CN108213711A - 一种用激光填丝焊工艺制造铝硅镀层热成形钢拼焊板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用激光填丝焊工艺制造铝硅镀层热成形钢拼焊板的方法，包括选择拼焊板的对象材料、选择焊接填充材料、调整焊接工艺参数并完成拼焊板及热成形步骤。本方法针对待拼焊板的厚度、基体材料的成分等特性参数，通过合理选择焊丝成分、调整焊接工艺参数、控制热成形过程，改善并获得与强度要求匹配的焊缝组织。与传统激光拼焊板方法(如激光自熔焊)相比，本方法不需要去除镀铝硅板镀层的工艺步骤，即可保证焊缝质量，简化了拼焊板工艺流程的步骤，提高了生产效率；不需要额外增加去除镀层所需的高昂设备投入，生产成本显著下降；本发明方法可用于激光TIG填丝焊、激光MIG复合焊工艺，还具有可降低对薄板拼接夹具的精度要求、提高焊缝强度等优点。

Description

一种用激光填丝焊工艺制造铝硅镀层热成形钢拼焊板的方法

技术领域

本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及一种铝硅镀层热成形钢拼焊板制造工艺。

背景技术

热成形是指一种利用板料高温软化的特点进行成形，同时在带有冷却通路的冲压模具中进行快速冷却，从而使板料的软相组织转迅速变为硬相组织的金属加工工艺。铝硅镀层热成形钢即镀铝硅热成形钢，是表面覆有热镀Al-Si镀层的热成形钢。镀铝硅热成形钢具有铝硅镀层能抑制拼焊板在热成形时的氧化和脱碳、表面质量好、在服役过程中能提供防护的优点，同时拼焊板热成形工艺使得零部件在获得目标形状的同时具有极高的强度，因而用途极广。特别是激光拼焊镀铝硅热成形钢，不仅具有激光焊焊缝、热影响区域窄以及焊接薄板时的变形小等特点，还使拼焊板具有极高的强度，广泛地应用于汽车车身加强结构件。

但是，这类镀铝硅镀层热成形钢板在激光拼焊板时，镀层会渗入到焊缝区域，导致经热成形后的零部件强度降低。因而在制造此类拼焊板时需要在焊接前将焊接区域的镀层去除，一般将该区域的宽度限制在3～5mm，否则焊缝区域仍会出现氧化起皮和脱碳，引起焊缝区域抗腐蚀性的降低。

目前去除镀层的方法有很多种，包括机械的、化学的和热学的方法，但存在各自的不足：

机械去除大都是接触式的，去除深度较难控制，质量稳定性较差。由于镀层较薄，通常在30μm左右，因而需要机床的位移控制精度能达到微米级，而微米级机床成本较高，并且刀具磨损大，需要经常更换；板料的平整度对镀层去除效果也有很大影响，操作时可能导致镀层去除不干净、刮伤基板、产生残余应力，并且去除速度慢、效率低。

化学去除需要额外的防护覆膜，以保护不去除区域，对于大块板料来说操作复杂，费时费力，还存在酸性试剂控制不当易造成基板腐蚀及废液需要额外处理的问题。

使用脉冲激光(热学去除)，可以烧蚀金属或非金属镀层。参数选择合适时，可以将镀层部分去除，仅保留过渡层以保护去除镀层的区域不受腐蚀，但该方法使用的脉冲激光器价格较高，尤其是飞秒或皮秒脉冲激光器价格昂贵；激光器参数的波动也会对烧蚀去除的结果造成很大影响，仍然存在去除不干净的可能。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用激光填丝焊工艺制造铝硅镀层热成形钢拼焊板的方法，本发明的方法无需去除待焊镀铝硅钢板的表面镀层，通过合理地选择焊丝成分、调整激光填丝焊的工艺参数、控制拼焊板热成形各环节参数，即可获得与强度要求匹配的焊缝组织。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过焊接方法的选择和调整控制，在保证拼焊板焊缝质量的前提下，省略传统工艺激光拼焊前必须去除待焊接区域镀层的工艺步骤，以克服该工艺操作复杂、较难控制、去除效果不佳、工作效率很低、所需设备价格昂贵对镀铝硅热成形钢板获得低成本广泛应用造成的制约。

为实现上述目的，本发明提供了一种用激光填丝焊工艺制造铝硅镀层热成形钢拼焊板的方法，包括如下步骤：

S1，选择铝硅镀层拼焊板的对象材料；

S2，选择焊接填充材料；

S3，调整焊接工艺参数，采用激光填丝焊完成拼焊板；

S4，拼焊板热成形。

进一步地，S1具体包括：选择镀铝硅热成形钢作为拼焊板的对象材料，所述镀铝硅热成形钢材料组织分为第一层、第二层和第三层，第一层为Al-Si共晶合金层，厚度为20μm；第二层为Fe-Al的金属间化合物层，厚度为6-8μm；第三层为基体材料，厚度为1mm～3mm；第一层和第二层为表面镀层，可以是双面镀层或者是单面镀层；准备焊接材料，包括使板材剪切面的直线度符合焊接要求，并保持板材表面清洁。

进一步地，S2具体包括：根据待焊镀铝硅钢基体材料的成分、镀层的厚度，选择与镀铝硅热成形钢相匹配的焊接填充材料成分。

进一步地，S2还包括在焊丝中添加需求元素，以改善激光焊焊缝组织。

进一步地，S2还包括：所述焊接填充材料可以是焊丝或其他焊接填充材料，通过所述焊接填充材料的熔化，可降低施焊过程中由于所述拼焊板的对接间隙距离的波动对焊接质量的影响。

再进一步地，S2中所述焊丝的直径通常大于所述拼焊板的对接间隙。

进一步地，S3具体包括：当待拼焊板的板料厚度不同或者所述基体材料的成分不同的时候，或者当待拼焊板的板料厚度及其基体材料的成分均有所不同的时候，需要相应地调整焊丝直径、激光功率、焊接速度、填丝速度、离焦量等焊接工艺参数，这样做的目标是控制填充材料与所述基体材料的稀释率，确保焊缝区组织在经过所述S4热成形工艺后，具有与所述基体材料接近的强度。

进一步地，S3还包括：控制拼焊板对接焊的焊缝余高。由于激光填丝焊需额外填充材料，拼焊板对接焊过程中如果没有合适的间隙量，会导致焊缝正面和背面产生余高，焊缝余高虽然能提高焊接接头的力学性能，但对拼焊板后续的冲压成形会产生一些影响，所以S3中需要控制焊接接头的焊缝余高使其较小或几乎为零，以焊接接头不影响后续热成形为控制目标。

再进一步地，S3中还包括：使用惰性气体作为保护气，对焊缝进行保护的步骤。

进一步地，所述S4具体包括：将S3获得的拼焊板放入加热炉中，在900～950℃左右的温度下保温5min，利用金属材料高温时强度降低的特点对所述拼焊板进行热成形，然后将保温后的拼焊板迅速转移到带有冷却水通路的模具中进行成形并同时冷却，当冷却速度达到30K/s后，所述零部件的材料从铁素体和珠光体的软相组织完全转变为马氏体的硬相组织，在所述零部件获得目标形状的同时提高其强度。

进一步地，所述镀铝硅热成形钢的所述第一层的厚度为20μm，所述第二层的厚度为6-8μm，所述第三层的厚度为1mm～3mm。

进一步地，所述S2中还包括在所述焊丝中添加富奥氏体贫铁素体元素，通过稀释和元素过渡的综合方式，抑制铝硅镀层的影响，所述焊接工艺参数调整的目标为：控制所述填充材料与所述基体材料的稀释率，确保焊缝区组织在经过所述S4热成形工艺后，具有与所述基体材料接近的强度，且焊接接头的焊缝余高不影响后续工序对所述拼焊板热成形的质量。更进一步地，本发明所述激光填丝焊工艺同样可用于激光TIG填丝焊或者激光MIG复合焊。

本发明在省略传统拼焊板前必须去除焊缝区域铝硅镀层步骤的情况下，针对待拼焊的基体材料的厚度、成分等特性参数，通过合理选择焊丝成分、调整激光填丝焊的工艺参数、控制拼焊板热成形参数，改善了普通激光自熔焊的焊缝组织，获得了与强度要求相匹配的焊缝组织。与传统激光拼焊板方法(如激光自熔焊)的最大区别在于，本发明的方法无需拼焊板之前去除镀铝硅板镀层的工艺步骤，亦可保证焊缝质量，简化了拼焊板工艺流程的步骤，大幅提升了生产效率；由于省去了镀层预处理的流程，不需要额外增加去除镀层所需的高昂设备投入，生产成本显著下降。本发明的方法可用于单纯激光焊、激光复合焊工艺，还具有可降低对薄板拼接夹具的精度要求、提高焊缝强度等优点，具有推广应用价值。

此外，激光填丝焊应用于镀铝硅钢拼焊板的制造还具有以下优点：

1、由于焊丝直径通常大于对接间隙，通过焊丝熔化可降低待拼焊板材焊口间隙距离的波动对焊缝质量的影响，进而降低对薄板拼接夹具的精度要求；

2、由于填丝焊可以降低卷入剪切面的镀层的影响，激光填丝焊工艺可以降低对薄板剪切面直线度的要求；

3、激光填丝焊相对于普通激光自熔焊可以提高铝硅镀层在焊缝组织的分布均匀性，减少软相的存在或获得软相弥散分布在马氏体内的焊缝组织。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的工艺流程图；

图2是本发明实施例1的激光填丝焊接接头横截面微观组织图；

图3是本发明实施例1的激光填丝焊接接头拉伸断口形貌图；

图4是本发明实施例2的自熔焊焊接接头横截面微观组织图；

图5是本发明实施例2的自熔焊焊接接头拉伸断口形貌图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种用激光填丝焊工艺制造铝硅镀层热成形钢拼焊板的方法，包括如下步骤：

S1，选择铝硅镀层拼焊板的对象材料；

S2，选择焊接填充材料；

S3，调整焊接工艺参数，采用激光填丝焊完成拼焊板；

S4，拼焊板热成形。本实施例中，选择镀铝硅热成形钢作为拼焊板的对象材料，镀铝硅热成形钢材料组织分为第一层、第二层和第三层，第一层为Al-Si共晶合金层，厚度为20μm；第二层为Fe-Al的金属间化合物层，厚度为6-8μm；第三层为基体材料，厚度为1mm～3mm；第一层和第二层为表面镀层，可以是双面镀层或者是单面镀层；准备焊接材料，包括使板材剪切面的直线度符合焊接要求，并保持板材表面清洁。

S2具体包括：根据待焊镀铝硅钢基体材料的成分、镀层的厚度，选择与镀铝硅热成形钢相匹配的焊接填充材料成分。

S2还包括在焊丝中添加需求元素，以改善激光焊焊缝组织。

在一较佳实施例中，S2还包括：焊接填充材料可以是焊丝或其他焊接填充材料，通过焊接填充材料的熔化，可降低施焊过程中由于拼焊板的对接间隙距离的波动对焊接质量的影响。

在一较佳实施例中，S2中焊丝的直径通常大于拼焊板的对接间隙。

本实施例中，S3具体包括：当待拼焊板的板料厚度不同或者基体材料的成分不同的时候，或者当待拼焊板的板料厚度及其基体材料的成分均有所不同的时候，需要相应地调整焊丝直径、激光功率、焊接速度、填丝速度、离焦量等焊接工艺参数，这样做的目标是控制填充材料与基体材料的稀释率，确保焊缝区组织在经过S4热成形工艺后，具有与基体材料接近的强度。

在一较佳实施例中，S3还包括：控制拼焊板对接焊的焊缝余高。由于激光填丝焊需额外填充材料，拼焊板对接焊过程中如果没有合适的间隙量，会导致焊缝正面和背面产生余高，焊缝余高虽然能提高焊接接头的力学性能，但对拼焊板后续的冲压成形会产生一些影响，所以S3中需要控制焊接接头的焊缝余高使其较小或几乎为零，以焊接接头不影响后续热成形为控制目标。

在一较佳实施例中，S3中还包括：使用惰性气体作为保护气，对焊缝进行保护的步骤。

本实施例中，S4具体包括：将S3获得的拼焊板放入加热炉中，在900～950℃左右的温度下保温5min，利用金属材料高温时强度降低的特点对拼焊板进行热成形，然后将保温后的拼焊板迅速转移到带有冷却水通路的模具中进行成形并同时冷却，当冷却速度达到30K/s后，零部件的材料从铁素体和珠光体的软相组织完全转变为马氏体的硬相组织，在零部件获得目标形状的同时提高其强度。

镀铝硅热成形钢的第一层的厚度为20μm，第二层的厚度为6-8μm，第三层的厚度为1mm～3mm。

在一较佳实施例中，S2中还包括在焊丝中添加富奥氏体贫铁素体元素，通过稀释和元素过渡的综合方式，抑制铝硅镀层的影响，焊接工艺参数调整的目标为：控制填充材料与基体材料的稀释率，确保焊缝区组织在经过S4热成形工艺后，具有与基体材料接近的强度，且焊接接头的焊缝余高不影响后续工序对拼焊板热成形的质量。

本实施例的激光填丝焊工艺同样可用于激光TIG填丝焊或者激光MIG复合焊。

实施例1：

选择板料厚度为1.5mm的具有铝硅镀层4的22MnB5热成形钢作为拼焊板的对象材料，该拼焊板材料双面镀层，从外层向内层分为第一层、第二层和第三层：第一层为Al-Si共晶合金层，厚度为20μm；第一层下面的第二层为Fe-Al的金属间化合物层，厚度为6-8μm；最里层的第三层为22MnB5钢基体材料2，厚度为1.45mm；

制备焊口，包括将对接间隙调整为1.0mm，使剪切断面的直线度、形状符合焊接要求，并保持焊口清洁。

选择激光填丝焊焊接方法，选择直径为1.2mm的镍基合金焊丝，在大离焦量条件下，将激光功率调整为3kW，焊接速度调整为2.4m/min，填丝速度调整为1.5m/min，用Ar气作为保护气，完成激光填丝焊，控制焊接接头的焊缝余高不影响后续工序对所述拼焊板热成形的质量，就可以获得激光填丝第一焊接接头1。

再经过950℃保温5min，在模具成形、水冷处理后，得到如图2所示的焊接接头，零部件的材料从铁素体和珠光体的软相组织完全转变为马氏体的硬相组织，其接头强度可以达到1500MPa，接头断口形貌如图3，在零部件获得目标形状的同时提高其强度。

实施例2：

作为对比实施方式，选择完全相同的板料和相同预处理方式的焊口作为拼焊板的对象材料。

选择普通激光自熔焊焊接方法，激光功率同样为3kW，焊接速度提高到5.8m/min，选择Ar气作为保护气，完成激光自熔焊，可以获得第二焊接接头3。

经过完全相同的热成形工艺后，得到的焊接接头组织如图4所示，其接头强度仅为1250MPa，接头断口形貌如图5。

比较以上两种实施方式，可以看出：当选择相同的对象材料(厚度、材质均相同，表面铝硅镀层4的形式及厚度也完全相同)，采用激光填丝焊与采用普通激光自熔焊焊接方法完成的拼焊板，在激光功率相同的条件下，激光填丝焊的焊接速度大约为采用普通激光自熔焊焊接速度的一半，但是激光填丝焊相对于普通激光自熔焊，铝硅镀层4在焊缝组织的分布均匀性更好，铁素体、珠光体软相组织明显减少、或已转变为软相弥散分布的马氏体组织焊缝，焊接接头强度更高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用激光填丝焊工艺制造铝硅镀层热成形钢拼焊板的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，选择铝硅镀层拼焊板的对象材料；

S2，选择焊接填充材料；

S3，调整焊接工艺参数，采用激光填丝焊完成拼焊板；

S4，拼焊板热成形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1具体包括：选择镀铝硅热成形钢作为所述拼焊板的对象材料，所述镀铝硅热成形钢包括第一层、第二层和第三层，所述第一层为Al-Si共晶合金层，所述第二层为Fe-Al的金属间化合物层，所述第三层为所述钢板基体材料；准备焊接材料，包括使板材剪切面的直线度符合焊接要求，并保持板材表面清洁。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2具体包括：根据所述基体材料的成分、镀层的厚度，选择成分与镀铝硅热成形钢相匹配的所述焊接填充材料；选择确定所述焊接填充材料的形态为焊丝。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3具体包括：根据所述拼焊板的板料厚度的不同和/或所述基体材料成分的不同，相应地调整焊丝直径、激光功率、焊接速度、填丝速度、离焦量。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4具体包括：将S3获得的所述拼焊板放入加热炉中，在900～950℃的温度下保温5min，使所述拼焊板热成形，然后将保温后的拼焊板转移到带有冷却水通路的模具中进行成形并同时冷却，当冷却速度达到30K/s后，所述零部件的材料从铁素体和珠光体的软相组织完全转变为马氏体的硬相组织，在所述零部件获得目标形状的同时提高其强度。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述镀铝硅热成形钢的所述第一层的厚度为20μm，所述第二层的厚度为6-8μm，所述第三层的厚度为1mm～3mm。

7.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述S2中还包括在所述焊丝中添加富奥氏体贫铁素体元素，通过稀释和元素过渡的综合方式，抑制铝硅镀层的影响，所述焊接工艺参数调整的目标为：控制所述填充材料与所述基体材料的稀释率，确保焊缝区组织在经过所述S4热成形工艺后，具有与所述基体材料接近的强度，且焊接接头的焊缝余高不影响后续工序对所述拼焊板热成形的质量。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光填丝焊工艺同样可用于激光TIG填丝焊或者激光MIG复合焊。