CN108356417A - 一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法 - Google Patents

一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及焊接及焊后热处理技术领域，提供了一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，该高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C:0.05～0.45wt.％、Mn:4.50～8.00wt.％、Si:0.01～2.50wt.％、Al：0～3.00wt.％、P:≤0.02wt.％、S:≤0.02wt.％、Nb:0～0.02wt.％、V:0～0.30wt.％、Ti:0～0.30wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；该方法包括如下步骤：焊接后对焊接接头进行热处理，采用真空热处理炉，热处理温度设定在650～750℃，到达设定温度后将工件放入炉中，透保5±2min，保温时间为10min～3h；达到保温时间后将焊接接头从炉中取出，空冷至室温。

Description

一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法
技术领域
本发明属于焊接及焊后热处理技术领域，特别是一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法。
背景技术
近年来，随着汽车行业的迅猛发展，环境污染严重导致空气质量恶化，因此提高汽车燃油经济性、降低能源消耗成为汽车行业的根本目标。研究发现使用新一代先进高强钢能够通过降低车身重量达到以上两个目标，因此汽车钢的开发成为汽车行业发展的根本途径。以中锰钢为代表的新一代汽车钢由于具备良好的强度和塑韧性结合能力，而受到广泛关注。
而激光焊接是汽车行业中不可或缺的一个关键环节，目前使用较为广泛的汽车钢主要是DP钢、TRIP钢、马氏体钢和普通的低合金高强度，采用的焊接方法主要是电阻点焊、激光焊接、钨极氩弧焊等。传统的高强钢在激光焊接时存在焊缝区硬化、热影响区软化等问题，造成拼焊板在后续的冲压成型等工序中出现在接头处失效情况，而对于以中锰钢为代表的新一代汽车钢的激光焊接及接头热处理目前并没有太多报道，因此对于这种高强塑积中锰钢采用何种方法焊接及热处理方法能够得到高质量、高性能的焊接接头成为急需解决的问题。
现有技术的文献中，有关高强塑积中锰钢目前采用的热处理工艺工作都是围绕母材进行的，对于焊接接头的热处理并没有相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，提高其综合力学性能，解决接头淬组织过硬等问题，同时提高其冲压成型性能，特别适合如中锰钢等淬透性较好的钢。
为了实现本发明目的，提供了以下技术方案：
一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，
a.该高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C: 0.05～0.45wt.％、Mn:4.50～8.00wt.％、Si:0.01～2.50wt.％、Al：0～3.00 wt.％、P:≤0.02wt.％、S:≤0.02wt.％、Nb:0～0.02wt.％、V:0～0.30wt.％、 Ti:0～0.30wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
该方法包括如下步骤：
b.将上述高强塑积中锰钢对接后进行激光焊接；
c.焊接后对焊接接头进行热处理，是将热处理炉加热到650～750 ℃后将工件放入炉中，透保5±2min，保温10min～3h；
d.达到保温时间后将焊接接头从炉中取出，空冷至室温。
步骤b中，高强塑积中锰钢钢板的坡口加工选用I型坡口；焊接前，对钢板进行打磨、丙酮擦洗，去除油污等杂质，采用合适的夹具对工件进行固定，然后采用光纤激光器进行全熔透焊接。
步骤b中，高强塑积中锰钢钢板的厚度为≤3mm时，焊接使用的激光功率为1～2kW，焊接速度为1.2～3.6m/min。
步骤b中，高强塑积中锰钢钢板的厚度为3～8mm时，焊接使用的激光功率为4～6kW，焊接速度为1.8～5.4m/min。
焊接过程中采用深熔焊，并控制离焦量为0mm，保护气为氩气，采用正反两面进行保护，正面气流量为15L/min，背面气流量为 10L/min。
在步骤c中使用真空热处理炉。
在该热处理过程中，焊缝的金相组织由以马氏体为主转变为片层状奥氏体和铁素体。
热处理前对焊接试板表面进行喷涂防氧化处理。
在步骤c中，保温时间为0.5～3h。
该高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C:0.05～0.2wt.％、 Mn:4.50～8.00wt.％、Si:0.01～1.25wt.％、Al：0.02～3.00wt.％、 P:≤0.02wt.％、S:≤0.02wt.％、Nb:0～0.02wt.％、V:0～0.30wt.％、Ti:0～0.30 wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
该钢的激光焊接接头经上述热处理后，具有以下力学性能：抗拉强度729～1235MPa，屈服强度600～722MPa，延伸率27～49％。
本发明的有益效果在于：
对高强塑积中锰钢采用激光焊接可以得到较窄的热影响区，焊缝组织以马氏体为主，强度高，热影响区软化现象不明显。采用这种热处理工艺后，焊缝区逐渐转变成片层状的奥氏体组织和铁素体组织，降低了焊缝区的硬度。
本发明的热处理方法对焊接件的母材组织影响较小，因为母材组织为铁素体和奥氏体，该钢种母材组织中奥氏体组织热稳定性相对较好，在650～750℃以下退火10min～3h的时间铁素体组织转变成奥氏体组织的量较少，因此热处理前后母材依然保持铁素体和奥氏体组织。这样，使得热处理方法中的退火过程中主要是作用于焊缝区的马氏体组织，退火过程中焊缝区马氏体组织会分解发生逆相变形成奥氏体组织和铁素体组织。
本发明可以有效的提高激光焊接接头的综合力学性能，特别是成型性能；能够根据组织特征和钢种的特性进行适当的热处理，对该钢种在汽车行业中的实际应用提供了了一种可能。
附图说明
图1为本发明中高强塑积中锰钢激光焊接示意图；图中标记为： 1激光束，2保护气，3背部保护气，4钢板；
图2为本发明实施例1高强塑积中锰钢激光焊接焊缝热处理前后的显微组织，其中a～d分别是：a-未热处理、b-热处理10min、c-热处理30min、d热处理3h；
图3为图2中各个试样(a～d)激光焊接焊缝热处理前后杯突试验效果图(杯突值a：10.05mm；b：8.95mm；c:9.82mm；d:10.03mm)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的高强塑积中锰钢激光焊接及热处理做进一步描述。
实施例1
实施例中使用的高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C: 0.05～0.10wt.％、Mn:4.50～6.00wt.％、Si:0.01～1.25wt.％、Al：1.00～1.50 wt.％、P:≤0.02wt.％、S:0.02wt.％、Nb:0～0.01wt.％、V:0～0.30wt.％、 Ti:0～0.30wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。高强塑积中锰钢的规格为150×150×1.5mm，其母材抗拉强度约为780MPa，屈服强度约为610MPa，断后延伸约为36％，强塑积约为28GPa·％。
将厚度为1.5mm中锰钢钢板对接，采用砂纸进行打磨并用丙酮进行清洗，然后采用光纤激光器进行焊接，焊接工艺参数：激光功率 1kW，焊接速度采用2.4m/min，离焦量采用0mm，保护气为氩气，正面气流量为15L/min，背保护气流量为10L/min。
加热真空炉到650℃，到温后将焊接试板放入真空炉中，进行650 ℃热处理，透保5min(透保时间为试样放入炉内，试样整体达到设定温度时所用时间)，然后保温10min、30min、3h，为防止氧化，热处理前对焊接试板表面进行喷涂防氧化处理；热处理结束后，从炉中取出焊接试板，进行空冷处理。对接头进行拉伸和杯突实验。
编号 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) 杯突值(mm)
母材 780 610 36 10.05
接头1 778 607 37 8.95
接头2 781 612 38 9.82
接头3 772 596 42 10.03
如图2a～2d所示，高强塑积中锰钢激光焊接焊缝热处理前后金相的变化；图中可以看到，马氏体组织经过热处理后逐渐转变成铁素体加奥氏体片层双相组织。通过上述热处理方法，可以改善其综合力学性能，同时提高了成型能力。
实施例2
实施例中使用的高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C: 0.10～0.20wt.％、Mn:6.00～8.00wt.％、Si:0.01～1.25wt.％、Al：1.5～2.00 wt.％、P:≤0.02wt.％、S:0.02wt.％、Nb:0～0.02wt.％、V:0～0.20wt.％、 Ti:0～0.02wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。高强塑积中锰钢的规格为150mm×150mm×2mm；其母材抗拉强度约为840MPa，屈服强度约为670MPa，断后延伸约为50％，强塑积约为42GPa·％。
对两块板厚为2mm的钢板进行打磨、丙酮清洗，采用光纤激光器进行焊接，焊接工艺参数：激光功率2kW，焊接速度采用2.4m/min，离焦量采用0mm，保护气为氩气，正面气流量为15L/min，背保护气流量为10L/min。
加热真空炉到750℃，到温后将焊接试板放入真空炉中，进行750 ℃热处理，透保5min，然后保温10min、30min、3h，为防止氧化，热处理前对焊接试板表面进行喷涂防氧化处理；热处理结束后，从炉中取出焊接试板，进行空冷处理。对接头试样进行拉伸和杯突试验。
编号 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) 杯突值(mm)
母材 842 670 51 9.17
接头4 837 662 41 7.74
接头5 830 659 43 8.18
接头6 827 660 49 8.57
实施例3
实施例中使用的高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C: 0.17～0.20wt.％、Mn:7.50～8.00wt.％、Si:0.01～1.25wt.％、Al：2.5～3.00wt.％、 P:≤0.02wt.％、S:0.02wt.％、Nb:0～0.02wt.％、V:0～0.20wt.％、 Ti:0～0.02wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。高强塑积中锰钢的规格为150mm×150mm×3mm；其抗拉强度约为1480MPa，屈服强度约为730MPa，断后延伸约为22％，强塑积约为32GPa·％。
对两块板厚为3mm的钢板进行打磨、丙酮清洗，采用光纤激光器进行焊接，焊接工艺参数：激光功率4kW，焊接速度采用2.4m/min，离焦量采用0mm，保护气为氩气，正面气流量为15L/min，背保护气流量为10L/min。
加热真空炉到750℃，到温后将焊接试板放入真空炉中，进行750 ℃热处理，透保5min，然后保温10min、30min、3h，为防止氧化，热处理前对焊接试板表面进行喷涂防氧化处理；热处理结束后，从炉中取出焊接试板，进行空冷处理。对接头试样进行拉伸和杯突试验。
编号 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) 杯突值(mm)
母材 1481 740 22 6.23
接头7 1235 722 27 5.96
接头8 1156 707 29 6.16
接头9 1077 712 30 6.38
实施例4
实施例中使用的高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C: 0.17～0.20wt.％、Mn:4.50～5.50wt.％、Si:0.01～1.25wt.％、Al：0.02～0.07wt.％、 P:≤0.02wt.％、S:0.02wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。高强塑积中锰钢的规格为150mm×150mm×2mm；其抗拉强度约为 750MPa，屈服强度约为600MPa，断后延伸约为36％，强塑积约为27GPa·％。
对两块板厚为2mm的钢板采用砂纸进行打磨、丙酮清洗，对接后采用夹具固定然后采用光纤激光器进行焊接，焊接工艺参数：激光功率2kW，焊接速度采用4.8m/min，离焦量采用0mm，保护气为氩气，正面气流量为15L/min，背保护气流量为10L/min。
加热真空炉到650℃，到温后将焊接试板放入真空炉中，进行650 ℃热处理，透保5min，然后保温10min、30min、3h，为防止氧化，热处理前对焊接试板表面进行喷涂防氧化处理；热处理结束后，从炉中取出焊接试板，进行空冷处理。对接头试样进行拉伸和杯突试验。
编号 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 延伸率(％) 杯突值(mm)
母材 756 603 36 9.89
接头7 750 600 33 8.34
接头8 747 601 32 8.47
接头9 729 589 32 9.29
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
a.该高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C:0.05～0.45wt.％、Mn:4.50～8.00wt.％、Si:0.01～2.50wt.％、Al：0～3.00wt.％、P:≤0.02wt.％、S:≤0.02wt.％、Nb:0～0.02wt.％、V:0～0.30wt.％、Ti:0～0.30wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
该方法包括如下步骤：
b.将上述高强塑积中锰钢对接后进行激光焊接；
c.焊接后对焊接接头进行热处理，是将热处理炉加热到650～750℃后将工件放入炉中，透保5±2min，保温10min～3h；
d.达到保温时间后将焊接接头从炉中取出，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：步骤b中，
高强塑积中锰钢钢板的坡口加工选用I型坡口；
焊接前，对钢板进行打磨、丙酮擦洗，去除油污等杂质，采用合适的夹具对工件进行固定，然后采用光纤激光器进行全熔透焊接。
3.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
步骤b中，高强塑积中锰钢钢板的厚度为≤3mm时，焊接使用的激光功率为1～2kW，焊接速度为1.2～3.6m/min。
4.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
步骤b中，高强塑积中锰钢钢板的厚度为3～8mm时，焊接使用的激光功率为4～6kW，焊接速度为1.8～5.4m/min。
5.根据权利要求3或4所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
焊接过程中采用深熔焊，并控制离焦量为0mm，保护气为氩气，采用正反两面进行保护，正面气流量为15L/min，背面气流量为10L/min。
6.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
在步骤c中使用真空热处理炉。
7.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
在该热处理过程中，焊缝的金相组织由以马氏体为主转变为片层状奥氏体和铁素体。
8.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
热处理前对焊接试板表面进行喷涂防氧化处理。
9.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
在步骤c中，保温时间为0.5～3h。
10.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
该高强塑积中锰钢的化学成分按重量百分比为C:0.05～0.2wt.％、Mn:4.50～8.00wt.％、Si:0.01～1.25wt.％、Al：0.02～3.00wt.％、P:≤0.02wt.％、S:≤0.02wt.％、Nb:0～0.02wt.％、V:0～0.30wt.％、Ti:0～0.30wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
11.根据权利要求1所述的提高高强塑积中锰钢激光焊接接头塑性的热处理方法，其特征在于：
该钢的激光焊接接头经上述热处理后，具有以下力学性能：抗拉强度729～1235MPa，屈服强度600～722MPa，延伸率27～49％。
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