抗裂性能优异的激光焊接接头
阅读：844发布：2024-01-09
专利汇可以提供抗裂性能优异的激光焊接接头专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种高抗裂性能 激光 焊接 接头，其 焊缝 金属以重量百分比为计的化学成分为：C 0.25-0.60%，Si 0.4-1.0%，Mn 0.50~1.50%，Ti 0.04~0.2%，REM 0.002-0.05%，N 0.002-0.02%，[Si]×1.4+1≥[Mn]×1.2，[REM]≥[N]，[Ti]≥[N]×10，S≤0.015%，P≤0.015%，余量为Fe及杂质元素。焊缝金属 抗拉强度 ≥800MPa，焊接速度在4m/min以上，采用氮气和氩气混合保护气体。，下面是抗裂性能优异的激光焊接接头专利的具体信息内容。
1.一种高抗裂性能激光焊接接头，其焊缝金属以重量百分比为计的化学成分为：C
0.25-0.60%，Si 0.4-1.0%，Mn 0.50 1.50%，Ti 0.04 0.2%，REM 0.002-0.05%，N 0.002-~ ~
0.02%，[Si]×1.4+1≥[Mn]×1.2，[REM]≥[N]，[Ti]≥[N]×10，S≤0.015%，P≤0.015%，余量为Fe及杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高抗裂性能激光焊接接头，其特征是：焊缝金属中等轴晶占比在30%以上。
3.根据权利要求1-2所述的一种高抗裂性能激光焊接接头，其特征是：焊缝金属抗拉强度≥800MPa。
4.根据权利要求1-3所述的一种高抗裂性能激光焊接接头，其特征是：焊接速度在4m/min以上，采用氮气和氩气混合保护气体，其中氮气含量在10%以下。
抗裂性能优异的激光焊接接头
技术领域
背景技术
[0002] 中高碳钢薄板常常用于汽车、机械制造、家用电器等领域以提高承载能力，实现减量化设计。由于是薄板，因此常常采用自动化焊接技术来进行制造装配。由于能量密度高，因此激光焊接技术得到了广泛应用。对于2mm厚度以下的薄板，激光焊接可实现4m/min的焊接速度，效率提升显著。
[0003] 对于碳含量在0.25％以下的钢板，由于碳含量低，碳当量低，凝固裂纹敏感性低，因此采用工艺优化可得到无缺陷的焊接接头；尤其是对于碳含量在0.1％以下的钢板，可在较宽的工艺范围内得到无缺陷焊接接头。
[0004] 但对于碳含量在0.3％以上的钢板来说，由于碳含量进一步加大，在焊接凝固过程中固液两相区的进一步加大，其凝固裂纹敏感区间也得到了进一步增加，因此常常会产生凝固裂纹。尤其是当碳含量在0.45％以上时，仅仅通过改变工艺参数很难得到无缺陷的焊接接头。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供抗裂性能优异的激光焊接接头，适用于碳含量在0.3％以上的高强度薄板的激光焊接，从而解决困扰高碳钢激光焊接凝固裂纹的难题。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种高抗裂性能激光焊接接头，其焊缝金属以重量百分比为计的化学成分为：C 0.25-0.60％，Si 0.4-1.0％，Mn 0.50～1.50％，Ti 0.04～0.2％，REM 0.002-0.05％，N
0.002-0.02％，[Si]×1.4+1≥[Mn]×1.2，[REM]≥[N]，[Ti]≥[N]×10，S≤0.015％，P≤
0.015％，余量为Fe及杂质元素。
0.002-0.02％，[Si]×1.4+1≥[Mn]×1.2，[REM]≥[N]，[Ti]≥[N]×10，S≤0.015％，P≤
0.015％，余量为Fe及杂质元素。
[0008] 一种高抗裂性能激光焊接接头，焊缝金属中等轴晶占比在30％以上。
[0009] 一种高抗裂性能激光焊接接头，焊缝金属抗拉强度≥800MPa。
[0010] 一种高抗裂性能激光焊接接头，焊接速度在4m/min以上，采用氮气和氩气混合保护气体，其中氮气含量在10％以下。
[0011] C：用于强化焊缝金属，主要是来自于母材的稀释。碳含量决定了焊缝金属凝固过程中固液区宽度，从而决定了凝固裂纹敏感性，因此越小越好。当其含量≥0.60％时，由于固液区宽度过大，以及由其引起的成分偏析过大，会使得枝晶偏析严重，从而导致凝固裂纹。因此，优选其成分为0.25-0.60％。
[0012] Si：一方面用于确保焊接熔滴过渡、另一方面增加Mn和Ti等元素的扩散活度，从而一定程度上抑制成分偏析、枝晶偏析和境界偏析。当其含量低于0.4％时，其效果不明显；当其含量超过1.0％时，会对韧性和塑性造成不利影响。因此，优选其成分为0.4-1.0％。
[0013] Mn：用于强化焊缝金属，同时也参与焊接熔池中的脱氧反应。当其含量低于0.5％时，强化效果不明显；当其含量超过1.5％时，一方面过会使焊缝韧性降低，另一方面会增加成分偏析、枝晶偏析和境界偏析，从而增加焊缝裂纹敏感性。因此优选Mn含量为0.5～1.5％。
[0014] Si和Mn两者都参与焊接熔池中的脱氧过程、也都可以强化焊缝金属，因此是焊缝金属中不可或缺的元素。但同时，两者对于偏析的影响是相反的，因此需要优化两者区间和配比，以平衡焊缝金属强度、凝固裂纹敏感性之间关系。
[0015] 数据表明，Si对于Ti,S和P等元素的扩散活度提升在1.3-1.5倍之间，这与温度和各元素含量有关；而与此同时，Mn对于上述元素的扩散活度降低在1.1-1.3倍之间，其效果同样与温度和各元素含量有关。取平均值1.4和1.2作为Si和Mn对焊缝金属偏析效果的影响系数。
[0016] 在激光焊接熔池中，Si的脱氧效果强度Mn，但是Mn对于焊缝金属的组织细化效果显著，综合两者关系，两者差值在1.0时，能够兼顾焊缝金属组织细化和焊缝成型性能效果。
[0017] 因此，[Si]×1.4+1≥[Mn]×1.2。
[0018] Ti：是本发明中的重要元素之一。添加目的是在焊缝金属中参与脱氧过程从而生成部分氧化物颗粒，随着焊缝金属发生从液态到固态的凝固过程，这部分氧化物会成为后续异质形核质点，从而促进氮化钛的析出；氮化物颗粒形成，进一步为铁素体形核和长大提供了质点，从而在焊缝中心的芯部形成等轴类的凝固组织，改变了偏析严重的树枝晶组织，从而避免了凝固裂纹的发生。
[0019] 当其含量低于0.04％时，促进焊缝金属芯部的等轴状类组织效果不明显；当其含量超过0.2％时，一方面其促进等轴状类组织效果已达极限，另一方面会伴随大量碳化钛、氮化钛的析出，不仅不能消除凝固裂纹，反而会促进焊接冷裂纹的产生，同时对塑性和韧性也不利。因此，其优选含量是0.04～0.2％。
[0020] REM：一方面用于改善枝晶间偏析，降低凝固裂纹敏感性；另一方面是形成部分氧化物颗粒，从而在随后的凝固过程中充当异质形核质点促进等轴状类组织生产，从而避免最后凝固部位形成树枝晶组织，从而降低凝固裂纹敏感性。
[0021] 当其含量低于0.002％时，效果不明显；当其含量超过0.02％时，由于其极度的活泼性，容易生成大量氧化物且易造成团聚，从而失去促进等轴状类组织的异质形核质点的作用，反而生成的大尺寸团聚类氧化物会破坏焊缝金属的力学性能。因此，其优选含量是0.002-0.05％。
[0022] N：主要用于与钛结合生成氮化钛，从而促进焊缝金属中最后凝固部位的等轴状类组织生成，从而避免凝固裂纹产生。当其含量低于0.002％时，生成氮化钛数量有限，其促进等轴状类组织生成效果不明显；当其含量超过0.02％时，容易在焊缝金属中造成气孔等缺陷。因此，其优选含量是0.002-0.02％。
[0023] 当[Ti]≥[N]×10，氮化钛析出效果更好，从而更好的促进等轴类组织生成，更好的降低凝固裂纹敏感性。
[0024] 当[REM]≥[N]时，一方面形成氧化物粒子也可作为一部分氮化钛形核的质点，从而促进氮化钛析出，从而促进等轴类组织生成，从而降低凝固裂纹敏感性；另一方面，可以更好通过改善偏析和净化晶界的作用来降低N引起的气孔发生概率。
[0025] S，P：都容易发生偏析，且对力学性能不利，作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量S≤0.015％，P≤0.015％。
[0026] 本发明中还对以下参数做出要求：
[0027] 焊缝金属中等轴晶占比在30％以上；
[0028] 焊缝金属抗拉强度≥800MPa；
[0029] 焊接速度在4m/min以上；
[0030] 采用氮气和氩气混合保护气体，其中氮气含量在10％以下。
[0031] 本发明的优点及有益效果：
[0032] 1.本发明采用Ti和REM添加，通过焊接熔池中形成的氮化物和氧化物来促进焊缝金属中等轴状类凝固组织生成，通过Ti,REM和N的比例优化，以及Si和Mn优化，可在焊缝金属中得到30％以上的等轴状类凝固组织，从而消除高碳含量带来的树枝晶类组织形成，从而消除凝固裂纹。
[0033] 2.本发明高抗裂性能激光焊接接头的焊缝金属的抗拉强度≥800MPa，可广泛应用于汽车、机械等领域高碳钢薄板的激光焊接。
具体实施方式
[0034] 以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0035] 选用厚度0.8-5mm薄板，抗拉强度在800MPa以上。
[0036] 按要求选用直径0.8-1.6mm焊丝，实芯或者药芯。
[0037] 选用功率5kW激光器，光斑直径在0.5-5.5mm之间可调。采用氩气和氮气混合气体作为保护气体，氮气含量在20％以下。
[0038] 开展焊接试验，可选择填充焊丝，也可不填丝。
[0039] 焊后对焊接接头的化学成分、接头质量和力学性能进行测试检验[0040] 实施例1-2：
[0041] 母材碳含量0.5％，抗拉强度830MPa。不填丝焊接，不开坡口。
[0042] 焊接试验参数见表1。
[0043] 经检验，焊缝金属化学成分见表2，质量性能见表3。
[0044] 实施例3-4：
[0045] 母材碳含量0.55％，抗拉强度830MPa。不填丝焊接，不开坡口。
[0046] 焊接试验参数见表1。
[0047] 经检验，焊缝金属化学成分见表2，质量性能见表3。
[0048] 实施例5-6：
[0049] 母材碳含量0.6％，抗拉强度830MPa。采用直径1.0mm的实芯焊丝。
[0050] 焊接试验参数见表1。
[0051] 经检验，焊缝金属化学成分见表2，质量性能见表3。
[0052] 实施例7-8：
[0053] 母材碳含量0.45％，抗拉强度830MPa。采用直径1.2mm的实芯焊丝。
[0054] 焊接试验参数见表1。
[0055] 经检验，焊缝金属化学成分见表2，质量性能见表3。
[0056] 对比例1-2：
[0057] 母材碳含量0.5％，抗拉强度830MPa。采用直径0.8mm的实芯焊丝。
[0058] 焊接试验参数见表1。
[0059] 经检验，焊缝金属化学成分见表2，质量性能见表3。
[0060] 对比例3-4：
[0061] 母材碳含量0.6％，抗拉强度830MPa。不填丝焊接，不开坡口。
[0062] 焊接试验参数见表1。
[0063] 经检验，焊缝金属化学成分见表2，质量性能见表3。
[0064] 通过上述实施例可知，本发明高抗裂性能激光焊接接头，适用于碳含量在0.3％-0.8％之间的高碳含量高强度薄板的激光焊接，从而解决困扰高碳钢激光焊接凝固裂纹的难题。可广泛应用于汽车、机械等领域高碳钢薄板的激光焊接。
[0065] 表1实施例焊接试验参数
[0066]
[0067] 表2实施例焊缝金属化学成分(wt.％)
[0068]
[0069] 表3实施例焊接接头质量和性能
[0070]
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