进行气氛保护，使激光拼焊板(包含拼焊区)发生完全奥氏体化。

S2、板料转运。将奥氏体化加热后的激光拼焊板，在7-10s内转运至内部设置有冷却水路的热冲压模具。

S3、冲压成形。压机下行，将激光拼焊板在700-850℃下进行冲压成形，并在模具内完成保压淬火，保压压力为10-15MPa，直至板料冷却至50-150℃后取出零件，见图5。

如图6所示，给出了本发明激光拼焊B柱热冲压后的拼焊区组织，拼焊区以马氏体组织为主。此外，在空气中搁置3月后，拼焊区无明显的腐蚀。在后续的使用过程中，拼焊区无需进行涂油防护，减少了产品后续的维护成本。

上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利请的权利要求所涵盖。