CN114905149A

CN114905149A - 一种涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法

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Publication number: CN114905149A
Application number: CN202110171254.XA
Authority: CN
Inventors: 许伟; 杨上陆; 陶武
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2021-02-08
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2041-02-08
Also published as: WO2022165997A1; CN114905149B

Abstract

本发明公开一种涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，包括以下步骤：选择混合均匀的锰铬镍合金粉末；将两块涂层钢板装夹固定在焊接工作台上；实施激光填粉焊接；焊后进行热处理。通过在焊接过程中向熔池中添加锰铬镍合金粉末，抑制铁素体的产生，提高焊接接头的力学性能。本发明无需焊前去除涂层，能够降低生产成本，提高生产效率。

Description

一种涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法

技术领域

本发明涉及一种涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，用于焊接涂层钢及焊后热处理，抑制焊缝中的铁素体产生，提高焊接接头的力学性能，且具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。

背景技术

为降低环境污染，全世界各国制定了严格的汽车燃油效率和二氧化碳排放标准。欧美日等汽车工业发达国家为巩固和提高自身的国际竞争力，不断推动和促使汽车节能技术发展，旨在提高汽车燃料的经济水平。这一举措促进一系列新技术新策略用于实现汽车轻量化。压淬钢(PHS)是实现汽车轻量化和保证汽车安全的最重要轻量化材料之一，通过900～950℃热冲压成形后能够提供高于1500MPa抗拉强度的全马氏体的部件，广泛用于汽车防撞梁、前后保险杠、A柱、B柱等防撞结构件。

铝硅涂层在高温下具有优异的抗氧化性能，通常采用热浸法应用于22MnB5硼钢中，但同时也会造成焊接接头力学性能下降的严重问题。在激光焊接过程中，涂层会熔化进入焊缝，在熔合区会形成较软的铁素体，且在熔合边界附近铁素体的尺寸更大，严重恶化焊接接头的力学性能。当前应用在实际生产中的主流方法是采用焊前去除涂层再配合激光焊接方法，但该方法成本高、工序复杂。因此，目前亟需开发一种无需去除铝硅涂层，就能够实现铝硅涂层钢高效、高质量的拼焊方法，对Al-Si涂层钢的进一步应用具有重大意义。

在CN 101426612 B中公布一种铝硅涂层钢的去除涂层的焊接方法，通过在焊前使用钢丝刷或激光对涂层进行去除，阻止涂层中的Al元素进入焊缝，获得良好的焊接质量。但是该方法增加焊前的工序和生产成本。而且，在奥氏体化热处理期间，靠近焊缝的未涂层区域内易发生氧化和脱碳。当部件投入使用时，这些未被涂层的区域容易腐蚀。

在CN 111975242 A中公布了一种提高带铝硅镀层的热成形钢拼焊板焊接接头塑性的焊膏和工艺，通过在板材焊接表面涂覆焊膏，细化奥氏体晶粒和δ铁素体，增加Al元素的均匀性，提高焊接质量。但该方法操作复杂，涂覆的焊膏还需要在350-500℃预热，不仅增加生产工序和成本，还降低生产效率。

在CN 110900038 A中公布了一种用于激光焊接热成形钢的焊剂和工艺，通过涂覆焊剂去除或减低Al-Si涂层对焊接质量的影响，改善热成型钢激光焊接接头的力学性能。但该方法工艺复杂，生产效率低，且改善后的力学性能不能满足实际生产的要求。

在CN 106475683 B中公布的一种铝硅涂层热成型钢的激光拼焊方法，在焊前在两块钢板的间隙填充金属镍或金属铬，焊接过程金属镍或金属铬熔入焊缝中，抑制脆性Al-Fe金属化合物的形成，提高了焊接质量。但该方法的需要预先在拼接间隙中预填充金属镍或金属铬，额外增加焊前的工序和成本，且焊接效率太低，不利于实际生产。

针对上述方法工艺复杂，成本高，力学性能不达标等局限性，有必要开发一种焊前无需去除涂层，又能提高焊接效率和焊接质量，使其力学性能满足实际生产要求的激光焊接方法。

发明内容

本发明是鉴于现有技术中存在的问题，提供一种涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，目的是在于抑制铁素体的产生，确保熔合区淬火后形成具有优良的力学性能马氏体微观组织，提高焊接接头的力学性能，且具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，包括以下步骤：选择混合均匀的锰铬镍合金粉末；将两块涂层钢板装夹固定在焊接工作台上；实施激光填粉焊接；焊后进行热处理。

优选的，所述锰铬镍合金粉末按重量百分比计，Mn：0.5-10％，Cr：1-28％，Ni：2-40％，余量为铁和焊剂，所述焊剂由以下的一种或多种元素粉末组成：C≤10％，Nb≤2％，Si≤3％，Mo≤10％，V≤2％，所述焊剂占锰铬镍合金粉末的重量百分比不超过10％。

优选的，所述锰铬镍合金粉末按重量百分比计，Mn：1-7％，Cr：5-25％，Ni：5-35％，余量为铁和焊剂，所述焊剂由以下的一种或多种元素粉末组成：C≤10％，Nb≤2％，Si≤3％，Mo≤10％，V≤2％，所述焊剂占锰铬镍合金粉末的重量百分比不超过10％。

优选的，所述激光填粉焊接的送粉方式包括焊前在所述两块涂层钢板焊接表面或者所述两块涂层钢板的装夹间隙中进行预填粉，焊接过程中采用旁轴送粉或者同轴送粉。

优选的，焊接过程中使用激光束对所述两块涂层钢板进行焊接，锰铬镍合金粉末进入熔池；熔池冷却凝固形成焊缝。

优选的，采用在所述涂层钢板焊接表面或者所述两块涂层钢板的装夹间隙中进行预填粉，焊接过程中采用旁轴送粉或者同轴进行送粉，其最大拼接间隙不超过板厚的20％，所述锰铬镍合金粉末填充量以垂直焊缝的截面积计，填充量的面积与焊缝截面积之比低于50％；所述填充锰铬镍合金粉末形成焊缝的余高小于板厚的25％。

优选的，所述涂层由所述钢板基材与铝和铝合金的涂层之间的相互扩散产生；所述两块钢板的待焊区域的基材至少设置有一个所述涂层；所述涂层总厚度小于65μm；所述涂层钢板厚度为0.2-4mm。

优选的，所述的热处理是指对接合后的两块钢板进行加热，待加热保温结束后进行转移，并采用具有水冷***的成形模具淬火或水冷淬火。

优选的，热处理的加热温度为830～1050℃，保温时间为1～60min，冷却速度大于等于27℃/s。

优选的，所述激光器包括光纤激光器、固体激光器、半导体激光器、气体激光器。

优选的，所述激光束的行走轨迹包括不摆动和摆动两种模式。

优选的，焊接过程可以采用无保护气体，直接在空气中进行焊接。

优选的，激光束包括一束或多束组合。

本发明相对于现有的涂层焊接方法主要有以下几点优势。

1)焊前无需去除涂层，能够降低成本和提高焊接效率。

2)有效的改善材料对激光的吸收率低、焊接能耗大的缺点。

3)能够明显抑制铁素体的产生，提高焊接接头的力学性能。

4)焊接接头具有极佳的耐磨性和耐腐蚀性。

附图说明

本公开的示例的特征和优势通过参照下列详细描述和附图将变得明显，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附图。

图1示出在钢板的装夹间隙进行铺粉激光焊接方法的示意图；

图2示出在钢板焊接表面进行铺粉激光焊接方法的示意图；

图3示出旁轴送粉激光焊接方法的示意图；

图4示出同轴送粉激光焊接方法的示意图；

图5示出填充量与焊缝的截面积占比示意图；

图6示出本发明的焊缝微观组织SEM图；

图7示出本发明的温度-相组织结果图；

图8示出激光自熔焊的焊缝微观组织SEM图；

图9示出激光自熔焊的温度-相组织结果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、技术方案和优点能更明显易懂，现将参考附图详细描述本发明的实施方式。应该理解的是本发明不限于下面的实施方式并且以不同的方式体现，本领域中的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明。本发明的范围仅通过权利要求限定。

由于铝硅涂层的存在，在激光焊接过程中，涂层熔化进入熔池，导致熔池中的Al元素的含量增加。经热处理后，焊缝组织为较高含量的铁素体和马氏体的混合组织，导致焊接接头的力学性能大幅下降。

因此如何抑制焊缝中铁素体的产生，是提高铝硅涂层激光焊接接头力学性能的关键。基于抑制铁素体产生的思路，本发明通过在激光焊接过程中向熔池添加锰铬镍合金粉末，来抑制铁素体的产生，以达到提高焊接接头的力学性能的目的。

本发明各元素的作用如下所示。

C：碳元素可稳定奥氏体相，降低Ac3温度，从而降低热成形温度。碳是间隙固溶元素，其强化效果远大于置换固溶元素。随着钢中碳含量的增加，淬火后马氏体中的碳含量也会增加，进而提高马氏体的强度。因此在淬透性有保证的条件下，通过提高碳含量可提高强度。但随着碳含量升高，钢板韧性降低，焊接性能恶化，一般碳含量不宜过高。

Mn：锰能提高淬透性，还是奥氏体的稳定元素，降低Ac3温度，有利于降低热冲压温度从而细化原奥氏体晶粒。Mn与O、S具有较强的结合力，是良好的脱氧剂和脱硫剂，能够减弱或消除硫引起的钢的热脆性，改善钢的热加工性能。Mn含量过高会降低钢的抗氧化性，同时恶化焊接和成形性能。

Ni：镍元素不仅能够扩大奥氏体相区，还能提高提高钢的淬透性。适量的镍元素能够促进奥氏体转换，抑制铁素体的产生，提高焊接质量。镍元素过少，作用不明显。镍元素过高，则会导致焊缝中的残余奥氏体增加，还会增加生产成本。

Cr：铬元素的主要作用能够提高耐腐蚀性。铬也是一种强碳化物形成元素，极易与碳元素形成碳化物，可以有效抑制晶粒的生长。适量的铬能够增加焊缝的耐腐蚀性，还与镍元素共同作用使焊缝获得全马氏体组织，提高焊接接头的力学性能。当铬元素过低，耐腐蚀性能下降。铬元素过高，则会导致焊缝形成较高的铁素体，焊接接头力学性能降低。

Si：硅是有效的脱氧剂，并且具有较强的固溶强化作用，还能抑制回火过程中渗碳体的析出，提高钢的回火稳定性，但硅含量过高会导致表面质量问题。

Mo、Nb、V：钼可显著提高钢的淬透性，可有效的抑制铁素体的生成，还能提高钢的焊接性和耐蚀性。钼、铌、钒都是碳化物形成元素，能够细化晶粒，提高钢的强度和韧性。

必须说明的是，对于本发明方法，上述C、Si、Mo、Nb、V并不是必须的元素。

实施例1

图1描绘第一实施例的激光填粉焊接方法，涂层钢板4和涂层钢板5的厚度均为1.4mm，涂层钢板4和涂层钢板5上下表面均具有铝硅涂层7，其中涂层7包括铝硅层和铝铁合金层。利用夹具将两块涂层钢板4和5固定在焊接工作台上，并设定0.2mm的间隙。在激光拼焊前，将锰铬镍合金粉末3填充在间隙中。使用激光束1对待焊区进行焊接，两块铝硅涂层钢板的熔化金属与锰铬镍合金粉末3熔合，冷却形成焊缝6。其中锰铬镍合金粉末3的配比为：Mn：4％，Cr：10％，Ni：20％，余下为Fe及焊剂。在激光拼焊后，将拼焊板放置950℃的加热炉中，加热保温5min，将其转移进行淬火。对焊缝的金相组织进行检测，结果表明，焊缝的微观组织为全马氏体。

实施例2

图2描绘第二实施例的激光填粉焊接方法，涂层钢板4和涂层钢板5的厚度均为1.5mm，涂层钢板4和涂层钢板5上下表面均具有铝硅涂层7，其中涂层7包括铝硅层和铝铁合金层。利用夹具将两块涂层钢板4和5固定在焊接工作台上，两块涂层钢板的拼焊间隙为零。在激光拼焊前，将锰铬镍合金粉末3填充待焊区的表面。使用激光束1对待焊区进行焊接，两块铝硅涂层钢板的熔化金属与锰铬镍合金粉末3熔合，冷却形成焊缝6。其中锰铬镍合金粉末3的配比为：Mn：1.5％，Cr：18％，Ni：30％，余下为Fe及焊剂。在激光拼焊后，将拼焊板放置950℃的加热炉中，加热保温5min，将其转移进行淬火。对焊缝的金相组织进行检测，结果表明，焊缝的微观组织为全马氏体。

实施例3

图4描绘第三实施例的激光填粉焊接方法，涂层钢板4和涂层钢板5的厚度均为1.4mm，涂层钢板4和涂层钢板5上下表面均具有铝硅涂层7，其中涂层7包括铝硅层和铝铁合金层。利用夹具将两块涂层钢板4和5固定在焊接工作台上，两块涂层钢板的拼焊间隙为零。在激光拼焊过程中，同轴送粉装置9向熔池中进行送粉，两块铝硅涂层钢板的熔化金属与锰铬镍合金粉末3熔合，冷却形成焊缝6。其中锰铬镍合金粉末3的配比为：Mn：3％，Cr：23％，Ni：15％，余下为Fe及焊剂。在激光拼焊后，将拼焊板放置950℃的加热炉中，加热保温5min，将其转移进行淬火。对焊缝的金相组织进行检测，结果表明，焊缝的微观组织为全马氏体。在另一实施例中，可以将同轴送粉方式改为旁轴送粉，如图3所示。

图5示出填充锰铬镍合金粉末的激光焊接的焊接接头经热处理后的垂直焊缝的截面示意图。焊缝截面积的区域11为与两块钢板中的上下面最小高度平行线的区域焊缝面积S₀；焊缝截面积的区域14为高于两块钢板的最小高度区域焊缝面积S₁；焊缝截面积的区域15为低于两块板底面区域的焊缝面积S₂，焊缝截面积的区域10为两块钢板设置间隙的截面积S₃；12为焊缝的上余高的长度；13为焊缝下余高的长度。填充量的截面积与焊缝的截面积之比K＝(S₁+S₂+S₃)/(S₀+S₁+S₂)，其中K小于50％。

图6示出上述发明实施例中典型的焊缝组织图，微观组织为全马氏体，并对焊缝的元素含量进行温度-组织相分析，如图7所示。结果表明，在焊接过程中，填充锰铬镍合金粉末，能够明显抑制铁素体的产生，获得全马氏体的微观组织。

对比例1

采用激光自熔拼焊1.4mm铝硅涂层钢板，对接间隙为零，未填充锰铬镍合金粉末。焊后经热处理后，对焊缝的金相组织进行检测，焊缝的微观组织为铁素体和马氏体混合组织，如图8所示。依据激光自熔焊接的焊缝组织的元素含量进行温度-相组织分析，如图9所示。结果表明，当焊缝中存在较高的铝元素，会产生较多的铁素体。

综上所述，本发明无需去除涂层，仅通过在焊接过程中向熔池中添加锰铬镍合金粉末，能够抑制铁素体的产生，获得全马氏体的微观组织。不仅能够提高焊接质量和生产效率，还能降低成本。

以上采用本发明方法的实施例旨在示例行地说明本发明，并不对本发明构成限制。本领域的技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的构思的前提下进行的任何可能的变化或替换，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，其特征在于：选择混合均匀的锰铬镍合金粉末；将两块涂层钢板装夹固定在焊接工作台上；实施激光填粉焊接；焊后进行热处理。

所述锰铬镍合金粉末按重量百分比计，Mn：0.5-10％，Cr：1-28％，Ni：2-40％，余量为铁和焊剂，所述焊剂由以下的一种或多种元素粉末组成：C≤10％，Nb≤2％，Si≤3％，Mo≤10％，V≤2％，所述焊剂占锰铬镍合金粉末的重量百分比不超过10％。

2.根据权利要求1所述的涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，其特征在于：所述锰铬镍合金粉末按重量百分比计，Mn：1-7％，Cr：5-25％，Ni：5-35％，余量为铁和焊剂，所述焊剂由以下的一种或多种元素粉末组成：C≤10％，Nb≤2％，Si≤3％，Mo≤10％，V≤2％，所述焊剂占锰铬镍合金粉末的重量百分比不超过10％。

3.根据权利要求1或2所述的涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，其特征在于：所述激光填粉焊接的送粉方式包括焊前在所述两块涂层钢板焊接表面或者所述两块涂层钢板的装夹间隙中进行预填粉，焊接过程中采用旁轴送粉或者同轴送粉。

4.根据权利要求1-3任一所述的涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，其特征在于：焊接过程中使用激光束对所述两块涂层钢板进行焊接，所述锰铬镍合金粉末进入熔池；熔池冷却凝固形成焊缝。

5.根据权利要求3或4所述的涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，其特征在于：在采用所述涂层钢板焊接表面或者所述两块涂层钢板的装夹间隙中进行预填粉，焊接过程中采用旁轴送粉或者同轴送粉，其最大拼接间隙不超过板厚的20％，所述锰铬镍合金粉末填充量以垂直焊缝的截面积计，填充量的面积与焊缝截面积之比低于50％；所述填充锰铬镍合金粉末形成焊缝的余高小于板厚的25％。

6.根据权利要求1-5任一所述的涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，所述涂层由所述钢板基材与铝和铝合金的涂层之间的相互扩散产生；所述两块钢板的待焊区域的基材至少设置有一个所述涂层；所述涂层总厚度小于65μm；所述涂层钢板厚度为0.2-4mm。

7.根据权利要求1所述的涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，其特征在于：所述的热处理是指对接合后的两块钢板进行加热，待加热保温结束后进行转移，并采用具有水冷***的成形模具淬火或水冷淬火。

8.根据权利要求7所述的涂层钢的激光填粉焊接及热处理方法，其特征在于：热处理的加热温度为830～1050℃，保温时间为1～60min，冷却速度大于等于27℃/s。