[发明专利]一种用于激光焊接热成形钢的焊剂和工艺

说明书

本发明公开了一种用于激光焊接表面涂覆Al‑Si涂层的热成形钢的焊剂和工艺，属于焊接与连接技术领域。采用熔盐和金属氧化物用作焊剂，按质量百分比计(Wt/％)为：二氧化硅(SiO₂)15‑20％，氧化锰(MnO)20‑30％，氧化铁(FeO)10‑15％，氟化钙(CaF₂)5‑10％，冰晶石(Na₃AlF₆)余量。预先将粘结剂涂覆在表面涂覆Al‑Si涂层的热成形钢拼焊施焊处，然后再将焊剂粘附在焊接接头施焊处涂覆有粘结剂的表面进行施焊。相同技术参数条件下，涂覆Al‑Si涂层的热成形钢采用焊剂后施焊，提高接头力学性能，焊缝区显微硬度降低，显微硬度值(HV)472‑513，接头伸长率为1.6％‑2.2％。

技术领域

本发明涉及一种用于激光焊接表面涂覆Al-Si涂层的热成形钢的焊剂和工艺，通过采用熔盐和金属氧化物用作焊剂与热成形钢板材表面Al-Si涂层发生冶金过程的物理化学反应，降低激光焊接过程中Al-Si涂层熔化后Al元素溶解或渗入到焊缝与Fe元素形成Fe-Al金属间化合物，从而达到提高激光焊接接头力学性能，属于焊接与连接技术领域。

背景技术

热成形钢是一种兼顾轻量化、安全性要求和生产成本的超高强度钢。热成形钢通过采用热成形技术，板材在高温下具有塑性好、成形能力强、回弹量小等特点，在淬火后强度可达1500MPa级别，满足汽车安全结构件冲压和淬火强化的双重需求。热成形技术促进了热成形钢激光拼焊板的发展，结合多材料组合结构设计和变强度成形设计，热成形用钢和激光拼焊的技术组合，板材在热成形前进行激光拼焊，通过激光拼焊和热成形技术使材料、零部件的结构设计与成形技术相结合的更加紧密，广泛用于制造汽车A柱、B柱、前后纵梁等系列安全结构件，提高汽车安全结构件的强度、抗弯曲和扭转刚性等碰撞安全性指标，实现汽车车身轻量化，车身重量减重达到20％，已成为行业热衷的技术解决方案。热成形钢在热成形过程中需要将板材加热至910℃以上的温度，结果会导致板材表面氧化产生氧化物，产生的氧化物会影响后续的再次焊接性能和涂镀性能，为此，焊接和涂镀前需要喷丸处理表面在加热过程中产生的氧化物，喷丸过程增加了生产成本，降低了生产效率，对周围环境造成严重污染。为了避免热成形钢在热成形过程中板材的氧化，提高板材表面质量、再次焊接性能以及后续精密成型精度等，一些钢铁公司针对热成形钢的成形过程和特点相继开发出了不同系列的表面涂层材料和工艺技术。其中，Al-Si(铝硅)涂层是目前应用最为广泛的热成形钢涂层，具有耐高温、低密度、高导热性、耐磨损及热膨胀系数小等优点。Al-Si涂层在高温氧化环境下表面生成连续、均匀、致密的Al-Si氧化物保护薄膜，涂覆有Al-Si涂层的热成形钢在热成形过程中无需加入保护气体，表面不会产生氧化物，免去后续表面喷丸处理，改善加工环境，提高了零部件和总成部件的制造尺寸精度，受各大汽车主机厂和零部件厂的欢迎。但是，热成形钢板材在激光焊接时，表面Al-Si涂层严重影响了板材的焊接性，Al-Si涂层熔化后Al元素会溶解或渗入焊缝与Fe元素形成多种脆性Fe-Al金属间化合物，降低接头力学性能。解决的技术方案多数是通过前处理去除施焊处周围的表面Al-Si涂层，再进行焊接。前处理则采用机械或物理方法，如砂轮、刮刀、喷丸和激光烧蚀等方法去除板材表面Al-Si涂层再进行焊接，避免Al-Si涂层在焊接过程中对焊缝组织和成分的影响，降低激光焊接接头力学性能。采用机械方法去除涂层，工序繁多，生产效率低，对周围环境造成严重污染。为此，国内申请多件针对涂覆Al-Si涂层热成形钢进行直接激光焊接工艺和材料的发明专利。专利201380001259.1公布了一种利用填充焊丝(C含量比基材高0.1％-0.8％wt、Mn含量比基材高1.5％-7.0％wt)实现不需要去除Al-Si镀层可直接进行激光拼焊。专利201510165732.0公布了一种利用填充焊丝(包含0.6-0.9wt％的C、0.3-0.9wt％的Mn、1.6-3.0wt％的Ni、余量的Fe及其他不可避免的杂质)实现不需要去除Al-Si镀层可直接进行激光拼焊。采用填充焊丝进行激光焊接会形成焊缝余高，焊缝余高影响了激光拼焊板表面的平整度，易造成应力集中，对汽车安全结构件承载和动载不利。专利201611036496.3则公布了一种采用氧气和二氧化碳的一种或两种与惰性气体(氮气、氩气等)的混合气体作为保护气体，提高焊接熔池中的氧分压，氧与铝元素结合形成对焊缝强韧性不影响的Al₂O₃，抑制Al与Fe元素形成金属间化合物和影响奥氏体相变，焊缝区最终获得全板条马氏体组织。采用氮作为保护气体，高温下氮气和钢铁材料反应生成氮化物Fe₄N，Fe₄N是一种脆硬的金属间化合物，会使焊缝的硬度提高，塑形、韧性急剧下降，焊接钢时，防止焊缝金属的氮化是一个重要问题。因此，一种技术的应用不能在解决某个问题时，又损害产品的其他性能。近年来，激光焊接采用焊剂一直受到本领域研究人员关注，申请多件发明专利，如专利201610412023.2和201610117506.X。焊接接头的力学性能取决于焊缝金属的化学成分和其所处的组织状态，而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。热成形钢激光拼焊板在后续精密成型过程中焊接接头的开裂往往并不是因为接头强度低所造成的，而是因为接头的塑形降低所造成的。如何改善在激光焊接时表面Al-Si涂层对热成形钢焊接性的影响，提高焊接接头的强韧性是科研人员亟待解决技术难题。