| 专利名称： | 一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法 | ||
| 专利名称(英文)： | High strength steel for improving mechanical properties of the laser welded joint method | ||
| 专利号： | CN201610117506.X | 申请时间： | 20160302 |
| 公开号： | CN105562959A | 公开时间： | 20160511 |
| 申请人： | 长春三友汽车部件制造有限公司 | ||
| 申请地址： | 130022 吉林省长春市朝阳经济开发区三友路777号 | ||
| 发明人： | 蒋志岩; 姚汉伟; 韩秀红; 范志强; 尹善文 | ||
| 分类号： | B23K35/30; B23K35/40; B23K26/16 | 主分类号： | B23K35/30 |
| 代理机构： | 长春吉大专利代理有限责任公司 22201 | 代理人： | 朱世林 |
| 摘要： | 本发明属于焊接与连接技术领域，涉及一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，首先，以多种熔点较高的金属颗粒和适量的无机化合物按质量百分比为Co?40-50％，Mo?20-30％，V?20-30％，Na2B4O72-4％，MnO?1-3％和Si021-3％混合搅拌并于200-300℃烘干制备变质剂；再将制得的变质剂与粘结剂按19：1的配比混合均匀制成变质剂合金膏；最后，将变质剂合金膏均匀涂敷于被焊高强度钢结构件焊接接头表面进行激光焊接。本发明焊接得到的接头抗拉强度提高5.0-12.0％，接头伸长率提高5.2-16.4％，有效提高了焊接接头的力学性能。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention belongs to the technical field of welding and is connected with, is a high-strength steel for mechanical performance of the laser welded joint method, first of all, in order to a plurality of the higher melting point metal particles and an appropriate amount of inorganic compound according to the mass percentage is Co? 40-50%, Mo? 20-30%, V? 20-30%, Na 2 B 4 O 7 2-4%, MnO? 1-3% and Si0 2 1-3% and mixing and stirring 200-300 °C drying preparation MODIFICATOR; adding the obtained MODIFICATOR with the binding agent according to 19 : 1 ratio is mixed to make MODIFICATOR gathers the pill of immortality ; finally, the MODIFICATOR gathers the pill of immortalitywelds high strength steel is uniformly coated on the surface of the welded joint structure for laser welding. This invention improves the tensile strength of the welded 5.0-12.0%, elongation-increasing joint 5.2-16.4%, effectively improves the mechanical property of the soldered joint. | ||
1.一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤： A、原料的处理 筛选尺寸为20-60μm，纯度99.99％的Co，Mo和V金属颗粒备用； 选取Na2B4O7·10H2O，MnO和Si02，分别进行脱水、烘干、粉碎以及筛选备用，筛选 时颗粒尺寸为20-50μm； B、变质剂的制备 将步骤A中所得的金属颗粒和无机化合物按质量百分比为Co40-50％，Mo20-30％，V 20-30％，Na2B4O72-4％，MnO1-3％和Si021-3％混合搅拌并于200-300℃烘干； C、制备变质剂合金膏 将步骤B中所得变质剂与粘结剂按19：1的配比混合均匀制成变质剂合金膏； D、将变质剂合金膏均匀涂敷于被焊高强度钢结构件焊接接头表面进行激光焊接。
2.根据权利要求1所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在 于：步骤C中，所述变质剂合金膏中的粘结剂质量百分比为5％。
3.根据权利要求1所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在 于：步骤C中，所述粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透 明塑胶体，粘结剂受热在150-370℃间完全挥发不留任何残渣。
4.根据权利要求1所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在 于：步骤D中，所述高强度钢结构件选用DP780双相钢，厚度分别为1.0mm和1.2mm，进 行不等厚板激光拼焊试验。
5.根据权利要求1所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在 于：步骤D中，所述激光焊接时，激光焊机为CO2激光器，焊接功率P＝1.0kw，焊接速度 V＝2000mm/min，离焦量F＝0mm，侧吹气为纯Ar，流量为30L/min。
1.一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤： A、原料的处理 筛选尺寸为20-60μm，纯度99.99％的Co，Mo和V金属颗粒备用； 选取Na2B4O7·10H2O，MnO和Si02，分别进行脱水、烘干、粉碎以及筛选备用，筛选 时颗粒尺寸为20-50μm； B、变质剂的制备 将步骤A中所得的金属颗粒和无机化合物按质量百分比为Co40-50％，Mo20-30％，V 20-30％，Na2B4O72-4％，MnO1-3％和Si021-3％混合搅拌并于200-300℃烘干； C、制备变质剂合金膏 将步骤B中所得变质剂与粘结剂按19：1的配比混合均匀制成变质剂合金膏； D、将变质剂合金膏均匀涂敷于被焊高强度钢结构件焊接接头表面进行激光焊接。
2.根据权利要求1所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在 于：步骤C中，所述变质剂合金膏中的粘结剂质量百分比为5％。
3.根据权利要求1所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在 于：步骤C中，所述粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透 明塑胶体，粘结剂受热在150-370℃间完全挥发不留任何残渣。
4.根据权利要求1所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在 于：步骤D中，所述高强度钢结构件选用DP780双相钢，厚度分别为1.0mm和1.2mm，进 行不等厚板激光拼焊试验。
5.根据权利要求1所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，其特征在 于：步骤D中，所述激光焊接时，激光焊机为CO2激光器，焊接功率P＝1.0kw，焊接速度 V＝2000mm/min，离焦量F＝0mm，侧吹气为纯Ar，流量为30L/min。
翻译：技术领域
本发明属于焊接与连接技术领域，具体涉及一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的 方法。
背景技术
汽车轻量化技术是轻量化设计、轻量化材料和轻量化制造技术的集成应用。汽车轻量化 后保证碰撞安全性的一个重要手段就是采用高强度钢并运用激光焊接技术制造车身各种承 力安全结构件。
高强度钢是指在低碳钢中添加少量的铌、钛、铬、镍、钼、钴、锰和钛等合金元素，通 过固溶体强化、析出强化、晶粒细化强化和应变组织强化而获得的钢种。高强度钢具有极高 的抗拉强度和屈服强度，其成型性能好、能量吸收率高、初始加工硬化速率高且防撞凹性能 好，并迅速发展为汽车制造中应用前景最为看好的轻量化材料之一。钢板强度提高，板厚就 可以减薄，从而有效减轻车重。使用高强度钢板代替原用钢板后，车身板厚可由1.2～1.5mm 减为0.8～1.0mm，零部件一次减重效果可达15～20％。
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，具有热输入量 低、焊接速度快、接头热变形和热影响区小、熔池形状深宽比大、焊缝组织细和接头韧性好 等优点，在机械、汽车、造船、航空航天、钢铁、海洋工程和零件表面修复等工业领域获得 了日益广泛的应用，成为汽车制造业突出的成就之一。激光焊接工艺与传统点焊搭接工艺的 产品相比有诸多优势，其不仅降低了整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油 耗和废品率，还减少了外围加强件数量，简化了装配步骤及工艺，同时使车辆的碰撞能力增 强，冲压成型率及抗腐蚀能力提高。汽车车身各种承力安全结构件使用激光焊接技术生产后， 零部件二次减重可进一步提高到30～40％。
高强度钢合金元素含量丰富，加工工艺复杂，对冶金质量要求高。以双相钢为例，其是 由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而得到的铁素体和马氏体双相组织，是 在临界温度区间进行退火和随后的淬火，双相区退火温度直接决定了奥氏体的含量及其碳含 量，从而决定了奥氏体淬透性；而冷却速度决定了奥氏体以何种方式完成转变，扩散型或切 变型，这些加工历程以及组织变化将直接影响材料的力学性能。在快速冷却过程中，奥氏体 会完全转变成马氏体，从而达到了马氏体和铁素体的室温组织。高强度钢对热过程和成分变 化极为敏感，焊接过程中由于受到热作用，母材局部重熔，焊缝区组织将发生变化。
因此，长久以来保证焊缝与母材的组织和性能一致性是高强度钢焊接的难点。首先，激 光焊接温度高，钢中起强化作用的合金元素氧化和烧损严重；其次，加热周期短，焊缝区组 织很难实现均匀化，导致在渗碳体原位生成的奥氏体含碳量高，其他区域奥氏体的含碳量低， 高碳奥氏体较难实现马氏体的完全转变，造成组织中有较多的残余奥氏体，残余奥氏体是非 平衡组织，它能在应力的诱发下转变成马氏体，降低焊接接头的力学性能；另外，焊接时的 冷却速度极快，完全破坏了母材原有组织平衡状态，使焊缝金属具有一个特殊的过饱和的铸 态组织，导致焊缝金属的组织状态与母材金属之间存在较大的差别。焊接接头的力学性能并 不完全取决于焊缝金属的化学成分，还与其所处的组织状态有很大关系。焊接接头组织是由 焊缝的化学成分和焊接热过程共同作用的结果。高强度钢激光焊接改变母材原有热处理过 程，导致焊接接头的力学性能与母材不相等，塑性、韧性显著降低。
目前，对高强度钢激光焊接的研究主要集中在各种超高强钢的焊接性、焊接规范参数对 接头组织和性能的影响、功率密度、激光脉冲波形、激光脉冲宽度、离焦量、焊接速度和保 护气体等工艺参数的优化，并取得了可喜的成果。为能实现在较低激光功率下获得更大的焊 缝熔深，稳定的焊接过程和优异的焊缝成形质量，近年来，研究人员研发出多种激光与其它 热源进行复合的焊接工艺，如激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊、双激 光束焊以及多光束激光焊等用于高强度钢的焊接。但是，激光焊接高强度钢获得的接头低于 母材力学性能的技术难题仍然未能解决。至今为止，未见如何改善高强度钢激光焊接接头组 织，提高焊接接头力学性能的相关报道。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足的情况下，提供一种提高高强度钢激光焊 接接头力学性能的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：
本发明通过在高强度钢焊接接头施焊处表面添加由多种熔点较高的合金元素和适量的 无机化合物组成的变质剂来改变焊接接头的力学性能，其中合金元素在接头表面起固溶强化 和变质处理的作用，并改变焊缝凝固组织的形态；无机化合物在焊接过程中一方面是为了防 止起变质处理的合金元素氧化失去变质处理作用，另一方面可以提高对激光光束的吸收率和 能量转换效率。
一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，包括以下步骤：
A、原料的处理
筛选尺寸为20-60μm，纯度99.99％的Co(钴)，Mo(钼)和V(钒)金属颗粒备用；
选取Na2B4O7·10H2O(硼砂)，MnO(氧化锰)和Si02(二氧化硅)，分别进行脱水、 烘干、粉碎以及筛选备用，筛选时颗粒尺寸为20-50μm；
B、变质剂的制备
将步骤A中所得的金属颗粒和无机化合物按质量百分比为Co40-50％，Mo20-30％，V 20-30％，Na2B4O72-4％，MnO1-3％和Si021-3％混合搅拌并于200-300℃烘干；
C、制备变质剂合金膏
将步骤B中所得变质剂与粘结剂按19：1的配比混合均匀制成变质剂合金膏；
D、将变质剂合金膏均匀涂敷于被焊高强度钢结构件焊接接头表面进行激光焊接。
步骤C中，所述变质剂合金膏中的粘结剂质量百分比为5％。
步骤C中，所述粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透 明塑胶体，粘结剂受热在150-370℃间完全挥发不留任何残渣。
步骤D中，所述高强度钢结构件选用DP780双相钢，厚度分别为1.0mm和1.2mm，进 行不等厚板激光拼焊试验。
步骤D中，所述激光焊接时，激光焊机为CO2激光器，焊接功率P＝1.0kw，焊接速度 V＝2000mm/min，离焦量F＝0mm，侧吹气为纯Ar，流量为30L/min。
添加粘结剂的目的是保证变质剂能牢固粘附在焊接接头施焊处表面，同时，保证激光焊 接后粘结剂能完全挥发不留任何残渣，避免焊缝处形成气孔或夹杂。
激光焊接温度高，钢中起强化作用的合金元素氧化和烧损非常严重，激光焊接接头施焊 处表面添加Co，Mo和V合金元素作为变质剂首先是补偿激光焊接过程中由于蒸发和氧化 等原因造成的强化相合金元素的损失；其次是Co，Mo和V合金元素的熔点较高，可以作 为焊缝金属凝固过程中非自发晶核的质点，使焊缝金属晶粒细化；第三，添加Co也是为了 提高钢的Ms(马氏体转变)温度，减少钢中的残余奥氏体，Co在钢中起固溶强化作用，可 获得钢的自回火特性；添加Mo和V以便在回火时产生弥散强化效应。
金属材料对激光束具有极高的表面初始反射率和辐射能的吸收率低等特点，而无机化合 物在室温时对激光的吸收率较高，变质剂中添加适量的无机化合物，首先是提高对激光光束 的吸收率；其次是无机化合物熔点较低，Na2B4O7在741℃熔化，在液态下分解成硼酐和偏 硼酸钠，硼酐与金属氧化物形成易熔的硼酸盐，而偏硼酸钠与硼酸盐形成熔化温度更低的复 合化合物，保护Co，Mo和V合金元素不被氧化。
本发明的有益效果为：本发明通过向焊接接头施焊处表面添加变质剂，补偿激光焊接过 程中由于蒸发和氧化等原因造成的合金元素的损失，同时对熔化的焊缝金属进行变质处理， 改变焊缝金属凝固组织的形态，细化晶粒，改善塑性、韧性，从而提高焊接接头的力学性能。
附图说明
图1为本发明焊接接头施焊处表面添加变质剂时接头截面形貌图；
图2为本发明焊接接头施焊处表面添加变质剂时焊缝组织图；
图3为本发明焊接接头施焊处表面未添加变质剂时接头截面形貌图；
图4为本发明焊接接头施焊处表面未添加变质剂时焊缝组织图。
具体实施方式
通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。
本发明所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，是在高强度钢焊接接头 施焊处表面添加变质剂，变质剂含有熔点较高的合金元素和无机化合物，起固溶强化和变质 处理作用的同时提高对激光光束的吸收率和能量转换效率。
一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，包括以下步骤：
A、原料的处理
筛选尺寸为20-60μm，纯度99.99％的Co，Mo和V金属颗粒备用；
选取Na2B4O7·10H2O，MnO和Si02，分别进行脱水、烘干、粉碎以及筛选备用，筛选 时颗粒尺寸为20-50μm；
B、变质剂的制备
将步骤A中所得的金属颗粒和无机化合物按质量百分比为Co40-50％，Mo20-30％，V 20-30％，Na2B4O72-4％，MnO1-3％和Si021-3％混合搅拌并于200-300℃低温烘干；
C、制备变质剂合金膏
将步骤B中所得变质剂和粘结剂按质量百分比为95％和5％混合均匀制成变质剂合金 膏；
其中，所述粘结剂是以聚苯乙烯为溶质，三氯乙烯为溶剂制成的具有一定粘性的透明塑 胶体，粘结剂受热在150-370℃间完全挥发不留任何残渣；
添加粘结剂的目的是保证变质剂能牢固粘附在焊接接头施焊处表面，同时，保证激光焊 接后粘结剂能完全挥发不留任何残渣，避免焊缝处形成气孔或夹杂；
D、将变质剂合金膏均匀涂敷于被焊高强度钢结构件焊接接头表面进行激光焊接；
高强度钢材料选用DP780双相钢，厚度分别为1.0mm和1.2mm，进行不等厚板激光拼 焊试验；
激光焊接时，激光焊机为CO2激光器，焊接功率P＝1.0kw，焊接速度V＝2000mm/min， 离焦量F＝0mm，侧吹气为纯Ar，流量为30L/min；
下述所有实施例均按上述工艺步骤和成分进行激光焊接，实施例见下表1。
表1变质剂成分及其焊接头性能
本发明所述的一种提高高强度钢激光焊接接头力学性能的方法，按照上述工艺步骤和成 分进行激光焊接所达到的技术指标：
(1)细化焊缝金属晶粒，改善接头塑性和韧性；
(2)接头抗拉强度提高5.0-12.0％，接头伸长率提高5.2-16.4％。
