CN117001154A - 基于阴极雾化的激光-tig电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于阴极雾化的激光‑TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，将两块汽车用铝硅镀层热成形超高强钢对接件装卡在焊接工作平台上，TIG电弧热源在前、激光热源在后；调整TIG电弧焊参数，使TIG焊采用直流反接方式小工艺参数，电流10～30A，电压10～20V，电弧的角度为50～70°；调整激光焊参数，使激光的入射角度为85～90°，激光的功率1～3kW，焊接的速度为1～3m/min；同时启动TIG电弧和激光焊接***，并采用氩气对熔池进行保护；通过TIG电弧焊对镀层表面进行阴极清洗，利用激光‑TIG电弧复合热源熔化焊材，冷却后形成焊缝。该方法能获得更高质量的对接焊接头，且所获得的接头的力学性能理想。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法。
背景技术
随着汽车工业的发展，车身结构的安全性成为一个热门的话题。于此同时，如何降低燃油消耗、减少有害气体排放也成为了各大汽车制造厂商不可回避的问题。在这种背景下，热成形硼钢由于其极高的抗拉强度(1.5GPa)，成为车用轻量化材料的重要选择。汽车工业的进步一方面离不开材料的发展，另一方面也离不开焊接技术的支撑。激光焊接由于其加工速度快、自动化程度高以及良好的成型质量等优势，在车身制造中得以广泛运用。
热成形超高强钢硼钢通过热成形技术，将特殊的高强度硼合金钢加热使之奥氏体化，然后快速冷却，组织由奥氏体转变为全马氏体，可获得抗拉强度超过1500MPa以上的超高强度钢板。为了解决氧化和脱碳问题，热浸镀铝或铝合金工艺在工业中得到广泛的应用，特别是Al-Si系合金镀层，能够在950℃左右的热成形高温环境的情况下保持镀层的形态和性能，从而被广泛用于热成形超高强钢硼钢的表面镀层处理。Al-Si系合金镀层耐高温原理为在高温条件下，镀层中的铝、硅元素与铁相互扩散，形成耐高温的Fe-Al-Si金属间化合物，从而对钢基体产生保护。
然而，激光焊接Al-Si镀层热成形超高强钢硼钢时，因镀层引起的宏观偏析会大大削弱接头的强度，虽然在一些特定的焊接参数下接头强度会有所提升，但总体提升并不明显，限制了其实际应用。如何有效解决这一难题是一个全新的挑战。其中最直接的方法便是在焊接前采用特定的方法去除表面镀层，比如喷砂清洗、激光清洗等。然而这些方法在一定程度上增加了生产制造工艺及成本，有时会对钢基体造成损伤，进而容易带来一些新的问题，并不是一种高效且适用的方法。因此，在激光焊接的基础上进行优化设计，提高接头性能成了国内外学者一大研究方向。
根据汽车用铝硅镀层热成形超高强钢对接接头焊接可以看出，由于镀层溶入，富铝相易在焊缝及熔合线处堆积。通过分析激光焊接头组织可以发现，接头力学性能低的原因是接头形成了高温铁素体(高温铁素体形成的原因主要是Al基镀层的溶解，且Al是稳定铁素体形成元素)，这些高温铁素体聚集在焊缝附近，且随着其聚焦程度的加剧，将严重影响接头力学性能(高温铁素体是一种低强低韧相)。焊缝中除了高温铁素体，还有就是高温奥氏体转变成的马氏体。如何降低高温铁素体的量并减轻其聚焦程度，是提高接头性能的关键所在。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，该方法工艺简单，焊接可靠性高，其能显著改善焊缝组织，可减少焊接缺陷，能获得更高质量的对接焊接头，且所获得的接头的力学性能理想。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，包括以下步骤：
步骤一：搭建激光-TIG电弧复合焊装置，将两块汽车用铝硅镀层热成形超高强钢对接件装卡在焊接工作平台上，并调整TIG和激光的相对位置，使TIG电弧热源在前、激光热源在后，且二者光丝之间距离为2～4mm；
其中，铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为0.5～3mm，且铝硅镀层热成形超高强钢中铝硅镀层的厚度为20～40μm；
步骤二：调整TIG电弧焊参数，使TIG焊采用直流反接方式小工艺参数，电流10～30A，电压10～20V，电弧的角度为50°～70°；调整激光焊参数，使激光的入射角度为85°～90°，激光的功率1～3kW，焊接的速度为1～3m/min；
步骤三：同时启动TIG电弧和激光焊接***，并采用氩气对熔池进行保护，气流量为10～25L/min；基于阴极雾化原理，通过TIG电弧焊对镀层表面进行阴极清洗，同步利用激光-TIG电弧复合热源熔化焊材，冷却后形成焊缝。
进一步，为了确保接头处具有足够的拉伸强度，在步骤一中铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为1.2mm，在步骤一中，TIG电弧热源和激光热源光丝之间的距离为3mm；在步骤二TIG电弧焊的参数中，电流15A，电压18V，电弧的角度为65°；在步骤二激光焊参数中，激光的入射角度为85°，激光的功率1.5kW，焊接的速度为2m/min；在步骤三中，氩气的气流量为20L/min。
进一步，为了确保接头处具有足够的拉伸强度，在步骤一中铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为1.8mm，在步骤一中，TIG电弧热源和激光热源光丝之间的距离为3mm；在步骤二TIG电弧焊的参数中，电流15A，电压18V，电弧的角度为65°；在步骤二激光焊参数中，激光的入射角度为85°，激光的功率2kW，焊接的速度为2m/min；在步骤三中，氩气的气流量为20L/min。
进一步，为了有效去除铝硅镀层热成形超高强钢表面上的油污等杂质，以确保焊接效果，在步骤一中，在将两块汽车用铝硅镀层热成形超高强钢对接件装卡在焊接工作平台上之前，先用有机溶剂对铝硅镀层热成形超高强钢进行预处理。
进一步，为了更好地确保焊接效果，在进行预处理时，先利用棉花球蘸取有机溶剂擦拭铝硅镀层热成形超高强钢的正反表面，再对经过擦试的铝硅镀层热成形超高强钢进行快速吹干，然后放于干燥处。
作为一种优选，所述有机溶剂为丙酮或乙醇或丙酮和乙醇的混合液。
本发明中，基于TIG电弧阴极雾化原理，采用TIG电弧直流反接，在焊接前端进行阴极清理表面含铝的镀层，也就是将焊件接负极，通过负极的熔池表面受到正离子的猛烈撞击，去除部分铝硅镀层。即在焊接过程中采用小工艺参数即可实现阴极的在线式清理，同时也对钨极进行了保护。由于试件接负，电弧的作用不主要用来焊接，焊接熔深的获得主要依靠靠后的激光进行，实现了激光的高效焊接。在线清理镀层的同时，利用基于激光-TIG电弧复合复合热源进行焊接，可有效减弱在焊缝中铝镀层的量以及在焊缝中的聚集程度，显著改善了焊缝组织，减少了焊接缺陷，有利于获得更高质量的对接焊接头，适用于汽车用镀铝硅热成形超高强钢对接接头的焊接。本发明通过调整工艺参数，将汽车用铝硅镀层热成形超高强钢进行激光对接焊接，获得了高质量的接头。与传统激光方式相比，本发明可以在线同步地对母材表面的镀层进行清洗，，而不需要在焊前专门清除热成形高强钢表面的铝硅镀层，有效地简化了工艺流程，提高了生产效率。更重要的是，由于焊接过程中对铝硅镀层进行了清洗，减少了铁素体的形成量，并有效缓解了铁素体聚集，显著提高了接头的力学性能。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，包括以下步骤：
步骤一：搭建激光-TIG电弧复合焊装置，将两块汽车用铝硅镀层热成形超高强钢对接件装卡在焊接工作平台上，并调整TIG和激光的相对位置，使TIG电弧热源在前、激光热源在后，且二者光丝之间距离为2～4mm；
其中，铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为0.5～3mm，且铝硅镀层热成形超高强钢中铝硅镀层的厚度为20～40μm；
步骤二：调整TIG电弧焊参数，使TIG焊采用直流反接方式小工艺参数，电流10～30A，电压10～20V，电弧的角度为50°～70°；调整激光焊参数，使激光的入射角度为85°～90°，激光的功率1～3kW，焊接的速度为1～3m/min；
步骤三：同时启动TIG电弧和激光焊接***，并采用氩气对熔池进行保护，气流量为10～25L/min；基于阴极雾化原理，通过TIG电弧焊对镀层表面进行阴极清洗，同步利用激光-TIG电弧复合热源熔化焊材，冷却后形成焊缝。
为了确保接头处具有足够的拉伸强度，在步骤一中铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为1.2mm，在步骤一中，TIG电弧热源和激光热源光丝之间的距离为3mm；在步骤二TIG电弧焊的参数中，电流15A，电压18V，电弧的角度为65°；在步骤二激光焊参数中，激光的入射角度为85°，激光的功率1.5kW，焊接的速度为2m/min；在步骤三中，氩气的气流量为20L/min。
为了确保接头处具有足够的拉伸强度，在步骤一中铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为1.8mm，在步骤一中，TIG电弧热源和激光热源光丝之间的距离为3mm；在步骤二TIG电弧焊的参数中，电流15A，电压18V，电弧的角度为65°；在步骤二激光焊参数中，激光的入射角度为85°，激光的功率2kW，焊接的速度为2m/min；在步骤三中，氩气的气流量为20L/min。
为了有效去除铝硅镀层热成形超高强钢表面上的油污等杂质，以确保焊接效果，在步骤一中，在将两块汽车用铝硅镀层热成形超高强钢对接件装卡在焊接工作平台上之前，先用有机溶剂对铝硅镀层热成形超高强钢进行预处理。
为了更好地确保焊接效果，在进行预处理时，先利用棉花球蘸取有机溶剂擦拭铝硅镀层热成形超高强钢的正反表面，再对经过擦试的铝硅镀层热成形超高强钢进行快速吹干，然后放于干燥处。
作为一种优选，所述有机溶剂为丙酮或乙醇或丙酮和乙醇的混合液。
本发明中，基于TIG电弧阴极雾化原理，采用TIG电弧直流反接，在焊接前端进行阴极清理表面含铝的镀层，也就是将焊件接负极，通过负极的熔池表面受到正离子的猛烈撞击，去除部分铝硅镀层。即在焊接过程中采用小工艺参数即可实现阴极的在线式清理，同时也对钨极进行了保护。由于试件接负，电弧的作用不主要用来焊接，焊接熔深的获得主要依靠靠后的激光进行，实现了激光的高效焊接。在线清理镀层的同时，利用基于激光-TIG电弧复合复合热源进行焊接，可有效减弱在焊缝中铝镀层的量以及在焊缝中的聚集程度，显著改善了焊缝组织，减少了焊接缺陷，有利于获得更高质量的对接焊接头，适用于汽车用镀铝硅热成形超高强钢对接接头的焊接。本发明通过调整工艺参数，将汽车用铝硅镀层热成形超高强钢进行激光对接焊接，获得了高质量的接头。与传统激光方式相比，本发明可以在线同步地对母材表面的镀层进行清洗，，而不需要在焊前专门清除热成形高强钢表面的铝硅镀层，有效地简化了工艺流程，提高了生产效率。更重要的是，由于焊接过程中对铝硅镀层进行了清洗，减少了铁素体的形成量，并有效缓解了铁素体聚集，显著提高了接头的力学性能。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
实施例1：
本实施例提供一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊汽车用铝硅镀层热成形超高强钢焊接方法，包括：将1.2mm厚的汽车用铝硅镀层热成形超高强钢的对接试样装卡在激光焊工作平台上，调整TIG电弧焊参数、激光焊参数以及TIG和激光的相对位置，控制焊接工艺参数。使TIG在前，激光在后。TIG电弧采用直流反接方式小工艺参数，电流15A，电压18V，电弧角度65°；激激光的入射角度为85°，激光的功率1.5kW，焊接的速度为2m/min；激光和电弧距离3mm；采用氩气对熔池进行保护，气流量为20L/min，进行激光焊接。
结果表明，焊接后观察整个焊缝成形良好，无飞溅，且为全熔透焊缝。焊缝中心为马氏体和极少量的铁素体；热影响区分为四部分，分别为靠近焊缝的粗晶热影响区及细晶热影响区(组织主要为板条马氏体)、混合热影响区(组织为马氏体和铁素体)以及回火区(组织为回火马氏体)；回火区为硬度较低的软化区。该工艺的焊缝经拉伸试验，接头断裂在焊缝区；接头拉伸强度可达到1200MPa。
实施例2：
本实施例提供一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊汽车用铝硅镀层热成形超高强钢焊接方法，包括：将1.8mm厚的汽车用铝硅镀层热成形超高强钢的对接试样装卡在激光焊工作平台上，调整TIG电弧焊参数、激光焊参数以及TIG和激光的相对位置，控制焊接工艺参数。TIG在前，激光在后。TIG电弧采用直流反接方式小工艺参数，电流15A，电压18V，电弧角度65°；激激光的入射角度为85°，激光的功率2kW，焊接的速度为2m/min；激光和电弧距离3mm；采用氩气对熔池进行保护，气流量为20L/min，进行激光焊接。
结果表明，焊接后观察整个焊缝成形良好，无飞溅，且为全熔透焊缝。焊缝中心为马氏体和极少量的铁素体；热影响区分为四部分，分别为靠近焊缝的粗晶热影响区及细晶热影响区(组织主要为板条马氏体)、混合热影响区(组织为马氏体和铁素体)以及回火区(组织为回火马氏体)；回火区为硬度较低的软化区。该工艺的焊缝经拉伸试验，接头断裂在焊缝区；接头拉伸强度可达到1250MPa。
Claims (6)
1.一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：搭建激光-TIG电弧复合焊装置，将两块汽车用铝硅镀层热成形超高强钢对接件装卡在焊接工作平台上，并调整TIG和激光的相对位置，使TIG电弧热源在前、激光热源在后，且二者光丝之间距离为2～4mm；
其中，铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为0.5～3mm，且铝硅镀层热成形超高强钢中铝硅镀层的厚度为20～40μm；
步骤二：调整TIG电弧焊参数，使TIG焊采用直流反接方式小工艺参数，电流10～30A，电压10～20V，电弧的角度为50°～70°；调整激光焊参数，使激光的入射角度为85°～90°，激光的功率1～3kW，焊接的速度为1～3m/min；
步骤三：同时启动TIG电弧和激光焊接***，并采用氩气对熔池进行保护，气流量为10～25L/min；基于阴极雾化原理，通过TIG电弧焊对镀层表面进行阴极清洗，同步利用激光-TIG电弧复合热源熔化焊材，冷却后形成焊缝。
2.根据权利要求1所述一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，其特征在于，在步骤一中铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为1.2mm，在步骤一中，TIG电弧热源和激光热源光丝之间的距离为3mm；在步骤二TIG电弧焊的参数中，电流15A，电压18V，电弧的角度为65°；在步骤二激光焊参数中，激光的入射角度为85°，激光的功率1.5kW，焊接的速度为2m/min；在步骤三中，氩气的气流量为20L/min。
3.根据权利要求1所述一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，其特征在于，在步骤一中铝硅镀层热成形超高强钢的厚度为1.8mm，在步骤一中，TIG电弧热源和激光热源光丝之间的距离为3mm；在步骤二TIG电弧焊的参数中，电流15A，电压18V，电弧的角度为65°；在步骤二激光焊参数中，激光的入射角度为85°，激光的功率2kW，焊接的速度为2m/min；在步骤三中，氩气的气流量为20L/min。
4.根据权利要求1至3任一项所述一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，其特征在于，在步骤一中，在将两块汽车用铝硅镀层热成形超高强钢对接件装卡在焊接工作平台上之前，先用有机溶剂对铝硅镀层热成形超高强钢进行预处理。
5.根据权利要求4所述一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，其特征在于，在进行预处理时，先利用棉花球蘸取有机溶剂擦拭铝硅镀层热成形超高强钢的正反表面，再对经过擦试的铝硅镀层热成形超高强钢进行快速吹干，然后放于干燥处。
6.根据权利要求5所述一种基于阴极雾化的激光-TIG电弧复合焊铝硅镀层热成形钢方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮或乙醇或丙酮和乙醇的混合液。
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