《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》是長春三友汽車部件製造有限公司於2016年3月2日申請的專利，該專利的公布號為CN105562959A，授權公布日為2016年5月11日，發明人是蔣志岩、姚漢偉、韓秀紅、范志強、尹善文。
《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》該方法首先以多種熔點較高的金屬顆粒和適量的無機化合物按質量百分比為Co40-50％，Mo20-30％，V20-30％，Na2B4O72-4％，MnO1-3％和Si021-3％混合攪拌並於200-300℃烘乾製備變質劑；再將製得的變質劑與粘結劑按19:1的配比混合均勻製成變質劑合金膏；最後，將變質劑合金膏均勻塗敷於被焊高強度鋼結構件焊接接頭表面進行雷射焊接。該發明焊接得到的接頭抗拉強度提高5.0-12.0％，接頭伸長率提高5.2-16.4％，有效提高了焊接接頭的力學性能。
2019年10月，《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。
（概述圖為《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法
- 申請人：長春三友汽車部件製造有限公司
- 申請日：2016年3月2日
- 申請號：201610117506X
- 公布日：2016年5月11日
- 公布號：CN105562959A
- 發明人：蔣志岩、姚漢偉、韓秀紅、范志強、尹善文
- 地址：吉林省長春市朝陽經濟開發區三友路777號
- Int.Cl.：B23K35/30(2006.01)I、B23K35/40(2006.01)I、B23K26/16(2006.01)I
- 代理機構：長春吉大專利代理有限責任公司
- 代理人：朱世林
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
汽車輕量化技術是輕量化設計、輕量化材料和輕量化製造技術的集成套用。汽車輕量化後保證碰撞安全性的一個重要手段就是採用高強度鋼並運用雷射焊接技術製造車身各種承力安全結構件。
高強度鋼是指在低碳鋼中添加少量的鈮、鈦、鉻、鎳、鉬、鈷、錳和鈦等合金元素，通過固溶體強化、析出強化、晶粒細化強化和應變組織強化而獲得的鋼種。高強度鋼具有極高的抗拉強度和屈服強度，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，並迅速發展為汽車製造中套用前景最為看好的輕量化材料之一。鋼板強度提高，板厚就可以減薄，從而有效減輕車重。使用高強度鋼板代替原用鋼板後，車身板厚可由1.2～1.5毫米減為0.8～1.0毫米，零部件一次減重效果可達15～20％。
雷射焊接是利用高能量密度的雷射束作為熱源的一種高效精密焊接方法，具有熱輸入量低、焊接速度快、接頭熱變形和熱影響區小、熔池形狀深寬比大、焊縫組織細和接頭韌性好等優點，在機械、汽車、造船、航空航天、鋼鐵、海洋工程和零件表面修復等工業領域獲得了日益廣泛的套用，成為汽車製造業突出的成就之一。雷射焊接工藝與傳統點焊搭接工藝的產品相比有諸多優勢，其不僅降低了整車的製造成本、物流成本、整車重量、裝配公差、油耗和廢品率，還減少了外圍加強件數量，簡化了裝配步驟及工藝，同時使車輛的碰撞能力增強，衝壓成型率及抗腐蝕能力提高。汽車車身各種承力安全結構件使用雷射焊接技術生產後，零部件二次減重可進一步提高到30～40％。
高強度鋼合金元素含量豐富，加工工藝複雜，對冶金質量要求高。以雙相鋼為例，其是由低碳鋼或低碳微合金鋼經兩相區熱處理或控軋控冷而得到的鐵素體和馬氏體雙相組織，是在臨界溫度區間進行退火和隨後的淬火，雙相區退火溫度直接決定了奧氏體的含量及其碳含量，從而決定了奧氏體淬透性；而冷卻速度決定了奧氏體以何種方式完成轉變，擴散型或切變型，這些加工歷程以及組織變化將直接影響材料的力學性能。在快速冷卻過程中，奧氏體會完全轉變成馬氏體，從而達到了馬氏體和鐵素體的室溫組織。高強度鋼對熱過程和成分變化極為敏感，焊接過程中由於受到熱作用，母材局部重熔，焊縫區組織將發生變化。
因此，長久以來保證焊縫與母材的組織和性能一致性是高強度鋼焊接的難點。首先，雷射焊接溫度高，鋼中起強化作用的合金元素氧化和燒損嚴重；其次，加熱周期短，焊縫區組織很難實現均勻化，導致在滲碳體原位生成的奧氏體含碳量高，其他區域奧氏體的含碳量低，高碳奧氏體較難實現馬氏體的完全轉變，造成組織中有較多的殘餘奧氏體，殘餘奧氏體是非平衡組織，它能在應力的誘發下轉變成馬氏體，降低焊接接頭的力學性能；另外，焊接時的冷卻速度極快，完全破壞了母材原有組織平衡狀態，使焊縫金屬具有一個特殊的過飽和的鑄態組織，導致焊縫金屬的組織狀態與母材金屬之間存在較大的差別。焊接接頭的力學性能並不完全取決於焊縫金屬的化學成分，還與其所處的組織狀態有很大關係。焊接接頭組織是由焊縫的化學成分和焊接熱過程共同作用的結果。高強度鋼雷射焊接改變母材原有熱處理過程，導致焊接接頭的力學性能與母材不相等，塑性、韌性顯著降低。
2016年前，對高強度鋼雷射焊接的研究主要集中在各種超高強鋼的焊接性、焊接規範參數對接頭組織和性能的影響、功率密度、雷射脈衝波形、雷射脈衝寬度、離焦量、焊接速度和保護氣體等工藝參數的最佳化，並取得了可喜的成果。為能實現在較低雷射功率下獲得更大的焊縫熔深，穩定的焊接過程和優異的焊縫成形質量，近年來，研究人員研發出多種雷射與其它熱源進行複合的焊接工藝，如雷射與電弧、雷射與等離子弧、雷射與感應熱源複合焊、雙雷射束焊以及多光束雷射焊等用於高強度鋼的焊接。但是，雷射焊接高強度鋼獲得的接頭低於母材力學性能的技術難題仍然未能解決。至2016年為止，未見如何改善高強度鋼雷射焊接接頭組織，提高焊接接頭力學性能的相關報導。
發明內容
專利目的
《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》的目的就在於針對上述2016年3月之前技術的不足的情況下，提供一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法。
技術方案
《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》通過在高強度鋼焊接接頭施焊處表面添加由多種熔點較高的合金元素和適量的無機化合物組成的變質劑來改變焊接接頭的力學性能，其中合金元素在接頭表面起固溶強化和變質處理的作用，並改變焊縫凝固組織的形態；無機化合物在焊接過程中一方面是為了防止起變質處理的合金元素氧化失去變質處理作用，另一方面可以提高對雷射光束的吸收率和能量轉換效率。
《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》包括以下步驟：
A、原料的處理
篩選尺寸為20-60微米，純度99.99％的Co（鈷），Mo（鉬）和V（釩）金屬顆粒備用；選取Na2B4O7·10H2O（硼砂），MnO（氧化錳）和Si02（二氧化矽），分別進行脫水、烘乾、粉碎以及篩選備用，篩選時顆粒尺寸為20-50微米；
B、變質劑的製備
將步驟A中所得的金屬顆粒和無機化合物按質量百分比為Co40-50％，Mo20-30％，V20-30％，Na2B4O72-4％，MnO1-3％和Si021-3％混合攪拌並於200-300℃烘乾；
C、製備變質劑合金膏
將步驟B中所得變質劑與粘結劑按19:1的配比混合均勻製成變質劑合金膏；
D、將變質劑合金膏均勻塗敷於被焊高強度鋼結構件焊接接頭表面進行雷射焊接。
步驟C中，所述變質劑合金膏中的粘結劑質量百分比為5％。
步驟C中，所述粘結劑是以聚苯乙烯為溶質，三氯乙烯為溶劑製成的具有一定粘性的透明塑膠體，粘結劑受熱在150-370℃間完全揮發不留任何殘渣。
步驟D中，所述高強度鋼結構件選用DP780雙相鋼，厚度分別為1.0毫米和1.2毫米，進行不等厚板雷射拼焊試驗。
步驟D中，所述雷射焊接時，雷射焊機為CO2雷射器，焊接功率P＝1.0千瓦，焊接速度V＝2000毫米/分鐘，離焦量F＝0毫米，側吹氣為純Ar，流量為30升/分鐘。
添加粘結劑的目的是保證變質劑能牢固粘附在焊接接頭施焊處表面，同時，保證雷射焊接後粘結劑能完全揮發不留任何殘渣，避免焊縫處形成氣孔或夾雜。
雷射焊接溫度高，鋼中起強化作用的合金元素氧化和燒損非常嚴重，雷射焊接接頭施焊處表面添加Co，Mo和V合金元素作為變質劑首先是補償雷射焊接過程中由於蒸發和氧化等原因造成的強化相合金元素的損失；其次是Co，Mo和V合金元素的熔點較高，可以作為焊縫金屬凝固過程中非自發晶核的質點，使焊縫金屬晶粒細化；第三，添加Co也是為了提高鋼的Ms（馬氏體轉變）溫度，減少鋼中的殘餘奧氏體，Co在鋼中起固溶強化作用，可獲得鋼的自回火特性；添加Mo和V以便在回火時產生彌散強化效應。
金屬材料對雷射束具有極高的表面初始反射率和輻射能的吸收率低等特點，而無機化合物在室溫時對雷射的吸收率較高，變質劑中添加適量的無機化合物，首先是提高對雷射光束的吸收率；其次是無機化合物熔點較低，Na2B4O7在741℃熔化，在液態下分解成硼酐和偏硼酸鈉，硼酐與金屬氧化物形成易熔的硼酸鹽，而偏硼酸鈉與硼酸鹽形成熔化溫度更低的複合化合物，保護Co，Mo和V合金元素不被氧化。
有益效果
《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》的有益效果為：該發明通過向焊接接頭施焊處表面添加變質劑，補償雷射焊接過程中由於蒸發和氧化等原因造成的合金元素的損失，同時對熔化的焊縫金屬進行變質處理，改變焊縫金屬凝固組織的形態，細化晶粒，改善塑性、韌性，從而提高焊接接頭的力學性能。
附圖說明
圖1為《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》焊接接頭施焊處表面添加變質劑時接頭截面形貌圖；
圖2為該發明焊接接頭施焊處表面添加變質劑時焊縫組織圖；
圖3為該發明焊接接頭施焊處表面未添加變質劑時接頭截面形貌圖；
圖4為該發明焊接接頭施焊處表面未添加變質劑時焊縫組織圖。
附圖說明
權利要求
1.《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》其特徵在於，包括以下步驟：
A、原料的處理
篩選尺寸為20-60微米，純度99.99％的Co，Mo和V金屬顆粒備用；選取Na2B4O7·10H2O，MnO和Si02，分別進行脫水、烘乾、粉碎以及篩選備用，篩選時顆粒尺寸為20-50微米；
B、變質劑的製備
將步驟A中所得的金屬顆粒和無機化合物按質量百分比為Co40-50％，Mo20-30％，V20-30％，Na2B4O72-4％，MnO1-3％和Si021-3％混合攪拌並於200-300℃烘乾；
C、製備變質劑合金膏
將步驟B中所得變質劑與粘結劑按19:1的配比混合均勻製成變質劑合金膏；
D、將變質劑合金膏均勻塗敷於被焊高強度鋼結構件焊接接頭表面進行雷射焊接。
2.根據權利要求1所述的一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法，其特徵在於：步驟C中，所述變質劑合金膏中的粘結劑質量百分比為5％。
3.根據權利要求1所述的一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法，其特徵在於：步驟C中，所述粘結劑是以聚苯乙烯為溶質，三氯乙烯為溶劑製成的具有一定粘性的透明塑膠體，粘結劑受熱在150-370℃間完全揮發不留任何殘渣。
4.根據權利要求1所述的一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法，其特徵在於：步驟D中，所述高強度鋼結構件選用DP780雙相鋼，厚度分別為1.0毫米和1.2毫米，進行不等厚板雷射拼焊試驗。
5.根據權利要求1所述的一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法，其特徵在於：步驟D中，所述雷射焊接時，雷射焊機為CO2雷射器，焊接功率P＝1.0千瓦，焊接速度V＝2000毫米/分鐘，離焦量F＝0毫米，側吹氣為純Ar，流量為30升/分鐘。
實施方式
《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》是在高強度鋼焊接接頭施焊處表面添加變質劑，變質劑含有熔點較高的合金元素和無機化合物，起固溶強化和變質處理作用的同時提高對雷射光束的吸收率和能量轉換效率。
《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》包括以下步驟：
A、原料的處理
篩選尺寸為20-60微米，純度99.99％的Co，Mo和V金屬顆粒備用；選取Na2B4O7·10H2O，MnO和Si02，分別進行脫水、烘乾、粉碎以及篩選備用，篩選時顆粒尺寸為20-50微米；
B、變質劑的製備
將步驟A中所得的金屬顆粒和無機化合物按質量百分比為Co40-50％，Mo20-30％，V20-30％，Na2B4O72-4％，MnO1-3％和Si021-3％混合攪拌並於200-300℃低溫烘乾；
C、製備變質劑合金膏
將步驟B中所得變質劑和粘結劑按質量百分比為95％和5％混合均勻製成變質劑合金膏；其中，所述粘結劑是以聚苯乙烯為溶質，三氯乙烯為溶劑製成的具有一定粘性的透明塑膠體，粘結劑受熱在150-370℃間完全揮發不留任何殘渣；添加粘結劑的目的是保證變質劑能牢固粘附在焊接接頭施焊處表面，同時，保證雷射焊接後粘結劑能完全揮發不留任何殘渣，避免焊縫處形成氣孔或夾雜；
D、將變質劑合金膏均勻塗敷於被焊高強度鋼結構件焊接接頭表面進行雷射焊接；高強度鋼材料選用DP780雙相鋼，厚度分別為1.0毫米和1.2毫米，進行不等厚板雷射拼焊試驗；雷射焊接時，雷射焊機為CO2雷射器，焊接功率P＝1.0千瓦，焊接速度V＝2000毫米/分鐘，離焦量F＝0毫米，側吹氣為純Ar，流量為30升/分鐘；
下述所有實施例均按上述工藝步驟和成分進行雷射焊接，實施例見下表1。
實施例 | 變質劑成分（質量百分比wt%） | 接頭性能指標 | ||||||
/ | Co | Mo | V | Na2B4O7 | MnO | SiO2 | 強度(兆帕) | 伸長率（%） |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 698 | 11.6 |
1 | 40 | 30 | 24 | 2 | 1 | 3 | 745 | 12.8 |
2 | 45 | 25 | 24 | 2 | 1 | 3 | 761 | 12.5 |
3 | 50 | 20 | 20 | 4 | 3 | 3 | 772 | 11.9 |
4 | 40 | 30 | 25 | 3 | 1 | 1 | 752 | 13.2 |
5 | 45 | 25 | 25 | 3 | 1 | 1 | 781 | 12.7 |
6 | 47 | 25 | 20 | 4 | 2 | 2 | 757 | 13.0 |
7 | 45 | 28 | 20 | 4 | 2 | 1 | 733 | 12.4 |
8 | 40 | 23 | 28 | 3 | 3 | 3 | 747 | 13.1 |
9 | 45 | 27 | 20 | 2 | 3 | 3 | 769 | 13.5 |
該發明所述的一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法，按照上述工藝步驟和成分進行雷射焊接所達到的技術指標：
（1）細化焊縫金屬晶粒，改善接頭塑性和韌性；
（2）接頭抗拉強度提高5.0-12.0％，接頭伸長率提高5.2-16.4％。
榮譽表彰
2019年10月，《一種提高高強度鋼雷射焊接接頭力學性能的方法》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。
