[发明专利]一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接方法

说明书

一种高强度双相钢厚板的高速激光填丝深熔焊接的方法，焊接的主要工艺参数为：用光纤Nd:YAG激光器填丝对接深熔焊，焊缝预制对接间隙为1.0～1.6mm，聚光镜焦距为15cm，离焦距离为‑10～3mm，激光功率控制在1.8～6kW，焊接速度控制在10～60mms^‑1，焊丝直径为1.2～2.0 mm，送丝速度为20～240mms^‑1。本发明所得焊缝焊接热影响区宽度小于0.6mm；焊缝区为粗大马氏体组织；焊接热影响区以细小马氏体组织为主，焊接接头部分硬度在370～450HV0.1，焊接接头拉伸强度接近甚至超过母材。由于快速冷却马氏体强化和合金强化的作用，使得焊接接头硬度和强度大幅提高。

技术领域

本发明采用高速激光填丝对高强度双相钢进行深熔焊接，进而改善焊接件力学性能的方法，属于特种焊接领域。

技术背景

双相钢作为以相变为基础的先进高强钢，是通过控制冷却速度获得铁素体软相和马氏体（或贝氏体）硬相的双相组织，其具有良好的强度和塑性综合性能，符合汽车的轻量化要求，已广泛应用于汽车制造业中，车身结构采用双相钢不仅可以减轻车身质量、降低油耗，而且能增大车身结构的抗凹陷能力；非车身结构采用双相钢明显提升悬挂件以及车轮的强度和疲劳性能。汽车零部件一般需要通过焊接方式进行连接。目前汽车生产中应用最多的焊接方法是电阻点焊，但在某些点焊焊钳无法到达的部位(如车身大拐角处)，必须采用激光焊方法进行焊接。激光焊是以高能量密度的激光束作为热源，直线照射到一个很小的点从而引发金属基体熔化的焊接方式。焊接过程中，部分母材汽化后在基体表面产生气流波，对焊接部位起到清洁作用。同时，熔池中心形成一个小凹形空腔（匙孔），当激光束向前焊接移动时，熔池中的熔体迅速流向凹形空腔，同时由于表面张力的作用，随着焊接的进行，空腔得到连续不断的填补，从而形成均匀的焊缝。

国内外学者对钢材厚板(4~15 mm)的焊接技术展开了大量的研究工作，包括焊接工艺和焊接性，研究的侧重点在于焊接工艺参数对于组织和性能的影响，发现采用激光焊接可能无法穿透双相钢厚板，并且会产生无法接受的大变形。

Alcock利用二极管激光焊接304L不锈钢合金，发现只有当热输入量高于600J/mm时，熔深可以达到10 mm以上。Elmesalamy通过应用1kW光纤激光器，焊接20mm厚的不锈钢对接接头，间隙达1.5mm，显示出该焊接方法的可行性。但在厚板激光焊接中易出现接头变形情况，焊接接头上表面会出现明显凹陷而下表面凸起等形状缺陷，从而影响材料的使用。为了获得无缺陷的接头，可以采用背板和激励工具生成向上的电磁力以调节熔池形状。Ferabi研究双相钢激光焊接接头的组织和力学性能情况，通过对DP600钢进行焊接发现，焊接后在焊缝区域出现了明显的硬化现象，而热影响区存在软化现象；Tae-KyoHan对DP600、DP800双相钢等先进高强钢进行CO₂激光焊接，研究焊接接头的硬化行为发现，在DP600双相钢、DP800双相钢中，焊接接头的最高硬度出现在焊缝金属以及HAZ靠近熔合线一侧，而从热影响区到母材侧硬度是逐渐降低的。

发明内容

针对采用普通焊接方法连接高强度双相钢时，易造成焊接区出现的软化问题，本发明采用一种含Ni、Cu、Mo、V等元素的焊丝和高能快速激光焊接技术，并提供优化的激光焊接工艺参数，以改善双相钢接头力学性能，目的是获得不低于双相钢母材的焊接接头强度和硬度，从而满足该钢材在压力容器、轨道交通、海洋运输、桥梁等应用要求。

本发明采用的焊丝的主要成分列于表1，焊丝中含有少量的Ni、Cu、Mo、V等强化元素，焊丝直径为1.2～2.0mm。

表1 实用化焊接用双相钢和焊丝的化学成分范围（质量分数，%）