CN114762918A - 一种高强度钢激光拼焊部件制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种包含高强度钢板的激光拼焊部件,所述高强度钢的基体组织含有奥氏体,钢板厚度不大于3.2mm,其特征在于,所述焊接通过中间能量较高、边部能量较低的激光束作用在对接部位实施,所述能量较高的中心区域在垂直于对接焊缝方向的宽度占所述第一激光束宽度比例不高于50%;在焊接过程中,所述能量较低的边部区域不产生小孔;最终形成上表面焊缝宽度大于板厚的对接接头。本发明所述技术方案应用于高强钢拼焊板实际生产可以消除现有技术在完成激光拼焊之后对样件进行放置处理的工序,对于提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量可靠性等具有非常重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及高强度钢板焊接领域,具体涉及强度大于600MPa的汽车用高强度钢板激光拼焊方法。
背景技术
在汽车制造业,减轻汽车重量以实现节能减排、提高汽车的碰撞安全性等要求促使更高强度、更高韧性的钢在车身制造中的应用需求增加。为了同时提高钢板的强度和韧性,通常添加较多的合金元素、使用较为复杂的热处理工艺,以获得含有残余奥氏体的单相、双相或者多相组织,利用残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体形核,使钢板的强度和韧性同时提高。目前,世界量产汽车用钢已经发展至第三代高强度钢,包括Q&P(淬火配分)钢、中锰钢、TBF(相变诱导塑性贝氏体铁素体)钢等,具有广阔的应用前景。但是,材料在焊接过程中焊缝及热影响区原始组织在热作用下发生相变,合金元素重熔发生偏析,较大的热温度梯度造成组织、应力不均匀分布;对超高强度钢、第三代高强度钢而言,原始基体组织与应力状态发生改变,使焊接接头力学性能弱化,不能满足后续生产过程以及安全性对接头强度的需求。因此,提高焊接接头的强度与韧性是决定高强度钢规模化应用的关键因素。
激光拼焊技术通过使用激光将不同或相同厚度、材质、强度及表面处理状态的板料拼焊成一块整体板材之后再冲压成形,从而有效地满足汽车车身部件不同位置对强度与性能的要求,提高材料利用率,降低车身自重和制造成本,提升车身刚度与碰撞性能。激光拼焊技术是汽车减重的一个重要方法,在常规汽车钢、热成形钢等材料获得广泛应用,但是,在超高强钢、尤其是第三代高强度钢的应用中存在问题。以Q&P钢为例,1000MPa级别Q&P980高强钢在进行激光拼焊之后,进行后续冲压过程中,会出现焊缝开裂现象,样件进行拉伸测试也会出现焊缝区域断裂,导致样件性能不能满足实际使用需求。为避免焊缝性能弱化带来的样件提前失效问题,在实际生产中,对Q&P980激光拼焊板在焊接之后需要进行放置处理,焊接样件经过一段时间存放能够使焊缝的力学性能得到提升,从而满足拉伸检测与冲压使用需求。焊接样件存放增加了生产成本,增加了场地需求、品质管理等复杂程度。如何通过激光焊接工艺解决焊后力学测试断裂在焊缝的问题,是扩大含有奥氏体组织的高强度钢激光拼焊板应用范围的关键瓶颈。
发明内容
为提高含有奥氏体组织的高强度钢激光拼焊接头质量,解决焊缝提前开裂问题,本发明提供了一种高强度钢激光拼焊部件制造方法。
本发明采用的技术方案是:
将两个高强度钢工件待焊部位对接,第一激光束作用在对接部位上表面使材料熔化产生熔池,冷却凝固形成焊缝,所述高强度钢基体组织含有奥氏体,所述制造方法特征在于,包括:所述的第一激光束是作用在对接部位的光斑在垂直于对接焊缝的方向具有能量较高的中心区域和能量较低的边部区域,且所述能量较高的中心区域在垂直于对接焊缝方向的宽度占所述第一激光束宽度比例不高于50%;在焊接过程中,所述能量较低的边部区域不产生小孔。
所述工件上表面的焊缝宽度大于工件待焊部位对接的厚度。
所述第一激光束作用在对接部位的光斑在垂直于对接焊缝方向的宽度范围是0.6~3.0mm,其中,能量较高的中心区域最低功率密度大于1.0*10^5W/cm^2。
在一优选例中,第一激光束是单一激光束,在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线与高斯分布曲线类似。
所述的第一激光束由聚焦面50%以上中心区域能量处于较高水平的光斑在离焦15mm以上时形成,所述50%以上中心区域平均功率密度大于5.0*10^5W/cm^2。
在另一优选例中,所述第一激光束由单一激光束经过光束整形或者多束激光经过光束塑形组合成一个整体,在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线呈阶梯式突变。能量较高的中心区域与能量较低的边部区域无间隙过渡,或者存在不超过能量较高区域宽度50%的间隙。
在另一优选例中,所述的第一激光束由能量较高的光束1和能量较低的光束2组成,作用在工件上表面的所述光束1在垂直于对接焊缝方向位于所述光束2的作用范围内,所述光束1占第一激光束总能量50%-90%,优选为60%-80%。
在另一优选例中,所述第一激光束由光束1和光束2在垂直于对接焊缝方向部分重合组成,所述光束1和光束2的光斑尺寸与能量数值相等或者相当,重合部分分别占光束1和光束2宽度范围不大于70%。所述光束1和光束2可以是单一光纤输出经过光学模块分成的两束激光。
在另一优选例中,所述技术方案还包含第二激光束,使第二激光束作用在对接部位产生焊缝,所述第二激光束在焊接过程中产生小孔,然后使第一激光束作用在第二激光束产生的焊缝上形成新的焊缝。
所述高强度钢工件对接部位的厚度不大于3.2mm,高强度钢基体材料抗拉强度大于600MPa,高强度钢所含奥氏体体积分数不大于40%。
所述高强度钢工件为Q&P(淬火-配分)钢。
本发明的优点和积极效果在于:
通过能量较高的中心区域与能量较低的边部区域的结合,能够在较大程度上降低常规激光拼焊工艺造成焊缝与母材温度梯度过大引起的较大应力差异,以及焊缝较快的加热和冷却过程造成的组织脆硬倾向,从而提高拼焊接头的力学性能,避免在拉伸测试或冲压成形等后续检测加工过程中焊缝区域开裂。
本发明所述技术方案应用于高强钢拼焊板实际生产可以消除现有技术在完成激光拼焊之后对样件进行放置处理的工序,对于提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量可靠性等具有非常重要的作用。
附图说明:
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的可替代的实施方式。
图1是拼焊部件1示意图,包含工件11与工件12以及对接部位形成的焊缝2。
图2是聚焦面50%以上中心区域能量处于较高水平的激光束在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线示意图。
图3是图2所述激光束作用在工件上表面光斑能量分布示意图,颜色越深表示能量越大。
图4是利用图2所述激光束进行对接拼焊样件的拉伸测试断裂在焊缝照片。
图5是图2所述激光束在离焦+20mm时在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线示意图。
图6是图5所述激光束作用在工件上表面光斑能量分布示意图。
图7是利用图5所述激光束进行对接拼焊样件的拉伸测试断裂在母材照片。
图8是光束1和光束2耦合组成的激光束在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线示意图。
图9是图8所述激光束作用在工件上表面光斑能量分布示意图,由圆点与方形光斑组合。
图10是图8所述激光束作用在工件上表面光斑能量分布示意图,由两个圆形光斑部分重合或者圆点与椭圆光斑组合。
图11是图8所述激光束作用在工件上表面光斑能量分布示意图,由圆点与矩形光斑组合,圆点位于矩形光斑边缘。
图12是利用图8所述激光束进行对接拼焊样件的拉伸测试断裂在母材照片。
图13是光束1和光束2耦合组成的激光束在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线示意图,两光束之间存在一定间隙。
图14是图13所述激光束作用在工件上表面光斑能量分布示意图,由圆点与环形光斑组合。
图15是使第一激光束作用在第二激光束产生的焊缝4上形成新的焊缝示意图。
图16是利用图15所述技术方案获得的对接拼焊样件拉伸测试断裂在母材照片。
图17是1.0mm厚度Q&P980高强钢激光拼焊板现有技术与发明技术性能对比。
附图标记:1-拼焊部件,11-拼焊部件对接工件,12-拼焊部件对接工件,2-第一激光束产生的焊缝,3-第一激光束,4-第二激光束产生的焊缝。图4、图7、图12、图16中用白色圆圈标出了试样断裂位置。
具体实施方式
在附图中,对本发明方法进行了不同存在形式的示意描绘,同时给出了使用发明方法与传统方法获得的拼焊样件拉剪测试结果对比。附图仅用于显示本发明可能的实例,并不旨在限制本发明的范围。为了更好地理解上述技术方案,下面结合附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
在本发明的附图中,光斑在工件上表面能量分布示意图中,颜色深浅表示能量高低,颜色越深表示能量越高。
图1是使用本发明技术方案对工件11与工件12进行激光拼焊获得的拼焊部件1的示意图,其中,2表示本发明所述第一激光束作用产生的焊缝上表面区域。
对比例
图2-4是使用常规激光束进行焊接的对比例与测试效果,薄板焊接用单激光束通常位于聚焦位置附近,并且聚焦面50%以上中心区域能量处于较高水平,所述中心区域平均功率密度大于5.0*10^5W/cm^2,用于本发明所述汽车用薄钢板焊接的常规激光束在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线示意图如图2所示,中间部位呈现为近似平顶分布。在本发明中,该激光束属于本发明所述第二激光束的一种形式,图3是其作用在工件上表面光斑能量分布示意图,作用光斑呈圆形,中心区域能量较高,并且范围较大。图4是使用上述激光束实施1.0mm厚度Q&P980高强钢对接拼焊样件截取试样拉伸断裂图片,断裂位置位于焊缝处。
实施例1
图5-7是使用本发明的一种实施方式,第一激光束是将图2和3所示的激光束(第二激光束)在大离焦条件下(大于15mm)获得,将其作用在工件待焊部位,此时,在垂直于对接焊缝方向能量分布类似于高斯分布,如图5所示,中间部位能量较高、功率密度大于1.0*10^5W/cm^2,小于对比例对应数值,图6是其作用在工件上表面光斑能量分布示意图,作用光斑呈圆形,能量较高中心区域范围与对比例相比明显减少。图7是使用图2所述激光束实施1.0mm厚度Q&P980高强钢对接拼焊样件截取试样拉伸断裂图片,断裂位置位于母材,一个较明显的外观特征是焊缝上表面宽度大于板厚,大于对比例焊缝宽度。
实施例2
图8是本发明另外一种实施例中第一激光束在垂直于对接焊缝方向的能量分布示意图,其主要特征是中间存在一个能量高峰区域,周围存在一个较低能量的平台区域。
图9-11是图8所述第一激光束作用在工件上表面光斑能量分布的三种表现形式。图9表示中间能量高峰区域呈圆形,周围能量较低区域呈方形,方形区域大于圆形区域。图10表示中间能量高峰区域呈圆形,周围能量较低区域呈椭圆形,椭圆区域在沿着焊缝方向与圆形尺寸相当,在垂直于焊缝方向尺寸大于圆形。图11表示中间能量高峰区域呈圆形,周围能量较低区域呈矩形,圆形位于矩形区域一侧。
图12是使用图8所述激光束实施1.0mm厚度Q&P980高强钢对接拼焊样件截取试样拉伸断裂图片,断裂位置位于母材。
实施例3
图13是本发明另外一种实施例中第一激光束在垂直于对接焊缝方向的能量分布示意图,其主要特征是在中间能量高峰区域与周围能量较低平台区域之间,存在一个能量更低的峰谷区域。图14是图13所述第一激光束作用在工件上表面光斑能量分布示意图,能量较高的中间区域与能量较低的边部区域以圆点和环形的方式组合。
实施例4
图15是本发明的另外一种实施例,即将第一激光束3作用在第二激光束产生的焊缝4表面,形成新的焊缝2。其中,第一激光束是实施例1-3中所述第一激光束,第二激光束是对比例中所述第二激光束。
图16是使用本实施例所述技术方案实施1.0mm厚度Q&P980高强钢对接拼焊样件截取试样拉伸断裂图片,断裂位置位于母材。
图17是本发明技术与对比例中现有技术拉伸测试对比曲线,可见,与现有技术相比,本发明技术方案对焊接接头的性能有非常显著的提升。拉伸测试断裂在母材的效果能够满足生产需求。
上述第一激光束既可以由单一激光束经过光斑塑形模块调节组成,比如,单一激光束经过分光成两束激光能量相当的激光束,再将两激光束间距调节扩大、部分重合;也可以由两束激光经过光路调节耦合组成。上述实施方式仅为示例,表明第一激光束能量作用在工件表面的光斑能量分布形式,并未限制本发明的实施方式。
以上所述,仅为本发明较直观的具体实施方式,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。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高强度钢激光拼焊部件制造方法,将两个高强度钢工件待焊部位对接,第一激光束作用在对接部位上表面使材料熔化产生熔池,冷却凝固形成焊缝,所述高强度钢基体组织含有奥氏体,所述制造方法特征在于,包括:
所述的第一激光束是作用在对接部位的光斑在垂直于对接焊缝的方向具有能量较高的中心区域和能量较低的边部区域,且所述能量较高的中心区域在垂直于对接焊缝方向的宽度占所述第一激光束宽度比例不高于50%;
在焊接过程中,所述能量较低的边部区域不产生小孔。
2.如权利要求1所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,所述工件上表面的焊缝宽度大于工件待焊部位对接的厚度。
3.如权利要求1所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,第一激光束作用在对接部位的光斑在垂直于对接焊缝方向的宽度范围是0.6~3.0mm,其中,能量较高的中心区域最低功率密度大于1.0*10^5W/cm^2。
4.如权利要求1所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,第一激光束是单一激光束,在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线与高斯分布曲线类似。
5.如权利要求4所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,所述的第一激光束由聚焦面50%以上中心区域能量处于较高水平的光斑在离焦15mm以上时形成,所述50%以上中心区域平均功率密度大于5.0*10^5W/cm^2。
6.如权利要求1所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,第一激光束由单一激光束经过光束整形或者多束激光经过光束塑形组合成一个整体,在垂直于对接焊缝方向能量分布曲线呈阶梯式突变。
7.如权利要求6所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,所述的第一激光束由能量较高的光束1和能量较低的光束2组成,作用在工件上表面的所述光束1在垂直于对接焊缝方向位于所述光束2的作用范围内,所述光束1占第一激光束总能量50%-90%。
8.如权利要求6所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,所述的第一激光束由光束1和光束2在垂直于对接焊缝方向部分重合组成,重合部分分别占光束1和光束2宽度范围不大于70%。
9.如权利要求1所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,还包含第二激光束,使第二激光束作用在对接部位产生焊缝,所述第二激光束在焊接过程中产生小孔,然后使第一激光束作用在第二激光束产生的焊缝上形成新的焊缝。
10.如权利要求1所述的激光拼焊部件制造方法,其特征在于,所述高强度钢工件对接部位的厚度不大于3.2mm,高强度钢基体材料抗拉强度大于600MPa,高强度钢所含奥氏体体积分数不大于40%。
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