CN112593153A

CN112593153A - 一种抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板及其热冲压工艺

Info

Publication number: CN112593153A
Application number: CN202011358085.2A
Authority: CN
Inventors: 孙正启; 陈扬; 孙乾钊; 刘明旺; 范成景
Original assignee: Wuxi Langxian Lightweight Technology Co ltd
Current assignee: Wuxi Langxian Lightweight Technology Co ltd
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-04-02

Abstract

本发明提供一种抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板及其热冲压工艺，包括两个或两个以上的焊接母材对接而成，所述焊接母材中至少有一个能够进行热压硬化，所述焊接母材带有铝及其化合物、锌及其化合物的涂层；按重量百分比计，其拼焊区包括如下组分：C 0.20‑0.40％，Cr 0.5‑1.5％，Mn+Ni 1.5‑4.5％，还包含由拼焊过程中母材涂层引入到拼焊区的0‑1.5％Al。本发明通过填充焊丝，使得拼焊区的Ni含量达到1.5‑4.0％、Cr含量达到0.5‑1.5％，获得拼焊区抗高温氧化、耐腐蚀和力学性能优异的激光拼焊板。在热冲压过程中，该激光拼焊板奥氏体化退火无需进行气氛保护，拼焊焊缝耐腐蚀而无需进行涂防护油，拼焊区抗氢脆性能提高30％以上。

Description

一种抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板及其热冲压工艺

技术领域

本发明主要涉及激光拼焊与热冲压技术领域，尤其涉及一种抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板及其热冲压工艺，适用于激光拼焊板及其热冲压零部件的设计与制造。

背景技术

近年来，以高强钢热冲压为代表的汽车轻量化技术蓬勃发展，广泛应用于汽车A柱、B柱和中央通道板等车身安全结构件，市场规模高达千亿级别。所谓热冲压技术，是指将硼钢在奥氏体相区进行加热，在7-15s转运至热冲压模具，并在700-850℃完成板料的冲压塑性成形，最后在模具中完成对板料的淬火保压冷却。以22MnB5热冲压零部件为例，其屈服强度达到950-1150MPa，断裂强度达到1350-1500Mpa，但延伸率只有5-7％，热冲压构件的强塑积和碰撞吸能效果较差。基于零部件的服役工况，人们提出软区模具、差厚板等分段强化技术，以实现热冲压部件整体刚性和碰撞吸能的统一。

所谓激光拼焊技术，是指以激光作为热源，将不同材质、不同厚度或不同涂层的金属进行对接焊接，制造成一体化的板材或卷料等。采用激光拼焊，具有材料利用率高、便于性能定制化和结构拓扑设计的优势。随着汽车轻量化的发展，人们将激光拼焊应用于热冲压技术领域，并开发了A柱、B柱和门环等车身安全结构件。但是，在对对接的镀层板进行激光拼焊时，对接母材镀层中的Al会进入拼焊区，导致拼焊区奥氏体相区封闭、高温铁素体残留，最终造成热冲压零部件焊缝强度和韧性恶化。

针对上述问题，安塞洛提出局部去除涂层的拼焊工艺，避免过多的Al进入拼焊区造成焊缝性能恶化，又能使拼焊区具有一定的耐腐蚀性，见已公开发明专利《具有非常高机械阻力的热成型经预先焊接的钢部件及生产方法》，专利号CN103917329B。但是，对镀层进行局部去除，对对接母材的平整度、对接母材拼接面的轮廓度以及拼焊间隙要求极高，工艺控制复杂，产品报废率高，且为解决拼焊区在奥氏体化过程中的氧化问题。现代制铁针上述对此问题，则提出通过填丝焊接来调控拼焊区的成分，对接母材的镀层无需进行去除，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。虽然该方案降低了拼焊环节的板料平整度、对接间隙要求，但是，同样未解决热冲压过程中拼焊区的氧化问题，且存在着板料搁置时易于腐蚀的问题。

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，开发一种拼焊区抗高温氧化、耐腐蚀且抗氢脆性能优异的激光拼焊镀层板，并建立该激光拼焊板热冲压的工艺窗口，也就成了本领域需要攻克的难题。

发明内容

针对现有技术在热成形过程中激光拼焊板拼焊区发生氧化，激光拼焊板及其零部件长期搁置拼焊区易于腐蚀的难题。本发明通过填充焊丝焊接，使得激光拼焊板拼焊区的Mn+Ni含量达到1.5-4.5％、Cr含量达到0.5-1.5％，获得抗高温氧化、耐腐蚀和力学性能优异的激光拼焊板。该激光拼焊板，在奥氏体化退火时无需进行气氛保护，拼焊区耐腐蚀性，抗氢脆性能相比母材提升30％以上。

本发明提供一种抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板，包括两个或两个以上的焊接母材对接而成，所述焊接母材为板件或卷料，所述焊接母材中至少有一个能够进行热压硬化，所述焊接母材带有铝及其化合物、锌及其化合物的涂层；

其特征在于，按重量百分比计，其拼焊区包括如下组分：C 0.20-0.40％，Cr 0.5-1.5％，Mn+Ni 1.5-4.5％，还包含由拼焊过程中母材涂层引入到拼焊区的0-1.5％Al。

优选的，对接用所述焊接母材的厚度为0.8-2.5mm，所述焊接母材的厚度的差异<1.5mm。

优选的，述焊接母材中的至少一个板料或卷料，按重量百分比计，包括如下组分：C0.10-0.40％,Mn 0.5-2.5％，Si 0.5-2.5％，Cr＜0.5％，Mo+Ti+Nb+V＜0.5％，B＜0.008％，余量为Fe和杂质。

在汽车车身结构零部件领域，激光拼焊板使用的母材可以为PHS钢与DP钢、QP钢、TRIP钢以及低密度钢中的任意一种或多种组合。

优选的，拼焊板的拼焊区宽度为0.5-4mm,按重量百分比计，包括如下组分：C0.25-0.35％,Mn 0.5-2.0％，Ni 1.5-4.0％，Cr 1.0-1.5％，Mo＜0.5％，B＜0.008％,Nb+V+Ti＜0.3％，余量为Fe和杂质。

拼焊区的成分限定理由，如下：

碳C:0.25-0.35％。最基本的强化元素，通过马氏体强化来提高钢的强度。但是，C含量过高热冲压后会出现大量的孪晶马氏体，造成材料的塑韧性下降。为保证拼焊区强度不低于母材，且无孪晶马氏体的形成，要求碳含量比母材高0.05-0.1％，但不要超过0.35％。

锰Mn:0.5-2.0％。扩大奥氏体相区，起到固溶强化的作用。同时，Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，能有效降低钢的脆性转变温度和热脆性，改善钢的热加工性能。但是，Mn是易氧化元素，含量过高会降低钢的抗氧化性，且对焊接性能不利，因此，控制在0.5-2.5％。

镍Ni:1.5-4.0％。扩大奥氏体相区，并起到固溶强化的作用。研究发现，拼焊过程中镀层中的Al进入拼焊区，会引起拼焊区的奥氏体相区封闭，并导致大量的高温铁素体残留造成热冲压零部件恶化。通过加入一定量的Ni，可以消除Al对拼焊区组织和性能的影响。除此之外，用Ni来部分取代Mn可以扩大奥氏体化相区，进一步提高拼焊区的抗氧化性。

铬Cr:1.0-1.5％。提高钢的淬透性。在本发明中主要以固溶形式存在，能够提高奥氏体的稳定性，进而提高拼焊区的淬透性。更为重要的是，Cr含量超过0.8％时，拼焊区表层可形成致密的Cr2O3氧化膜，阻止材料的进一步氧化，保证拼焊区在空气中加热的氧化程度与镀层板母材接近。除此之外，Cr具有较高的化学电位和材料钝化性能，可以降低拼焊区的腐蚀速率，使得材料获得媲美与镀层板的耐腐蚀性能。但是，Cr会缩小奥氏体相区，且含量超过1.5％后，对拼焊区抗氧化性的提高作用富余，因此本发明将Cr含量控制在0.8-1.5％。

钼Mo:0-0.5％。提高拼焊区的室温强度和热强度，提高拼焊区的高温成形性能。以固溶形式存在于奥氏体中，提高奥氏体的稳定性和淬透性，有利于获得全马氏体组织。但是，Mo含量超过0.5％后强化作用富余，因此本发明将Mo含量控制在0-0.5％。

硼B:0-0.008％。提高钢淬透性的关键元素，加入微量就会对钢的淬透性产生明显影响。但是，含量超过0.005％后，对钢的淬透性影响变化不大，因此本发明将Mo含量控制在0-0.008％。

铌+钒+钛Nb+V+Ti：0-0.30％。作为强碳化物形成元素，在钢中主要以弥散强化的形式存在。加入微量的Ti、Nb和V，能够细化拼焊区的组织，且能够阻止基体晶粒奥氏体化过程中发生粗化，提高材料的强韧性能。更为重要的是，NbC、VC等碳化物能够构成氢陷阱，大大提高拼焊区的抗氢脆性能。此外，Ti与N、O有极强的结合力，能够起到脱氧和固定N的作用，避免B与N结合形成BN。

本发明还提供一种抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板热冲压工艺，使用权利要求1所述的激光拼焊板，其特征在于，包括如下步骤：

S1、奥氏体化加热：将激光拼焊板在空气中加热到800℃-950℃，保温时间为3-15min，使拼焊区和非拼焊区均发生完全奥氏体化；

由于拼焊区具有较高的抗氧化性，该激光拼焊板无需进行惰性气体或者还原性气氛保护，即可避免拼焊区发生氧化和脱碳，极大降低了激光拼焊板零部件的热冲压制造成本。

S2、板料转运：在5s-15s内将完全奥氏体化的激光拼焊板，转移至设置有冷却***的热冲压模具内；

S3、冲压成形：模具合模，在650-850℃完成激光拼焊板的冲压成形，并将激光拼焊板在模具内保压淬火5-15s，直至冷却至50-250℃后取出零部件。

优选的，在所述S3中，模具保压淬火过程中，所述激光拼焊板拼焊区获得全马氏体组织的冷却速率为＞15℃/s。

这是因为拼焊区具有较多的奥氏体化稳定元素，相比母材具有更高的淬火敏感性。因此，热冲压模具在拼焊区附近可以进行避让设计，使得拼焊区在较低的冷却速率下获得全马氏体，降低了相应模具的制造和调试难度和成本。

本发明的有益效果：

1.拼焊板在奥氏体化加热阶段，无需进行气氛保护：本发明所述的激光拼焊板拼焊区具有0.5-1.5％Cr,在奥氏体化加热阶段形成致密的Cr2O3，而无需额外通入惰性或还原性气氛，降低了热冲压阶段的制造成本和设备复杂度；

2.拼焊板腐蚀性能较好，无需进行涂防护油保护：本发明激光拼焊板，拼焊区具有较高Ni、Cr元素以及拼焊板制造过程中引入的Al，拼焊区具有较高的耐腐蚀性能，而无需额外进行涂防锈油，简化了激光拼焊板及其零部件的防护难度；

3.拼焊板高温成形性好，拼焊区不易出现开裂、起皱：本发明激光拼焊板，拼焊区具有比母材更高的C、Mo和Cr元素，具有更高的热强度和加工硬化率，可以有效地避免在拼焊区发生撕裂、起皱。此外，拼焊区具有比母材更高的淬透性，模具在激光拼焊板拼焊区附近可以进行<20mm的避让设计，而不影响拼焊区的强度，降低了模具设计和调试的难度；

4、拼焊板抗氢脆能力强，室温强度高于母材：本发明激光拼焊板，拼焊区具有比母材更高的C、Ni、Mo、Nb+Ti+V等元素，拼焊区强度达到母材的100-150％。同时，在奥氏体化加热时析出Nb、Ti和V弥散碳化物，细化了奥氏体晶粒并形成氢陷阱，降低了拼焊区的氢脆敏感性。

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为本发明中关于整体门环拼焊板的示意图；

图4为本发明中关于拼焊板拼焊区的组织图；

图5为本发明中关于整体门环零部件的示意图；

图6为本发明中关于整体门环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。

下面以整体门环为例，对抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板的成分设计原理和热冲压工艺进行阐述。该激光拼焊板由多个厚度为1.6mm、2.0mm的22MnB5镀层板拼焊而成。其拼焊区的主要成分如下：C 0.25-0.32％，Cr 0.8-1.2％，Mn+Ni 3.0-4.0％，Mo 0.1-0.3％。

一、激光拼焊板的成分设计

本发明以板料厚度1.6mm、2.0mm的22MnB5铝硅镀层板为对接母材，通过激光填丝焊接来调控拼焊区的成分，使得拼焊区Cr含量达到0.8-1.2％，Ni含量达到2.5-3.5％，其它元素含量高于母材10-25％，见表1。

表1激光拼焊板的化学成分

本发明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，消除镀层板中过量的Al进入拼焊区造成的材料强韧性恶化；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时无需进行N2保护；此外，Cr具有一定的钝化性，能够抑制拼焊区的腐蚀，使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，避免在热冲压过程中发生焊缝撕裂、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，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，本发明采用填丝焊接来完成对接母材的连接。具体制备工艺如下：

S1、母材准备。所述焊接母材均为带有铝硅镀层板22MnB5，板料厚度为1.6、2.0mm两种规格；焊接加工前，根据焊接工艺需要，确定是否对对接的母材进行去除涂层，以及去除涂层的比例；将母材进行对接，对接间隙为0.1-0.5mm，见图1。

S2、焊接加工，使用激光热源对焊接母材进行拼焊，焊接母材的熔化比例控制在25-75％。所述拼焊工艺参数如下：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，与同类专利产品进行性能对比，见图3和4。如表2所示，给出了本发明整体门环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：本发明与同类专利产品的性能对比

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抗氧化性，在热冲压过程中，无需进行惰性或还原性气氛保护，降低了激光拼焊板结构件的热冲压工艺成本。以下介绍本发明激光拼焊板的热冲压工艺，包括如下步骤：

S1、奥氏体化加热。将激光拼焊板在空气中加热到850-950℃，保温时间为3-10min，无需进行气氛保护，使拼焊区和非拼焊区均发生完全奥氏体化。

S2、板料转运。在7-10s内将完全奥氏体化的激光拼焊板，转移至热冲压模具，热冲压模具内部设置有水路冷却***。

S3、冲压成形。模具合模，在700-850℃完成激光拼焊板的冲压成形，并在模具内进行保压淬火5-15s，加载压力为5-15MPa，直至板料冷却至50-150℃后取出激光拼焊结构件，见图5。

如图6所示，给出了本发明激光拼焊整体门环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。

Claims

1.一种抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板，包括两个或两个以上的焊接母材对接而成，所述焊接母材为板件或卷料，所述焊接母材中至少有一个能够进行热压硬化，所述焊接母材带有铝及其化合物、锌及其化合物的涂层；

2.根据权利要求1所述的抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板，其特征在于：对接用所述焊接母材的厚度为0.8mm-2.5mm，所述焊接母材的厚度的差异<1.5mm。

3.根据权利要求2所述的抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板，其特征在于：所述述焊接母材中的至少一个板料或卷料，按重量百分比计，包括如下组分：C 0.10-0.40％,Mn 0.5-2.5％，Si 0.5-2.5％，Cr＜0.5％，Mo+Ti+Nb+V＜0.5％，B＜0.008％，余量为Fe和杂质。

4.根据权利要求1所述的抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板，其特征在于：所述拼焊板的拼焊区宽度为0.5-4mm,按重量百分比计，包括如下组分：C 0.25-0.35％,Mn 0.5-2.0％，Ni 1.5-4.0％，Cr 1.0-1.5％，Mo＜0.5％，B＜0.008％,Nb+V+Ti＜0.3％，余量为Fe和杂质。

5.一种抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板热冲压工艺，使用权利要求1所述的激光拼焊板，其特征在于，包括如下步骤：

S3、冲压成形：模具合模，在650-850℃完成激光拼焊板的冲压成形，并将激光拼焊板在模具内保压淬火5s-15s，直至冷却至50-250℃后取出零部件。

6.根据权利要求5所述的抗高温氧化、高强韧的激光拼焊板热冲压工艺，其特征在于：在所述S3中，模具保压淬火过程中，所述激光拼焊板拼焊区获得全马氏体组织的冷却速率为＞15℃/s。